Капсулы у бактерий, их функции, методы выявления

Окрашивание

Когда капсульные полимеры имеют кислотные свойства (например, за счёт карбоксильных групп), они хорошо поддаются окрашиванию катионными красителями, которые образуют молекулярные сшивки, например, и . Также капсулы можно окрашивать при помощи диаминов, лектинов и специфических антикапсульных антител. Например, , с помощью которой можно визуализировать капсулу Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Neisseria meningitidis, Bacillus anthracis и Haemophilus influenzae, основана на использовании антител к капсуле, под действием которых капсулы разбухают и становятся хорошо различимы.

В зависимости от особенностей окрашивания капсулы подразделяют на микрокапсулы и макрокапсулы. Макрокапсулы выявляются при окрашивании тушью как светлая зона между непрозрачной средой и клеточной стенкой, которую можно видеть в световой микроскоп. Микрокапсулы очень тонкие и при окрашивании тушью не видны, однако их можно выявить с помощью серологических методов.

Ответ на нападение

Особое значение для изучения бактериальной оболочки имеет так называемая реакция Нейфельда. Этот способ основан на разбухании, разрыхлении капсульного вещества под воздействием антител, которые иммунная система организма использует для идентификации и обезвреживания различных чужеродных объектов.

Например, при попадании в организм пневмококков иммунная система пускает в ход антитела, соответствующие химическому составу капсул этих микробов. В ответ бактерии начинают наращивать толщину слизистого слоя, пытаясь уберечь клетку от гибели. В результате оболочка становится намного больше и заметнее.

При проведении медицинских анализов на выявление конкретного вида патогенных бактерий в исследуемый материал, полученный от больного, добавляют несколько видов сыворотки с различными антителами. Значение будет иметь тот результат, где ширина аморфного слоя самая большая. Таким способом достаточно просто подтвердить или установить диагноз, что позволит как можно быстрее начать необходимое лечение.

Бактериальные капсулы образовались в процессе эволюции. Скорее всего, их появление оказалось жизненно важным для некоторых бактерий. Мягкая, рыхлая оболочка в виде надежного кокона ограждала микроорганизмы почти от всех опасностей. Значение подобного защитного слоя для выживания вида сложно переоценить.

Жгутики, фимбрии и пили (ворсинки)

Структуры, определяющие движение бактерий в окружающей среде.

У палочковидных бактерий жгутики могут прикрепляться полярно или латерально. Жгутик вращается с частотой 40-60 об/сек (сама клетка при этом вращается в обратном направлении с 1/3 от этой скорости), обеспечивая поступательное движение клетки со скоростью 16-100 мкм/сек.

Жгутик представляет собой относительно жесткую спиральную нить, переходящую в утолщенную структуру – крюк. Нить с помощью крюка прикрепляется к ЦПМ (место прикрепления называется базальным телом). У большинства бактерий нить состоит только из одного белка – флагеллина (белковые субъединицы уложены по спирали, внутри которой проходит полый канал).

Жгутики позволяют бактерии активно перемещаться в направлении, необходимом для клетки (таксис): к питательным веществам (хемотаксис), свету (фототаксис), теплу (термотаксис), ориентация в магнитном поле (магнитотаксис), вискозитаксис и т.д.

Длинные тонкие волоски на поверхности клетки называют фимбриями (ворсинками). Они также относятся к поверхностным структурам. Их может насчитываться до нескольких тысяч на клетку. Построены из белка пилина.

Эти структуры не имеют отношения к движению и обеспечивают прикрепление бактерий к клеткам растений, грибов, неорганическим частицам, принимают участие в транспорте веществ.

Через ворсинку в клетку могут проникать вирусы. Некоторые ворсинки или F-пили, принимают участие в половом процессе бактерий (коньюгации).

Обратите внимание

Они создают как бы тоннель, по которому от одной клетке к другой передается ДНК (плазмидная).

Пили нельзя считать обязательными структурами, такт как без них бактерии хорошо растут и размножаются.

Мезосомы

По структуре и функциям ЦПМ бактерий не отличается от мембран эукариотных клеток.

У прокариот, ЦПМ образует впячивания, получившие название мезосом. Они могут быть пластинчатыми, иметь форму пузырьков или трубочек.

