Морфология бактерий. Общие вопросы.

Ультраструктура бактериальной клетки   * - мишени (точки приложения) для антибактериальных антибиотиков   Бактерии – представители доминиона Bacteria – одноклеточные организмы, имеющие прокариотический тип клеточной организации  (см. рис. 1). Обязательными элементами клетки (любой клетки, в т.ч. клетки прокариотического типа) являются :       

• - Цитоплазма

• - Внутриклеточные органеллы

• - Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

Особенности ультраструктурной организации клетки прокариотического типа: 

• Отсутствует компартментализация цитоплазмы, т.е. разделение цитоплазмы на функциональные отсеки (компартменты) с помощью внутриклеточных мембран (т.о., отсутствуют мембранные органеллы, в т.ч. и ядро)

• Отсутствует полноценный цитоскелет

• Отсутствует хроматин, т.е. отсутствует типичная упаковка генетического материала клетки (ДНК) в нуклеосомы с помощью белков гистонов.  

Характеристика ультраструктурных компонентов бактериальной клетки: Цитоплазма (гиалоплазма, цитозоль) – внутренняя среда клетки, представляет собой сложную коллоидную систему, содержащую разнообразные растворимые неорганические (фосфаты, сульфаты, хлориды, карбонаты etc., катионы одно- и двухвалентных металлов Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ etc.) и органические низкомолекулярные (углеводы, органические кислоты, аминокислоты, азотистые основания etc.) и высокомолекулярные (белки, нуклеиновые кислоты etc.) соединения в виде истинных и/или коллоидных растворов и характеризующуюся постоянством основных физико-химических параметров, как то: осмолярность, рН, ионная сила и т.д. Функция цитоплазмы : обеспечивает оптимальные условия для протекания внутриклеточных биохимических реакций и всех процессов жизнедеятельности клетки.   Внутриклеточные органеллы Нуклеоид – подобие ядра – область цитоплазмы бактериальной клетки, занятая генетическим материалом. Генетический материал у бактерий представлен двухцепочечной молекулой ДНК (дцДНК). Нуклеоид представляет собою совокупность всех молекул ДНК, присутствующих в клетке. У большинства бактерий генетический материал представлен кольцевыми ковалентно замкнутыми  суперспирализованными  (т.е. многократно закрученными вокруг своей оси молекулами ДНК. Состояние суперспирализации является динамическим и обеспечивается работой ферментов, относящихся к классу топоизомераз . В каждой бактериальной клетке присутствуют топоизомеразы нескольких типов, различающиеся по функциям и конечному эффекту на топологию (т.е. третичную структуру) ДНК. Третичная структура нуклеоида дополнительно стабилизируется при участии минорных (присутствующих в малом   количестве) ДНК-связывающих «гистоноподобных» белков. (Следует особо обратить внимание и запомнить, что бактериальные гистоноподобные белки имеют мало общего с гистонами эукариот!) Подобно тому, как эукариотический хроматин в зависимости от плотности упаковки подразделяется на рыхло упакованный эухроматин и плотно упакованный гетерохроматин, бактериальный нуклеоид содержит как плотно закрученные участки с большим числом положительных супервитков, так и частично раскрученные (т.е. деспирализованные) участки, содержащие отрицательные супервитки. Эти участки доступны для ферментов транскрипции, и в их составе располагаются активно работающие гены. Наибольшее практическое значение имеют топоизомеразы, отвечающие за отрицательную суперспирализацию (частичное раскручивание) участков ДНК (т.е. вносящие отрицательные супервитки). К их числу относятся ДНК-гираза*  (состоит из субъединиц А и В) и топоизомераза IV *. Нарушение работы этих ферментов блокирует процесс транскрипции, а также и репликации ДНК, что приводит к остановке роста и размножения бактерии.   Функция нуклеоида : хранение, воспроизведение и реализация генетической информации.   Рибосомы* – рибонуклеопротеидные частицы с константой седиментации 70S , состоят из 2-х субъединиц, имеющих константы седиментации 30S (малая) и 50S (большая). Бактериальная рибосома отличается по количественному и качественному составу белков и рибосомальных РНК (рРНК) от рибосомы эукариотического типа. В оптимальных условиях роста бактериальная клетка содержит 10.000 – 20.000 рибосом. Функция рибосом : Основная: трансляция (матричный процесс биосинтеза белков). Дополнительная: синтез регуляторных молекул в ответ на голодание.   Включения – гранулы, представляющие собой запас питательных веществ в пригодной для длительного хранения форме, т.е. обычно в виде инертных полимеров: органических (крахмал, гликоген, нейтральные липиды и др.) или неорганических (полифосфаты и др.). Могут достигать размеров, видимых в световой микроскоп, т.е. превышать 0.2 мкм в диаметре. [Включения полифосфатов («зерна волютина») выявляют с помощью окраски по методу Нейссера.]   Элементы цитоскелета . С внутренней поверхностью ЦПМ бактериальной клетки связаны сократительные белки нескольких типов, участвующие в пространственном распределении и разделении структурных элементов клетки, а также в процессе деления и, возможно, внутриклеточного транспорта.

Поверхностный аппарат не является обязательным для бактериальной клетки.          

• Поверхностный аппарат и отдельные его элементы могут эволюционно отсутствовать у определенных групп бактерий.          

• Бактерии способны утрачивать или приобретать те или элементы поверхностного аппарата в зависимости от условий существования.  

