Морфология и систематика микроорганизмов
Все живые микроорганизмы, исходя из их строения, делятся на две большие группы – имеющие клеточное строение и не имеющие клеточного строения. Не имеющие клеточного строения организмы – это вирусы. Все остальные имеют клеточное строение. Они в свою очередь делятся на прокариотные и эукариотные организмы. Прокариоты не имеют дифференцированного ядра. К ним относятся бактерии, включая актиномицеты, риккетсии, микоплазмы, цианобактерии. Эукариоты имеют истинное ядро. Это грибы, водоросли, высшие растения и животные. Вся эволюция живых организмов на Земле делится на два промежутка времени – это, когда существовали только прокариоты и когда появились эукариоты.
Бактерии
Форма и размеры бактерий
Сферические бактерии. Эти бактерии называются также кокками (греч. kokkos – зерно). Они имеют округлую форму и в зависимости от положения клеток после их деления подразделяются: микрококки – Micrococcus (греч. micros – малый) – кокки, которые делятся в одной плоскости и после деления клетки располагаются поодиночке; диплококки – Diplococcus (греч. diplos – двойной) – кокки, которые делятся в одной плоскости и после деления их клетки располагаются попарно; стрептококки – Streptococcus (греч. streptos – цепочка) – кокки, которые делятся в одной плоскости, после деления между клетками сохраняется связь, и они располагаются в виде цепочек. Цепочки кокков могут быть короткими (3-4 клетки) или длинными (несколько десятков клеток); тетракокки – Tetracoccus (греч. tetra – четыре) – кокки, которые делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и после деления образуют тетрады (тетрады – редко встречающиеся формы; сарцины – Sarcina (лат. sarcio – соединение) – кокки, которые делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, и после деления располагаются в виде пакетов из 8, 16, 32, 64 клеток; стафилококки – Staphylococcus (греч. staphyle – виноградная гроздь) – кокки, которые делятся в нескольких плоскостях, после деления клетки располагаются в виде виноградной грозди. Кокки не всегда бывают правильной круглой формы. Они могут быть ланцетовидные, овальные, бобовидные, подобными кофейному зерну, могут быть сдавлены с одной или нескольких сторон. Некоторые кокки могут иметь жгутики, эндоспоры. Но большинство кокков неподвижно и не образует эндоспоры.
Цилиндрические бактерии. Цилиндрическая, или палочковидная форма характерна для большинства бактерий (греч. bacteria – палочка; лат. bacillum – палочка). Палочковидные бактерии подразделяются на образующие эндоспоры и не образующие эндоспоры. Палочковидные бактерии различаются по длине, поперечному диаметру, форме концов клеток, расположению.
По длине палочковидные бактерии подразделяются на длинные (более 3 мкм), короткие (3-1 мкм) и очень короткие (менее 1 мкм). Длина последних слегка превышает диаметр клетки, поэтому их называют коккобактериями. По поперечному диаметру палочковидные бактерии делятся на толстые и тонкие. Концы палочек бывают закругленными, с обрезанными краями, заостренные, утолщенные. Располагаются палочки поодиночке, по две клетки (диплобактерии, или диплобациллы), цепочками (стрептобактерии, или стрептобациллы). Некоторые палочки располагаются под углом друг к другу, образуя фигуры подобные латинским буквам V, X, L.
Спиральные бактерии. Эти формы различаются количеством и характером завитков, длиной и толщиной клеток. Они подразделяются на вибрионы (лат. vibrare – колебание, дрожание), которые имеют вид изогнутой палочки или запятой; спириллы(лат. spiro – изгиб) – это спирально изогнутые клетки, имеющие большой поперечный диаметр и малое число высоких завитков; спирохеты (лат. spiro – изгиб, греч. сhaite – хохол, грива) - это изгибающиеся тонкие спирально изогнутые клетки.
Нитчатые формы бактерий. Они называются также трихомные(греч. trachoma – волосы). Это в большинстве случаев палочковидные клетки, которые соединяются в длинные цепочки, объединяемые либо слизью, либо чехлами, либо общей оболочкой.
