Глава II морфология микроорганизмов

Мир микроорганизмов состоит из огромного числа микробов, которых можно наблюдать и изучать только при помощи специального прибора — микроскопа. Вели­чина микроорганизмов измеряется в микрометрах (мкм) V Микрометр составляет Viooo миллиметра. Величи­на вирусов измеряется миллимикрометрами (ммкм), равными Viooo микрометра, т. е. нанометрами.

Морфологию более крупных микроорганизмов (грибы, простейшие) изучают в световом микроскопе при увели­чении в 100—400 раз, а таких мелких, как бактерии, спи­рохеты, риккетсии и некоторые простейшие, при увеличе­нии в 900—1000 раз. Изучение микроорганизмов в элект­ронном микроскопе при увеличении в 50000—100000 раз позволяет выявить детали строения микробной клетки. Сведения об анатомии бактериальной клетки помогают определить функции некоторых морфологических струк­тур на молекулярном уровне. Морфологию вирусов мож­но изучать только в электронном микроскопе.

Бактерии

Бактерии представляют собой одноклеточные орга­низмы, лишенные хлорофилла. Эта группа микроорга­низмов наиболее многочисленна, широко распространена в природе и хорошо изучена. Среди бактерий имеется значительное число возбудителей инфекционных заболе­ваний человека и животных.

Ч Форма и размеры бактерий. По форме клеток бакте­рии разделяются на шаровидные — кокки, палочковид­ные или цилиндрические — собственно бактерии, изви­тые— вибрионы и спириллы. Между основными формами имеются переходные. Различные формы бактерий пока­заны на рис. 1.

Кокки (от греч. coccus — зерно, ягода) различаются между собой в зависимости от расположения клеток пос­ле их деления. Одиночно расположенные кокки называ­ются микрококками (рис. 1,1), парные — диплококками. Если кокки после деления не расходятся, а образуют це­почку, их называют стрептококками (рис. 1,3). Все эти кокки делятся только в одной плоскости. При делении в двух взаимно перпендикулярных плоскостях могут обра­зовываться сочетания из четырех кокков — тетракокки (рис. 1,6), а при делении в трех взаимно перпендикуляр-

¹ Согласно Международной системе единиц (СИ), приняты сле­дующие обозначения: 1 микрон = I микрометру, 1 миллимикрон «= 1 миллимикрометру= 1 нанометру. Величина ангстрем (А) не при­меняется, вместо нее следует употреблять нанометр (1А=0,1 нм).

Рис. 1. Основные формы бактерий.

1 — микрококки; 2 — стафилококки; 3 — стрептококки; 4 — гонококки; 5—пнев­мококки; 6 — тетракокки; 7 — сардины; 8, 9 — различные формы палочек; 10- вибрионы; 11—спириллы.

ных плоскостях — сарцины (от лат. sarcio —связывать) (рис. 1,7), состоящие из 8—16 клеток в виде кубиков. Если деление происходит без определенного порядка, кокки остаются вместе и образуют скопления, напомина- гощие гроздь винограда, — стафилококки (рис. 1,2). Обычно размеры кокков достигают 1 — 1,5 мкм.

Среди кокков имеются возбудители различных забо­леваний человека: диплококки — пневмококки (рис. 1,5), менингококки и гонококки (рис. 1, 4) вызывают соответ­ственно воспаление легких, менингит и гонорею; стафи­лококки и стрептококки — различные гнойные заболева­ния человека и животных. Многие кокки являются оби­тателями различных полостей и кожи человека и широко распространены во внешней среде.

Палочковидные бактерии (от греч. bacte­ria — палочка) имеют цилиндрическую форму и обычно располагаются одиночно (рис. 1,8,9), но иногда попарно (диплобактерии) или в виде цепочек (стрептобактерии). Палочки могут быть прямыми, слегка изогнутыми или веретенообразными, размеры их достигают 1—5X0,5— 1 мкм. Палочки, не образующие спор, называются бакте­риями, а спорообразующие — бациллами (аэробы) и клостридиями (анаэробы). Под воздействием различных факторов форма и величина бактерий могут меняться. Способность бактерий изменять свою форму и величину называется полиморфизмом.

Среди бактерий много возбудителей инфекционных заболеваний: чумы, сибирской язвы, бруцеллеза, столб­няка, газовой гангрены, дифтерии, кишечных инфекций.

Извитые формы бактерий имеют вид спира­ли, состоящей из нескольких завитков. Среди них разли­чают вибрионы, имеющие один завиток (рис. 1,10), и спириллы, имеющие 2—3 завитка (рис. 1,11).

Вибрионы — слабоизогнутые клетки, напоминающие запятую, длиной 1—3 мкм, очень подвижные за счет жгутика, расположенного на конце клетки. Среди виб­рионов наибольшее значение имеет возбудитель холеры.

