Пили типу 1

Пили типу 1 міцно пов'язані з клітиною, і для того, щоб від'єднати їх від неї, потрібні значні зусилля, більші, ніж для видалення джгутиків або статевих пилок. Пили даного типу також стійкі і до хімічних впливів - зберігаються в 6 М сечовині, 1 М NaОН, стійкі до додецилсульфату натрію і трипсину. Ці пили руйнуються тільки при кип'ятінні в розчині з низьким значенням, що викликає незворотну денатурацію білка. Білок, що утворює пилки загального типу 1, має молекулярну масу 17 кДа.

Пили типу 1 розташовуються перитрихіально, тобто на всій поверхні бактерії. В однієї клітини може бути 50-400 пилок завдовжки до 1,5 мкм. Діаметр цих пилок близько 7 нм, а отвори - 2,0-2,5 нм.

Формування пилок загального типу 1 визначається генами, розташованими в хромосомі. Їх активність піддається фазовим варіаціям, тобто ген то, можливо активний чи ні. Зазвичай у культурі присутні як клітини, що мають багато пилок загального типу 1, так і позбавлені їх. Клітини, що у тій чи іншій фазі, можуть бути легко виведені. Розмноженню клітин, позбавлених пилок, сприяє вирощування культури на агарі, тоді як клітини з пилками отримують перевагу при вирощуванні культури в рідкому середовищі без аерації. У цьому вони утворюють плівку. Пили типу 1 надають бактеріям гідрофобності, знижують їх електрофоретичну рухливість. Вони викликають аглютинацію еритроцитів за рахунок того, що такі бактерії приклеюються до еритроцитів (так само, як до інших клітин тварин), а також до клітин рослин та грибів, до неорганічних частинок. У присутності маннози порушується гемаглютинація та прикріплення бактерій до тваринних клітин взагалі, оскільки пили типу 1 прикріплюються до поверхневих рецепторів, що містять манозу. У присутності маннози відповідні ділянки пилок зайняті її молекулами. Адгезивність пилок залежить також від гідрофобності утворює їх білка пиліна. З манозними рецепторами реагують ділянки пилок, розташовані по всій їх поверхні, тоді як за гідрофобні взаємодії відповідальні закінчення пилок.

Пили типу 2

Пили типу 2 подібні до пилок 1-го типу, але не викликають аглютинації еритроцитів, не сприяють утворенню бактеріями плівки в рідкому середовищі. Антигенно вони близькі до пилок 1-го типу і, мабуть, є їх мутантною формою. Описано і ще ряд варіантів пилок, близьких до пилок 1-го типу. Зв'язки пилок загального типу 1 з патогенністю у штамів Е. coliне вдається виявити. У ентеропатогенних штамів зазвичай утворюються інші пилки, що кодуються плазмідними генами. Відомо кілька типів таких пилок, причому виявляється зв'язок типу пилок зі специфічністю бактерій щодо тих чи інших тварин.

Інші типи пилок

Пили, відомі як антигени К88 і К99, тонше і лабільніше пилок 1-го типу. Вони викликають гемаглютинацію, стійку до маннози, та сприяють прикріпленню бактерій до клітин кишкового епітелію тварин, але не людини. Пили 987Р визначають здатність Е. соliприкріплюватися до епітелію тонкого кишечника новонароджених свиней; морфологічно вони нагадують пили 1-го типу. Пили, що визначаються генетичним фактором СFА/1, викликають аглютинацію людських еритроцитів та знайдені у патогенних для людини штамів. Молекулярна маса білків пілінів, що кодуються плазмідними генами, 14,5-26,2 кДа. У ентеропатогенних штамів Е. соli пили є одним із факторів патогенності, що забезпечує їм можливість прикріплення до клітин кишкового епітелію. Колонізація бактеріями епітелію сприяє ефективному взаємодії ентеротоксину, що виділяється ними, з клітинами епітелію. В результаті відбувається порушення водного обміну тканини, що клінічно проявляється як діарея. При цьому бактерії енергійно розмножуються в тонкому кишечнику, а потім у великій кількості виносяться в навколишнє середовище, що сприяє їхньому поширенню.

Статеві пили

Статеві пили Е. соliутворюються у клітин донорських штамів, що відрізняються від ізогенних реципієнтних наявністю у клітин особливого генетичного детермінанта - статевого фактора, або фактора трансмісивності, який або є автономним репліконом (F-фактор), або входить до складу автономного реплікону, або інтегрований з бактеріальною хромосомою. Фактор трансмісивності знаходиться у складі плазмід - факторів множинної стійкості до антибіотиків (R-фактори), факторів коліциногенності та ряду інших плазмід. Статеві пилки відрізняються від пилок загального типу за будовою та антигенною специфічністю, пилки, що кодуються різними генетичними детермінантами, також різні.

Підлогові F-пилки, що визначаються F-факторами, являють собою білкові циліндри, перпендикулярні поверхні клітини, товщиною 8,5-9,5 нм і довжиною до 1,1 мкм. Вони легко можуть бути відокремлені від клітини при струшуванні бактеріальної маси. F-пили утворені білком з молекулярною масою 11,8 кДа. У складі F-піліна відсутні пролін, цистеїн, гістидин, аргінін. До молекули піліну приєднані дві фосфатні групи та залишок D-глюкози, пов'язані з білком ковалентними зв'язками. Пілін містить досить багато кислих та гідрофобних амінокислот. Він синтезується на рибосомах, пов'язаних з цитоплазматичною мембраною і в цитоплазмі не виявляється. Пул піліну, мабуть, накопичується у цитоплазматичній мембрані. Його молекули в процесі синтезу містять додаткову сигнальну, послідовність, амінокислот, що відщеплюється при транспорті через мембрану. F-пили легко дисоціюють у розчинах додецилсульфату натрію та руйнуються органічними розчинниками, що пов'язано з гідрофобністю піліну. Бактерії, що мають F-пилки, набувають нового антигену, у них змінюється поверхневий заряд. Бактерії з F-пилами малорухливі, виявляють тенденцію до автоаглютинації, наприклад, при зниженні рН середовища. Це також відбувається за рахунок багатства піліну кислими та гідрофобними амінокислотами. F-фактор цікавий ще й тому, що іноді (приблизно в 1 випадку з 100 000) він вбудовується в молекулу основної ДНК клітини-господаря. Тоді при кон'югації переноситься не тільки F-фактор, але також і решта ДНК. Цей процес займає приблизно 90 хвилин, але клітини можуть розходитися раніше, до повного обміну ДНК. Такі штами постійно передають усю або більшу частину своєї ДНК іншим клітинам. Ці штами називаються Hrf-штамами (High frequency recombination), тому що донорна ДНК таких штамів рекомбінує з ДНК реципієнта.

