БАКТЕРИИ

Главная » Новости » БАКТЕРИИ

Широко распространенная в природе группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующаяся примитивной формой клеточной организации.

Впервые бактерии были обнаружены в 17 в. гол. ученым А. Левенгуком. Интенсивное изучение биол. свойств Б. и их роли в биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы франц. ученого Л. Пастера, нем. ученого Р. Коха и англ. ученого Д. Листера.

БАКТЕРИИ

БАКТЕРИИ

Большинство Б. не имеют хлорофилла, т. е. они не используют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в результате хим. превращений неорганич. или органич. соединений, присутствующих в среде их обитания. Б. широко распространены в природе: их находят в почве, воде, в растениях, в организме человека и животных. Они могут существовать в самых разнообразных условиях, часто неблагоприятных для жизни других организмов. Б. играют огромную роль в формировании биосферы, в поддержании жизни на нашей планете, участвуя в круговороте энергии и веществ в природе.

Среди бактерий имеется относительно небольшое число видов, способных вызывать заболевания человека, животных и растений. Потенциальная способность бактерий вызывать инф. заболевания называется болезнетворностыо или па-тогенностью. Нек-рые бактерии являются условно патогенными, т. к. их болезнетвор-ность зависит от ряда условий, в первую очередь от сопротивляемости организма, в к-ром эти Б.  присутствуют.

Строение бактерий. По форме Б. делят на три группы (1): шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы).

Размеры палочковидных Б. могут быть от 1 до S микрометров (мкм) в длину и от 0,5 до 2 мкм в ширину; средний диам. шаровидных—0,5—1 мкм (1 мкм равен тысячной доле миллиметра). Известны гигантские Б. толщиной 40—50 мкм, нити к-рых видны невооруженным глазом, а также очень тонкие — толщиной 0,06—0,1 мкм (табл. 1 и 2). Основные структурные элементы бактериальной клетки:» оболочка, цитоплазма, нуклеоид (2 и 3). Содержимое тела бактериальной клетки, или ее цитоплазма, представляет собой желеобразный, вязкий раствор, в к-ром растворены различные органич. и неорганич.  соединения и находится большое количество мелких гранул. Цитоплазма, окруженная тонкой эластичной мембраной’ (цитоплазматическая мембрана), образует протопласт. Толщина мембраны 7—10 нанометров (1 им равен миллионной доле миллиметра). Ее основной компонент — сложные вещества, состоящие из белков и жиров (липопро-теины). Цитоплазматическая мембрана выполняет функциюмолекулярного «сита»: пропуская воду и небольшие молекулы нек-рых жирорастворимых веществ, она не пропускает другие низкомолекулярные соединения, что поддерживает стабильность хим. состава цитоплазмы и защищает клетку от попадания в нее вредных веществ. Наряду с пассивным переносом питательных веществ из окружающей среды в клетку — за счет диффузии через цитоплаз-матическую мембрану — имеется активный транспорт, осуществляемый с помощью спец. ферментов — пермеаз, находящихся в составе мембраны. Кроме пермеаз, в мембране присутствуют ферменты, участвующие в дыхании Б. (так наз. цитохромная система), в обмене углеводов, в образовании самой мембраны и в других важных функциях клетки.

Стоимость услуг пластической хирургии в разделе цены

Бактериальный протопласт окружен клеточной стенкой, обеспечивающей постоянство формы Б. Клеточная стенка толще, чем мембрана (10—25 им), и значительно прочнее ее. Она имеет эластичные поры диам. 1 им, через к-рые свободно проникают относительно крупные молекулы. Целостность клеточной стенки обеспечивает нормальную жизнедеятельность Б. Ее ослабление или разрушение приводит к проникновению в клетку воды из окружающей среды, набуханию клетки, а затем к разрыву цитоплазматической мембраны и вытеканию содержимого протопласта (цитоплазмы). Описанный процесс разрушения Б. и растворения се содержимого в среде называется лизисом. Основной компонент стенки — сложное соединение, молекулы к-рого связаны друг   с   другом   с   помощью   белковых мостиков и образуют полимерную структуру. Кроме пептидогликона, стенка Б. содержит другие хим. соединения, состав и количество к-рых у разных Б. различны. Эти компоненты обозначают общим термином специальные структуры. У золотистого стафилококка спец. структуры составляют 20% содержимого стенки, а у кишечной палочки — 80%. Функция этих соединений пока недостаточно изучена. Предполагается, что нек-рые из них защищают стенку бактерий от действия ферментов организма, способных разрушать основной компонент стенки — пептидогликон. Среди этих соединений обнаружены и такие, к-рые обусловливают болезнетворные свойства Б., в частности нек-рые кишечные Б. содержат в стенке липополисахариды, обладающие токсическими свойствами. Клеточная стенка Б., находящаяся в организме, может быть повреждена в результате действия ферментов организма или различных лекарственных средств, способных разрушать основное вещество стенки — пептидогликан. В результате этого бактерии гибнут или захватываются и перевариваются фагоцитирующими клетками организма, т. е. происходит фагоцитоз (см. Иммунитет).

Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, многие Б. окружены капсулой (4) толщиной 0,2 мкм, представляющей собой относительно плотный, желатинообразный материал, и непосредственно прилегающей к бактериальной стенке. Главный хим. компонент капсулы — полисахарид. Есть основания считать, что капсула защищает клетку от действия антибактериальных агентов, способных повредить клеточную стенку (бактериофаги, антибиотики, ферменты). У нек-рых патогенных Б. (пневмококков, гноеродных стрептококков, палочек сибирской язвы и возбудителей чумы) капсула содержит вещества, защищающие Б. от фагоцитоза. Следовательно, наличие капсулы у нек-рых Б. является одним из факторов, определяющих их болезнетвор-ность.

В отличие от клеток высших организмов (эукариотов), в Б. (прокариотах) отсутствует дифференцированное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Его функции осуществляет находящийся в цитоплазме нуклеоид, представляющий собой замкнутую в кольцо двунитчатую спираль молекулы дезоксирибонуклеиновой к-ты — ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), свернутую в   виде   клубка.    Функция   молекулы ДНК Б. аналогична функции хромосомы клеток высших организмов, т. е. в ней сосредоточена генетическая информация данной бактерии. Ядерное вещество легко обнаруживается при электронной микроскопии ультратонких срезов Б.

В цитоплазме Б. находится до 10 тыс. рибосом, представляющих собой мелкие гранулы диам. ок. 20 нм, с помощью к-рых осуществляется синтез белка клетки. В ней содержатся также различные включения (жиры, крахмал, гликоген, сера), являющиеся запасом питательных веществ, используемых Б.

Нек-рые палочковидные бактерии образуют споры — сферические   образования внутри палочки; такие Б. называют бациллами. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования Б.: при отсутствии питательных веществ, изменении хим. состава и температуры среды обитания и др. Каждая Б. формирует только одну спору. Следовательно, способность Б. образовывать споры является механизмом, обеспечивающим сохранение вида, а не способом размножения. У различных Б. споры отличаются по форме, размеру и расположению в клетке. В отличие от вегетативных (способных к размножению) клеток, споры характеризуются более высоким содержанием жиров и жи-роподобных веществ (липидов) и относительно меньшим содержанием воды. Это обусловливает их высокую устойчивость к внешним воздействиям (температуре, солнечному свету и др.), позволяя долго сохранять жизнеспособность, иногда многие годы. При попадании в благоприятные условия споры прорастают, образуя вегетативные клетки.

 

 

Многие бактерии способны активно двигаться с помощью жгутиков, своеобразных органов движения. Число жгутиков на поверхности клетки колеблется от 1 (5) до нескольких десятков. Способность Б. к активному движению, вероятно, помогает им быстрее поглощать вещества в жидкой среде обитания. Есть доказательства, что многие Б. двигаются в сторону тех участков среды, где имеются оптимальные условия для их существования, и удаляются от участков, в к-рых присутствуют вещества, вредно действующие на Б. (положительный и отрицательный хемотаксис Б.). Подвижные Б., нуждающиеся в кислороде (напр., холерный вибрион), двигаются к поверхности среды — месту наивысшей    концентрации    растворимого кислорода. Можно предположить, что активное движение помогает патогенным Б. проникать через вязкие, слизистые секреты, эпителиальные барьеры и распространяться в жидкостях и тканях организма.

Физиология бактерий. По хим. составу Б. не отличаются от клеток других организмов. Бактериальная клетка содержит 80% воды и 20% сухого остатка. Ок. 90% сухого остатка Б. составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые к-ты (10% ), белки (40% ), полисахариды (15%), пептидогликон (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганич. соли и другие низкомолекулярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельности Б., как и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них (эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая процессы синтеза, дыхания и т. п. Другие (экзоферменты) выделяются Б. в окружающую среду. Необходимые бактериям высокомолекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, к-рые проникают в клетку через цитоплазматическую мембрану. Белки, полисахариды, липиды могут быть использованы Б. в качестве источника питания лишь после их расщепления экзоферментами — до аминокислот, моносахаров и др.