Необычные формы бактерий. Эти формы морфологически разнообразны. Тороидальные (замкнутые и незамкнутые кольца) бактерии могут с помощью фимбрий (выростов клетки) объединяться в скопления – розетки, могут накладываться друг на друга, образуя спирали длиной 4-50 мкм. Звездообразные клетки напоминают шестиугольную звезду, они обнаружены в идах и торфах. Канатоподобные клетки образуют скопления звездообразной формы. Тубероидальные (лат. tuberculum – вздутие) клетки – это палочковидные бактерии со сферическими вздутиями. Бывают бактерии в форме плоских квадратных пластинок, коробочковидных плоских клеток геометрически разнообразной формы. Встречаются червеобразные клетки с заостренными и тонкими концами (рисунок А.1)..
Размеры бактерий. Размеры бактериальных клеток сильно варьируют. Шаровидные бактерии имеют диаметр от 0,2 мкм до 2,5 мкм. Встречаются гигантские формы (например, Achromaticum oxaliferum имеет в длину 125 мкм). Мельчайшими из известных клеточных организмов являются микоплазмы (0,15 мкм). Этот размер является теоретическим пределом клеточного уровня организации жизни, при котором в клетке еще может быть минимум молекул белка (порядка 1200) и минимум ферментных реакций, необходимых для поддержания клеточной структуры. Палочковидные бактерии имеют толщину в среднем 0,5-1,0 мкм. Длина палочек от 1-2 до 19 мкм. Нитчатые бактерии достигают в длину макроскопических размеров и видны невооруженным глазом (1 мм). Спирохеты могут быть длиной от 1-3 до 100-500 мкм.
Химический состав бактерий
Химический состав бактериальной клетки сходен с химическим составом других живых организмов. Ее компонентами являются вода, минеральные и органические соединения – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Клеточная вода. Клеточная вода составляет 75-90% массы вегетативной клетки. Нормальный метаболизм, рост и размножение микроорганизмов возможны только в водной среде. Вода является растворителем органических и минеральных веществ, дисперсионной средой для коллоидов, источником водородных и гидроксильных ионов, водорода и кислорода. В клетке вода находится в двух состояниях: свободная вода, которая является растворителем, принимает участие в процессах метаболизма; связанная вода, которая связана с клеточными колодами (она определяет устойчивость микроорганизмов к низким и высоким температурам).
Минеральный состав. Из множества известных в настоящее время химических элементов в состав живого вещества чаще всего входит только 22, из них лишь 16 элементов встречаются во всех группах организмов. Шесть основных элементов (углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера) составляют 95% сухой биомассы бактериальной клетки. Углерод, азот, водород, кислород легко образуют прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, благодаря чему они способны давать разнообразные химические соединения. Бактерии также содержат калий, натрий, кальций, магний, хлор, железо (в пределах 1- 0,5% сухого вещества). На остальные элементы приходится около 0,3%.
Микроорганизмы используют металлы в форме катионов неорганических солей. Минеральные соли составляют от 2 до 30% сухого вещества клетки. Содержание солей варьирует в зависимости от состава питательной среды и возраста культуры. В молодых клетках из в 6-7 раз больше, чем в старых.
Некоторым бактериям для роста необходимы редкие элементы. По значению элементы можно условно разделить на существенные(отсутствие которых нарушает рост и размножение бактерий) и несущественные, которые могут быть заменены. Имеется группа олигоэлементов (греч.oligos - малый), которые в очень малых количествах стимулируют рост и развитие бактерий. Их общая масса не превышает 0,1% клеточного вещества. К ним относятся кадмий, ванадий, молибден, олово, никель, серебро и др. Эти элементы в питательные среды обычно не добавляют, так как они содержатся в водопроводной воде, пептоне, мясном экстракте и т.д.
Органические соединения. Большинство элементов находится в бактериальной клетке в составе биомолекул, среди которых аминокислоты, азотистые основания, сахара, жирные кислоты, спирты и т.д. являются основными компонентами органических веществ.
