Введение

Микробиология, вирусология — СПбГПМУ, Лечебное дело

Введение

Бактерии (от греч. bakterion — палочка) представляют собой обширную группу одноклеточных прокариотических (доядерных) микроорганизмов. Их принципиальное отличие от эукариот (животных, растений, грибов, простейших) заключается в отсутствии оформленного клеточного ядра, ограниченного мембраной, а также большинства мембранных органелл. Изучение морфологии, ультраструктуры и химического состава бактерий является фундаментом для идентификации возбудителей инфекций, понимания механизмов их патогенности и резистентности к антибиотикам.

Морфология бактерий

Основные формы бактериальных клеток

1. Кокки (от греч. coccus — зерно, ягода) — шаровидные клетки диаметром 0,5–1,0 мкм. Классифицируются по взаимному расположению после деления:

• Микрококки — располагаются одиночно.
• Диплококки — попарно (например, Neisseria gonorrhoeae, Streptococcus pneumoniae).
• Стрептококки — цепочки (Streptococcus pyogenes).
• Стафилококки — скопления в виде гроздьев винограда (Staphylococcus aureus).
• Тетракокки — группы из четырёх клеток.
• Сарцины — пакеты из 8 и более клеток.

2. Палочки (бациллы) — цилиндрические клетки с закруглёнными, прямоугольными или заострёнными концами. Различают:

• Собственно бациллы — спорообразующие палочки (Bacillus spp., Clostridium spp.).
• Бактерии — неспорообразующие палочки (Escherichia coli, Salmonella spp.).
• По форме концов (обрубленные, закруглённые, булавовидные — Corynebacterium).

3. Извитые формы:

• Вибрионы — изогнутые в виде запятой палочки (Vibrio cholerae).
• Спириллы — клетки с одним или несколькими правильными завитками, длиной 3–20 мкм (Spirillum minus).
• Спирохеты — тонкие, длинные, спирально извитые клетки со специфическим осевым аппаратом (Treponema, Borrelia, Leptospira).

Размеры бактерий

Размеры варьируют от 0,1–0,3 мкм (микоплазмы) до 10–15 мкм (бациллы). Средний размер палочковидных бактерий: 2–5 мкм в длину и 0,5–1,0 мкм в ширину.

> [!simple] Простыми словами: Форма — это первая подсказка. Микробиолог смотрит в микроскоп и видит шарики (кокки), палочки или спиральки. Расположение клеток в мазке тоже важно: цепочки (стрептококки) или хаотичные грозди (стафилококки) намекают на разные инфекции.

Ультраструктура и химический состав бактерий

Структуры бактерий делятся на обязательные (есть у всех) и факультативные (встречаются у некоторых видов).

Обязательные структуры

1. Клеточная стенка

Это жёсткая структура, придающая форму и защищающая клетку от осмотического лизиса. Ключевой компонент — пептидогликан (муреин).

• Химический состав пептидогликана:
• Гликановый остов: чередующиеся остатки N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM), соединённые β-1,4-гликозидной связью.
• Тетрапептидная цепь: присоединена к каждой молекуле NAM (обычно L-аланин, D-глутаминовая кислота, мезо-диаминопимелиновая кислота или L-лизин, D-аланин).
• Поперечные сшивки (пептидные мостики): соединяют тетрапептиды соседних полисахаридных цепей (например, пентаглициновый мостик у Staphilococcus aureus).
• Различия между грамположительными (Гр+) и грамотрицательными (Гр-) бактериями:

| Признак | Гр+ бактерии | Гр- бактерии |

|---|---|---|

| Толщина пептидогликана | Многослойная, 40–80 нм (до 40 слоёв) | Тонкая, 1–2 слоя (2–7 нм) |

| Содержание муреина | 30–70% от сухой массы стенки | 5–10% от сухой массы стенки |

| Добавочные компоненты | Тейхоевые и липотейхоевые кислоты (полимеры глицерина или рибитола) | Внешняя мембрана (ВМ), периплазматическое пространство |

| Внешняя мембрана | Отсутствует | Присутствует (бислой фосфолипидов, белки, липополисахарид) |

| Чувствительность к лизоциму | Высокая | Низкая (защищена ВМ) |

• Липополисахарид (ЛПС) — уникальный компонент наружной мембраны Гр- бактерий.
• Строение: Липид А (якорь в мембране, является эндотоксином) → Кор (олигосахарид) → О-антиген (повторяющиеся полисахаридные звенья, обеспечивают антигенную специфичность).
• Функция: Серологическая идентификация (серогруппы), активация комплемента, пирогенные свойства (лихорадка).

