В отличие от, скажем, вирусов, бактерии – это клеточная форма жизни, способная к автономному самовоспроизводству. Однако бактерии никогда не объединяются в многоклеточные структуры, максимум они могут образовывать колонии и биоплёнки.
Царство бактерий включает две группы – эубактерии, или истинные бактерии, и архебактерии (археи). Последние отличаются особенностями устройства и считаются эволюционно более ранней ступенью развития бактерий, однако в настоящее время они устойчиво занимают ряд экологических ниш. Но медицинского значения как возбудители инфекционных заболеваний архебактерии не имеют.
Все бактерии являются прокариотами или предъядерными (от «карион» - ядро, и приставки «про-», которая указывает на нахождение чего либо перед или раньше). Обычно говорят, что у бактерий отсутствует ядро, хотя ниже мы скажем, что это не совсем так. В качестве основного носителя генетической информации бактерии имеют двойную спиральную молекулу ДНК, замкнутую в кольцо. Вместе с поддерживающими белками она составляет единственную «хромосому» бактериальной клетки. Именно так – в кавычках, поскольку из-за отсутствия поддерживающих белков-гистонов бактериальная ДНК не имеет способности суперспирализоваться и потому весьма некомпактно распределена в цитоплазме, занимая до 20 процентов объёма клетки. Однако функционально – это всё же аналог хромосомы эукариот. Данная «консервативная» ДНК обеспечивает единообразие вида бактерий. Помимо неё у бактерий может быть 1-2 дополнительные линейные молекулы ДНК и от одной до нескольких плазмид. Это небольшие молекулы ДНК, кодирующие какие-либо дополнительные признаки, отличающиеся у разных штаммов одного вида бактерий. Например, есть плазмиды, несущие гены факторов устойчивости к антибиотикам, агрессивным факторам среды, тяжёлым металлам и т.д.
Штамм (название применимое как к бактериям, так и вирусам) – любой конкретный образец (изолят) данного вида, выделенный из какого-либо объекта (в т.ч. и от человека)
При всём этом хромосома бактерии не «размазана» по цитоплазме: она образует скопление в центре бактериальной клетки – нуклеоид. Нуклеоид, в отличие от истинного ядра, ничем не отграничен (не компартментализирован) от цитоплазмы. Поэтому обычно подчёркивают, что у бактерий нет выделенного ядра.
Организация генетического материала бактериальной клетки влияет на то, что у них отсутствует половой обмен генами – бактерии размножаются только путём неизменного копирования своей ДНК с последующим разделением клетки. Поэтому колония бактерий, выросшая на питательной среде из одной родительской клетки, равнозначна понятию клон. Бесполое размножение ограничивает изменчивость бактерий, однако они научились обходить ограничения другими способами, в частности той же передачей плазмид.
Нуклеоид является одной из обязательных (облигатных) структур бактериальной клетки. Наряду с ним к обязательным структурам относятся:
- Цитоплазма
- Клеточная мембрана (аналог цитоплазматической мембраны)
- Рибосомы
- Клеточная стенка
Дополнительными (необязательными) структурам бактерий являются:
- разного рода цитоплазматические включения (гранулы)
- споры
- жгутики
- пили и фимбрии
- капсула
Цитоплазма бактерии, как и любой живой клетки, представляет собой коллоид (взвесь) белков, жировых глобул и твёрдых частиц в водном растворе органических и неорганических солей.
Бактерии, в отличие от эукариот, не имеют таких органелл, как митохондрии – структуры, обеспечивающие синтез АТФ, а значит, обеспечивающие клетку энергией. У бактерий этот процесс происходит в цитоплазме. Впячивания цитоплазматической мембраны внутрь бактериальной клетки – мезосомы – длительное время считались аналогами как митохондрий, так и эндоплазматического ретикулума. Однако к концу 20-го века было доказано, что подобные структуры являются просто повреждениями клеточной мембраны бактерий при подготовке препаратов для электронной микроскопии. И хотя ряд учёных продолжает считать их самостоятельными органеллами, однако в основном этот термин по отношению к прокариотам больше не применяется.