Спириллы—безвредные микроорганизмы, живущие в сточных или загрязненных водах, гниющих отбросах. Только Spirillum minus вызывает у человека болезнь уку­са крысы — со доку. ⁴,

Структура бактерий. Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы, которая содержит ядерное вещество и раз­личные органеллы и включения. Кроме того, у многих бактерий имеются капсула и жгутики (рис. 2).

Капсула, или слизистый слой. У многих бактерий внешним образованием клетки является капсула, или

Рис. 2. Схематическое изображение морфологических структур бак­териальной клетки.

1 — капсула; 2 — нуклеоид; 3 — рибосома; 4 — микрокапсула; 5 — клеточная стенка; 6 — цитоплазматическая мембрана; 7 — базальное тельце (блефаро- пласт); 8 — жгутик; 9 — полисома; 10 — гранула; 11 — мезосома.

Рис. 3. Сибиреязвенная палочка (X15 ООО). Стрелки указывают клеточную стенку и цитоплазма­тическую мембрану (по Сканга, 1954).

слизистый слой (рис. 2,1).

Их можно выявить при определенных способах окраски или соответству­ющем освещении. Толщи­на капсул у бактерий раз­лична: от долей микро­метра до 10 мкм и более.

Одни микроорганизмы образуют капсулу, только попадая в. организм чело­века или животного, на­пример пневмококки и возбудители сибирской язвы; другие сохраняют ее постоянно — группа капсульных бактерий.

Капсула предохраняет бактерии от действия за­щитных факторов орга­низма— антител и фаго­цитов. Химический состав капсул различен и зави­сит от вида бактерий.

Однако у большинства из них основной компонент кап­сулы — вода (до 98%) и полисахариды. В капсуле сиби­реязвенных бацилл найдены полипептиды. У некоторых бактерий вместо четко выраженной капсулы имеется ана­логичная структура в виде тонкого слизистого слоя на поверхности клетки, толщина которого менее 0,2 мкм. Ее называют микрокапсулой.

Клеточная стенка. Оболочка, которая отделяет мик­робную клетку от окружающей среды и сохраняет ее форму, получила название клеточной стенки (рис. 3). Она характеризуется прочностью, эластичностью и гиб­костью (толщина 10—20 нм). Клеточная стенка бактерий имеет сложную структуру и построена из компонентов двух типов. Прочность и твердость клеточной стенке при­дает сеть микрофибрилл, которая погружена в содержи­мое— матрикс. Микрофибриллы являются гликопепти­дами. В матриксе, куда погружены микрофибриллы, об­наружены полисахариды, а у некоторых бактерий до 50% вещества матрикса составляют тейхоевые кислоты.

Наиболее простое строение имеют клеточные стенки грамположительных бактерий. Они содержат до 95% гликопептидов, 2,5% липидов, полисахариды и тейхоевые кислоты. У грамотрицательных бактерий клеточная стен­ка трехслойная, резко отличающаяся по химическому составу. Она содержит только 5—10% гликопептидов, до 25% липидов, белки и полисахариды. Внутренним слоем ее являются гликопептиды, покрытые широким слоем неплотно упакованных молекул белка, над которым рас­полагается третий слой — липополисахаридный.

Обладая избирательной проницаемостью, клеточная стенка обеспечивает прохождение внутрь клетки различ­ных веществ и выведение наружу продуктов обмена. Че­рез клеточную стенку легко проникают вода, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, имеющие небольшие размеры молекул. Более крупные молекулы органиче­ских веществ не могут проникнуть внутрь клетки без пред­варительного расщепления их на более мелкие с помо­щью ферментов, выделяемых клеткой.

Цитоплазматическая мембрана. Непосредственно под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана, очень плотно прилегающая к стенке (рис. 4). При некоторых воздействиях на клетку, например при помещении бактерий в гипертонический раствор хлорида натрия, мембрана может отделиться от клеточной стенки

го

и стать хорошо видимой (см. рис. 3). Цитоплазма­тическая мембрана имеет очень большое значение в жизни клетки. Она дейст­вует как осмотический барьер, концентрируя внутри клетки питатель­ные вещества и способст­вуя выведению продуктов обмена. Цитоплазмати­ческая мембрана являет­ся местом биосинтеза не­которых составных частей клетки, принимает учас­тие в процессах деления бактерий. Цитоплазмати­ческая мембрана очень тонка, толщина ее не пре­вышает 10 нм. Она состо­ит из трех слоев: двух слоев молекул белка, ме­жду которыми располо­жены фосфолипиды.

Рис. 4. Электронная микрофо­тография ультратонкого среза возбудителя чумы (X96ООО).