Белки составляют 40-80% клетки и представлены простыми и сложными белками. К сложным белкам относятся нуклеопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды, фосфопротеиды, металлопротеиды (содержащие железо, цинк, медь), флавопротеиды. Содержание белков в бактериальной клетке варьирует в зависимости от вида бактерий, возраста культуры, состава питательной среды и т.д. Бактериальные белки состоят из тех же 20 важнейших аминокислот, что и белки растений и животных, которые образуют полипептидные цепи (-СО-NН-). Аминокислотный состав белков различных видов бактерий качественно и количественно различен. Только у бактерий имеется диаминопимелиновая (ДАП) аминокислота, отсутствующая у высших организмов. У бактерий также встречаются D-аланин и D-глутаминовая кислота, которые отсутствуют у высших организмов. Только у бактерий встречаются такие аминокислоты, как аминомасляная, орнитин, гомосерин. Большинство бактерий сами синтезируют все необходимые им аминокислоты. Но некоторые бактерии нуждаются в готовых аминокислотах, которые вносят в питательные среды. У бактерий преобладают глобулярныебелки. Большинство из них растворимы в водных растворах, легко диффундируют, для них характерны биологически функции. Белки бактерий часто выполняют одновременно структурную и функциональную роль (например. белки цитоплазматической мембраны).
Нуклеиновые кислоты (НК) – сложные полимеры, состоящие из большого количества (1,5 тыс.-5 млн) мононуклеотидов. Мононуклеотиды построены из азотистого основания (пуринового – аденин (А), гуанин (Г), или пиримидинового – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У), сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Мононуклеотиды ковалентно связываются между собой фосфодиэфирными связями. Рибонуклеиновая кислота (РНК)составляет 10% сухого вещества. РНК обычно одноцепочная. Молекула РНК содержит сахар рибозу, азотистые основания АНЦУ и остаток фосфорной кислоты. В клетках существует три типа РНК: информационная, или матричная (используется в качестве матрицы, определяющей последовательность аминокислот в растущей полипептидной цепи); транспортная (переносит на рибосому определенные аминокислоты); рибосомальная (находится в рибосомах). Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) составляет 3-4% сухого вещества, содержит сахар дезоксирибозу, азотистые основания АГЦТ и остаток фосфорной кислоты. Она состоит из двух нуклеотидных цепей, образующих двойную спираль. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь спирали и каждое из них соединено водородной связью со строго определенным основанием другой цепи: аденин с тимином (АТ), гуанин с цитозином (ГЦ). Эти связи прочные, они обеспечивают стабильность системы.
Углеводы в бактериальной клетке составляют 12-30% сухого вещества. Они представлены моно- и полисахаридами. Полисахариды бактерий чрезвычайно разнообразная группа биополимеров. Среди них есть соединения, характерные, как для прокариот, так и эукариот (целлюлоза, гликоген). У бактерий обнаружен ряд полисахаридов, не встречающиеся у других организмов (тейхоевые кислоты, пептидогликаны, декстран и др.). Большинство полисахаридов включает самые распространенные сахара – глюкозу, галактозу, рамнозу. Тейхоевые кислоты – это полимеры глицерина (трехатомного спирта) или рибита (пятиатомного спирта) – глицеротейхоевая и рибитотейхоевая кислоты. В этих кислотах от 8 до 50 остатков спирта связано фосфодиэфирными связями и могут содержать моносахарид в качестве заместителя. Они содержатся в клеточной стенке бактерий (греч. teichos – стенка). В липополисахаридах(ЛПС) бактерий полисахаридная часть у разных видов представлена разными углеводами. ЛПС могут образовывать комплексы с пептидогликаном, кислыми капсульными полисахаридами. По функциональной активности полисахариды бактерий разделяются на внутриклеточные и внеклеточные.
Липиды бактерий представлены нейтральными жирами, фосфолипидами, восками. Общее содержание липидов варьирует от 5% (дифтерийная палочка) до 30-40% (возбудители туберкулеза). Основная масса липидов в бактериальной клетке связана с другими компонентами – белками (в цитоплазматической мембране), полисахаридами (эндотоксины, антигены). Липиды бактерий значительно разнообразнее липидов высших организмов. Они выполняют разнообразные функции – являются аккумуляторами энергии у некоторых бактерий (поли-β-оксимасляная кислота), служат структурными компонентами клетки (цитоплазматическая мембрана), участвуют в метаболизме углеводов, в энергетическом обмене, входят в состав антигенов, определяют кислотоустойчивость бактерий.
