Вирусы и микробы

Жгутики

Многие  бактерии подвижны, и эта подвижность  обусловлена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики  у бактерий устроены гораздо проще, чем у эукариотов, и по своей  структуре напоминают одну из микротрубочек эукариотического жгутика. Жгутики состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина  (похожего на мышечный актин), которые расположены по спирали и образуют полный цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жестки. Жгутики приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика, по-видимому, вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает клетку вперед. Это, очевидно, единственная известная в природе структура, где используется принцип колес. Другая интересная особенность жгутиков – это способность отдельных субъединиц флагеллина спонтанно собираться в растворе в спиральные нити. Спонтанная самосборка  - очень важное свойство многих сложных биологических структур. В данном случае самосборка целиком обусловлена аминокислотной последовательностью (первичной структурой) флагеллина.

Подвижный бактерии могут  передвигаться в ответ на определенные раздражители, т.е. они способны к таксису. Так, например, аэробные бактерии обладают положительным аэротаксисом  (т.е. плывут туда, где среда богаче кислородом), а подвижные фотосинтезирующие бактерии  - положительным фототаксисом (т.е. плывут к свету).

Жгутики легче всего  рассмотреть в электронном микроскопе (рис. 3), применив технику напыления  металлом. 

Пили, или фимбрии 

На клеточной стенке некоторых грамотрицательных бактерий видны тонкие выросты (палочковидные белковые выступы), которые называются пили или фимбрии (рис 3). Они короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности, придавая специфическую «липкость» тем штаммам, которые ими обладают. Пили бывают разного типа.Наиболее интересны так называемые F-пили, которые кодируются специальной плазмидой и связаны с половым размножением бактерий.

Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны

Как у всех клеток, протоплазма бактерий окружена полупроницаемой мембраной. По структуре и функциям плазматические мембраны бактерий не отличаются от мембран эукариотических клеток. У некотрых бактерий плазматическая мембрана впячиваеися внутрь клетки и образует мезосомы и(или) фотосинтетические мембраны. Мезосомы – складчатые мембранные структуры  (рис. 1 и 2), на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания. Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по-видимому, облегчает разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует образованию перегородки между дочерними клетками. У фотосинтезирующих бактерий и мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтетические пигменты (в том числе бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют в фиксации азота.

Генетический материал

ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 1 мм. Каждая такая молекула состоит примерно из 5×10^6 пар нуклеотидов. Суммарное содержание ДНК (геном) в бактериальной клетке намного меньше , чем эукариотической, а следовательно, меньше и объем закодированной в ней информации. В среднем такая ДНК содержит несколько тысяч генов, что примерно в 500 раз меньше, чем в клетке человека. (рис. 1 )

Споры

Некоторые бактерии (в  основном принадлежащие к роду Clostridium  или Bacillius) образуют эндоспоры, т.е. споры, находящиеся внутри клетки. Эндоспоры – толстостенные долгоживущие образования, крайне устойчивые к нагреванию и коротковолновому излучению. Они по-разному располагаются внутри клетки, что служит очень важным признаком для идентификации и систематики таких бактерий (рис. 4). Если покоящаяся, устойчивая структура образуется из целой клетки, то она называется  цистой. Цисты образуют  некоторые виды Azotobacter.

Форма клетки

Форма бактериальной  клетки является одним из важнейших  систематических признаков. Четыре основных типа клеток изображены на рисунке 4. На этом же рисунке указаны некоторые полезные и болезнетворные бактерии.

                               2.2 Размножение бактерий.

Большинство бактерий размножаются путём  деления,  которому  пред

шествует рост бактерии,  то есть увеличение массы её клетки.  Обычно

палочковидные бактерии в длину увеличиваются в двое,  и после дости

жения ими определённого  размера посередине клетки возникает  попереч-

ная перегородка,  состоящая  из цитоплазматической мембраны и клеточ

ной стенки. Такой способ деления называется поперечным. Образовавши

еся дочерние клетки по своим  свойствам полностью подобны  материнской 

клетке, из которой они  возникли.

