Клеточные структуры

Занятие 2.

1. Различают:

      1. Поверхностные  структуры: 

          - капсула

          - клеточная стенка 

          - ЦПМ

          - жгутики, ворсинки

      2. Внутренние, входящие  в   протопласт.

          - нуклеоид,

          - рибосома,

          - мезосома

-споры,

-включения,               

-плазмиды и др. внехромосомные генетические структуры 

Постоянные  структуры:

         – клеточная стенка,

          - ЦПМ, 

          - нуклеоид, рибосома, мезосома

   2. Непостоянные структуры:

        - ворсинки, жгутики, капсула, споры, включения, плазмиды и др. внехромосомные генетические структуры

Клеточная стенка  
Клеточная стенка — структурный компонент, присущий только бактериям (кроме микоплазм).

Клеточная стенка выполняет  следующие функции:  
1. Определяет и сохраняет постоянную форму клетки.  
2. Защищает внутреннюю часть клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды.  
3. Участвует в регуляции роста и деления клеток.  
4. Обеспечивает коммуникации с внешней средой через каналы и поры.

5. Несет на себе специфические рецепторы для бактериофагов.  
6. Определяет во многом антигенную характеристику бактерий (природу и специфичность О- и К-антигенов).  
7. Содержащийся в ее составе пептидогликан наделяет клетку важными иммунобиологическими свойствами (см. ниже).  
8. Нарушение синтеза клеточной стенки бактерий является главной причиной их L.-трансформации.

Строение  клеточной стенки. В ее составе имеется два слоя: наружный — пластичный и внутренний — ригидный. Основу клеточной стенки составляет пептидогликан, который ранее называли муреином (от лат— стенка). Он имеется только у эубактерий (кроме микоплазм).

Пептидогликан включает в себя остов и два набора пептидных цепочек — боковых и поперечных.

Остов пептидогликана одинаков у всех бактерий и состоит из чередующихся молекул аминосахаров — N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмураминовой кислоты, связанных между собой β-гликозидными связями.

Боковые цепочки в каждой молекуле пептидогликана представлены набором идентичных тетрапептидов.

Поперечные цепочки также представлены набором из идентичных для данной молекулы пептидогликана пентапептидов, содержащих глицин, — пентаглицинов, однако у разных видов бактерий боковые и поперечные пептиды различны.

В тетрапептидной боковой цепочке у большинства грамотрицательных бактерий имеется диаминопимелиновая (диаминопимеловая) кислота (ДАП) — уникальный компонент клеточной стенки, обнаруженный только у прокариот. Кроме того, в составе боковых цепочек пептидогликана обнаружены L-аминокислоты (L-аланин, L-глутамин). Боковые тетрапептиды связаны с N-ацетилмураминовой кислотой остова. Связывание боковых тетрапептидов между собой происходит путем образования поперечных пентаглициновых мостиков между L- аланином одной цепи и диаминопимелиновой кислотой (или иной аминокислотой) другого бокового пептида.

 Наличие двух типов связей (гликозидные и пептидные), которые соединяют субъединицы пептидогликанов, придает этому гетерополимеру структуру молекулярной сети. Благодаря этим связям. пептидогликановый слой клеточной стенки образует огромного размера ригидную мешковидную макромолекулу, которая окружает протопласт, уравновешивает его тургорное давление и придает ему определенную постоянную форму. Пептидогликан может разрушаться под действием различных ферментов, а его синтез блокируют бета-лактамные антибиотики.  
Это приводит к разрыхлению пептидогликановой сети, следствием чего является осмотический лизис растущих клеток. Пептидогликан, помимо того, что он определяет постоянную форму бактерий, обладает следующими важнейшими иммунобиологическими свойствами.  
1. В его составе обнаружены родоспецифические антигенные детерминанты. Они содержатся в гликановом остове и в тетрапептидах. В межпептидных мостиках имеются видоспецифические антигенные детерминаиты.  
2. Пептидогликан запускает классический и альтернативный пути активации системы комплемента.  
3. Он тормозит фагоцитарную активность макрофагов, т.,е. защищает бактерии, особенно грамположительные, от фагоцитоза.  
4. Угнетает миграцию макрофагов.  
5. Способен индуцировать развитие гиперчувствительности замедленного действия.  
6. Обладает противоопухолевым действием.  
7. Оказывает пирогенное действие на организм человека и животных.  
Таким образом, клеточная стенка является чрезвычайно важной биологической структурой бактерий, определяющей многие их специфические свойства. Как отмечалось выше, все бактерии, в зависимости от их отношения к окраске по Граму, делятся на грамположительные и грамотрицательные.

Особенности клеточной стенки грамположительных бактерий  
Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет однородную структуру, пластичный слой тонкий и ковалентно связан с ригидным слоем. Она значительно толще, чем у грамотрицательных — ее толщина 20—60 нм. Основную массу стенки составляет пептидогликан. Он представлен не 1-2 слоями, как у грамотрицательных бактерий, а 5-6, на его долю приходится до 90% сухой массы клеточной стенки. Клеточная стенка содержит много тейхоевых кислот (до 50% сухого веса ее). Тейхоевые— растворимые в воде линейные полимеры, содержащие остатки глицерина или рибитола, связанные между собой фосфодиэфирньгми связями. Тейхоевые кислоты — главные поверхностные антигены многих грамположительных  бактерий. Они в значительном количестве располагаются между цктоплазматической мембраной и слоем пептидогликана, и через поры в нем выступают наружу. функция тейхоевых кислот полностью не выяснена.