Функции

1. Мезосомы увеличивают рабочую поверхность мембраны, на которой происходит синтез биополимеров, АТФ, фотосинтез и пр. (поскольку специальных мембранных органелл для этого в бактериальной клетке нет). Мезосомы – «примитивные органеллы».

2. Мезосомы могут играть роль в репликации ДНК и расхождении хромосомы.

Нуклеоид

Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму кольца – бактериальной хромосомы. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т.е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки.

ДНК прокариот построена также, как и у эукариот (дезоксирибоза, фосфорная кислота и азотистые основания: два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин)).

Делению клеток также предшествует удвоение ДНК (репликация). Деление молекул ДНК идет по полуконсервативному механизму (в ДНК дочерней клетки оказывается лишь одна половина материнской ДНК).

ПлазмидыМногие бактерии наряду с хромосомной ДНК содержат и дополнительную, тоже представленную двойной спиралью, замкнутой в кольцо. Число их может колебаться от 1 до 38 на клетку. Плазмиды не являются необходимыми для жизни бактерий.

Важно

Они часто кодируют признаки, полезные для бактериальной клетки (устойчивость к антибиотикам, синтез антибиотиков, способность разрушать и использовать некоторые вещества). Определенные плазмиды могут участвовать в половом процессе бактерий.

Бактерии способны обмениваться такими плазмидами, приобретая новые свойства (посредством контакта через половые пили).

Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 2049; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Основная роль

В клетке бактерии рибосома выполняет функцию формировщика молекул белка. Ее строение обуславливает сложный процесс биосинтеза.

Суть работы нуклеопротеида заключается в том, что с его помощью на базе матричных РНК, с использованием транспортных РНК, производятся сложные полипептидные соединения, без которых бактериальная клетка не может продолжать свое существование.

Матричная и транспортная РНК не являются частью рибосомы, а содержатся в цитоплазме бактериальной клетки.

Таким образом, в синтезе белка принимает участие три клеточных структуры:

• матрица;
• транспортная РНК;
• рибосома.

Выявление капсул

В строении капсулы принимает участие очень много воды, до 98%. Помимо того что жидкость делает кокон очень непрочным, она еще и прозрачна, т. е. рассмотреть гелеподобную оболочку под микроскопом обычным методом без дополнительной подготовки не получится.

В нормальном состоянии бактерии тоже прозрачны. Обычно для выявления клеток используют различные методы окраски, что позволяет легко рассмотреть их под микроскопом. Но для капсул обычные способы не подходят по нескольким причинам:

1. Слизистое вещество капсулы плохо задерживает красящие пигменты, после промывки препарата (это обязательная процедура при окрашивании) слизь остается бесцветной.
2. Аморфные оболочки очень мягкие и непрочные, в процессе окрашивания их легко повредить. При обычных методах окрашивания препарат подвергается механическим воздействиям, которые могут уничтожить сам объект исследования.

Одним из способов выявления такой непрочной субстанции является метод окраски по Гинсу. Он основан на неспособности капсулы удерживать краску и заключается в окрашивании окружающей среды и самой бактерии:

• на предметное стекло наносят каплю туши;
• добавляют в тушь куплю раствора, содержащего исследуемые клетки;
• перемешивают и аккуратно распределяют жидкость по поверхности;
• оставляют для высыхания на воздухе и фиксируют (обрабатывают сулемой, спиртом или быстро обжигают);
• погружают в раствор красящих веществ;
• промывают водой и высушивают.

Под микроскопом готовый препарат выглядит следующим образом: на темном (или черном) фоне туши хорошо видны красные или фиолетовые бактерии, окруженные светлым (неокрашенным) ободком.

Один из самых простых методов выявления капсул – окраска по Дюгиду. При этом способе тушь смешивают с культурой на предметном стекле, затем помещают сверху покровное стекло и сильно прижимают, в результате чего жидкость распределяется тонким слоем между поверхностями. Рассматривают готовый препарат с помощью специального объектива с большим увеличением. На темном фоне окружающей клетки туши отчетливо выделяются прозрачные зоны капсул.

Выявить капсулы можно еще несколькими методами:

• с помощью окраски по Романовскому – Гимзе с использованием специального красящего состава;
• методом окраски по Михину с помощью метиленовой сини Леффлера;
• методом окрашивания по Бурри – Гинсу.