Помимо органелл в цитоплазме могут быть взвешены гранулы запасных питательных веществ или пигментов – так, золотистый стафилококк при определённых условиях продуцирует золотисто-оранжевый пигмент, а синегнойная палочка – зеленовато-синий пиоцианин.
Снаружи цитоплазму отграничивает от окружающей среды клеточная мембрана. Она представляет собой двойной слой из амфиполярных молекул – органических молекул, один конец которых всегда ориентирован к водной среде, другой – от неё (соответственно гидрофильный и гидрофобный концы, от «филос» - любящий, и «фобос» - страх). В живых клетках такие молекулы обычно представлены разного рода жирами (липидами), например фосфолипидами. В двойном слое таких молекул их гидрофильные «головы» разворачиваются внутрь – в сторону жидкой цитоплазмы, и наружу – в сторону внешней (часто тоже жидкой) среды. При этом их гидрофобные «хвосты» оказываются повёрнуты друг к другу. Такая самоупорядочивающаяся структура довольно стабильна, а главное – непроницаема для воды, гидрофобных и крупных гидрофильных молекул, ионов и т.п. Чтобы осуществить транспорт всего этого наружу или внутрь клетки, служат различные ульраструктуры цитоплазматической мембраны – поры, каналы, инвагинации (впячивания мембраны) и т.п.
Клеточная мембрана не поддерживает форму клетки, она слишком тонкая и непрочная для этого. Но с поддержанием внутреннего состава клетки справляется достаточно хорошо. А этот состав значительно отличается от внешней среды. Так, концентрация солей и других осмотически активных веществ внутри бактериальной клетки значительно выше, чем снаружи, а значит и т.н. осмотическое давление в ней гораздо выше. Поэтому движущаяся по законам химии в сторону большей «солёности» вода стремится проникнуть в клетку, вызывая её набухание. Если бы бактерию снаружи отграничивала только клеточная мембрана, то при большой разнице концентраций солей внутри и снаружи клетки она бы не выдерживала и разрывалась. Возможно, вы сами наблюдали или читали описание такого опыта с эритроцитами человека, которые сморщиваются в солёном (гипертоническом) растворе и лопаются (подвергаются лизису) в дистиллированной воде.
Однако бактерии в нормальных условиях могут выдерживать достаточно значительные колебания параметров внешней среды за счёт уникальной структуры – клеточной стенки. Это весьма жёсткая (ригидная) структура, выдерживающая на таких микромасштабах давление до 40 атмосфер. Достигается такое свойство за счёт её необычного устройства.
Клеточная стенка бактерий в основном построена из комплекса полисахарида и белка, называемого пептидогликан (пептид – короткоцепочечный белок, «гликос» - сладкий, что указывает на сладкий вкус сахаров, мономеров полисахарида). Он имеет очень интересную структуру, в которой прочные цепочки полисахарида располагаются параллельно и связаны «мостиками» пептидных молекул. В результате бактерия под слоем пептидогликана выглядит как арбуз в авоське.
Казалось бы, одна «авоська» особой прочности не даст, но бактерии напяливают на себе от 8-10 до 40 таких «авосек». А это уже сродни применению композитных материалов в технике – когда разные компоненты придают готовому изделию вроде бы взаимоисключающие свойства. Например, крыло самолёта из углеволокна одновременно прочное и гибкое. Как видите, многое из технического прогресса мы повторяем за живой природой.
Ещё одним важным значением пептидогликана является то, что он – мишень для действия ряда антибиотиков. Например, пенициллин и его аналоги, а также цефалоспорины (т.н. бета-лактамные антибиотики – из-за их химической структуры) нарушают синтез пептидогликана и нормальное образование клеточной стенки. А поскольку она, как мы уже сказали, обязательный компонент клетки, то под действием этих групп антибиотиков бактерии погибают – это бактерицидные препараты («цидос» - убивать). К сожалению, на пенициллин и первые поколения цефалоспоринов почти у всех болезнетворных бактерий уже выработалась устойчивость: они научились либо продуцировать ферменты бета-лактамазы, разрушающие молекулы антибиотиков, либо некоторое время переживать «голыми», утрачивая клеточную стенку (сферопласты или L-формы).