> [!simple] Простыми словами: Клеточная стенка — это броня бактерии, а её главный материал — пептидогликан. По окраске по Граму мы проверяем, реально ли броня толстая (Гр+, фиолетовые) или она тонкая, но прикрыта сверху дополнительной защитной плёнкой (Гр-, красные). Это основа для выбора антибиотика: пенициллин бьёт по созданию брони у Гр+, а полимиксины разрушают плёнку у Гр-.

2. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

• Строение: Типичный липидный бислой (фосфолипиды, гликолипиды) с интегрированными и периферическими белками. В отличие от эукариот, у бактерий в ЦПМ нет стеринов (кроме микоплазм, которые поглощают их из среды).
• Функции:
• Барьерная — селективная проницаемость.
• Энергетическая — локализация ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтазы (окислительное фосфорилирование).
• Транспортная — пермеазы для активного транспорта питательных веществ.
• Секреторная — секреция белков (например, токсинов) через систему секреции (Sec, TAT).
• Биосинтетическая — ферменты синтеза пептидогликана, липидов, капсульных полисахаридов.
• Мезосомы — инвагинации ЦПМ, которые рассматриваются как артефакты фиксации, но могут играть роль в репликации ДНК или делении.

3. Цитоплазма

Внутренняя среда клетки, представляющая собой вязкий коллоидный раствор.

• Рибосомы (70S): Состоят из большой (50S) и малой (30S) субъединиц. Отличаются от эукариотических (80S) по размеру и составу белков/рРНК. Служат мишенью для антибиотиков (аминогликозиды, тетрациклины, макролиды).
• Нуклеоид: Эквивалент ядра. Одна кольцевая двухцепочечная молекула ДНК (хромосома) длиной до 4,7 млн пар оснований у E. coli. Компактизирована с помощью ассоциированных с нуклеоидом белков (HU, IHF). Не окружена ядерной мембраной.
• Плазмиды: Внехромосомные кольцевые или линейные (у Borrelia) молекулы ДНК, несущие нежизненно важные гены (резистентность к антибиотикам — R-плазмиды, факторы патогенности, бактериоцины).
• Включения: Запасные питательные вещества (гликоген, полифосфаты — волютин, гранулы серы, поли-β-гидроксимасляная кислота).

Факультативные структуры

• Капсула (макрокапсула, микрокапсула):
• Химический состав: Полисахариды (Klebsiella pneumoniae), полипептиды (D-глутаминовая кислота у Bacillus anthracis), гиалуроновая кислота (Streptococcus pyogenes).
• Функция: Антифагоцитарная (препятствует распознаванию и поглощению фагоцитами), защита от высыхания, адгезия, фактор вирулентности.
• Жгутики — органеллы движения (до 10–15 нм толщиной, 10–20 мкм длиной).
• Ультраструктура: Базальное тело (кольца у Гр+ и Гр-), крюк (гибкая муфта), нить (спираль из белка флагеллина).
• Расположение: Монотрихи (1), лофотрихи (пучок на одном конце), амфитрихи (по одному на обоих концах), перитрихи (по всей поверхности). Определяют хемотаксис (движение к питательным веществам или от токсинов).
• Фимбрии (пили I и IV типа) — нитевидные белковые структуры тоньше жгутиков. Обеспечивают адгезию к клеткам макроорганизма (фактор колонизации).
• Пили II типа (F-пили, или секс-пили) — участвуют в конъюгации (переносе генетического материала от донора к реципиенту).
• Споры — форма покоя, характерная для Гр+ палочек родов Bacillus и Clostridium.
• Строение: Спора состоит из сердцевины (нуклеоид, цитоплазма), кортекса (модифицированный пептидогликан), оболочки (кератиноподобные белки, обеспечивающие устойчивость) и экзоспориума.
• Химизм: Высокое содержание кальция (Ca²⁺-дипиколинат) и низкое содержание воды.
• Устойчивость: Споры выживают при кипячении, высушивании, действии дезинфектантов (устойчивы к убиванию).

> [!example] Пример: Mycobacterium tuberculosis имеет особую клеточную стенку, содержащую длинноцепочечные миколовые кислоты (60% от массы стенки). Это делает её гидрофобной, устойчивой к кислотам и щелочам (кислотоустойчивость), а также затрудняет проникновение антибиотиков.