Для утворення F-пилок необхідна активність принаймні 13 генів. Складання трубочок пилок відбувається на цитоплазматичної мембрані в місцях її контакту із зовнішньою мембраною. Трубочка пили проходить через шари муреїну та зовнішню мембрану. Для збирання та збереження пилок необхідна енергія. Утворенню пилок перешкоджають ціанід, динітрофенол, азид-натрію. Можливо, у процесі збирання відбувається фосфорилювання піліну. Зазвичай клітини з дерепресованим F-фактором утворюють 1-2 пилки, а в анаеробних умовах і на багатому середовищі - до 5 пилок. Причина стимуляції пилеутворення в анаеробних умовах невідома. У клітин з відірваними пилками швидко відростають нові, за 30 секунд пил досягає 1/2 нормальної довжини, а повністю формується за 4-5 хв. Сформовані пилки зберігаються на поверхні клітини 4-5 хв, а потім скидаються. Це свідчить на користь точки зору про те, чи пили - активні освіти. Пили, зумовлені чинником Соl I, утворені іншим піліном, ними адсорбуються фаги , специфічні для F-пилів, але є специфічні їм фаги. Так звані чоловічі фаги адсорбуються на статевих пилях, РНК-фаги, що містять, - на їх бічних поверхнях і нитчасті фаги, що містять одноланцюгову ДНК, - на кінчиках цих пилок. Нитчастий фаг перешкоджає кон'югації.

При кон'югації до реципієнтної клітини приєднується кінець статевої пилки, при цьому рецептор служить білок зовнішньої мембрани реципієнтної клітини. Спочатку цей контакт не дуже міцний і може бути порушений при гідродинамічних впливах. При цьому пари розпадаються при множинному зараженні РНК-фагами або в присутності іонів Zn 2+ . Через кілька хвилин контакт стає більш міцним, відбувається зближення клітин та утворення між ними цитоплазматичного містка. Є дані, що свідчать, що передача ДНК може відбуватися і без утворення цитоплазматичного містка, а безпосередньо через отвір в пилку. Інактивація пилок антисироваткою і будь-які впливи, що їх ушкоджують, призводять до порушення процесу кон'югації, в той час як порушення цілісності зовнішньої мембрани або муреїнового шару до певної межі впливають на донорські властивості клітини, що має пили. Після встановлення контакту з реципієнтною клітиною черв пилу донорську клітину передається сигнал, що викликає початок кон'югаційного синтезу ДНК. Механізм роботи статевих пилок ще остаточно не встановлений. Ряд спостережень свідчить на користь моделі, що передбачає активну функцію пиляння. Згідно з цією точкою зору після встановлення контакту з клітиною реципієнта або вірусом пиля скорочується або втягується в клітину. Ця модель підтверджується як непрямими, і прямими спостереженнями. На електронно-мікроскопічних препаратах можна простежити, як після адсорбції нитчастого чоловічого фага на їх кінчиках пили коротшають, а потім нитки фага опиняються на поверхні клітини. Скорочення пилок викликають KCN або арсенат. Після впливу цими інгібіторами пили не виявляються ні на поверхні клітин, ні в навколишньому середовищі, але можна спостерігати адсорбцію на поверхні клітин чоловічих фагів та антитіл, специфічних до кінців пилок, тобто їх кінчики, мабуть, продовжують виступати над поверхнею клітини. При фагової інфекції надалі відбувається розчинення білкової оболонки нитчастого фага у цитоплазматичній мембрані бактерії та звільнення його ДНК у цитоплазму. При інфікуванні РНК- чоловічими фагами спочатку утворюється комплекс фагової РНК з піліном, а фаговий капсид звільняється в середу.

Зазвичай синтез піліну перебуває під контролем цитоплазматичних репресорів. У деяких випадках вдається спостерігати певні закономірності у регуляції утворення пилок. Так, у разі Соl I-фактора кожна клітина, що отримала при кон'югації плазміду Соl I, утворює пили, їх активне утворення відбувається у клітин 4-8 наступних генерацій. Однак потім лише поодинокі клітини у популяції утворюють пили, оскільки у більшості бактерій синтез піліну репресований. Подібна репресія, як вважають, має пристосувальне значення, оскільки клітини без пилок не чутливі до чоловічих бактеріофагів, які могли б знищити всю популяцію. Поодинокі клітини з пилками здатні забезпечити кон'югацію. При контакті таких клітин з популяціями реципієнтних бактерій починається лавиноподібне поширення плазміди, оскільки утворення пилок спочатку не репресоване.

Статеві пилки зазвичай утворюють тільки клітини, що активно ростуть, клітини з культури, що знаходиться в стаціонарній фазі росту, зазвичай позбавлені пилок і є поганими донорами.

Як вже було зазначено, існує багато плазмід, що більш-менш відрізняються, здатних визначати утворення статевих пилок, які також дещо різняться. Рецептори на поверхні реципієнтних клітин мають різний ступінь спорідненості до різних пилок, що може сильно впливати на ефективність кон'югації бактерій.

Пили, подібні до пилок E. coli, утворюють та інші представники Enterobacteriaceae. Статеві пили мають Vibrio, Pasteurella, Aeromonas, Pseudomonas.

На клітинній поверхні багатьох прокаріотів є структури, що визначають здатність клітини до руху в рідкому середовищіЦе - джгутики . Їх число, розміри, розташування, зазвичай, є ознаками, постійними певного виду, і тому враховуються при систематиці прокариот. Однак накопичуються дані про те, що кількість та розташування джгутиків у одного і того ж виду можуть значною мірою визначатися умовами культивування та стадією. життєвого циклу, і, отже, не варто переоцінювати таксономічне значення цієї ознаки.