Нейтральные жиры (ацилглицерины, или глицериды) бактерий чаще всего содержат пальмитиновую, масляную, лауриновую, линолевую жирные кислоты. У бактерий широко распространены насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, капроновая). Ненасыщенные жирные кислоты представлены исключительно кислотами с одной двойной связью, в основном гексадекеновой (например, пальмитоленовая кислота). Содержание свободных жирных кислот в клетках варьирует от 5 до 30% в зависимости от видовых особенностей бактерий и условий их выращивания. Качественный и количественный состав жирных кислот изменяется с возрастом культуры, характеризуется высокой чувствительностью к физическим и химическим факторам внешней среды. Так, молодые клетки содержат значительное количество ненасыщенных жирных кислот. Бактерии также способны включать в себя жирные кислоты из окружающей среды. Бактерии не содержат полиненасыщенные жирные кислоты, стерины и стероиды. Фосфолипиды составляют в бактериальной клетке от 0,4% (дифтерийная палочка) до 6,5% (возбудитель туберкулеза). Основная их масса содержится в цитоплазматической мембране или в клеточных оболочках. Воски встречаются у кислотоустойчивых бактерий, например, микобактерий.
Пигменты бактерий. Среди бактерий есть значительное число пигментообразующих видов. Пигменты вырабатываются в зависимости от условий выращивания культуры бактерий – минерального состава и реакции среды, источника углерода, температуры, количества кислорода, источника света. Важными элементами для образования пигментов являются азот, магний, железо, кальций и др. Так, магний необходим для синтеза бактериохлорофиллов, железо – для продигиозина, пиоцианина. Пигменты могут выполнять в бактериальной клетке различные функции. Установлено их участие в фотосинтезе, в дыхании, в окислительно-восстановительных реакциях, защите от экстремальных факторов внешней среды (ультрафиолетовое излучение, повышенная концентрация минеральных солей и т.д.). По растворимости микробные пигменты можно разделить на две группы. Нерастворимые (хромофорные) пигменты связаны с клеточными компонентами и обуславливают окраску колоний бактерий, но не среды. Растворимые (хромоларные) пигменты растворяются в питательной среде и обуславливают ее окраску при росте бактерий. По химическому составу пигменты разнообразны – каротиноиды, меланины, хиноны, бактериохлорофиллы, пирролы.
Строение бактерий
Оболочки бактериальной клетки.Цитоплазма большинства бактерий окружена оболочками: клеточной стенкой, цитоплазматической мембраной и капсульным (слизистым) слоем. Эти структуры принимают участие в обмене веществ, через оболочки клетки поступают продукты питания и удаляются продукты метаболизма. Они защищают клетку от действия вредных факторов среды, в значительной степени обуславливают поверхностные свойства клетки (поверхностное натяжение, электрический заряд, осмотическое состояние и др.). Эти структуры в живой бактериальной клетке находятся в постоянном функциональном взаимодействии.
Клеточная стенка. Бактериальная клетка отделена от внешней среды клеточной стенкой. Ее толщина 10-20 нм, масса достигает 20-50% массы клетки. Это сложная полифункциональная система, определяющая постоянство формы клетки, ее поверхностный заряд, анатомическую целостность, способность к адсорбции фагов, участие в реакциях иммунитета, контакт с внешней средой и защиту от неблагоприятных внешних воздействий. Клеточная стенка обладает эластичностью и достаточной прочностью, выдерживает внутриклеточное давление 1-2 МПа. Она имеет мельчайшие поры, через которые транспортируются продукты метаболизма.
Основными компонентами клеточной стенки являются пептидогликаны (гликопептиды, мукопептиды, муреины, гликозаминопептиды), которые содержатся только у прокариот. Специфический гетерополимер пептидогликан состоит из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой посредством β-1-4-гликозидных связей, диаминопимелиновой кислоты (ДАП), D-глутаминовой кислоты, L- и D-аланина в соотношении 1:1:1:1:2. Молекула N-ацетилглюкозамина – производное глюкозы, в котором гидроксильная группа при втором атоме углерода замещена аминогруппой (к последней присоединен ацильный остаток); N-ацетилмурамовая кислота представляет собой эфир N-ацетилглюкозамина и молочной кислоты, к карбоксильной группе которой присоединен пептидный хвост из 4-5 аминокислот. Это чаше всего L- и D-аланины, D-глутаминовая кислота и одна из аминокислот (диаминопимелиновая, диаминомасляная, лизин, L-орнитин). Гликозидные и пептидные связи, которые объединяют субъединицы пептидогликанов, придают им структуру молекулярной сети или мешка (рисунок А.2).