Для того чтобы бактерии могли расти и размножатся, среда  их обита

ния должна содержать  необходимые источники углерода, азота, энергии,

определённой солевой  набор, иметь оптимальную температуру. Для боль

шинства патогенных бактерий она равна 37.5. 

В лабораторных условиях для выращивания  бактерий  используют  ис

кусственные  субстраты,  так называемые питательные среды.  Скорость

размножения бактерий в  этих средах очень велика.  Примерно каждые 20

минут бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следовательно, из

одной клетки,  культивируемой в хорошей питательной среде,  через 10

часов образуется 1 млд. потомков. Если бы процесс размножения в пи

тательной среде не был  ограничен,  то через 24 часа  число  потомков

одной  бактерии равнялось 105210 клеток, а их масса составила  бы при

мерно 4000 тонн.  В действительности же в питательной среде  высокая 

скорость  деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с

момента внесения в неё  бактерии.  Это происходит потому,  что  очень 

быстро  истощаются  питательные вещества среды и  в ней накапливаются 

продукты обмена,  неблагоприятно действующие на  бактерии. Скорость

размножения патогенных бактерий в организме значительно  меньше,  чем 

в искусственной питательной  среде.

                                 2.3 Физиология бактерий.

По химическому составу  бактерии не отличаются от клеток других ор

ганизмов. Бактериальная клетка содержит 70-85% воды. Около 90% сухо

го  остатка  составляют  высокомолекулярные соединения:  нуклеиновые 

кислоты (10%),белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликан (10%)

и липиды (15%);  остальные 10% приходятся на моносахара, аминокисло

ты,  азотистые основания,  неорганические соли и другие низкомолеку

лярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельность  бактерий, как 

и других организмов,  участвуют многочисленные ферменты. Одни из них 

(эндоферменты) функционируют  только внутри клетки,  обеспечивая про-

цессы синтеза,  дыхания  и тому подобное. Другие (экзоферменты) выде

ляются бактериями в  окружающую среду.  Необходимые бактериям  высоко

молекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, проника

ющих в клетку через  цитоплазматическую.  мембрану Белки, полисахари

ды, липиды могут быть использованы бактерией как  источник  питания 

лишь после их расщепления  экзоферментами - до аминокислот, моносаха

ров и др.

Для нормальной жизнедеятельности  бактерия должна  быть  обеспечена

источниками углерода и азота. Одни виды бактерий (афтотрофы) исполь

зуют неорганический углерод,  другие (гетеротрофы),  в  число которых 

входят  и  патогенные бактерии,  используют органические соединения. 

Гетеротрофные бактерии в свою очередь разделяются на сапрофитов, пи-

тающихся органическими  соединениями внешней среды,  и  паразитов, жи

вущих за счёт другого  организма.

Различные бактерии  неодинаково  относятся к наличию или отсутствию

свободного кислорода.  По этому признаку они делятся  на три  группы:

аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, например

синегнойная палочка,  могут развиваться лишь при наличии  свободного

кислорода. Анаэробы, например возбудители газовой гангрены, столбня

ка,  развиваются без  доступа свободного кислорода, присутствие кото

рого угнетает их жизнедеятельность.  Наконец, факультативные анаэро

бы, например возбудители  кишечных инфекций, развиваются как  в кисло

родной, так и в бескислородной среде.

Аэробность или анаэробность бактерий обусловливается способом  по

лучения ими энергии, необходимой для обеспечения  процессов жизнедея

тельности.  Некоторые  бактерии (фотосинтезирующие) способны, подобно 

растениям,  использовать  непосредственно  энергию солнечного света. 

остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных  хи-

мических  реакций.  Существуют бактерии (хемоафтотрофы),  окисляющие

неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и  др.). Но

для большинства бактерий источником энергии служат превращения  орга

нических соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы использу

ют  реакции биологического окисления с участием свободного кислорода 

(дыхание),  в результате  которых органические соединения  окисляются 

до углекислого газа и воды.  Анаэробные получают энергию  при расщеп

лении органических соединений без участия свободного кислорода.  Та

кой  процесс называется брожением.  При брожении,  кроме  углекислого 

газа, образуются различные  соединения, например спирты, ацетон и  др. 