Якщо джгутики знаходяться біля полюсів або в полярній ділянці клітини, говорять про них полярному чи субполярному розташуванні, якщо вздовж бічної поверхні, говорять про латеральне розташування.

Джгутики є довгі відросткиякі відходять від одного (монотрихи, лофотріхи) або обох (амфітріхи) полюсів бактеріальної клітини або розподілені по всій її поверхні (перитрихи). Як і фімбрій, джгутики складаються з полімеризованих або щільно укладених білкових субодиниць, які надають їм жорстку спіралеподібну формута зумовлюють серологічні відмінності різних видівбактерій.

У деяких спірохет, наприклад, Treponema pallidum і Borrelia burgdorferi, подовжньо розташовані джгутики зібрані в осьову нитку. Завдяки цій освіті, що спірально охоплює клітину, спірохети можуть активно пересуватися за допомогою обертальних рухів. Деякі бактерії можуть переміщатися субстратом без видимих ​​рухових структур.

Залежно від числа джгутиків та їх локалізації на поверхні клітини розрізняють:

• монополярні монотрихи (один джгутик прикріплений до одного полюса клітини;
• монополярні політрихи (пучок джгутиків розташований на одному полюсі клітини), біполярні політрихи (на кожному полюсі - по пучку джгутиків;
• перитрихи (чисельні джгутики розташовані по всій поверхні клітини або вздовж її бічної поверхні.

В останньому випадку кількість джгутиків може досягати 1000 на клітину.

Звичайна товщина джгутика – 10-20 нм, довжина – від 3 до 15 мкм. У деяких бактерій довжина джгутика може значно перевищувати діаметр клітини. Як правило, полярні джгутики товстіші, ніж перитрихіальні.

Жгутик є відносною жорсткою спіральзазвичай закручені проти годинникової стрілки. Обертання джгутика також здійснюється проти годинникової стрілки з частотою від 40 до 60 об/с, що викликає обертання клітини, але у протилежному напрямку. Оскільки клітина набагато масивніша за джгутик, вона обертається зі значно меншою швидкістю - близько 12-14 об/хв. Обертальний рух джгутика перетворюється також на поступальний рух клітини, швидкість якого в рідкому середовищі для різних видів бактерій становить від 16 до 100 мкм/с.

Вивчення будови джгутика під електронним мікроскопом виявило, що він складається із трьох частин. Основну масу джгутика становить довга спіральна нитка (фібрила), що у поверхні клітинної стінки переходить у потовщену вигнуту структуру - гачок. Нитка за допомогою гака прикріплена до базального тіла, вмонтованого в ЦПМ та клітинну стінку. Білкові субодиниці укладені у вигляді спіралі, усередині якої проходить порожнистий канал. Нарощування джгутика відбувається з дистального кінця, куди субодиниці надходять внутрішнім каналом. У деяких видів джгутик зовні додатково покритий чохлом особливого. хімічної будовиабо є продовженням клітинної стінки і, ймовірно, побудованим з того ж матеріалу.

До поверхневих структур бактеріальної клітини належать також фімбрії (Пили, вії, ворсинки) - жорсткі прямі порожнисті нитки з білка піліну, локалізовані на КС. Фімбрії коротші і тонші за джгутики: їх діаметр 3-20 нм, довжина 0,2-10,0 мкм.

Фімбрії – необов'язкова клітинна структураТак як і без них бактерії добре ростуть і розмножуються. На відміну від джгутиків, фімбрії не виконують рухової функції і виявлені у рухомих і нерухомих форм. За своїм функціональним призначенням фімбрії поділяються на 2 типи. Термін «фімбрії» найчастіше використовується для позначення загальних пили, а термін «пили» – для позначення секс-пили.

Фімбрії 1 (загального) типує у більшості бактерій. Вони покривають всю поверхню клітини, розташовуються перитрихіально чи полярно. Кількість фімбрій велике - від кількох сотень до кількох тисяч на одну бактеріальну клітину. Синтез фімбрій контролюється бактеріальною хромосомою, втрата фімбрій призводить до їх нового синтезу.

Покриваючи всю клітину, фімбрії створюють ворсисту поверхню. Іноді фімбрії зливаються в грудки, надаючи неохайного вигляду клітині; в інших випадках поверхня клітин покрита повстяним чохлом, що складається зі сплетень тонких ниток.

Пили 2 типи(синоніми: кон'югативні, статеві, секс-пили) утворюються тільки чоловічими клітинами-донорами, що містять трансмісивні плазміди (F, R, Col), в обмеженій кількості (1-4 на клітину), мають термінальні здуття.

Функції фімбрій.

Фімбрії обох типів:

• Мають антигенну активність.
• Там адсорбуються бактеріофаги (специфічні віруси бактерій).
• Адгезивна функція: забезпечують прикріплення бактерій до клітин слизових оболонок організму господаря та до інших субстратів (клітин рослин, грибів, неорганічних частинок та органічних залишків).
• Механічний захист бактеріальної клітини. Надають бактеріям властивість гідрофобності та сприяють об'єднанню клітин у групи.
• Збільшують всмоктувальну поверхню клітини бактерій, беруть участь у процесах харчування, водно-сольового обміну та у транспорті метаболітів.

Статеві пили: F-пили забезпечують кон'югацію - передачу частини генетичного матеріалу від донорської клітини до реципієнтної.

Пили

На поверхні прокаріотичної клітини часто є ниткоподібні утворення білкової природи, які називають пилками або фімбріями (від латинських слів «волосся», «нитка»). Пили грамнегативних бактерій вивчені досить докладно, відомо також про існування пилок у грампозитивних організмів.