Субклеточные формы бактерий

Это бактерии, частично или полностью лишённые клеточной стенки. Их образование может быть результатом спонтанных мутаций, действия ферментов (лизоцим) или антибиотиков (пенициллины, цефалоспорины).

Протопласты

• Определение: Бактериальные клетки, полностью лишённые клеточной стенки.
• Условия образования: Характерны для Гр+ бактерий (у которых клеточная стенка не имеет внешней мембраны). Разрушение пептидогликана лизоцимом или бета-лактамами приводит к полной потере стенки.
• Свойства:
• Форма строго сферическая.
• Высоко осмотически нестабильны — лизируются в гипотонической среде. Требуют изотонического раствора (например, 0,5–1 М сахароза).
• Неспособны к делению на средах без стабилизатора.
• Полностью утрачивают способность к реверсии (обратному образованию полноценной клетки с пептидогликаном).

Сферопласты

• Определение: Бактериальные клетки с частично сохранённой клеточной стенкой (остатки пептидогликана).
• Условия образования: Характерны для Гр- бактерий (внешняя мембрана защищает остатки муреина от полного гидролиза). Образуются под действием пенициллина, который ингибирует синтез пептидогликана.
• Свойства:
• Форма сферическая, но менее правильная (могут быть остатки палочковидной формы).
• Осмотическая стабильность выше, чем у протопластов, но всё же ниже, чем у интактных клеток.
• Частично способны к реверсии при устранении повреждающего агента.

L-формы бактерий

• Определение: Наследственно изменённые бактерии, частично или полностью лишённые клеточной стенки, способные к размножению (в том числе на плотных питательных средах).
• Название: Происходит от Института Листера (Lister Institute) в Лондоне, где они были впервые открыты Клайбергером (1935 г.) у Streptobacillus moniliformis.
• Классификация:
• Стабильные L-формы: Полностью утратили способность синтезировать предшественники пептидогликана (мурамовая кислота отсутствует). Реверсия к исходной бактериальной форме невозможна.
• Нестабильные L-формы: Сохраняют гены синтеза пептидогликана. При удалении индуктора (антибиотика) могут ревертировать в исходную форму с клеточной стенкой.
• Индукторы: Пенициллин, цефалоспорины, циклосерин, глицин (в высоких концентрациях), лизоцим, антитела + комплемент, фаги.
• Морфология: Полиморфны — нити, сферы, гигантские тела (до 10–15 мкм), элементарные тельца (мелкие грамположительные гранулы).
• Культивирование:
• Растут на специальных средах, обогащённых сывороткой(10–20%), с добавлением сахарозы (для поддержания осмотического давления).
• Образуют характерные "яичницы-глазуньи" (колонии с плотным центром, врастающим в агар, и тонкой кружевной периферией).
• Клиническое значение:
• Персистенция: L-формы способны длительно переживать в макроорганизме, ускользая от иммунной системы (нет стенки — нет ЛПС и тейхоевых кислот как мишеней для антител и комплемента).
• Хронические инфекции: Связаны с рецидивирующими пиелонефритами, остеомиелитами, миокардитами.
• Резистентность: L-формы нечувствительны к антибиотикам, действующим на этапы синтеза пептидогликана (пенициллины, цефалоспорины), что осложняет лечение.

> [!simple] Простыми словами: Протопласты (у Гр+) и сферопласты (у Гр-) — это "раздетые" бактерии, которые гибнут в обычных условиях. L-формы — это "раздетые" бактерии, которые не только выживают, но и размножаются. Антибиотик типа пенициллина на них не действует, поэтому иммунитет и диагносты их "не видят". При отмене антибиотика L-форма может снова "одеться" в клеточную стенку и вызвать обострение болезни.

> [!critical] Ключевой факт: L-формы бактерий — это особая субклеточная форма, способная к размножению без клеточной стенки. Это главное отличие от протопластов (не могут делиться) и сферопластов (не способны стабильно расти). L-формы — клинически значимая причина рецидивирующих трудноизлечимых инфекций, так как они резистентны к β-лактамным антибиотикам и ускользают от иммунного надзора.

---

Итог. Бактерии представляют собой прокариотические клетки с уникальной клеточной стенкой (пептидогликан), определяющей их форму и окраску по Граму. При воздействии антибиотиков или ферментов из них могут образовываться протопласты, сферопласты и L-формы, последние из которых способны к реверсии и длительной персистенции в организме, играя ключевую роль в патогенезе хронических инфекций.

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Микробиологии, вирусологии