Бактерии
Бакте́рии
(греч. baktērion палочка)
одноклеточные микроорганизмы с примитивной цитоплазмой и ядром без ядрышка и ядерной оболочки. Относятся к прокариотам. Наряду с другими микроорганизмами широко распространены в почве воде, воздухе, заселяют (колонизируют) кожу и слизистые оболочки человека и животных. Некоторые из бактерий используются в пищевой промышленности (например, для приготовления молочнокислых продуктов), в медицине для восстановления нормальной микрофлоры толстой кишки путем применения препаратов, содержащих лиофильно высушенные Б. (бифидобактерии, лактобактерии, кишечные палочки), а также в биотехнологии для получения биологически активных соединений.
Наибольшее распространение имеют сапрофитные Б. Они питаются мертвыми органическими остатками, участвуют в минерализации органических веществ — аммонификации, нитрификации, а также в фиксации азота (клостридии, азотобактеры, микобактерии, сине-зеленые водоросли и др.). Сапрофиты участвуют в круговороте углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа, некоторые из них расщепляют целлюлозу, кератин, окисляют и образуют углеводороды — метан, пропан и др. Ставится вопрос о применении некоторых сапрофитов для очистки сточных вод, разрушения (биодеградации) различных отходов. Широкое применение находят сапрофиты в биотехнологии для получения различных биологически активных соединений (интерферонов, интерлейкинов, инсулина и др.).
Относительно небольшую часть бактерий разделяют на патогенные и условно-патогенные. Патогенные Б. являются возбудителями инфекционных болезней (Инфекционные болезни) человека и животных. Условно-патогенными микроорганизмами являются представители нормальной микрофлоры человека (Микрофлора человека). При ослаблении резистентности организма условно-патогенные Б. вызывают гнойно-воспалительные процессы.
Различают Б. с тонкой клеточной стенкой, преимущественно грамотрицательные; Б. с толстой клеточной стенкой, преимущественно грамположительные; Б. без клеточной стенки, например микоплазмы; архебактерии, отличающиеся дефектной клеточной стенкой, особенностями строения рибосом, мембран и 16S-, 5S-рибосомальных РНК. Среди архебактерии отсутствуют возбудители инфекционных болезней. Подразделение бактерий главным образом по особенностям строения клеточной стенки связано с возможной вариабельностью их окраски по Граму (см. Микробиологическая диагностика).
К грамотрицательным Б. относятся спирохеты (рис. 1, 2), спириллы, некоторые палочковидные (рис. 3) и кокковидные (шаровидной формы) бактерии, риккетсии, хламидии. Спирохеты — длинные извитые клетки с одним или более полным оборотом спирали. К патогенным спирохетам относят возбудителей сифилиса, возвратного тифа, лептоспироза. Спириллы (штопорообразно извитые клетки) являются водными сапрофитами, некоторые патогенны. Риккетсии — мелкие грамотрицательные палочки, облигатные внутриклеточные паразиты. С ними схожи хламидии, или гальпровии.
Грамположительными являются разнообразные по форме кокковидные (рис. 4, 5) и палочковидные (рис. 6—8) бактерии, а также актиномицеты (рис. 9) — ветвящиеся Б. и схожие с ними коринебактерии (булавовидные бактерии) и микобактерии, дающие иногда ветвящиеся формы.
Бактерии, полностью или частично утратившие клеточную стенку под влиянием антибактериальных препаратов или защитных факторов организма человека или животных, называют L-формами. К ним близки микоплазмы, которые также не имеют клеточной стенки.
Важнейшим отличительным свойством бактерий является тип дыхания. По отношению к молекулярному кислороду их можно разделить на 3 основные группы: облигатные аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы. Облигатные аэробы размножаются в присутствии кислорода, облигатные анаэробы — только в среде без кислорода, который для них токсичен. Факультативные анаэробы могут расти как при наличии в среде кислорода, так и при его отсутствии. Среди них различают аэротолерантные бактерии, которые растут при наличии кислорода, но не используют его.