Вони відповідають за прикріплення клітини до неживого об'єкта та іншої клітини, допомагають приймати і передавати ДНК при кон'югації, служать акцепторами бактеріофагів. Основне ж призначення пилок – підтримувати специфічні прикріплювальні структури клітини. Прикріплювальні субодиниці (адгезини) часто як мінорні компоненти присутні на кінцях пилок, проте основна структура пилок також може виступати в ролі адгезину. Адгезини виступають носредниками при бактеріальних контактах, при контактах з неживими об'єктами, тканинами та клітинами у сприйнятливих організмах. Колонізація тканин господаря патогенними бактеріями зазвичай залежить від стереохімічної подібності між архітектурою адгезину та відповідного рецептора клітини господаря. Взаємини, що медіюються адгезивними пилками, можуть допомагати формуванню мікробних біоплівок і часто є основним фактором успішної колонізації організму-господаря патогенними та сапротрофними мікроорганізмами. Так, уропатогенні Е. coliдля ефективного заселення епітелію сечового міхураповинні мати пили типу 1. Ці пили прикріплюються до консервативних рецепторів клітин епітелію сечового міхура, що містять маннозу, і запобігають вимиванню бактерій із сечею. Р-пили здійснюють ту ж функцію в нирках, перешкоджаючи видаленню клітин, що викликають пієлонефрит. Е. coliз нирок та сечовивідних каналів. Кишкові патогенні мікроорганізми утворюють численні та різноманітні адгезивні пилки, які допомагають бактеріям колонізувати кишечник. До цієї групи належать пили К88, К99, 987Р, довгі полярні фімбрії, плазмідні пили Salmonella entericaта агрегуючі фімбрії еітеропатогенних Е. coli.ТС Р-пили відповідальні за прикріплення V. choleraeдо епітелію тонкого кишківника. Ці пили діють як рецептори для лізогенного фага, що кодує дві субодиниці холерного токсину. Цей фаг переноситься у тонкому кишечнику між клітинами холерного вібріона за допомогою ТСР-пилок. Інші пили також допомагають у придбанні факторів вірулентності. Поглинання ДНК відбувається за допомогою пилок типу 4, а перенесення ДНК - за допомогою кон'югативних пилок, які допомагають патогенним мікроорганізмам набувати гени, що дозволяють синтезувати широкий спектр факторів вірулентності і надають їм стійкість до багатьох антибіотиків. Утворення біоплівок, що вимагає у багатьох випадках участі пилок типу 1, 4 або «кучеряшок», також захищає патогенні бактерії від дії лікарських препаратіві може сприяти колонізації тканин та медичних імплантантів. Є ряд прикладів, коли прикріплення пилок викликало появу сигналів у клітинах господаря. Прикріплення клітин роду Neisseriaза допомогою пилок типу 4А до рецепторів епітеліальних клітин господаря викликає вивільнення запасеного внутрішньоклітинного Са 2+ відомого як сигнал, що регулює відповіді еукаріотичних клітин. Приєднання Р-пили до уроэпителиальных клітин може викликати вихід із них керамідів, важливих вторинних месенджерів, здатних активувати низку протеїнкіназ і фосфатаз, залучених у процес передачі сигналу. Ці сигнали призводять, зрештою, до виділення клітинами цитокінів. Пили можуть передавати сигнал всередину клітини господаря. Було показано, що прикріплення Р-пилки до рецепторів клітин господаря стимулює активацію залізомобілізуючих механізмів у уропатогенних. Е. coli.Це, ймовірно, збільшує можливості отримання заліза та виживання клітин збудника в дефіцитному залізом оточенні сечової системи. Таким чином, вивчення функціонування пилок дозволить не лише глибше зрозуміти механізми колонізації та передачі сигналів, а й вести розробку нових поколінь антимікробних агентів для боротьби з патогенними мікроорганізмами.

Архітектура пилок варіює від тонких ниткоподібних до товстих міцних паличкоподібних утворень з осьовими отворами. Тонкі пили, що діаметром не перевищують 2-3 нм, такі як К88 і К99, часто відносять до фібрил. Ще тонші пили (Е. coli та Haemophilus influenzaeє складними структурами, що складаються з товстої палички з прикріпленою до неї тонкою фібрилою. Розташування пилок може бути різним (по всій поверхні клітини або лише на кінці). Пили часто розташовані перитрихіал по поверхні клітин, однак пили типу 4 можуть бути локалізовані тільки на одному кінці клітини. Одна клітина може мати фімбрії різних типів. Довжина пилок коливається від 0,1 до 20 мкм, а діаметр - від 2 до 11 нм.

Пили складаються з одного або декількох типів білкових субодиниць, званих пілін (фімбрини), які зазвичай розташовуються але спіралі. Для складання пилок на поверхні клітини всі пілини повинні бути перенесені через внутрішню мембрану, периплазму та зовнішню мембрану. Для цього процесу у всіх бактерій задіяно два спеціалізовані складальні білки - периплазматичний шаперон і швейцар зовнішньої мембрани. Ансамбль шаперона та швейцара залучений до біогенезу більш ніж 30 різних структур, включаючи складні пилки, тонкі фібрили та нефібрильні адгезини.

Структура бактерій добре вивчена за допомогою електронної мікроскопії цілих клітин та їх ультратонких зрізів та інших методів. Бактеріальну клітину оточує оболонка, що складається з клітинної стінки та цитоплазматичної мембрани. Під оболонкою знаходиться протоплазма, що складається з цитоплазми з включеннями та спадкового апарату – аналога ядра, званого нуклеоїдом (рис. 2.2). Є додаткові структури: капсула, мікрокапсула, слиз, джгутики, пилки. Деякі бактерії не сприятливих умовздатні утворювати суперечки.

Мал. 2.2.Структура бактеріальної клітини: 1 – капсула; 2 – клітинна стінка; 3 – цитоплазматична мембрана; 4 – мезосоми; 5 – нуклеоїд; 6 – плазміда; 7 – рибосоми; 8 – включення; 9 - джгутик; 10 - пили (ворсинки)

Клітинна стінка- міцна, пружна структура, що надає бактерії певної форми і разом з цитоплазматичною мембраною, що підлягає, стримує високий осмотичний тиск у бактеріальній клітині. Вона бере участь у процесі поділу клітини та транспорту метаболітів, має рецептори для бактеріофагів, бактеріоцинів та різних речовин. Найбільш товста клітинна стінка у грампозитивних бактерій (рис. 2.3). Так, якщо товщина клітинної стінки грамнегативних бактерій близько 15-20 нм, то у грампозитивних вона може досягати 50 нм і більше.