1 — клеточная стенка; 2 — цитоплаз­матическая мембрана; 3 — цито­плазма с рибосомами; 4—нуклеоид.

Сферопласты и прото­пласты. Клеточная стенка бактерий может разру­шаться под действием ли-

зоцима или пенициллина.

Бактерии, целиком ли­шенные клеточной стенки, называются протоплас­тами, а имеющие остатки ее — сферопластами. Эти образования покрыты тонкой и нежной цито­плазматической мембра­ной, которая неспособна придать клетке опреде­ленную форму и сдержать

высокое осмотическое давление цитоплазмы. Поэтому сферопласты и протопласты могут находиться только в специальных осмотически уравновешенных средах, со­держащих 5—20% сахарозы и лошадиную сыворотку.

Цитозин Аденин ^

Пиримидины Пурины

Дезо- г ксири-р боза у.

Фосфат

'СТЗ

Тимин

Гуани

Рис. 5. Модель структуры ДНК.

С—дезоксирибоза; Ф — фосфат; А, Т — спаренные аденин и тимин; Г, Ц—спа­ренные гуанин и цитозин; Н — нуклеоид (мономер).

В этих средах они сохраняют округлую форму, а некото­рые и жгутики.

Цитоплазма. Содержимое бактериальной клетки, ог­раниченное цитоплазматической мембраной, прозрачное, водянистое или слегка вязкое вещество, называется ци­топлазмой. В цитоплазме бактерий находятся ядро клетки — нуклеоид, рибосомы, мезосомы, а также различ­ные гранулы запасных питательных веществ, пигменты, жиры.

Нуклеоид. Содержит дезоксирибонуклеиновую кисло­ту (ДНК), которая связана с небольшим количеством белка-гистона (нуклеопротеид) и является хранителем

наследственной информации в клетке. В отличие от ядер других микроорганизмов, например простейших, нук- леоид бактерий не имеет ясно выраженной мембраны, отграничивающей его от остальной части цитоплазмы (см. рис. 4). Молекула ДНК по схеме, предложенной в 1953 г. Уотсоном и Криком, состоит из двух полинуклео- тидных цепей, закрученных одна вокруг другой наподо­бие винтовой лестницы (рис. 5). Наружную поверхность такой двойной спирали образует сахар — дезоксирибоза (С), которая чередуется с остатками фосфорной кислоты (Ф). Внутри спирали перпендикулярно к ее оси, как ступеньки лестницы, расположены плоские молекулы азотистых оснований: пурины — аденин (А) и гуанин (Г), пиримидины — тимин (Т) и цитозин (Ц). Каждый пурин обязательно соединен с пиримидином, поэтому нить ДНК имеет равномерную толщину на всем протяжении, около 0,2 нм. Длина молекулы ДНК может быть в сотни миллионов раз больше. Например, общая длина хромо­сомы кишечной палочки 1—1,4 мм. Пурины и пиримиди­ны соединены между собой водородными связями, которые могут легко разрываться. Каждое азотистое ос­нование прикреплено только к сахару наружной цепи — дезоксирибозе. Дезоксирибоза, фосфат и азотистое осно­вание образуют один мономер ДНК, называемый нуклео- идом (Н). Для ДНК многих бактерий характерна коль­цевая структура в виде замкнутого кольца.

Рибосомы. Помимо ДНК, в клетке имеется вторая нуклеиновая кислота — рибонуклеиновая (РНК), кото­рая в отличие от ДНК состоит из одной цепи, имеет са­хар рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тими- на. Основная масса РНК связана с белком в форме ма­леньких частиц или рибосом, которые являются центрами синтеза белка. Рибосомы образуют большие агрегаты, называемые полирибосомами, или полисомами, состоя­щими из 7—8 и более рибосом. Химический состав рибо­сом: 40—60% РНК и 60—40% белка. У бактерий рибосо­мы лежат свободно в цитоплазме. Количество их в каждой клетке может быть более 100. Помимо рибосо- мальной РНК (р-РНК), в цитоплазме бактерии находит­ся еще информационная РНК (и-РНК, или м-РНК). Она осуществляет функцию переноса генетической информа­ции от ДНК к полисомам. У кишечной палочки она со­ставляет 2—4% всей РНК. Третья рибонуклеиновая кис­лота — транспортная РНК (т-РНК) — выполняет функцию транспортировки в рибосомы аминокислот, не­обходимых для синтеза белка.

Мезосомы. У некоторых бацилл из цитоплазматиче­ской мембраны возникают сферические, закрученные в завиток структуры, так называемые мезосомы. Функция их пока не совсем ясна. Возможно, они участвуют в про­цессе деления клетки или в окислительно-восстанови­тельных процессах, выполняя роль митохондрий.

