Морфология и ультраструктура бактериальной клетки.

Микробиология, вирусология — СПбГПМУ, Стоматологический факультет

Основные морфологические формы бактерий

Бактерии характеризуются полиморфизмом, однако большинство видов имеет стабильную форму, определяющую их морфологию. Различают следующие основные формы:

Шаровидные (кокки)

• Микрококки: делятся в одной плоскости, одиночные клетки.
• Диплококки: делятся в одной плоскости, не расходятся, образуют пары (например, Neisseria meningitidis).
• Стрептококки: делятся в одной плоскости, образуют цепочки (например, Streptococcus pyogenes).
• Тетракокки: деление в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуют группы из четырех клеток.
• Сарцины: деление в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуют пакеты из 8–16 клеток (например, Sarcina ureae).
• Стафилококки: деление в нескольких плоскостях, образуют гроздевидные скопления (например, Staphylococcus aureus).

Палочковидные (бациллы)

• Одиночные палочки: Escherichia coli.
• Диплобактерии (диплобациллы): располагаются парами.
• Стрептобактерии (стрептобациллы): образуют цепочки (например, Bacillus anthracis, Streptobacillus moniliformis).

Извитые формы

• Вибрионы: изогнуты в виде запятой (один изгиб, до 1/4 оборота спирали), например Vibrio cholerae.
• Спириллы: имеют 2–3 крупных витка штопорообразной формы, например Spirillum volutans.
• Спирохеты: тонкие, длинные, с большим числом мелких витков. Различают роды Treponema (8–12 равномерных витков), Borrelia (3–5 менее глубоких витков), Leptospira (первичные и вторичные завитки, концы крючкообразно загнуты).

> [!example] Пример: В клиническом материале (гной) стафилококки выглядят как скопления "виноградных гроздей", что является важным дифференциальным признаком при микроскопии мазка.

Размеры бактерий

Средние размеры варьируют: кокки — 0,5–1,0 мкм в диаметре; палочковидные — длина 1–5 мкм, ширина 0,5–1,0 мкм. Существуют мелкие формы (риккетсии, хламидии — 0,2–0,5 мкм) и гигантские бактерии (например, Epulopiscium fishelsoni до 600 мкм).

> [!simple] Простыми словами: Морфология — это форма тела бактерии. Форма определяет способность прикрепляться, образовывать колонии и даже вызывать специфическое воспаление (например, ворсинки спирохет облегчают проникновение в ткани).

---

Ультраструктура бактериальной клетки

Бактерии являются прокариотами (не имеют оформленного ядра). Ультраструктуру изучают с помощью электронной микроскопии.

Обязательные (постоянные) компоненты

1. Нуклеоид

• Строение: кольцевая двуцепочечная молекула ДНК (хромосома), суперспирализованная, замкнутая ковалентно. Не отделена мембраной от цитоплазмы (отсутствие ядерной оболочки).
• Функция: хранение и передача наследственной информации. Содержит около 4 000 000 пар нуклеотидов.

2. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

• Толщина: 7,5–10 нм.
• Состав: двойной слой фосфолипидов с интегрированными и периферическими белками. Отличается от эукариотической мембраны отсутствием стеролов (за исключением микоплазм).
• Функции:
• Барьерная (избирательная проницаемость).
• Энергетическая (локализация дыхательных ферментов — цитохромов, АТФ-синтазы).
• Транспортная (пермеазы).
• Участие в репликации ДНК и делении клетки (мезосомы — инвагинации ЦПМ).

3. Цитоплазма

• Состав: коллоидный раствор (гиалоплазма), содержащий растворимые белки, РНК, ферменты, рибосомы и включения.
• Рибосомы: 70S-типа (субъединицы 30S и 50S), меньшие, чем эукариотические (80S). Служат мишенью для антибиотиков (аминогликозиды, тетрациклины).

4. Клеточная стенка

Обязательный компонент (кроме микоплазм и L-форм). Определяет постоянную форму, защиту от осмотического лизиса. Делится на два основных типа по окраске по Граму.

##### Строение клеточной стенки грамположительных бактерий

• Толщина 20–80 нм.
• Многослойный пептидогликан (муреин), плотно прилегающий к ЦПМ. Содержит 40–90% пептидогликана от массы стенки.
• Содержит тейхоевые и липотейхоевые кислоты (полимеры глицерина или рибита, связанные с муреином или с мембранными липидами). Они являются антигенами, участвуют в адгезии.
• Окраска по Граму: фиолетовый (удерживают кристаллический фиолетовый после обработки йодом и спиртом) – Грам+.

##### Строение клеточной стенки грамотрицательных бактерий

• Толщина 10–15 нм.
• Стенка двухслойная:
• Внутренний слой — тонкий (1–3 слоя) пептидогликан.
• Наружный слой — наружная мембрана (асимметричный липидный бислой). Внутренний листок — фосфолипиды; наружный листок содержит липополисахарид (ЛПС).
• Липополисахарид (ЛПС) – основной фактор патогенности грамотрицательных бактерий (эндотоксин). Состоит из липида А (токсическая часть), корового олигосахарида, О-специфической цепи (антиген).
• В наружной мембране — порины (белки, образующие каналы).
• Между пептидогликаном и наружной мембраной — периплазматическое пространство (содержит ферменты: β-лактамазы, нуклеазы, связывающие белки).
• Окраска по Граму: красный/розовый (лишаются комплекса с кристаллическим фиолетовым под действием спирта) – Грам-.