Клеточная стенка в отличие от цитоплазматической мембраны, настолько прочная, что сохраняет определённую форму бактерии. Вообще этих форм достаточно много, но по большому счёту они крутятся вокруг двух основных: шара и цилиндра. Первые называются кокками (от «коккус» - зерно, ягода, орех; слово «кокос» вам ни о чём не говорит?), для вторых решили не заморачиваться поиском эквивалента и назвали просто палочками, потому что именно как чёрточки-палочки они выглядят в микроскопе. Все остальные формы сводят к этим двум: например, извитая в виде запятой холерная бактерия (вибрион) считается палочковидной, а возбудитель гнойного менингита, имеющий форму «кофейного зерна» диплококк – кокковидным (не динозавр диплодок, а диплококк – располагающиеся в мазках попарно круглые бактерии: от приставки «ди-», означающей «двойной»).
Для бактериологов особенно важно, что форма клетки бактерии присуща всему виду и даже роду, и произвольно меняться не может, пока не нарушена целостность клеточной стенки. То есть форму можно использовать для идентификации бактерий (на профессиональном жаргоне бактериологи говорят о «расшифровке микроорганизма до рода и вида»).
Бактерии подчинены такой же биологической классификации, что и другие живые существа. Вспомните: вид человек разумный относится к роду человек (люди) из семейства гоминид отряда приматов класса млекопитающих типа хордовые царства животных, входящего в домен эукариот. Тот же подход используется и для микроорганизмов (кроме вирусов и прионов). Для удобства в обиходе называют только две последние категории – род и вид, а для единообразного понимания всеми учёными мира – их латинские эквиваленты. Золотистый стафилококк, к примеру, в рамках такой бинарной классификации будет называться Staphylococcus aureus (стафилококкус ауреус), а синегнойная палочка – Pseudomonas aeruginosae(псевдомонас эругинозе). Обратите внимание, что это не дословные переводы – классификационное название на латыни и на национальном языке могли возникнуть в разное время, а устоявшиеся термины меняют с неохотой.
Поскольку бинарные названия стараются давать так, чтобы было поменьше совпадений (например, есть золотистый стафилококк, но нет золотистого стрептококка или стенотрофомонады), то названия рода микроорганизма обычно можно без снижения информативности сократить до одной или нескольких букв: так кишечная палочка Escherichia coli обычно указывается просто как E.coli.
Однако живые клетки под микроскопом довольно сложно рассмотреть просто так, без дополнительной окраски. Чаще всего из клинического материала или из колоний, выросших на питательной среде, готовят мазок – тонко наносят бактериальную взвесь на предметное стекло и подсушивают. Затем такой мазок окрашивают. Методов окраски существует великое множество. Есть простые методы – с применением одного красителя. Например, коринебактерии (мы упоминали в предыдущих лекциях коринебактерию дифтерии – возбудитель соответствующей инфекции) окрашивают синькой Лёфлера. Однако чаще всего применяют сложные, включающие два и более красителя, методы. Обычно окрашивается не вся бактериальная клетка целиком, а определённые её структуры (клеточная стенка, цитоплазма, споры и т.п.), что обусловлено физико-химическим взаимодействием слагающих эти структуры молекул с молекулами пигмента. Для окраски разных частей бактерии подбирают разные пигменты (красители) и разные методы. Те из них, что основаны на конкурентной окраске двумя пигментами разного цвета, называют дихроматическими. Наиболее известный – окраска по Граму.
Правда, когда датский врач Ганс Христиан Грам в 1884 году предложил свой метод окраски бактериальных мазков анилиновыми красителями, он (метод, а не врач), ещё не был дихроматическим. Грам использовал генциан-виолет или метил-виолет. Затем обрабатывал мазки йодом для фиксации окраски и наконец, обесцвечивал спиртом. Однако, если некоторые бактерии после такой обработки отлично были видны в микроскоп как сине-фиолетовые шарики и палочки, то другие – едва-едва.
Это был серьёзный шаг вперёд для специфической диагностики инфекций, и потому в дальнейшем все бактерии были разделены по тинкториальным свойствам (способности принимать окраску) на Грам-положительные (грам«+» – хорошо окрашивались по методу Грама) и Грам-отрицательные (грам «-» – соответственно окрашивались плохо). Однако почему одни бактерии предпочитают «цвет настроения синий», а другие воздерживаются – это тёзка и земляк великого сказочника, как и другие учёные конца 19-го века, могли только предполагать.