К элементам поверхностного аппарата бактериальной клетки относятся:

• Клеточная стенка

• S-слой

• Капсула и капсулоподобные оболочки

• Жгутики

• Реснички (пили) = ворсинки (фимбрии)

Периплазматическое пространство : метаболически активная область между ЦПМ и клеточной стенкой (см. схемы на рис. 6 и 13 , электронограммы рис.8,9 и 14-16 ), отличная по физико-химическим свойствам и химическому составу от внешней среды и содержащая ряд ферментов (гидролитических и синтетических) и шаперонов, участвующих в формировании нативной конформации белков (структурных, транспортных, экзоферментов, экзотоксинов и проч.), функционирующих вне цитоплазмы, в т.ч. и во внешней среде.   Функции периплазматического пространства : Синтетическая / функция эндоплазматической сети и комплекса Гольджи /: пост-трансляционная модификация (созревание) белков и других макромолекул, в т.ч. компонентов клеточной стенки.   Пищеварительная / функция лизосомы /: содержит гидролитические ферменты, участвующие в расщеплении олигомеров до мономеров в процессе питания.  

Клеточная стенка : защитная оболочка, покрывающая бактериальную клетки снаружи. NB !!! Представители класса Mollicutes не имеют клеточной стенки (эволюционно закрепленный признак).   В зависимости от особенностей организации клеточной стенки  выделают 3 типа бактерий: Фирмикутные [ firmus лат. жесткий] (при окраске по методу К. Грама приобретают темно-пурпурный/фиолетовый цвет, т.е. грам-положительные) имеют толстую и жесткую клеточную стенку, характеризующуюся повышенной механической прочностью, но достаточно проницаемую для малых молекул и, т.о., НЕ являющуюся барьером для низкомолекулярных соединений (см. рис. 6-8 ). Грациликутные [ gracilis лат. нежный] (при окраске по методу К. Грама приобретают розово-сиреневый цвет, т.е. грам-отрицательные) имеют сравнительно тонкую и относительно непрочную клеточную стенку (см. рис.10-15), более чувствительную к механическим воздействиям, но характеризующуюся низкой проницаемостью для многих малых молекул, в первую очередь, гидрофобных, включая и многие антибиотики (пенициллин и др.). Кислотоустойчивые (по методу К. Грама не окрашиваются, при окраске по методу Циля-Нильсена приобретают красный/малиновый цвет) имеют клеточную стенку, отличающуюся значительной толщиной и механической прочностью (рис.17,18) и одновременно крайне низкой проницаемостью для малых молекул, в том числе большинства существующих антибиотиков.

Клеточная стенка фирмикутных бактерий

представлена толстым (~50 нм) слоем пептидогликана , пронизанного тейхоевыми и липотейхоевыми кислотами, а также включает белки клеточной стенки, расположенные преимущественно на ее поверхности (см. схемы рис. 6 и 7 ). Пептидогликан (муреин): сложный полимер, имеющий трехмерную структуру и представляющий собой «ткань» (см. рис. 10 ), в составе которой линейные полисахаридные цепи «сшиты» между собой олигопептидами. Линейные полисахаридные цепи представлены чередующимися гексозными остатками (N -ацетил-глюкозамин и N -ацетил-мурамовая кислота), соединенными β-гликозидными связями (являются субстратом фермента лизоцима). К каждому остатку N -ацетил-мурамовой кислоты  присоединен олигопептид (тетрапептид ), включающий несколько уникальных аминокислот, в т.ч. D -изомер аланина  (см. рис. 11 и 12). Ковалентное связывание тетрапептидов соседних цепей приводит к образованию поперечных пептидных мостиков/сшивок. В результате формируется сплошной жесткий каркас /«корсет»/, окружающий клетку со всех сторон. Процесс образования поперечных пептидных мостиков осуществляется с помощью ферментов транспептидаз и карбоксипептидаз, располагающихся в периплазматическом пространстве и отвечающих за образование пептидной связи между аминокислотными остатками тетрапептидов соседних полисахаридных цепей. Каждая бактерия имеет набор из транспептидаз и карбоксипептидаз нескольких типов, в т.ч. латеральных  (функционируют на «условно» боковых поверхностях клетки), участвующих в синтезе пептидогликана при росте (увеличении размера) клетки, и терминальных , функционирующих в процессе деления и обеспечивающих образование перегородки между дочерними клетками. Транспептидазы и карбоксипептидазы клеточной стенки являются пенициллин-связывающими белками  (ПСБ ), т.к. они служат мишенью действия антибиотика пенициллина и всех родственных ему антибиотиков, относящихся к группе β-лактамов . Для увеличения размера каркаса при росте бактериальной клетки требуется постоянно «разрезать» полисахаридные цепи пептидогликана и «вшивать» новые субъединицы. Этот процесс осуществляется с помощью ферментов пептидогликан-гидролаз, расположенных также в периплазматическом пространстве и известных под названием «аутолизины ». Сбалансированная работа транспептидазы / карбоксипептидаз и аутолизинов обеспечивает координированное увеличение размеров пептидогликанового каркаса, соответствующее увеличению биомассы клетки. В клеточной стенке фирмикутных бактерий пептидогликан многослоен (содержит более 40 слоев линейных полисахаридных цепочек, прошитых олигопептидными мостиками) и составляет примерно 50% массы клеточной стенки

Функции пептидогликана :

• Определяет форму бактериальной клетки («наружный скелет»)

• Придает клеточной стенке механическую прочность

• Защищает от осмотического лизиса при попадании бактерии в среду с низкой осмолярностью (гипотонический раствор), в т.ч. в пресную воду.        

• Является «молекулярным ситом»: служит непроницаемым барьером для макромолекул, но легко пропускает любые низкомолекулярные вещества.