Размеры Б. варьируют в зависимости от их вида и условий роста. В среднем размер бактериальной клетки приближается к размерам митохондрии эукариотической клетки. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, ядра (нуклеотида) и цитоплазмы с включениями. Непостоянно встречаются капсула, микрокапсула, слизь, жгутики и ворсинки (фимбрии, пили).
Бактерии, образующие жгутики, подвижны. Жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке специальными дисками. Жгутик состоит из белка флагеллина, который обладает антигенной специфичностью (поэтому его называют Н-антигеном). Толщина жгутика 12—20 нм, а длина в несколько раз превышает размеры бактериальной клетки (рис. 10). Число жгутиков у Б. различных видов неодинаково и варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятков и сотен жгутиков (перитрихи) у кишечной палочки, протея и др. Движение спирохет обусловлено наличием осевых нитей — аналогов жгутиков других бактерий.
Образованиями более тонкими и короткими, чем жгутики, являются пили (рис. 10), состоящие из белка пилина. Среди них выделяют пили, обеспечивающие адгезию (прилипание) Б. к поражаемой клетке, пили, ответственные за питание и водно-солевой обмен, половые пили, синтез которых определяют половые факторы (F-плазмиды и др.).
Некоторые бактерии (пневмококки, клебсиеллы и др.) имеют капсулу — слизистое образование с четко очерченными внешними границами (рис. 11). Обычно капсула состоит из полисахаридов, иногда из полипептидов (например, у сибиреязвенной бациллы). Капсула гидрофильна, препятствует фагоцитозу Б. Многие Б. имеют микрокапсулу — слизистое образование, выявляемое только при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь, которая не имеет четких внешних границ. При гнойно-воспалительных процессах на Б. могут адсорбироваться гуморальные факторы защиты организма в виде капсулоподобного покрова, который условно называют иммуноглобулиновым покровом.
Клеточная стенка придает бактериальным клеткам форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной сдерживает высокое внутриклеточное осмотическое давление. Клеточная стенка грамположительных бактерий в два и более раз толще, чем у грамотрицательных; состоит из пептидогликана и тейхоевых кислот. Клеточная стенка некоторых грамположительных бактерий, например микобактерии туберкулеза (кислотоустойчивые Б.), содержит большое количество липидов и миколовые кислоты, что обусловливает их устойчивость к кислотам. Клеточная стенка грамотрицательных Б. представлена трехслойной внешней мембраной и подлежащим тонким слоем пептидогликана, которые связаны липопротеидом. Внешняя мембрана схожа по строению с внутренней — цитоплазматической мембраной. Основным компонентом мембран является бимолекулярный слой липидов. Во внешней мембране имеются липиды, липополисахариды, белки и липопротеиды. Некоторые белки (порины), пронизывая внешнюю мембрану, образуют поры, через которые проходят гидрофильные вещества с низкой молекулярной массой. Липополисахарид расположен в наружной части внешней мембраны и состоит из трех компонентов: липида А, ядра полисахарида и О-специфической цепи полисахарида, образованных повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями. Особенность строения О-специфических цепей определяет серовар определенного штамма Б. Таким образом, с понятием липополисахарида связаны представления об О-антигене. Липополисахарид является также эндотоксином. Токсичность его определяется липидом А. При лечении гнойно-воспалительных процессов антибиотиками в результате разрушения грамотрицательных Б. освобождается большое количество эндотоксина, что может привести к развитию эндотоксического шока. Б, с полной структурой липополисахарида образуют на плотной питательной среде колонии с гладкой блестящей поверхностью — так называемые S-колонии (от англ. smooth гладкий). Эти же Б., подвергшиеся мутации, формируют колонии с шероховатой, матовой поверхностью — так называемые R-колонии (от англ. rough шероховатый). R-мутанты не синтезируют О-специфические цепи и часть ядра липополисахарида. Т.к. липополисахарид является эндотоксином, то и патогенность S- и R-бактерий различна. Обычно наиболее патогенны бактерии, образующие S-колонии.