У непатогенных бактерий [ править | править код ]

У непатогенных бактерий капсула чаще всего служит защитой от высыхания в засушливых местообитаниях или водоёмах с повышенной солёностью. Благодаря капсуле цианобактерии рода Nostoc могут расти в пустынях в виде корочек, которые увлажняются только утренней росой. Образование капсул у непатогенных бактерий запускается в стрессовых условиях, таких как фосфорное голодание. Иногда в условиях обильного увлажнения обводнённые полимеры капсулы теряют связь с клеточной оболочкой и уходят во внешнюю среду, где начинают хаотически плавать, образуя так называемую «внешнюю слизь». Наиболее часто капсульные полимеры уходят во внешнюю среду при гиперпродукции .

Процесс трансляции

Процесс синтезирования белка (как у бактерий, так и эукариотов) имеет следующий цикл:

• инициация;
• элонгация;
• терминация.

Инициация

Инициация начинается с того, что к малой субчастице рибосомы присоединяется матричная РНК.

Если рибосомная макромолекула узнает тот трехбуквенный кодон, который есть на мРНК, то происходит присоединение антикодона тРНК.

Элонгация

Присоединений аминокислот, которые принесла тРНК и продвижение рибосомы вдоль матрицы с высвобождением молекулы тРНК.

Движение по мРНК осуществляется до тех пор, пока оно не достигает стоп-кодона, который имеется во всех матрицах.

Терминация

Новообразованный белок, который состоит из протранслированных аминокислот, отсоединяется.

В некоторых случаях завершение трансляции новообразованного белка сопровождается распадом (диссоциацией) рибосомы.

Капсула

Капсула — слизистый слой, расположенный над клеточ­ной стенкой бактерии. Вещество капсулы четко отграничено от окружающей среды. В зависимости от толщины слоя и прочности соединения с бактериальной клеткой различают макрокапсулу, толщиной более 0,2 мкм, хорошо различимую в световом микроскопе, и микрокапсулу, толщиной менее 0,2 мкм, обнаруживамую лишь при помощи электронного ми­кроскопа или выявляемую химическими и иммунологическими методами.

Капсула — полифункциональный органоид, выполняющий важную биологическую роль. Она является местом локализа­ции капсульных антигенов, определяющих вирулентность, ан­тигенную специфичность и иммуногенностъ бактерий. Утрата капсулы у патогенных бактерий резко снижает их вирулент­ность, например, у бескапсульных штаммов бациллы антракса. Капсулы обеспечивают выживание бактерий, защищая их от механических повреждений, высыхания, заражения фагами, токсических веществ, а у патогенных форм — от действия за­щитных сия макроорганизма: инкапсулированные клетки пло­хо фагоцитируются. .У некоторых видов бактерий, в том числе и патогенных, капсула способствует прикреплению клеток к субстрату.

Жгутики — органоиды движения бактерий, представлен­ные тонкими, длинными, нитевидными структурами белковой природы. Их длина превышает бактериальную клетку в не­сколько раз и составляет 10—20 мкм, а у некоторых спирилл достигает 80—90 мкм. Нить жгутика (фибрилла)—полный спиральный цилиндр диаметром 12—20 нм. У вибрионов и протея нить окружена футляром толщиной 35 нм.

а — монотрихи; б — амфитрихи; в — лофотрнхи; г — перитрихи

Жгутик состоит из трех частей: спиральной нити, крюка и базального тельца. Крюк — изогнутый белковый цилиндр, выполняющий функцию гибкого связывающего звена между базальным тельцем и жесткой нитью жгутика. Базальног тельце — сложная структура, состоящая из центрального стержня (оси) и колец.

Пили (фимбрии, ворсинки) — прямые, тонкие, полые бел­ковые цилиндры толщиной 3—25 нм и длиной-до 12 мкм, от­ходящие от поверхности бактериальной клетки. Образованы специфическим белком — пилином, берут начало от цитоплаз-матической мембраны, встречаются у подвижных и неподвиж­ных форм бактерий и видимы только в электронном микро­скопе (рис. 4). На поверхности клетки может быть от I—2, 50—400 пилей до нескольких тысяч.

Существует два класса пилей: половые (секс-пили) и пили общего типа, которые чаще называют фвмбриями. У одной и той же бактерии могут быть пили разной природы. Половые лили возникают на поверхности бактерий в процессе конъюга­ции и выполняют функцию оргаяелл, через которые дит передача генетического материала (ДНК) от донора к

реципиенту.