Клеточная стенка большинства грамположительных бактерий не содержит липидов, однако у микобактерий и коринебактерий в ней имеются токсические гликолипиды.  
Особенность пептидогликанов грамположительных бактерий — частое отсутствие в них диаминопимелиновой кислоты. В клеточной стенке грамположительных бактерий отсутствуют липополисахарвды; содержание белка в них сильно варьирует. Белки во многом определяют антигенную специфичность таких бактерий. Например, стрептококки серогруппы А по белкам М и Т подразделяют на несколько десятковсеротипов.  
Особенности клеточной стенки грамотрицательных бактерий  
Клеточная стенка грамотрицательных бактерий значительно тоньше, и у большинства из них ее толщина составляет 14—18 нм.

Основная особенность  клеточной стенки грамотрицательных  бактерий: ригидный слой тонкий, представлен одним или, редко, двумя слоями пептидотликана, на долю которого приходится до 5—10% сухого веса стенки. Для пептидогликана характерно низкое содержание поперечных сшивок между пептидными цепочками, однако в нем почти всегда имеется диаминопи-мелиновая кислота.  
В составе клеточной стенки содержится много липопротеинов, фосфолипидов, липополисахарид, больше белка и, как правило, отсутствуют тейхоевые кислоты. Пластичный слой клеточной стенки у грамотрицательных бактерий представляет сложную мозаику, образованную из липопротеинов, липополисахаридов и наружной мембраны.  
Липопротеины связывают наружную мембрану с пептидогликаном (бёлок связан с диаминопимелиновой кислотой бокового тетрапептида, а липид — нековалентно с наружной мембраной).  
Липополисахаряд (ЛПС) состоит из комплекса липида А (эндотоксин) и связанного с ним полисахарида, состоящего из ядра, которое одинаково у всех грамотрицательных бактерий, и терминальной цепочки из повторяющихся сахаров – АГ специфичность.(см рис.).

 Наружная  мембрана является мозаичной структурой, представленной липополисахари-дами, фосфолипидами и белками. Внутренний слой ее представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Таким образом, наружная мембрана асимметрична. ЛПС наружной мембраны состоит из трех фрагментов:

• липида А — консервативной структуры, 
  практически одинаковой у грамотрицатель- 
  ных бактерий;
• ядра, или стержневой, коровой части (лат. 
  core — ядро), относительно консервативной 
  олигосахаридной структуры;
• высоковариабельной О-специфической 
  цепи полисахарида, образованной повторя 
  ющимися идентичными олигосахаридными 
  последовательностями.

 ЛПС «заякорен» в наружной мембране липидом А, обуславливающим токсичность Л ПС и отождествляемым поэтому с эндотоксином. Разрушение бактерий антибиотиками приводит к освобождению большого количества эндотоксина, что может вызвать у больного эндотоксический шок. От липида А отходит ядро, или стержневая часть ЛПС. Наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кето-дезоксиоктоновая кислота (З-деокси-Э-ман-но-2-октулосоновая кислота). О-специфи-ческая цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС, обусловливает серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляемая с помощью иммунной сыворотки) определенного штамма бактерий. Таким образом, с понятием ЛПС связаны представления об О-антигене, по которому можно дифференцировать бактерии. Генетические изменения могут привести к дефектам, «укорочению» ЛПС бактерий и к появлению в результате этого «шероховатых» колоний R-форм.

 Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы с относительной массой до 700 Да.

 Между наружной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты  (протеазы, липазы,  фосфатазы, нуклеазы, бета-лактамазы), а также компоненты транспортных систем.

 Способность грамположительных  бактерий при окраске по Граму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с красителем. Кроме этого, последующая обработка мазка бактерий спиртом вызывает суживание пор в пептидогликане и тем самым задерживает краситель в клеточной стенке. Грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, что обусловлено меньшим количеством пептидогликана (5—10 % массы клеточной стенки); они обесцвечиваются спиртом и при обработке фуксином или сафранином приобретают красный цвет. 

При нарушении  синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма и других соединений образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты — бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, г. е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму 

L-трансформация бактерий

Бактерии сферо- и протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием АБ или других факторов и способные размножаться, называются L- формами.  
Поскольку этот феномен был обнаружен в институте имени Листера, то таким необычным вариантам бактерий дали название L.-форм, такую изменчивость бактерий назвали L-трансформацией. Она может быть обратимой и необратимой.

1. В случае, если генетический контроль синтеза клеточной стенки сохраняется, L-формы при благоприятных условиях могут возвращаться в исходную бактериальную форму с восстановлением всех основных биологических свойств, включая патогенность.

2. Если же генетический контроль синтеза клеточной стенки нарушен необратимо, L-трансформация приобретает необратимый характер, а такие L-трансформанты по своим морфологическим, культуральным и иным свойствам становятся неотличимыми от микоплазм. L-трансформации могут подвергаться, по-видимому, все бактерии, имеющие клеточную стенку, а все образующиеся L-формы, независимо от вида бактерий, из которого они возникли, обладают следующими общими для них особенностями:  
1. Сходство морфологических изменений: образование нитевидных, волокнистых, колбасовидных, шаровидных и гранулярных форм.  
2. Сходные культуральные свойства: анаэробные или микроаэрофильные условия роста, потребность  в холестерине и сывороточном белке, рост на плотных средах в виде характерных колоний двух типов — А иВ. Колонии типа А растут на поверхности агара, имеют очень мелкие размеры. Они состоят  
главным образом из гранулярных структур, лишенных клеточной стенки, и очень похожи на микоплазмы.  
Колонии типа В состоят из центральной зоны, врастающей в агар, и прозрачной фестончатой периферии. Они похожи по внешнему виду на колонии типа глазуньи, образуемые микоплазмами, но более крупные и грубые.