Между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной располагается периплазматическое пространство (периплазма), содержащее ферменты. При полном разрушении клеточной стенки образуются протопласты — клетки, окруженные только цитоплазматической мембраной. Если бактериальная клетка имеет частично сохранившуюся клеточную стенку, ее называют сферопластом.
Цитоплазматическая мембрана, состоящая из бимолекулярного слоя липидов, поверхностных и интегральных белков, регулирует осмотическое давление клетки, участвует в пассивном и активном транспорте веществ, в энергетическом метаболизме клетки. Ее инвагинаты — впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур называют мезосомами, а менее сложно устроенные из них — внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембранных структур остается во многом неясной. Тем не менее считают, что они участвуют в перераспределении генетическою материала при делении клетки и в энергозависимых процессах в клетке.
Цитоплазма Б. содержит многочисленные мелкие гранулы — рибосомы, имеющие коэффициент седиментации 70S, что отличает их от рибосом эукариот. имеющих коэффициент седиментации 80S, поэтому некоторые антибиотики — ингибиторы синтеза белка, связываясь с рибосомами бактерии, подавляют в ней синтез белка, не влияя на синтез белка эукариотических клеток. В цитоплазме имеются различные включения: скопления полисахаридов, поли- β-оксимасляной кислоты, гранулы волютина (полифосфаты) и др. Они накапливаются при избытке питательных субстратов в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей. Характерно расположение гранул волютина у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки.
Ядро Б. (нуклеоид) расположено в центральной зоне и представлено плотно уложенной в виде клубка кольцевой хромосомой, состоящей из двуспиральной молекулы ДНК. В отличие от ядра эукариот нуклеоид Б. не имеет ядерной оболочки и ядрышка.
Бактерии гаплоидны: у них только один набор генов в хромосоме. Передача генетического материала у Б. осуществляется тремя способами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией.
Конъюгация бактерий происходит при контакте мужской и женской клеток При этом генетический материал переходит с помощью так называемой половой пили (F-пили). Образующиеся клерки (рекомбинанты) наследуют большинство своих признаков от женских клеток, а от мужских получают только часть генов (фрагменты генома). Мужская клетка содержит F-фактор (половой фактор). Клетки, не содержащие F-фактор, являются женскими. F-фактор может располагаться в цитоплазме в виде кольцевой двухнитчатой молекулы ДНК, являясь плазмидой, или может включаться в бактериальную хромосому (Hfr-клетки), способствуя более частому переносу в другую клетку.
При трансдукции происходит передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофагов. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК-донора, и специфическую, осуществляющуюся переносом фрагмента ДНК-донора только в определенные участки ДНК-реципиента. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением в головку фага ДНК-донора дополнительно к геному фага или вместо генома фага. Специфическая трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами клетки-хозяина. Если фрагмент ДНК не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе соответствующего генного продукта, такая трансдукция называется абортивной.
Трансформация заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерии в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК.
Кроме хромосомы нуклеоида в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности: так называемые плазмиды — ковалентно замкнутые кольца двуспиральной ДНК, расположенные в цитоплазме. Они придают Б. новые свойства, например способность к конъюгации и образованию половых пилей (F-плазмида), устойчивость к антибиотикам (R-плазмида), токсигенность (Ent-плазмида), колициногенность (Col-плазмида) и др. Плазмиды и хромосомы могут обмениваться транспозонами — транспозирующимися, или блуждающими, генами. Транспозоны участвуют в процессах мутации и развития лекарственной устойчивости. Плазмиды детерминируют синтез определенных структур или ферментов. Так, плазмиды бактериоциногении детерминируют синтез бактериоцинов-белков, которые после взаимодействия со специфическими рецепторами бактерии повреждают ее; при этом лизиса Б. не происходит. Примером бактериоцина является белок колицин, образуемый кишечной палочкой, содержащей Col-плазмиду. Чувствительность к бактериоцинам и способность продуцировать их являются маркерами, позволяющими различать штаммы бактерий.