Окраска по Граму. Большинство бактерий в зависимости от химического состава делятся на две группы. Это свойство было впервые замечено в 1884 г. датским физиком Х. Грамом. Сущность состоит в том, что при окрашивании бактерий генцианвиалетом (кристаллвиолетом, метилвиолетом и др.) у одних бактерий краска с йодом образует соединение, которое удерживается клетками при обработке их спиртом. Такие бактерии окрашены в сине-фиолетовый цвет и получили название грамположительных (Гр+), обесцвеченные бактерии – грамотрицательных (Гр-), их докрашивают контрастной краской (фуксином). Окраска по Граму является диагностической только в отношении прокариот, обладающих клеточной стенкой.
По структуре и химическому составу грамположительные бактерии существенно отличаются от грамотрицательных. У грамположительных бактерий клеточная стенка более толстая (20-80 нм, иногда до 100 нм), гомогенная, аморфная, содержит 50-80% (иногда до 95%) муреина, который связан с тейхоевыми кислотами. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка более тонкая, слоистая (внутренний ригидный слой толщиной 2-3 нм и наружный, именуемый внешней мембраной, толщиной 8-10 нм), мало муреина (5-10%) и он находится в ригидном слое, тейхоевые кислоты отсутствуют.
Таблица 1.1 - Химический состав клеточной стенки бактерий
| Компоненты клеточной стенки | Гр+ | Гр- |
| Пептидогликан (муреин) | +++ | + |
| Тейхоевые кислоты | + | - |
| Липиды | + | +++ |
| Полисахариды | + | + |
| Белки | + или - | - |
| Липополисахариды | - | + |
| Липопротеиды | - | + |
Периплазма – это пространство между внешней мембраной клеточной стенки и цитоплазматической мембраной, характерна только для грамотрицательных бактерий. Толщина ее около 10 нм, содержит муреин, белки, олигосахариды, неорганические вещества.
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ). К внутренней стороне поверхности клеточной стенки прилегает ЦПМ. Она составляет 8-10% массы клетки. Толщина ее равна 7-10 нм. Основным компонентом ЦПМ является липидно-белковый комплекс, в котором белки составляют 50-75%, липиды – 15-45%, некоторые содержат углеводы (до 6%). Липиды в основном представлены фосфолипидами (до 80% всех клеточных липидов). ЦПМ состоит из двойного слоя фосфолипидов. Их полярные гидрофильные головки расположены на обеих внешних поверхностях двойного слоя, а гидрофобные цепочки жирных кислот размещаются в центральной части мембраны. Главная функция липидов – поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств. Мембранные белки ассиметрично включены в двойной фосфолипидный слой и частично или полностью погружены в него (группа интегральных белков пронизывает насквозь слой фосфолипидов, группа периферических белков образует скопления на поверхности).
На внешней поверхности ЦПМ содержатся в основном гидролитические ферменты, на внутренней – окислительно-восстановительные. Ферменты принимают участие в окислительных процессах и в синтезе белка. ЦПМ выполняет функции внутреннего осмотического барьера, транспортные функции, синтеза веществ (мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и капсулы и др.), энергетическую и дыхательную функции.
Мембранные образования. Скорость роста цитоплазматической мембраны превышает скорость роста клеточной стенки, вследствие чего происходит инвагинация(выпячивание) ЦПМ, и возникают различной сложности внутриклеточные мембранные образования. У грамотрицательных бактерий мембранные образования развиты слабо, устроены просто, у грамположительных - хорошо развиты, более сложно организованы и образуют внутриклеточные мембранные структуры (например, мезосомы).
Капсула. Клеточная стенка снаружи окружена слизистым слоем различной толщины и конфигурации. Если слизистый слой достаточно толст, прочен и имеет определенную форму, то называется капсулой. Анатомически различают: микрокапсулы (до 0,2 мкм, неразличимы с помощью оптического микроскопа), макрокапсулы (более 0,2 мкм, видны в микроскопе), слизистый слой (вязкие, накапливающиеся на поверхности клетки вещества, иногда во много раз превышающие толщиной размеры бактериальной клетки). По химическому составу различаются: капсулы: 1) полисахаридной природы, состоящие из гомополисахаридов (построены из сахарного остатка одного типа) или гетерополисахаридов (построены из различны сахарных остатков); 2) состоящие из полипептидов и полисахаридов. Способность образовывать капсулу является генетической, но зависит от условий среды. Капсулообразование – функция приспособления (предохраняет от высыхания, ядовитых веществ и пр.).