В процессе жизнедеятельности  бактерии образуют биологически актив

ные вещества - ферменты,  антибиотики, пигменты, летучие ароматичес

кие соединения, токсины  и др.

             2.4 Антибактериальные  химиотерапевтические агенты.

Химические соединения,  используемые для дезинфекции, хотя и обла

дают высокой антибактериальной активностью,  не могут из-за их  ток

сичности применяться  в лечебных целях. Для этого пригодны антибакте

риальные химиотерапевтические средства.  Они способны убивать  бакте

рий или угнетать их жизнедеятельность,  не оказывая при определённых

дозах токсического влияния  на ткани или организм в  целом,  то  есть

действие их должно быть изобретательным,  направленным против бакте

рии или другого микроорганизма.

Кроме химических соединений, мощными антибактериальными средствами

Являются антибиотики - химиотерапевтические препараты  естественного

происхождения, синтезируемые  микроорганизмами. 

Теоретические основы  химиотерапии  и вопросы её практического  ис

пользования при лечении  инфекционных заболеваний были разработаны  в 

начале века немецким учёным П.  Эрлихом, который открыл органические

соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса. Однако долгие го

ды  не удавалось найти  химиотерапевтические средства для  лечения для 

лечения бактериальных  инфекций.  Дальнейшее  развитие  химиотерапии

связано  с открытием  сульфаниламидов.  Применение сульфаниламидов  не

только обогатило медицину новыми по тому времени  химиотерапевтичес

кими средствами, но и  вызвало к жизни новое направление  поиска анти

бактериальных химиотерапевтических средств. Это направление возникло

в результате изучения механизма  действия сульфаниламидов на бактери

альную клетку. Было установлено, что по химической структуре сульфа

ниламид подобен парааминобензойной кислоте - одному из важных проме

жуточных продуктов (метаболитов),  участвующих в синтезе нуклеиновых

кислот.  Из-за химического  подобия сульфаниламид действует  как анти

метаболит парааминобензойной кислоты:  включаясь вместо неё  в биохи

мические процессы,  но не заменяя её,  сульфаниламид  нарушает синтез

нуклеиновых кислот в  бактериальной клетке.  Исходя из  этих  данных,

было сформулировано положение, что среди антиметаболитов  других био

химических процессов  окажутся  лечащие  антибактериальные  средства. 

Однако  проблема получения  новых лекарственных средств против бакте

риальных инфекций,  принцип действия которых основан  на  конкуренции 

метаболита  с  важным для клетки метаболитом,  оказалось  значительно 

сложней,  чем предполагалось. Это связано с тем, что синтезированные 

антиметаболиты  подавали обмен веществ не только у бактерий,  но и в

тканях организма.  Таким образом,  проблема свелась  к поиску реакций 

обмена  веществ,  специфичных  для бактерий и отсутствующих  в клетках 

организма человека или  животного.

Биохимические реакции,  присущи лишь бактериям,  были обнаружены в

процессе синтеза клеточной  стенки,  в частности при образовании  пеп

тидогликана.  Некоторые  антибиотики (пенициллин,  циклосерин) эффек

тивные как антибактериальные  средства,  воздействуют на процесс  фор

мирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликана, входящего

в его состав, что приводит к лизису бактерий. Другие бактерии - тет

рациклин,  левомицетин,  стрептомицин  и  другие - способны нарушать

синтез белков в бактериальных  клетках.  Первым препаратом этой груп

пы,  нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что 

он способен изобретательно объединяться с рибосомами клеток организ-

махозяина. В результате «точность» рибосом бактерии в процессе син-

теза белка нарушается, что приводит к «порче» синтезируемых белков и

гибели бактерии. Неомицин, канамицин, левомицетин и эритромицин  так 

же взаимодействуют  с рибосомами  бактериальной  клетки.  Тетрациклин 

нарушает присоединение  информационной РНК к рибосомам. Лечащее дейс

твие упомянутых антибиотиков определяется их специфичностью, то есть

относительно низкой способностью влиять на эти же процессы в клетках