По типу питания Б. делят на аутотрофы, использующие для построения своих компонентов углерод из неорганических соединений, и гетеротрофы, нуждающиеся в органических соединениях в качестве источника углерода. По источнику энергии среди Б. различают фототрофы, т.е. фотосинтезирующие, например сине-зеленые водоросли, использующие энергию света, и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.
Для роста на питательных средах Б. необходимы определенные компоненты. Потребность Б. в органических веществах различна и обеспечивается за счет бактериальных факторов роста (аминокислот, необходимых для построения белков, пуринов и пиримидинов, требующихся для образования нуклеиновых кислот, витаминов, входящих в состав некоторых ферментов). Для обозначения отношения Б. к факторам роста используют термины «ауксотрофы» и «прототрофы». Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения.
Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные округлые колонии с ровными или неровными краями, различной консистенции и цвета. Популяция Б., образующихся при размножении единственной бактериальной клетки, называется штаммом. При росте на жидкой питательной среде Б. дают придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост. Рост Б. на жидкой питательной среде подразделяют на несколько фаз: лагфазу, фазу логарифмического роста, фазу стационарного роста, или максимальной концентрации Б., и фазу их гибели. Лагфаза — период между посевом и началом размножения Б., которые при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению. Фаза логарифмического роста — период интенсивного деления Б. Грамположительные Б. делятся путем образования перегородок деления, а грамотрицательные Б. формируют перетяжку деления (рис. 12). При оптимальных условиях роста они могут делиться каждые 20—30 мин. Затем наступает фаза стационарного роста, в которой количество жизнеспособных клеток не изменяется. Завершает процесс роста фаза гибели, характеризующаяся отмиранием Б. в условиях истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий.
Интенсивность роста и размножения Б. зависит от температуры окружающей среды. Б., растущие при низкой температуре, называются психрофилами, при средней (оптимум роста около 37°) — мезофилами, при высокой температуре — термофилами. Психрофильные бактерии составляют большую группу сапрофитических микроорганизмов — обитателей почвы, морей, пресных водоемов, сточных вод. К ним относятся некоторые железобактерии, псевдомонады, светящиеся бактерии, бациллы и др. Некоторые психрофильные Б. могут вызывать порчу продуктов питания, хранящихся при низкой температуре. Способностью расти при низких температурах обладают некоторые бактерии, вызывающие заболевания у человека, например возбудитель псевдотуберкулеза может размножаться при температуре 4°. В зависимости от температуры культивирования меняются и другие свойства бактерий. Так, Serratia marcescens образует при t° 20—25° большое количество красного пигмента (продигиозана), а при t° 37° — меньшее его количество, однако скорость ее размножения выше при 37°. Синтез полисахаридов, в т.ч. капсульных, выше при более низких температурах культивирования (в пределах температур, при которых возможен рост). Интервал температур, при котором возможен рост психрофильных Б., колеблется от —10° до 40°. Небольшая часть психрофильных Б. способна расти при нижнем пределе температуры —10°, если в среде обитания имеются соли в концентрации, предотвращающей замерзание среды. Мезофилами являются многие патогенные и условно-патогенные Б. Они растут в диапазоне температур от 10° до 47°. При более высоких температурах размножаются термофильные Б. Описаны Б., развивающиеся при t° 250—300° в горячих сульфидных водах и давлении 265 атм на дне океана. Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена. Титр термофилов — наименьший вес почвы, в котором содержится один термофильный микроорганизм, — используется для оценки санитарного состояния почвы.
Температура, ультрафиолетовое излучение, высушивание, различные вещества в зависимости от дозы и времени воздействия могут оказывать на Б. бактериостатическое (остановка роста бактерий) или бактерицидное (убивающее) действие.