Микроорганизмы, образующие большое количество аморфной внеклеточной слизи, часто объединяют под общим названием – слизеобразующие (не имеющим таксономического значения). Они распространены на многих производствах, вызывают ослизнение сахарного сиропа, рыбы, рыбных и других продуктов, "тягучесть" пива и тузлуков, на целлюлозно-бумажных комбинатах приводят к ухудшению качества бумаги.
Чехлы. Отдельные виды бактерий, например, нитчатые, образуют чехлы. В отличие от капсулы чехлы имеют тонкую структуру, иногда многослойные, инкрустированные окислами металлов (железа, марганца), вследствие чего приобретают особую прочность, характеризуются более сложным составом. На дне озер и болот происходит отложение руды, состоящей из остатков железобактерий.
Цитоплазма – это содержимое клеток, окруженное ЦПМ. Цитоплазма является средой, связывающей все внутриклеточные структуры в единую систему. Она представляет собой цитозоль – полужидкую коллоидную массу, состоящую на 70-80% из воды. Содержит также РНК, ферменты, продукты и субстраты метаболических реакций. Вязкость цитоплазмы примерно в 800 раз больше вязкости воды. В молодых клетках вязкость невелика, но с возрастом повышается, что является одним из факторов снижения их физиологической активности.
Нуклеоид. Электронно-микроскопические и генетические исследования установили, что бактерии имеют структуры, функционально тождественные ядрам клеток высших организмов, но отличающиеся рядом особенностей: нуклеоид бактерий не имеет ядерной оболочки и ДНК находится в непосредственном контакте с цитоплазмой; нет разделения на хромосомы, нить ДНК представляет собой аналог хромосомы высших организмов и называется бактериальной хромосомой (в клетке может быть несколько ее копий); отсутствует митоз и мейоз.
Рибосомы. В цитоплазме находятся мелкие зерна рибонуклеопротеидов, получивших название рибосомы, которые являются центром синтеза белка. Это частицы размером 16-18 нм, состоящие из РНК (60-65%) и белка (35-40%). Рибосомы содержат 80-85% всей РНК бактериальной клетки. В зависимости от условий и возраста в клетке содержится 1,5-50 тыс. рибосом. Скорость роста клетки определяется скоростью образования рибосом. В среднем за каждую секунду образуется около 5-10 рибосом. Большая часть рибосом объединяется в полисомы – агрегаты, состоящие из рибосом, молекул иРНК и тРНК, которые располагаются в цитоплазме, связаны с ЦПМ или мембранными структурами.
Запасные вещества образуются в клетке в результате обмена веществ, их образование зависит от условий культивирования. По консистенции запасные вещества можно разделить на жидкие (поли-β-оксибутират), полужидкие (сера) и твердые (гликоген). С химической точки зрения они могут быть химически чистыми веществами (сера) и смесями. Каждый вид микроорганизма образует, как правило, только один тип запасного вещества.
Гранулёза является специфическим запасным углеводным веществом бактерий рола Clostridiun (C.butyricum, C.pasteurianum), при голодании исчезает, выявляется качественной реакцией со слабым раствором йода (клетки серо-синего или темно-синего цвета). Гликоген – гранулы полисахарида (С6H10O4)n сферической формы, диаметром 20-100 нм, выявляются раствором йода (гранулы приобретают красно-коричневый цвет). Углеводородные гранулы встречаются у использующих углеводороды бактерий. Поли-β-оксибутират – запас энергии и источник углерода обнаружен только у прокариот. Полифосфаты (волютин, или метахроматиновые гранулы) – это внутриклеточный резерв фосфора, служат источником энергии для клетки.. Эти включения называются метахроматином (греч. meta - изменение, chroma – цвет) потому, что некоторые красители (например, метиленовый синий) при окрашивании гранул изменяют цвет (в фиолетово-красный), или волютином по названию бактерий Spirillum volutans. Включения серывстречаются у серобактерий, окисляющих сероводород. Сера накапливается, когда в среде содержится сероводород, и окисляется до сульфата, когда весь сероводород среды исчерпан. Включениякарбоната кальция (известковые тельца) в клетках некоторых серобактерий выполняют функцию нейтрализаторов среды. Газовые вакуоли (или аэросомы) характерны для водных бактерий. Они являются регуляторами плавучести (снижают плотность).