Пили общего типа располагаются ‘ лереитрихиально (ки­шечная палочка) или на полю­сах (псевдомонады); одна бак­терия их может содержать сот­ни. Они принимают участие в слипании бактерий в агломера­ты, прикреплении микробов к различным субстрата:м, в гам числе к клеткам (адгезивная    функция), в транспорте метаболитов, а также способствуют

образованию пленок на поверхности жидких сред; вызывают

агглютинацию эритроцитов.

Поверхностная структура клетки

В прокариотических клетках (безъядерных) нет внутреннего разделения, т.е. функции всех «внутренних органов» у бактерий выполняет мембрана. Она может образовывать глубокие внутренние складки, но все равно остается оболочкой клетки. По сути, нормально функционирующая бактерия имеет следующее строение:

• цитоплазма (внутреннее содержимое клетки);
• оболочка (мембрана);
• поверхностные структуры (капсула, жгутики, микроворсинки).

Органоиды бактерий

Капсула клетки – поверхностная слизистая структура, образующаяся вокруг оболочки. Это аморфное вещество имеет большое значение для жизнедеятельности клетки, делает оболочку более прочной и плотной, служит защитным барьером на пути фагоцитов, иногда выполняет роль кладовой и хранит запасы пищи. В строении капсулы различают два слоя: внутренний и наружный. Внутренний слой – часть наружного слоя цитоплазмы клетки, а наружный – результат секреторной функции бактерии.

Химический состав

Капсульные полисахариды классифицируют в зависимости от природы кислотного компонента, значения электрического заряда, наличия липидной части на конце полисахаридов, влияния температуры на биосинтез и совместной экспрессии с липополисахаридом. Выделяют две основные группы капсульных полисахаридов.

К первой группе относят полисахариды массой менее 50 кДа, состоящие из остатков . На редуцирующих концах имеются липидные фрагменты. Такие полисахариды не играют роли в патогенезе и обеспечивают выживание бактериальных клеток вне организма-хозяина.

Полисахариды второй группы более крупные и тяжёлые, помимо остатков гексуроновых кислот содержат сиаловую кислоту. К редуцирующим концам прикреплена

Эти полисахариды имеют важное значение для патогенеза.

У некоторых бактерий состав капсулы своеобразен. Так, у возбудителя сибирской язвы Bacillus anthracis капсула состоит из поли-D-глутамата и является важным . Гены, необходимые для её синтеза, расположены на плазмиде. Капсула B. anthracis имеет значительный отрицательный заряд и потому препятствует фагоцитозу бактериальных клеток макрофагами. Если эндоспора прорастает в присутствии углекислого газа, то капсула формируется вокруг клетки сразу же при её выходе из споры. У Neisseria meningitidis капсула состоит из конденсированного неорганического фосфата и, вероятно, препятствует фагоцитозу клетки макрофагами из-за значительного отрицательного заряда.

У патогенных бактерий [ править | править код ]

У бактерий, вызывающих заболевания животных и человека, капсула является важным фактором вирулентности, так как она защищает бактериальную клетку от действия иммунной системы. В частности, покрытые капсулой бактерии могут уклоняться от фагоцитирования за счёт гидрофильности, упругости и электрического заряда поверхности. Из-за капсулы до бактерии не могут добраться белки системы комплемента и бактерицидные белки, такие как дефензины. Более того, сама капсула комплемент не активирует. Капсула предохраняет бактерию от взаимодействия с антителами, а у грамотрицательных бактерий маскирует липополисахарид (О-антиген). Сама по себе капсула слабоиммуногенна и плохо поддаётся опсонизации, однако вакцины, содержащие компоненты капсулы, эффективны и запускают образование специфических антител. Иногда капсула мимикрирует под молекулярные структуры организма хозяина. Например, капсульный антиген К1 кишечной палочки (Escherichia coli) содержит сиаловую кислоту, за счёт чего становится похож на гликокаликс хозяйских клеток .

Капсула имеются и у ряда фитопатогенных бактерий, однако у них она не выполняет особой роли. В некоторых случаях она обеспечивает выживание бактерий во внешней среде. Капсула может способствовать распространению бактерии по тканям растения, защищает бактерию при размножении в межклетниках и предохраняет от действия иммунной системы растения .