Для нормальной жизнедеятельности Б. должна быть обеспечена источниками углерода и азота. Одни виды Б. (авто-трофы) используют неорганич. углерод (в виде углекислого газа или солей угольной к-ты); другие (гетеротрофы), в число к-рых входят патогенные Б., используют органич. соединения углерода. Гетеротрофные Б., в свою очередь, разделяют на сапрофитов, питающихся органич. соединениями внешней среды, и паразитов, живущих за счет другого организма.

Патогенные виды бактерий, относящиеся к паразитам, находят источники легко усвояемого углерода (глюкоза и аминокислоты) в тканевых жидкостях организма. Главным источником азота является аммиак (обычно в форме аммонийных солей). Нек-рые Б. усваивают азот атмосферы, к-рый в процессе азотфиксации превращается в аммонийные соли. Азотфиксирующие Б. играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, поддерживая плодородие почв и обеспечивая в природе непрерывность реакций, входящих в круговорот азота в биосфере. Другие Б., в т. ч. и патогенные, в качестве источников азота используют органич. соединения (аминокислоты, пептоны). Кроме азота и углерода, Б. нуждается в ионах натрия, кальция, магния, калия, фосфата, сульфата и др.

Различные Б. неодинаково относятся к присутствию свободного кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, напр, холерный вибрион, могут развиваться лишь в присутствии свободного кислорода. Анаэробы, напр, возбудители газовой гангрены, столбняка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие к-рого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэробы, напр. возбудители    кишечных    инфекций,    развиваются как в кислородной, так и в бескислородной   среде.

Аэробность или анаэробность Б. обусловливается способом получения ими энергии, необходимой для обеспечения тгроцессов жизнедеятельности. Нек-рые Б. (фотосинтезирующие) способны, подобно растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света. Остальные (хемосинтезирую-щие) получают энергию в ходе различных хим. реакций. Существуют Б. (хе-моавтотрофы), окисляющие неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но для большинства Б. источником энергии служат превращения органич. соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы используют реакции биол. окисления с участием свободного кислорода (дыхание), в результате к-рых органич. соединения окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробы получают энергию при расщеплении органич. соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения — спирты, молочная, масляная и другие к-ты, ацетон и др.

В процессе жизнедеятельности Б. образуют различные биологически активные вещества — ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматич. соединения, токсины и др.

Большинство Б. размножается делением, к-рому предшествует рост бактерии, т. е. увеличение массы ее клетки. Обычно палочкообразные Б. в длину увеличиваются вдвое, и после достижения ими определенного размера посередине клетки возникает поперечная перегородка, состоящая из цитоплазма-тической мембраны и клеточной стенки. Такой способ деления Б. называется поперечным. Образовавшиеся дочерние клетки по своим свойствам (строение, физиол. особенности, питательные потребности и пр.) полностью подобны материнской клетке, из к-рой они возникли.

Для того чтобы Б. могли расти и размножаться, среда их обитания должна содержать необходимые источники угл&-рода, азота, энергии, определенный солевой набор и иметь оптимальную температуру. Для большинства патогенных Б. температурный оптимум равен 37°, т. е. соответствует температуре тела человека и  животных.

В лабораторных условиях для выращивания Б. используют искусственные субстраты, так наз. питательные среды, из них наиболее распространены мясо-пептонный бульон и мясопептонный агар. Скорость размножения Б. в этих средах очень велика. Примерно каждые 20 мин. бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следова-» тельно, из одной клетки, культивируемой в хорошей питательной среде, через 10 часов образуется 1 000 000 000 потомков. Если бы процесс размножения Б. в питательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков одной бактерии равнялось 102) клеток, а их масса составила бы примерно 4000 т. В действительности же в питательной среде высокая скорость деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с момента внесения в нее Б. Это происходит потому, что очень быстро истощаются питательные вещества среды и в ней накапливаются продукты обмена веществ, неблагоприятно действующие на Б. Скорость размножения патогенных Б. в организме значительно меньше, чем в искусственной питательной   среде.

Генетика бактерий. Все признаки, характерные для Б. данного вида, определяются свойствами полипептидов, входящих в структуру ее ферментов и других белков. Генетическая информация Б., как и любых других клеток, записана в виде специфичной последовательности нуклеотидов в ДНК (см. Генетика, Нуклеиновые кислоты). ДНК является матрицей, на к-рой синтезируется ее точная копия, и в клетках, образовавшихся после деления Б., находятся молекулы ДНК, идентичные по последовательности нуклеотидов. ДНК выполняет также функцию шаблона для синтеза на ней информационной РНК, последовательность нуклеотидов к-рой определяет строение полипептида, синтезируемого на рибосомах. Сегмент ДНК, к-рый контролирует синтез специфичного полипептида,  называется геном.