Выяснилось всё много позже с изобретением электронного микроскопа и других методов исследования. Оказалось, что красители, используемые Грамом, задерживались не какими попало структурами бактерии, а конкретно – клеточной стенкой. Ранее мы уже сказали, что число слоёв пептидогликана у бактерий отличается. Следовательно, в толстой стенке грам-положительных бактерий сине-фиолетовый краситель «запутывается» среди множества слоёв, и при обесцвечивании спиртом отмывается плохо. В то время как грам-отрицательные бактерии имеют тонкую клеточную стенку и не могут удержать достаточное количество пигмента. В современных модификациях метода Грама мазок после обработки генциан-виолетом докрашивают другим – контрастным к нему. Чаще всего ярко-красным красителем фуксином. В результате грам«+» бактерии будут видны в поле зрения микроскопа как сине-фиолетовые, а грам«-» – как розовые или красные (см.рисунок).
Однако и в этот раз коварные микробы не дали учёным создать простую и понятную классификацию. Во-первых, оказалось, что некоторые бактерии с толстой клеточной стенкой довольно плохо воспринимают окраску по Граму и потому долгое время считались грам-отрицательными. Во-вторых, выяснилось, что есть микроорганизмы, которые вовсе не похоже на бактерии по устройству клеточной стенки и даже могут вовсе её не иметь, и всё же это именно бактерии.
В конечном итоге редактор-составитель первого современного определителя бактерий Девид Х. Берджи в 1923 году был вынужден ввести четыре группы бактерий:
- Грациликуты – бактерии с тонкой клеточной стенкой (или грам«-» бактерии независимо от того, как фактически они окрашиваются по Граму)
- Фирмикуты – бактерии с толстой клеточной стенкой (грам«+» бактерии)
- Тенерикуты – бактерии, лишённые клеточной стенки (к ним относятся микоплазмы, хламидии, риккетсии и актиномицеты)
- Мендозикуты – те самые архебактерии, о которых мы сказали в самом начале, потому что у них клеточная стенка хоть и есть, но сильно отличается от эубактериальной.
Хламидии, риккетсии и микоплазмы поверх цитоплазматической мембраны имеют некий аналог клеточной стенки, но она состоит из стеролов и других органических соединений, которые больше присущи многоклеточным организмам. Возможно, это связано с тем, что если микоплазмы ещё могут быть свободноживущими и давать колониеобразование на плотных питательных средах, то риккетсии и хламидии – это такие же облигатные внутриклеточные паразиты, как вирусы. Размножаться они могут исключительно в цитоплазме клеток организмов-хозяев и потому на питательных средах не растут. Однако организация генетического материала (ДНК и РНК) и других органелл однозначно заставляет отнести их к бактериям.
Многие тенерикуты имеют важное значение в инфекционной патологии: определённые виды хламидий вызывают венерический лимфогранулематоз, риккетсии – переносимые клещами инфекции типа лихорадки Скалистых гор, микоплазмы – атипичные пневмонии и инфекции мочеполовой сферы.
Актиномицеты долгое время считались грибами: их клетки образуют длинные ветвящиеся нити, очень похожие на мицелий плесневых грибов. К тому же актиномицеты размножаются структурами, похожими на споры (конидии). Однако наличие нуклеоида вместо оформленного ядра и отсутствие хитина в клеточной стенке однозначно относят их к бактериям. К актиномицетам принадлежат микобактерии, в т.ч. возбудители туберкулёза человека (микобактерия туберкулёза – «палочка Коха») и животных.
Различие строения клеточной стенки грам«+» и грам«-» бактерий не заканчивается только на её толщине. У грам-отрицательных бактерий тонкий слой пептидогликана прикрыт сверху ещё одной – наружной мембраной, – напоминающей по строению клеточную мембрану. Пространство между ними называется периплазматическим или периплазматической щелью. Внутренний слой наружной бактериальной мембраны состоит из фосфолипидов, аналогичных слагающим клеточную мембрану. А внешний – из молекул липополисахарида (ЛПС), т.е. комплекса из полисахарида и липида (жира). Для нас ЛПС интересен тем, что он является антигеном (молекулой, опознаваемой иммунной системой) и эндотоксином грам-отрицательных бактерий.