При воздействии неблагоприятных факторов окружающей среды некоторые бактерии образуют споры, называемые эндоспорами. Эндоспоры имеют плотную оболочку, содержащую дипиколинат кальция, что способствует их длительному сохранению при действии высоких температур и высушивании. Споры различных видов Б. располагаются центрально, субтерминально или терминально (на конце палочковидной бактерии). Диаметр спор может превышать диаметр бактерий, приобретающих вследствие этого форму веретена (рис. 6, 7). Отсюда название этих бактерий — клостридии (греч. klōstēr веретено + eidos вид), в отличие от бацилл (рис. 8), диаметр спор которых не превышает диаметр клетки.
Способность Б. приживаться в тканях организма-хозяина и вызывать инфекционные болезни называется патогенностью. Мерой, степенью патогенности является вирулентность. Патогенность определяется генами, ответственными за образование компонентов с адгезивными свойствами (пили, липотейхоевые кислоты клеточных стенок грамположительных бактерий и др.); ферментов с инвазивной активностью (гаалуронидаза, нейраминидаза, коллагеназа и др.); веществ с антифагоцитарной активностью (капсулы, слизь, корд-фактор микобактерий и др.), веществ с токсической активностью — эндотоксины, белки, секретируемые бактериями (см. Токсины). Патогенность обусловливают не только гены хромосомы, но и плазмидные гены. Так, определенные плазмиды контролируют образование пилей, ответственных за адгезию. Условно-патогенные, или потенциально патогенные. Б., являясь главным образом представителями нормальной микрофлоры человека и животных, реализуют патогенный генотип в условиях сниженной резистентности и иммунитета организма-хозяина.
Бактерии можно идентифицировать по морфологическим, тинкториальным (способ окраски), культуральным (особенности роста), биохимическим и серологическим свойствам. Серологические (антигенные) свойства Б. устанавливают с помощью иммунных сывороток, взаимодействующих в различных реакциях иммунитета (см. Иммунологические методы исследования) с капсульными антигенами (К-антигенами). О-антигенами. Н-антигенами и др.
Библиогр.: Езепчук Ю.В. Патогенность как функция биомолекул, М., 1985, библиогр.; Методы общей бактериологии, под ред. Ф. Герхардта и др., пер. с англ., т. 1—3, М., 1983—1984; Шлегель Г. Общая микробиология, пер. с нем., М., 1987.
Рис. 7. Чистая культура столбнячной палочки (Clostridium tetani): видны терминально расположенные споры; окраска карболовым фуксином и метиленовым синим; х 800 синим; х 800.
Рис. 1. Сапрофитические спирохеты (Spirocheta buccalis) в мазке из зубного налета; окраска по Граму; х 800.
Рис. 5. Чистая культура стрептококка (Streptococcus pyogenes); окраска по Граму: х 800.
Рис. 9. Чистая культура актиномицета (Actinomyces israelii); окраска по Граму; х 800
Рис. 4. Чистая культура золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus); окраска по Граму: х 800.
Рис. 8. Чистая культура Bacillus cereus: видны окрашенные в малиновый цвет центрально расположенные споры и окрашенные в голубой цвет вегетативные формы; окраска по Ауески; х 800.
Рис. 11. Электронограмма ультратонкого среза пневмококка, образующего капсулу (указано стрелками); х 32 000.
Рис. 6. Чистая культура Clostridium perfrindens; видны субтерминально (указаны стрелками) и центрально расположенные опоры; окраска карболовым фуксином и метиленовым синим; х 800
Рис. 12. Электронограммы ультратонких срезов делящихся бактерий: а — стафилококка, делящегося путем образования перегородки деления (указана стрелками), × 32 000; б — кишечной палочки — в результате формирования перетяжки деления (указана стрелками); 1 — клеточная стенка, 2 — цитоплазматическая мембрана, 3 — нуклеоид; × 22 000.
Рис. 2. Многочисленные спирохеты (Borrella persica) в мазке из крови больного клещевым возвратным тифом; окраска по Романовскому — Гимзе; х 800.
Рис. 10. Электронограмма клетки кишечной палочки, напыленной платинопалладиевым сплавом: видны жгутики (1) и пили (2); х 6000.
Рис. 3. Чистая культура кишечной палочки (Escherichia coli); окраска по Граму; х 800.