Большинство бактерий имеет одну молекулу ДНК в виде хромосомы (6), в к-рой содержится информация, достаточная для кодирования от 1000 до 3000 полипептидов, т. е. заключено от 1000 до  3000 генов.

Бактериальные гены подвержены мутациям, т. е. в них возникают изменения в последовательности нуклеотидов в результате замены одних нуклеотидов другими, добавки излишнего  нуклеотида или потери части из них.

Мутациям подвержен любой ген Б., а т. к. многие из генов контролируют синтез жизненно необходимых для Б. соединений, такая мутация может оказаться для Б. смертельной (летальной). Это связано с тем, что, в отличие от клеток высших организмов, к-рые имеют двойной набор хромосом (дипло-иды), Б. в норме имеют лишь одну молекулу ДНК (гаплоиды). Поэтому каждая мутация Б. проявляется из-за отсутствия в ней аналогичного, но не подвергшегося мутации (дикого) гена, деятельность к-рого маскирует мутацию. Первые описанные мутации Б. касались изменения внешнего вида их колоний, отсутствия пигмента, затем были найдены мутации, изменяющие чувствительность Б. к бактериофагу, способность формировать капсулу, споры или жгутики, использовать определенные углеводы, синтезировать аминокислоты, а также мутации, изменяющие чувствительность Б. к антибиотикам и др.

Мутации в Б. могут возникать без каких-либо внешних воздействий (спонтанная мутация) с довольно постоянной скоростью, к-рая для разных типов варьирует от одной на 104 до одной на 1010 клеточных делений. Эта скорость увеличивается при обработке Б. нек-рыми хим. веществами или под действием физ. факторов, к-рые называют мутагенами. Если определенная мутация в данном гене дает Б. преимущества для роста и размножения по сравнению с немутантной клеткой, то происходит процесс селекции (отбора), в результате к-рого мутантные Б. размножаются, а неыутантные погибают. Селекция такого типа осуществляется в природе, в т. ч. и в организме животного  и  человека.   Напр.,   мутанты   Б., устойчивые к антибиотику, легко селекционируются, если в среде культивирования находится данный антибиотик. Это же может произойти в организме человека и животных при лечении их соответствующими антибиотиками. Мутации, приводящие к изменению поверхностных структур Б., в ряде случаев делают их устойчивыми к действию таких защитных факторов организма (см. Иммунитет). С другой стороны, известны мутации Б., приводящие к изменению ее капсулы.

Так, у пневмококка мутация, происшедшая в гене, к-рый контролирует синтез фермента, необходимого для образования предшественника одного из компонентов, входящих в состав кап-сульного полисахарида, приводит к тому, что пневмококк не будет «одет» в капсулу. В результате пневмококк теряет болезнетворность, т. к. становится чувствительным к действию защитных механизмов организма, в частности к фагоцитозу.

Изучение мутаций у Б. имеет практич. значение. Напр., в результате мутации были получены Б., потерявшие способность вызывать заболевание, но сохранившие способность создавать в организме невосприимчивость к нему. Такие ослабленные (аттенуированные) Б. применяют в качестве живых вакцин для профилактики туберкулеза, сибирской язвы и др. Безопасность их практич. использования связана с предотвращением появления у них обратных мутаций, приводящих к восстановлению болезнетворности. Важное практич. значение имеет расшифровка механизма возникновения мутаций, придающих Б. устойчивость к антибиотикам. Такие мутантные Б. вызывают у человека заболевания, не поддающиеся лечению данным антибиотиком. Поэтому в леч. практике часто прежде, чем назначить антибиотик, выделяют из организма больного Б. и определяют, к какому из имеющихся антибиотиков она чувствительна.

Изменение генетических признаков у Б. происходит не только в результате мутационного процесса и последующего отбора мутантных клеток, дающих начало новой разновидности данной Б. Этот процесс осуществляется также путем переноса генов от одной Б. к другой. Чаще такой перенос осуществляется между клетками одного и того же вида, но в ряде случаев генетический материал может передаваться среди Б., относящихся к разным родам, напр, от кишечной к дизентерийной палочке. Перенос генетического материала от Б. к Б. осуществляется тремя способами