Основу клітинної стінки бактерій становить пептидоглікан.Пептидоглікан є полімером. Він представлений паралельними полісахаридними глікановими ланцюгами, що складаються з повторюваних залишків N-ацетилглюкозаміну і N-ацетилмурамової кислоти, з'єднаних глікозидним зв'язком. Цей зв'язок розриває лізоцим, що є ацетилмурамідазою.

До N-ацетилмурамової кислоти ковалентними зв'язками приєднано тетрапептид. Тетрапептид складається з L-аланіну, який пов'язаний з N-ацетилмурамової кислоти; D-глутаміну, який у грампозитивних бактерій з'єднаний з L-лізином, а у грам-

Мал. 2.3.Схема архітектоніки клітинної стінки бактерій

циальних бактерій - з диаминопимелиновой кислотою (ДАП), що є попередник лізину у процесі бактеріального біосинтезу амінокислот і є унікальним з'єднанням, присутнім лише в бактерій; 4-ї амінокислотою є D-аланін (рис. 2.4).

У клітинній стінці грампозитивних бактерій міститься не велика кількістьполісахаридів, ліпідів та білків. Основним компонентом клітинної стінки цих бактерій є багатошаровий пептидоглікан (муреїн, мукопептид), що становить 40-90% маси клітинної стінки. Тетрапептиди різних шарів пептидоглікану у грампозитивних бактерій з'єднані один з одним поліпептидними ланцюжками з 5 залишків гліцину (пентагліцину), що надає пептидоглікану жорстку геометричну структуру (рис. 2.4, б). З пептидогліканом ктеткової стінки грампозитивних бактерій ковалентно пов'язані тейхоєві кислоти(Від грец. tekhos- стінка), молекули яких є ланцюгами з 8-50 залишків гліцеролу і рибітолу, з'єднаних фосфатними містками. Форму та міцність бактеріям надає жорстка волокниста структура багатошарового, з поперечними пептидними зшивками пептидоглікану.

Мал. 2.4.Структура пептидоглікану: а - грамнегативні бактерії; б - грампозитивні бактерії

Здатність грампозитивних бактерій при фарбуванні за Грамом утримувати генціановий фіолетовий у комплексі з йодом (синьо-фіолетове забарвлення бактерій) пов'язана з властивістю багатошарового пептидоглікану взаємодіяти з барвником. Крім цього подальша обробка мазка бактерій спиртом викликає звуження пір у пептидоглікані і тим самим затримує барвник у клітинній стінці.

Грамнегативні бактерії після дії спиртом втрачають барвник, що обумовлено меншою кількістю пептидоглікану (5-10% маси клітинної стінки); вони знебарвлюються спиртом, і при обробці фуксином або сафраніном набувають червоного кольору. Це з особливостями будови клітинної стінки. Пептидоглікан у клітинній стінці грамнегативних бактерій представлений 1-2 шарами. Тетрапептиди шарів з'єднані між собою прямим пептидним зв'язком між аміногрупою ДАП одного тетрапептиду і карбоксильною групою D-аланіну тетрапептиду іншого шару (рис. 2.4, а). Назовні від пептидоглікану розташований шар ліпопротеїну,з'єднаний з пептидогліканом через ДАП. За ним слідує зовнішня мембранаклітинної стінки.

Зовнішня мембранає мозаїчною структурою, представленою ліпополісахаридами (ЛПС), фосфоліпідами та білками. Внутрішній шар представлений фосфоліпідами, а в зовнішньому шарі розташований ЛПС (рис. 2.5). Таким чином, зовнішня мем-

Мал. 2.5.Структура ліпополісахариду

лайка асиметрична. ЛПС зовнішньої мембрани складається з трьох фрагментів:

Ліпіда А - консервативної структури, практично однакової у грамнегативних бактерій. Ліпід А складається з фосфорильованих глюкозоамінових дисахаридних одиниць, до яких прикріплені довгі ланцюжки жирних кислот (див. рис. 2.5);

Ядра, або стрижневої, корової частини (від лат. core- ядро), щодо консервативної олігосахаридної структури;

Високоваріабельного О-специфічного ланцюга полісахариду, утвореного повторюваними ідентичними олігосахаридними послідовностями.

ЛПС заякорений у зовнішній мембрані ліпідом А, що зумовлює токсичність ЛПС і ототожнюваний тому з ендотоксином. Руйнування бактерій антибіотиками призводить до звільнення великої кількості ендотоксину, що може викликати у хворого ендотоксичний шок. Від ліпіду А відходить ядро, чи стрижнева частина ЛПС. Найбільш постійною частиною ядра ЛПС є кетодезоксіоктонова кислота. О-специфічний полісахаридний ланцюг, що відходить від стрижневої частини молекули ЛПС,

що складається з олігосахаридних одиниць, що повторюються, обумовлює серогрупу, серовар (різновид бактерій, що виявляється за допомогою імунної сироватки) певного штаму бактерій. Таким чином, з поняттям ЛПС пов'язані уявлення про Про-антиген, яким можна диференціювати бактерії. Генетичні зміни можуть призвести до дефектів, укорочення ЛПС бактерій і появи внаслідок цього шорстких колоній R-форм, що втрачають О-антигенну специфічність.

Не всі грамнегативні бактерії мають повноцінний О-специфічний полісахаридний ланцюг, що складається з олігосахаридних одиниць, що повторюються. Зокрема, бактерії роду Neisseriaмають короткий гліколіпід, який називається ліпоолігосахаридом (ЛОС). Він порівняний з R-формою, що втратила О-антигенну специфічність, що спостерігається у мутантних шорстких штамів E. coli.Структура ЛОС нагадує структуру глікосфінголіпіду цитоплазматичної мембрани людини, тому ЛОС мімігрує мікроб, дозволяючи йому уникати імунної відповіді господаря.

Білки матриксу зовнішньої мембрани пронизують її в такий спосіб, що молекули білка, звані поринами,облямовують гідрофільні пори, через які проходять вода та дрібні гідрофільні молекули з відносною масою до 700 Д.