Придатки бактериальной клетки. На поверхности бактериальной клетки имеются придатки – ворсинки, стебельки, шипы, жгутики и др., объединенные подл общим названием – пили. Строение и функции их различны. У одной и той же бактерии могут присутствовать пили разной природы. Придатки не являются жизненно важной структурой клетки, их потеря не сопровождается нарушением процесса роста и размножения бактерий.
Движение бактерий
По способности передвигаться все бактерии делятся на две группы – неподвижные и подвижные (примерно 1/20 часть). Движение бактерий бывает скользящее, вращательное и поступательноес помощью жгутиков.
Движение с помощью жгутиков – это наиболее распространенный тип движения у бактерий (рисунок А.3).. По количеству и характеру расположения различают жгутики: полюсные, когда один, два и более жгутиков расположены на одном (монополярно) или обоих (биполярно) полюсах клетки и основание жгутика обычно параллельно длинной оси клетки; подполюсные жгутики (или субполярные), когда один, два и более жгутиков расположены в месте перехода боковой поверхности в полюс клетки на одном или двух концах ее, и основание жгутика обычно составляет прямой угол с длинной осью клетки; боковые (или латеральные) жгутики, когда один, два и более жгутиков в виде кустика, расположены в средней точке одной из половин клетки; перитрихальные жгутики, которые расположены по всей поверхности клетки по одному или пучками (обычно полюса клеток лишены их); смешанныежгутики, когда два или несколько жгутиков расположены в различных точках клетки. Бактерии, имеющие один жгутик, называются монотрихами, пучок жгутиков – лофотрихами (политрихами). Биполярные монотрихи или лофотрихи называются амфитрихами.
Количество жгутиков зависит от вида микроорганизма и условий культивирования. Жгутики - это очень тонкие образования, их поперечный диаметр колеблется в пределах 10-20 нм у простых жгутиков (белковая нить) до 40-60 нм у сложных (нить дополнительно одета чехлом). Химический состав жгутиков полностью (95%) представлен белком флагеллином (лат. flagellum– жгутик).
Большинство бактерий за секунду проходит расстояние, близкое длине их тела, но есть бактерии, движущиеся с большой скоростью (до 30 мкм/с). Скорость движения не зависит от количества жгутиков, но зависит от характера расположения жгутиков (с терминальным расположением движутся быстрее, чем перитрихи), зависит также от свойств среды (вязкости, температуры, рН, осмотического давления и пр.). Направленность движения обуславливается характером расположения жгутиков. Моно- и лофотрихи движутся прямолинейно, перитрихи – беспорядочно, кувыркаются. У моно- и лофотрихов клетки движутся либо жгутиками впереди, либо жгутиками позади. Некоторые перитрихи (Proteus vulgaris) могут передвигаться по поверхности плотной питательной среды. Если же направление движения всех жгутиков в колонии бактерий совпадает, тогда колония как единое целое передвигается по поверхности агара. Жгутики имеют приспособительное значение, они дают возможность бактерии перемещаться в жидкой среде в поисках более благоприятных условий питания, аэрации, реакции среды. Клетка, лишенная жгутиков, теряет подвижность.
Скользящийтип движения менее распространен у бактерий. Он присущ миксобактериям, некоторым микоплазмам, цитофагам, скорость его низкая (2-11 мкм/с). Большинство скользящих бактерий выделяет слизь. Вращательныйтип движения присущ извитым формам, например, спирохетам. Они передвигаются за счет колебания собственного тела, очень подвижны.
Броуновское движение присуще неподвижным бактериям размером менее 4 мкм. Это движение может подавляться добавлением электролитов или коллоидов в питательные среды.