Эндотоксин (в отличие от выделяемых бактерией во внешнюю среду экзотоксинов) является структурным компонентом бактериальной клетки. Его действие проявляется только при массивной гибели бактерий, в результате которой эндотоксин попадает в ткани и кровоток. Это сопровождается очень резкой активацией воспалительных механизмов организма вплоть до инфекционно-токсического шока, в результате которого возможен летальный исход. Поэтому применение бактерицидных антибиотиков при инфекциях, вызванных грам«-» бактериями, должно быть продуманным и осторожным.
Само предпочитаемое расположение бактериальных клеток в мазке тоже является идентификационным признаком. Например, палочки дифтерии часто располагаются под углом друг к другу, образуя в мазке характерные «римские пятёрки» V и «десятки» Х.
Сферические кокки могут:
- лежать поодиночке (микрококки – частые бактерии воздушной среды)
- образовывать группы по две клетки (диплококки – уже упомянутые менингококки в форме «кофейного зерна» и ланцетовидные пневмококки в форме «пламени свечи»)
- по четыре (тетракокки – медицинского значения не имеют),
- по восемь (форма «багажного тюка» - такой тип расположения и одноимённый род непатогенных бактерий называется сарцины, не путайте их с воинами-сарацинами)
- или образовывать в мазке компактные скопления, отдалённо напоминающие формой виноградную гроздь (по латыни она называется «стафилос» – отсюда и термин).
Такая ориентация клеток не случайна и определяется характером их деления и последующего расхождения: тетракокки делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, сарцины – в трёх и т.д. Иногда клетки делятся только в одной плоскости, образуя в результате более или менее длинные цепочки. Для кокков их называют стрептококками (частые возбудители гнойных заболеваний, а также скарлатины), для палочек – стрептобациллами (от «стрепто» - верёвка). Стрептобациллы сибирской язвы, например, имеют утолщения на концах, что придаёт их цепочкам в мазке характерный вид «бамбуковой трости».
Помимо формы и окраски бактериальной клетки для их «опознания» могут служить и другие внешние признаки: например, наличие и расположение жгутиков. Жгутики, как правило – атрибут палочковидных бактерий. Они отличаются по белковому составу и принципу действия от жгутиков простейших, но функция у них сходная: чаще всего это орган движения. Жгутик может быть один (такой тип называют монотрихий от «трихос» – волос), два (полярно расположенные на концах клетки – амфитрихий), или много. В последнем случае они либо собраны в пучок на одном или на обоих полюсах клетки (лофотрихий), либо более-менее равномерно распределены по всей её поверхности – перитрихиальное расположение. Кишечная палочка, например – типичный перитрихий.
Пили и фимбрии– это специфические бактериальные структуры в виде полых трубочек, обеспечивающие прикрепление к субстрату, а т.ж. ряд специальных функций. Например, при помощи т.н. F-пилей происходит конъюгация (соединение) бактерий и передача плазмид, кодирующих различные признаки. Так бактерии обходят ограничения бесполого способа размножения, имитируя обмен генами при половом размножении у эукариот (F – сокращение от fertile, половой).
Определённые роды бактерий могут образовывать споры. Почти все они – палочки (пока известен только один род спорообразующих кокков, но для человека он не патогенен). В отличие от спор грибов или низших растений (папоротников и т.п.), у бактерий они не являются средством размножения. Бактериальные споры образуются при неблагоприятных внешних условиях и служат целям выживания, поскольку выдерживают значительные интервалы температуры от низких до очень высоких, длительное высушивание и другие, губительные для вегетативных форм бактерий, факторы
В этом смысле они больше напоминают цисты простейших, хотя тоже есть принципиальное отличие – простейшие «закукливаются» целиком, выделяя на поверхности клетки непроницаемую оболочку. А бактерии формируют спору внутри себя и держат там, как кенгуру – детёныша. По этой причине крупные споры могут раздувать клеточную стенку бактерий с образованием характерных форм, видимых в микроскопе как «барабанные палочки» или «теннисные ракетки» (терминальное, т.е. на конце клетки, расположение крупной споры). Такие спорообразующие палочки называют клостридиями (их типовой род – клостридии, но есть и другие с похожим строением). Среди них есть немало патогенных для человека: клостридия перфрингенс вызывает газовую гангрену, клостридия тетани – столбняк, а клостридия ботулини – тяжёлую пищевую интоксикацию ботулизм. Если же спора «вписывается в габариты» клетки, не вызывая существенного изменения её формы, то это – бацилла (типовой род – бациллы – тоже включает патогенные виды, например, бациллюс антрацис, вызывающий сибирскую язву).