> [!formula] Определение принадлежности по Граму

>

> Грам(+) имеют толстый пептидогликан, задерживающий краситель. Грам(-) имеют тонкий пептидогликан и наружную мембрану, которая разрушается спиртом, выпуская краситель.

5. Капсула

• Строение: слизистый слой из полисахаридов (у некоторых бактерий — полипептиды, например, Bacillus anthracis из D-глутаминовой кислоты). Плотно прилегает к клеточной стенке (микрокапсула) или образует рыхлое слизистое вещество (макрокапсула).
• Функция: защита от фагоцитоза (антифагоцитарный фактор), от высыхания, от бактериофагов. Участвует в адгезии.
• Обнаружение: окраска по Бурри-Гинсу (негативное окрашивание тушью) – капсула видна как бесцветный ореол вокруг микробной клетки.

> [!example] Пример: Пневмококк (Streptococcus pneumoniae) теряет вирулентность без капсулы; капсульные варианты вызывают пневмонию, бескапсульные – нет.

Необязательные (вариабельные) компоненты

1. Жгутики

• Строение: длинные тонкие нити (8–12 нм) из белка флагеллина. Прикрепляются к базальному тельцу, проходящему через ЦПМ и клеточную стенку.
• Расположение:
• Монотрихи: один жгутик на полюсе (Vibrio cholerae).
• Лофотрихи: пучок на одном конце (Pseudomonas aeruginosa).
• Амфитрихи: по одному жгутику или пучку на обоих концах.
• Перитрихи: жгутики по всей поверхности (Escherichia coli, Salmonella typhi).
• Функция: движение. Спирохеты двигаются с помощью аксиальной нити (эндожгутика) — сократительной структуры в периплазматическом пространстве.

2. Пили (фимбрии)

• Строение: короткие, прямые, белковые выросты (3–25 нм), не выполняющие двигательную функцию.
• Типы:
• Пили общего типа (фимбрии): участвуют в адгезии к клеткам хозяина, колонизации поверхностей.
• Половые пили (F-пили, секс-пили): участвуют в конъюгации (передача плазмид). Кодируются конъюгативными плазмидами.

3. Споры

• Образуются при неблагоприятных условиях (недостаток питания, высыхание) бактериями родов Bacillus и Clostridium.
• Процесс спорообразования (споруляция): незрелая вегетативная клетка формирует эндоспору внутри себя — покоящуюся форму, устойчивую к нагреванию, радиации, дезинфектантам.
• Строение споры: многослойная оболочка (кортекс, покровные слои), мало воды, большое количество дипиколината кальция (CaDPA), который стабилизирует ДНК и белки.
• Локализация споры в клетке:
• Центральная (Bacillus anthracis — форма "барабанной палочки").
• Терминальная (Clostridium tetani — форма "теннисной ракетки").
• Субтерминальная (Clostridium botulinum).

4. Включения (запасные вещества)

• Волютин (полифосфаты): базофильные гранулы, выявляются при окраске по Нейссеру (у коринебактерий дифтерии — "зерна Бабеша-Эрнста").
• Липидные включения: капли жира (у микобактерий туберкулеза).
• Гранулы гликогена и крахмала: запас углеводов.
• Гранулы серы и поли-β-оксимасляной кислоты: у фототрофных и хемолитотрофных бактерий.

> [!simple] Простыми словами: Ультраструктура — это внутреннее устройство бактерии на уровне молекул и мембран. Самое главное отличие от наших клеток: нет ядра (ДНК просто плавает в цитоплазме) и другая клеточная стенка. У грамположительных она толстая и фиолетовая, у грамотрицательных — тонкая с дополнительной внешней мембраной.

---

Типы окраски бактерий

• Простой метод: окраска (метиленовый синий, фуксин) — позволяет оценить форму, размер, расположение.
• Сложные методы (дифференцирующие):
• Метод Грама: делит бактерии на Грам(+) и Грам(-).
• Метод Циля-Нильсена: окраска для кислотоустойчивых бактерий (микобактерии). Используют карболовый фуксин с подогреванием, обесцвечивание 3% HCl в спирте, докраска метиленовым синим. Кислотоустойчивые – красные, остальные – синие.
• Окраска по Нейссеру: для выявления зерен волютина и спор.
• Негативное окрашивание (тушью): для выявления капсул.

> [!critical] Ключевой факт: Основой классификации бактерий в микробиологии является окраска по Граму, которая отражает принципиальное различие в строении клеточной стенки: у Грам(+) — толстый муреин и тейхоевые кислоты, у Грам(-) — тонкий муреин, наружная мембрана с ЛПС (эндотоксином) и периплазматическое пространство. Это определяет чувствительность к антибиотикам (пенициллины лучше действуют на Грам(+), а карбапенемы — проникают через порины Грам(-)), а также механизмы вирулентности (ЛПС — главный эндотоксин).

---

Итог. Бактериальная клетка — сложная прокариотическая система с обязательным нуклеоидом, рибосомами 70S, ЦПМ и клеточной стенкой, а также с вариабельными структурами (капсула, жгутики, споры). Морфология и ультраструктура являются основой идентификации (микроскопия, окраска по Граму) и определяют патогенные свойства микроорганизма.

Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Микробиологии, вирусологии