Таксическое движение. Подвижные бактерии могут осуществлять направленные передвижения – таксисы (гр.taxis – расположение), обусловленные различными внешними факторами – стимулами. Таксисы бывают положительные или отрицательные в зависимости от движения бактерий к фактору или от него. Различают несколько видов таксисов. Хемотаксис – движение, вызываемое химическими веществами. К хемотаксису относится аэротаксис, обусловленный кислородом, и осмотаксис, обусловленный концентрацией солей. По способности индуцировать положительный или отрицательный хемотаксис различают две группы веществ: аттрактанты– вещества, вызывающие скопления клеток в области более высокой концентрации соединения, и репелленты – вызывающие скопления клеток в области наименьшей концентрации вещества. Вискозитаксис – движение бактерий в направлении увеличения или уменьшения вязкости раствора. Термотаксис – движение бактерий, вызванное источником тепла. Фототаксис– движение бактерий, обусловленное световой энергией. Магнетотаксис – движение бактерий по силовым линиям магнитного поля Земли или магнита. Магнетотаксис обусловлен наличием у бактерий магнитосом(частички феррина – Fe304, окруженные мембраной), выполняющих роль магнитной стрелки. Ферромагнитные микрокристаллы образуются в клетках бактерий в количестве 10-20 размером 40-90 нм. Они свойственны магнитотропным бактериям, обитающим в донных осадках морских и пресноводных водоемов.
Эндоспоры бактерий
Бактериальные эндоспоры (греч. spora – семя) – уникальные по структуре и свойствам образования, характеризующиеся высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Они не похожи на споры других микроорганизмов, тем более на споры растений. Спорообразование не является способом размножения. Бактериальные эндоспоры – это одна из стадий развития бактерий, выработанная в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Из одной вегетативной клетки формируется только одна спора. Способность к спорообразованию предопределена генетически. Но споры образуются в условиях, неблагоприятных для роста и размножения бактерий (неблагоприятные температурные условия, высушивание, недостаток питательных веществ, изменение рН среды и т.д.). В клетке имеется два набора генов – один кодирует вегетативный рост, другой – спорообразование (эта группа генов называется спорулон).
Бактериальная клетка, в которой формируется спора, называется спорангием. Процесс спорообразования составляет от полутора часов до суток, а иногда и более. Спорообразование (споруляция) происходит как в естественных условиях, так и при выращивании на питательных средах. Спорообразование начинается с прекращения роста клетки. Изменяется направленность метаболических процессов – происходит перестройка белков клетки, часть из них синтезируется заново из внутреннего фонда свободных аминокислот; расходуются имеющиеся запасные вещества. Спорообразование происходит в несколько стадий (рисунок А.4):
1. Нуклеоид вегетативной клетки приобретает компактную палочковидную форму, происходит перестройка белков.
2. Отделяется полярный нуклеоид. В результате инвагинации ЦПМ часть протопласта отделяется от материнской клетки, образуется спроруляционная перегородка, которая в дальнейшем деформируется и превращается в одну из оболочек споры, появляется протопласт споры.
3. Протопласт споры окружается протопластом материнской клетки и образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами – внутренней и внешней, обращенной своим наружным слоем внутрь клетки. Проспора отделяется от мембраны материнской клетки и либо остается у полюса клетки, либо перемещается к ее центру. Из материнской клетки в проспору поступают некоторые аминокислоты, дипиколиноваякислота (С7Н5О4) – она отсутствует в вегетативной клетке, ионы кальция; образуется комплекс Са2+ с дипиколиновой кислотой. На второй и третьей стадиях начинают синтезироваться белки покровов споры.
4. Между двумя мембранами проспоры начинается образование муреинового слоя, которое завершается образованием толстого слоя кортекса(или коры). Одновременно с кортексом или раньше (у некоторых бактерий) на наружной стороне внешней мембраны проспоры со стороны полюса клетки начинает образовываться экзоспориум, который затем покрывает спору. Экзоспориум выявляется не у всех бактерий.
5. Происходит образование покровов споры, электронно-плотной наружной оболочки споры. Все внутренние оболочки споры имеют гладкие поверхности, а наружная (или внешняя) оболочка характеризуется неровной поверхностью. Она определяет своеобразие поверхности спор разных видов бактерий. Число и строение слоистых покровов у разных видов бактерий различно.
6. Заканчивается формирование споры, появляется ее уникальное свойство – термоустойчивость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, занимает соответствующее положение в клетке. Затем происходит освобождение споры от остатк