Другая бацилла – бациллюс турингиензис – интересна тем, что выделяет протоксин, который в пищеварительном тракте ряда насекомых-вредителей сельского хозяйства превращается в токсин, вызывая их гибель. В то же время он не ядовит для позвоночных (включая человека) и полезных насекомых вроде пчёл и шмелей. Это позволяет использовать его для защиты растений. Кроме того, поскольку протоксин имеет белковую природы, то удалось установить кодирующий его ген, и получить с его использованием генно-модифицированные растения, устойчивые к вредителям за счёт продукции бактериального токсина.
Споры бактерий – очень плотные образования с низким содержанием воды и прочной оболочкой. Поэтому многие методы окраски, направленные на их выявление, предполагают обработку мазка растворами кислот. Например, окраска по Цилю-Нильсену или по Ожешко
Ещё одной структурой, которая присутствует у бактерий, и которую можно наблюдать при соответствующей окраске – это капсула. Капсула состоит из экзополисахаридов, т.е. выделяемых наружу («экзос» - внешний) полимеров из молекул сахара. Поэтому, если угодно, это «кисель», окружающий бактерию поверх клеточной стенки.
Капсулообразование – видовой признак. И часто является одним из т.н. «факторов агрессии» бактерий, поскольку помогает избегать связывания с антителами и фагоцитоза макрофагами иммунной системы. Правда капсула может быть непостоянным признаком – при некоторых условиях среды она отсутствует, при других синтезируется вновь.
Капсулу можно выявить специальными методами окраски. Например, если аккуратно окрасить мазок тушью, то на чёрном фоне будут видны светлые «дырки» капсулированных бактериальных клеток, потому что зёрна туши не проникают в этот «кисель». Такой метод называется окраской по Бурри-Гинсу
Даже некоторые гранулы-включения в цитоплазме бактерий можно выявить окраской специальными методами. Например, уже упоминавшаяся нами дифтерийная палочка запасает в цитоплазме соединения фосфора в виде гранул волютина. С этим веществом взаимодействует уксуснокислая синяя краска, что используется при окраске мазков по методу Нейссера. При нём сами палочки в мазке будут видны жёлтыми или светло-коричневыми, а зёрна волютина, обычно расположенные на их концах, – тёмно-синими до черноты. Такая характерная «гантель» или «штанга» с тёмными «блинами» указывает на наличие в мазке возбудителя дифтерии.
Как видите, почти все методы окраски имеют авторские названия – из уважения к тем микробиологам, врачам и химикам, которые помогли раскрыть многие тайны мира бактерий.
В заключение обзора строения бактерий хотелось бы упомянуть ещё одно важное свойство бактериальных структур, которое будет очень интересовать нас в дальнейшем. Молекулы ряда из них являются антигенами – опознаются иммунной системой организма-хозяина как чужеродные структуры. Так, липополисахарид грам-отрицательных бактерий обозначается как соматический или О-антиген, капсулы содержат молекулы К-антигена, а жгутики – Н-антигена (аш-антиген – используются латинские буквы). Все они могут немного отличаться свойствами, чем и обусловлено существование упомянутых в начале лекции сероваров бактерий. Кроме того, это свойство можно использовать для серологической диагностики (основанной на взаимодействии антигенов бактерий и содержащих специфические к ним антитела диагностических сывороток) и идентификации бактерий. Подробнее об этом смотрите дополнительный материал про бактерию кишечную палочку.
©Алекс Шел, сентябрь 2022 г. При копировании и использовании материалов ссылка на источник обязательна