Між зовнішньою та цитоплазматичною мембраною знаходиться периплазматичний простір,або периплазма, що містить ферменти (протеази, ліпази, фосфатази, нуклеази, β-лактамази), а також компоненти транспортних систем.

При порушенні синтезу клітинної стінки бактерій під впливом лізоциму, пеніциліну, захисних факторів організму та інших сполук утворюються клітини із зміненою (часто кулястою) формою: протопласти- бактерії, повністю позбавлені клітинної стінки; сферопласти- бактерії з клітинною стінкою, що частково збереглася. Після видалення інгібітора клітинної стінки, такі змінені бактерії можуть реверсувати, тобто. набувати повноцінної клітинної стінки і відновлювати вихідну форму.

Бактерії сфероїллі протопластного типу, що втратили здатність до синтезу пептидоглікану під впливом антибіотиків або інших факторів і здатні розмножуватися, називаються L-формами(від назви Інституту ім. Д. Лістера, де вони впер-

ші були вивчені). L-форми можуть бути й у результаті мутацій. Вони являють собою осмотично чутливі, кулясті, колбоподібні клітини різної величини, у тому числі й через бактеріальні фільтри. Деякі L-форми (нестабільні) при видаленні фактора, що призвів до змін бактерій, можуть реверсувати, повертаючись у вихідну бактеріальну клітину. L-форми можуть утворювати багато збудників інфекційних хвороб.

Цитоплазматична мембранапри електронній мікроскопії ультратонких зрізів є тришаровою мембраною (2 темних шари товщиною по 2,5 нм кожен розділені світлим - проміжним). За структурою вона схожа на плазмолемму клітин тварин і складається з подвійного шару ліпідів, головним чином фосфоліпідів, з впровадженими поверхневими, а також інтегральними білками, які пронизують наскрізь структуру мембрани. Деякі їх є пермеазами, що у транспорті речовин. На відміну від еукаріотичних клітин, у цитоплазматичній мембрані бактеріальної клітини відсутні стероли (за винятком мікоплазм).

Цитоплазматична мембрана є динамічною структурою з рухомими компонентами, тому її представляють як мобільну текучу структуру. Вона оточує зовнішню частину цитоплазми бактерій та бере участь у регуляції осмотичного тиску, транспорті речовин та енергетичному метаболізмі клітини (за рахунок ферментів ланцюга перенесення електронів, аденозинтрифосфатази – АТФази та ін.). При надмірному зростанні (порівняно зі зростанням клітинної стінки) цитоплазматична мембрана утворює інвагінати - вп'ячування у вигляді складно закручених мембранних структур, які називаються мезосоми.Менш складно закручені структури називаються внутрішньоцитоплазматичними мембранами. Роль мезосом та внутрішньоцитоплазматичних мембран до кінця не з'ясована. Припускають навіть, що вони є артефактом, що виникає після приготування препарату для електронної мікроскопії. Проте вважають, що похідні цитоплазматичної мембрани беруть участь у розподілі клітини, забезпечуючи енергією синтез клітинної стінки, беруть участь у секреції речовин, спороутворенні, тобто. у процесах із високим витратою енергії. Цитоплазма займає основний обсяг бактері-

альної клітини і складається з розчинних білків, рибонуклеїнових кислот, включень та численних дрібних гранул - рибосом, відповідальних за синтез (трансляцію) білків.

Рибосомибактерій мають розмір близько 20 нм та коефіцієнт седиментації 70S, на відміну від 80S-рибосом, характерних для еукаріотичних клітин. Тому деякі антибіотики, зв'язуючись з рибосомами бактерій, пригнічують синтез бактеріального білка, не впливаючи на синтез еукаріотичних клітин білка. Рибосоми бактерій можуть дисоціювати на дві субодиниці: 50S та 30S. рРНК - консервативні елементи бактерій («молекулярний годинник» еволюції). 16S-рРНК входить до складу малої субодиниці рибосом, а 23S-рРНК - до складу великої субодиниці рибосом. Вивчення 16S рРНК є основою геносистематики, що дозволяє оцінити ступінь спорідненості організмів.

У цитоплазмі є різні включення у вигляді гранул глікогену, полісахаридів, β-оксимасляної кислоти та поліфосфатів (волютин). Вони накопичуються при надлишку поживних речовину навколишньому середовищі та виконують роль запасних речовин для харчування та енергетичних потреб.

Волютінволодіє спорідненістю до основних барвників і легко виявляється за допомогою спеціальних методів фарбування (наприклад, Нейссером) у вигляді метахроматичних гранул. Толуїдиновим синім або метиленовим блакитним волютин забарвлюється в червоно-фіолетовий колір, а цитоплазма бактерії - в синій. Характерне розташування гранул волютину виявляється у дифтерійної палички у вигляді полюсів клітини, що інтенсивно профарбовуються. Метахроматичне фарбування волютину пов'язане з високим вмістом полімеризованого неорганічного поліфосфату. При електронній мікроскопії вони мають вигляд електроннощільних гранул розміром 0,1-1 мкм.

Нуклеоїд- Еквівалент ядра у бактерій. Він розташований у центральній зоні бактерій у вигляді двониткової ДНК, щільно укладеної на зразок клубка. Нуклеоїд бактерій, на відміну від еукаріотів, не має ядерної оболонки, ядерця та основних білків (гістонів). У більшості бактерій міститься одна хромосома, представлена ​​замкненою в кільце молекулою ДНК. Але деякі бактерії мають дві хромосоми кільцевої форми. (V. cholerae)та лінійні хромосоми (див. розділ 5.1.1). Нуклеоїд виявляється у світловому мікроскопі після фарбування специфічними для ДНК

методами: за Фельгеном або за Романовським-Гімзе. На електронограм ультратонких зрізів бактерій нуклеоїд має вигляд світлих зон з фібрилярними, ниткоподібними структурами ДНК, пов'язаної певними ділянками з цитоплазматичної мембраною або мезосомою, що беруть участь у реплікації хромосоми.