Гранулы. В цитоплазме бактерий содержатся различ­ные гранулы, многие из которых содержат запасные пи­тательные вещества. Одни гранулы состоят из крахмала и окрашиваются йодом в синий цвет, другие — из глико­гена и окрашиваются йодом в коричневый цвет. Встре­чаются бактерии, накапливающие серу, синтезирующие и накапливающие жир.

У некоторых микробов в цитоплазме находятся зер­на волютина, которые впервые были обнаружены у спи­рилл Sp. volutans. Они являются запасными питательны­ми веществами, состоящими из неорганических фосфатов и соединений, близких к нуклеиновым кислотам. Волю- тин в виде крупных гранул накапливается в цитоплазме бактерий при выращивании их на средах, содержащих углеводы.

У некоторых бактерий, например коринебактерий, обнаружение зерен волютина является ценным диагно­стическим признаком.

Споры. Некоторые бактерии, попадая в неблагоприят­ные условия существования, образуют внутри тела спору (рис. 6). Спора очень устойчива к высыханию, действию- высоких температур, химических и дезинфицирующих веществ. Спорообразование свойственно преимуществен­но палочковидным формам — бациллам и клостридиям.

В процессе образования споры наблюдается обособ­ление ядерного материала и небольшой части цитоплаз­мы клетки с помощью тонкой перегородки. По мере раз­вития и созревания споры закладываются ее стенки, чис­ло и толщина которых варьируют у разных бактерий. Они состоят в основном из белка, липида и гликопепти­да. Устойчивость спор обусловливается наличием плот­ной оболочки, высоким содержанием липидов, солей кальция и минимальным количеством свободной воды. Процесс образования споры длится в среднем 18—20 и. При попадании споры в благоприятные условия (наличие питательных веществ, достаточной влажности и опти­

мальной температуры) она прорастает в вегетативную форму: набухает, в оболочке появляется отверстие, через которое вытягивается росток, превращающийся затем в па­лочку. Весь процесс длится 4—

5 ч.

У различных видов бакте­рий споры отличаются по рас­положению, форме и размеру.

Они могут располагаться в центре клетки — центрально (рис. 6, 1), ближе к концу — субтерминально (рис. 6, 3) и на самом конце — терминально (рис. 6, 2). Форма спор может быть овальной или шаровидной, диаметр их равен диа­метру клетки или несколько превышает его (рис. 6). Од­ной клетке соответствует только одна спора, поэтому спо­рообразование у бактерий не связано с процессом раз­множения, как у грибов, а является лишь способом пере­живания в неблагоприятных условиях внешней среды.

Спорообразующие микробы широко распространены в почве, воде, воздухе, сохраняясь там десятки лет. Сре­ди них встречаются патогенные виды — бациллы сибир­ской язвы, возбудители газовой гангрены, столбняка и ботулизма.

Жгутики и реснички. Некоторые бактерии обладают подвижностью, которая осуществляется с помощью жгу­тиков. Жгутики представляют собой тонкие, нитевидные фибриллы, число и расположение которых являются ха­рактерным видовым признаком бактерий. Различают бактерии: монотрихи — с одним жгутиком, амфитрихи, имеющие по одному жгутику на каждом полюсе клетки, лофотрихи — с пучком жгутиков на одном или обоих по­люсах и перитрихи, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела (рис. 7). Жгутик отходит от ба­зального тельца (блефаропласта)—образования в виде зерна, расположенного в цитоплазме на внутренней по­верхности цитоплазматической мембраны (рис. 8). Меха- вическое удаление жгутиков приводит к потере подвиж­ности бактерий, но не препятствует их росту и размноже­нию. Строение жгутиков бактерий отличается от

р

Рис. 7. Жгутики бактерий.

1 — Монотрихи; 2 — амфитрихи; 3 — лофотрихи; 4 — перитрихи.

аналогичных структур простейших. Диаметр их составля­ет лишь Vю диаметра жгутика простейших. В жгутиках бактерий обнаружен белок — флагеллин; у некоторых спирилл найдено 1,5% сахара и 2,2% РНК.

Движение бактерий можно увидеть при исследовании в живом состоянии в микроскопе с помощью метода ви­сячей или раздавленной капли или при специальных спо­собах окраски. Скорость активного движения с помощью жгутиков у некоторых бактерий очень велика: за 1 с они могут пересечь расстояние, в 20 раз превышающее их длину.

Кроме жгутиков, у некоторых бактерий, например сальмонелл, эшерихий, протея, обнаружены короткие ни­тевидные структуры — реснички, ворсинки, бахромки, фимбрии, пили (рис. 9). Они тоньше жгутиков бактерий (5—10 нм) и короче их, состоят из особого белка — пили- на. Длина и диаметр ворсинок различны. F-ворсинки ши-