Крім нуклеоїду, в бактеріальній клітині є позахромосомні фактори спадковості - плазміди (див. розділ 5.1.2), що є ковалентно замкненими кільцями ДНК.

Капсула, мікрокапсула, слиз.Капсула -слизова структура товщиною понад 0,2 мкм, міцно пов'язана з клітинною стінкою бактерій і має чітко окреслені зовнішні межі. Капсула помітна в мазках-відбитках із патологічного матеріалу. У чистих культурах бактерій капсула утворюється рідше. Вона виявляється при спеціальних методах забарвлення мазка по Буррі-Гінс, що створюють негативне контрастування речовин капсули: туш створює темне тло навколо капсули. Капсула складається з полісахаридів (екзополісахаридів), іноді з поліпептидів, наприклад у сибірковій бацили вона складається з полімерів D-глутамінової кислоти. Капсула гідрофільна, містить велику кількість води. Вона перешкоджає фагоцитозу бактерій. Антигенна капсула: антитіла до капсули викликають її збільшення (реакція набухання капсули).

Багато бактерій утворюють мікрокапсулу- слизова освітатовщиною менше 0,2 мкм, що виявляється лише за електронної мікроскопії.

Від капсули слід відрізняти слиз -мукоїдні екзополісахариди, що не мають чітких зовнішніх кордонів. Слиз розчинний у воді.

Мукоїдні екзополісахариди характерні для мукоїдних штамів синьогнійної палички, що часто зустрічаються в мокроті хворих на кістозний фіброз. Бактеріальні екзополісахариди беруть участь в адгезії (прилипання до субстратів); їх ще називають глікокаліксом.

Капсула та слиз оберігають бактерії від пошкоджень, висихання, оскільки, будучи гідрофільними, добре зв'язують воду, перешкоджають дії захисних факторів макроорганізму та бактеріофагів.

ДжгутикиБактерій визначають рухливість бактеріальної клітини. Джгутики являють собою тонкі нитки, що беруть на-

чало від цитоплазматичної мембрани, мають більшу довжину, ніж сама клітина. Товщина джгутиків 12-20 нм, довжина 3-15 мкм. Вони складаються з трьох частин: спіралеподібної нитки, гака та базального тільця, що містить стрижень зі спеціальними дисками (одна пара дисків у грампозитивних та дві пари у грамнегативних бактерій). Дисками джгутики прикріплені до цитоплазматичної мембрани та клітинної стінки. При цьому створюється ефект електромотора зі стрижнем - ротором, що обертає джгутик. Як джерело енергії використовується різниця протонних потенціалів на цитоплазматичній мембрані. Механізм обертання забезпечує протонна АТФ-синтетаза. Швидкість обертання джгутика може досягати 100 об/с. За наявності у бактерії кількох джгутиків вони починають синхронно обертатися, сплітаючись у єдиний пучок, що утворює своєрідний пропелер.

Джгутики складаються з білка - флагеліну (flagellum- джгутик), що є антигеном - так званий Н-антиген. Субодиниці флагеліну закручені у вигляді спіралі.

Число джгутиків у бактерій різних видів варіює від одного (монотрих) у холерного вібріона до десятка і сотень, що відходять по периметру бактерії (перитрих), у кишкової палички, протею та ін. Лофотріхи мають пучок джгутиків на одному з кінців клітини. Амфітріхи мають по одному джгутику або пучку джгутиків на протилежних кінцях клітини.

Джгутики виявляють за допомогою електронної мікроскопії препаратів, напилених важкими металами, або у світловому мікроскопі після обробки спеціальними методами, заснованими на протруюванні та адсорбції різних речовин, що призводять до збільшення товщини джгутиків (наприклад, після сріблення).

Ворсинки, або пили (фімбрії)- ниткоподібні утворення, більш тонкі та короткі (3-10 нм * 0,3-10 мкм), ніж джгутики. Пили відходять від поверхні клітини та складаються з білка піліну. Відомо кілька типів пилок. Пили загального типу відповідають за прикріплення до субстрату, харчування та водно-сольовий обмін. Вони численні – кілька сотень на клітину. Статеві пилки (1-3 на клітину) створюють контакт між клітинами, здійснюючи між ними передачу генетичної інформації шляхом кон'югації (див. розділ 5). Особливий інтерес представляють пили IV типу, у яких кінці мають гідрофобність, в результаті чого вони закручуються, ці пили називають ще кучерями. Розташовує-

ються вони по полюсах клітини. Ці пилки зустрічаються у патогенних бактерій. Вони мають антигенні властивості, здійснюють контакт бактерії з клітиною-хазяїном, беруть участь в утворенні біоплівки (див. розділ 3). Багато пили є рецепторами для бактеріофагів.

Суперечки -своєрідна форма бактерій, що покояться, з грампозитивним типом будови клітинної стінки. Спороутворюючі бактерії роду Bacillus,у яких розмір суперечки не перевищує діаметр клітини, називаються бацилами. Спороутворюючі бактерії, у яких розмір суперечки перевищує діаметр клітини, через що вони набувають форми веретена, називаються клостридіями,наприклад бактерії роду Clostridium(Від лат. Clostridium- Веретено). Суперечки кислотостійкі, тому забарвлюються за методом Ауески або за методом Циля-Нельсена у червоний, а вегетативна клітина – у синій колір.

Спороутворення, форма та розташування спор у клітині (вегетативної) є видовою властивістю бактерій, що дозволяє відрізняти їх один від одного. Форма суперечка буває овальною та кулястою, розташування в клітці - термінальне, тобто. на кінці палички (у збудника правця), субтермінальне - ближче до кінця палички (у збудників ботулізму, газової гангрени) та центральне (у сибірки-бацили).

Процес спороутворення (споруляція) проходить ряд стадій, протягом яких частина цитоплазми та хромосома бактеріальної вегетативної клітини відокремлюються, оточуючись цитоплазматичною мембраною, що вростає, - утворюється проспора.

У протопласті проспори знаходяться нуклеоїд, білоксинтезуюча система та система одержання енергії, заснована на гліколізі. Цитохроми відсутні навіть у аеробів. Не містить АТФ, енергія для проростання зберігається у формі 3-гліцеринфосфату.

Проспору оточують дві цитоплазматичні мембрани. Шар, що оточує внутрішню мембрану суперечки, називається стінкою суперечки,він складається з пептидоглікану і є головним джерелом клітинної стінки при проростанні суперечки.

Між зовнішньою мембраною і стінкою суперечки формується товстий шар, що складається з пептидоглікану, що має багато зшивок, - кортекс.

Назовні від зовнішньої цитоплазматичної мембрани розташована оболонка суперечки,що складається з кератиноподібних білків, з-

тримають множинні внутрішньомолекулярні дисульфідні зв'язки. Ця оболонка забезпечує резистентність до хімічних агентів. Спори деяких бактерій мають додатковий покрив. екзоспоріумліпопротеїнової природи. Таким чином формується багатошарова погано проникна оболонка.

Спороутворення супроводжується інтенсивним споживанням проспорою, а потім і формується оболонкою спори дипіколінової кислоти та іонів кальцію. Спору набуває термостійкість, яку пов'язують із наявністю в ній дипіколінату кальцію.

Спор довго може зберігатися через наявність багатошарової оболонки, дипіколінату кальцію, низького вмісту води і млявих процесів метаболізму. У ґрунті, наприклад, збудники сибірки і правця можуть зберігатися десятки років.

За сприятливих умов суперечки проростають, проходячи три послідовні стадії: активації, ініціації, виростання. При цьому з однієї суперечки утворюється одна бактерія. Активація – це готовність до проростання. При температурі 60-80 С спору активується для проростання. Ініціація проростання триває кілька хвилин. Стадія виростання характеризується швидким зростанням, що супроводжується руйнуванням оболонки та виходом проростка.

Зміст теми "Анатомія бактеріальної клітини. Фізіологія бактерій.":
1. Анатомія бактеріальної клітки. Поверхневі структури бактерій. Капсули бактерій. Організація капсул. Забарвлення бактерій капсул. склад капсул. Антигенні властивості капсул.
2. Джгутики бактерій. Розташування джгутиків. Перитрихи. Монотрихи. Політрихи. Лофотріхи. Амфітріхи. Феномен роїння. Діагностика рухливості мікробів.

4. Клітинна стінка бактерій. Функції клітинної стінки. Будова клітинної стінки бактерії. Пептидоглікан. Муреїновий мішок. Структура пептидоглікану (муреїну)
5. Грамнегативні бактерії. Клітинна стінка грамнегативних бактерій. Будова клітинної стінки грамнегативних бактерій.
6. Грампозитивні бактерії. Клітинна стінка грампозитивних бактерій. Будова клітинної стінки грампозитивних бактерій. Аутолізини бактерій. Сферопласти. Протопласти.
7. Цитоплазматична мембрана (ЦПМ) бактерії. Склад цитоплазматичної мембрани бактерій. Транспортні системи Мезосоми. Периплазматичний простір.
8. Цитоплазма бактерій. Бактеріальний геном. Бактеріальні рибосоми. Запасні гранули бактерії.
9. Фізіологія бактерій. Живлення бактерій. Тип харчування бактерій. Голозої. Голофіти. Вода. Значимість води для мікробів.
10. Засвоювані бактеріальною клітиною сполуки. Шляхи надходження речовин до бактеріальної клітини. Пасивне перенесення. Дифузія.

Крім джгутиків, поверхня багатьох бактерійпокрита цитоплазматичними виростами - мікроворсинками. Зазвичай це волоски (числом від 10 до кількох тисяч) завтовшки 3-25 нм і довжиною до 12 мкм. Мікроворсинкизустрічають як у рухомих, і у нерухомих бактерій. Ці вирости сприяють збільшенню площі поверхні бактеріальної клітини, що дає їй додаткові переваги в утилізації поживних речовин. довкілля. Відомі спеціалізовані мікроворсинки - фімбріїі пили.

Фімбрії бактерій[від лат. fimbria, бахрома]. Багато грамнегативних бактерій мають довгі і тонкі мікроворсинки, що пронизують клітинну стінку. Білки, що їх утворюють, формують спіралеподібну нитку. Основна функція фімбрії- Прикріплення бактерій до субстратів (наприклад, до поверхні слизових оболонок), що робить їх важливим фактором колонізації та патогенності.

F-пили бактерій[Від англ. fertility, плодючість, + лат. pilus, волосок], або « секс-пили», - жорсткі циліндричні утворення, що беруть участь у кон'югації бактерій. Пили вперше виявлені у Escherichia coli K12, тобто у штамів, що містять F-фактор(Див. тему «Плазміди»). Зазвичай клітина забезпечена 1-2 пилками, що мають вигляд порожнистих білкових трубочок довжиною 0,5-10 мкм; нерідко вони мають кулясте потовщення на кінці. Більшість F-пилокутворює специфічний білок. пілін. Утворення пилок кодують плазміди. Їх ідентифікують за допомогою донорспецифічних бактеріофагів, що адсорбуються на пилях та лізують клітини.

Клітинна оболонка бактерій

Більшість бактерій клітинна оболонкаскладається з клітинної стінки і ЦПМ, що знаходиться під нею. З часткою умовності клітинну оболонку можна назвати живою шкірою бактерій на противагу мертвої речовини капсули. Клітинну оболонкуможна порівняти з тонкою та еластичною, але в той же час міцною покришкою футбольного м'яча. Як м'ячу надає пружність добре накачана футбольна камера, так і клітинній стінці бактерій додаткову пружність надає внутрішній (тургорний) тиск цитоплазми, здатний досягати у грампозитивних бактерій 30 атм. Деякі бактерії як зовнішній шар клітинної стінки додатково мають зовнішню мембрану- глікокалікс.

Глікокалікс[від грец. gfykys, солодкий, + kalyx, раковина] утворений переплетенням полісахаридних волокон (декстрани та левани). Його не виявляють при вирощуванні на штучних живильних середовищах. Основна функція глікокалікс а – адгезія до різних субстратів. Наприклад, завдяки глікоколіксу у Streptococcus mutatis здатний міцно прикріплюватися до зубної емалі.