Морфология бактерий: формы и строение бактериальной клетки

Морфология бактерий — одна из первых тем общей микробиологии, и без неё не разобрать ни мазок, ни частную микробиологию. Здесь — формы бактерий с примерами возбудителей, обязательные и необязательные структуры клетки, окраска по Граму и вопросы к коллоквиуму.

Что изучает морфология бактерий#

На препарате бактерию описывают по нескольким признакам. Вместе они и составляют морфологию клеток бактерий:

• форма — шар, палочка, извитая или ветвящаяся клетка;
• размер — в микрометрах (мкм);
• взаимное расположение — поодиночке, парами, цепочками, гроздьями, пакетами;
• структуры — капсула, жгутики, споры, включения;
• тинкториальные свойства — как клетка воспринимает красители, прежде всего при окраске по Граму.

Большинство бактерий — 1–3 мкм в длину и меньше 1 мкм в ширину. Глазом их не увидеть, поэтому все признаки оценивают под микроскопом.

Микроскопия — первый этап микробиологической диагностики. По форме, расположению и окраске клеток в мазке можно предположить возбудителя и проверить чистоту культуры. Метод ориентировочный: вид окончательно устанавливают другими методами. Как бактерии питаются, растут и размножаются, изучает физиология бактерий.

Основные формы бактерий#

Выделяют три основные формы: шаровидные (кокки), палочковидные и извитые. Отдельно описывают нитевидные и ветвящиеся бактерии. Форма и расположение клеток обычно постоянны для рода, поэтому помогают в диагностике.

Шаровидные бактерии (кокки)

Кокки — клетки шаровидной, овальной, бобовидной или ланцетовидной формы диаметром около 1 мкм. Как кокки лежат в мазке, зависит от числа плоскостей деления и от того, расходятся ли клетки после деления.

• Микрококки (Micrococcus) лежат поодиночке: после деления клетки расходятся. В основном это сапрофиты.
• Диплококки — пары клеток, которые после деления не разошлись. Гонококк (Neisseria gonorrhoeae) и менингококк (N. meningitidis) похожи на кофейные зёрна, пневмококк (Streptococcus pneumoniae) — ланцетовидный.
• Стрептококки (Streptococcus) образуют цепочки: клетки делятся в одной плоскости и остаются связанными.
• Тетракокки — группы по четыре клетки: деление в двух перпендикулярных плоскостях.
• Сарцины (Sarcina) — пакеты по 8 клеток и больше: деление в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
• Стафилококки (Staphylococcus) — скопления, похожие на виноградную гроздь; клетки делятся в разных плоскостях. Типичный представитель — Staphylococcus aureus.

Палочковидные бактерии

Палочки различаются длиной и толщиной, формой концов и расположением. Концы бывают обрубленными, закруглёнными, заострёнными или утолщёнными. Обрубленные концы — у возбудителя сибирской язвы (Bacillus anthracis).

Палочки лежат поодиночке, парами (диплобактерии и диплобациллы) или цепочками (стрептобактерии и стрептобациллы). Главное деление — по способности образовывать споры. Бактериями в узком смысле называют палочки без спор, например кишечную палочку (Escherichia coli). Спорообразующие палочки — это бациллы (Bacillus) и клостридии (Clostridium).

Извитые бактерии

Вибрионы — изогнутые палочки в форме запятой: изгиб не больше одного оборота. Типичный представитель — холерный вибрион (Vibrio cholerae).

Спириллы похожи на штопор с одним или несколькими крупными завитками. Спирохеты — тонкие длинные извитые клетки. Главное отличие спирохет — способ движения: они изгибают всё тело с помощью осевых фибрилл, которые лежат под наружной мембраной и обвивают цитоплазматический цилиндр.

Патогенные для человека спирохеты относятся к трём родам: Treponema, Borrelia и Leptospira. Возбудитель сифилиса — Treponema pallidum.

Нитевидные и ветвящиеся бактерии

Актиномицеты (Actinomyces) — ветвящиеся нитевидные грамположительные бактерии. Их нити (гифы) переплетаются в мицелий, поэтому актиномицеты внешне напоминают грибы. К ним близки нокардии, коринебактерии и микобактерии.

Строение бактериальной клетки#

Бактерия — прокариот: у неё нет оформленного ядра и мембранных органелл вроде митохондрий и аппарата Гольджи. Клетку покрывает оболочка из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Внутри — цитоплазма с нуклеоидом, рибосомами и включениями

Нуклеоид и плазмиды

Нуклеоид — генетический аппарат бактерии, аналог ядра. Это кольцевая двунитевая молекула ДНК, плотно уложенная в центре клетки; в развёрнутом виде она длиннее 1 мм. Ядерной оболочки, ядрышка и гистонов у нуклеоида нет. В световом микроскопе его выявляют окраской по Фельгену или по Романовскому — Гимзе.

Плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК вне нуклеоида. Клетке они не обязательны, но дают ей преимущества: например, несут гены устойчивости к антибиотикам.

Цитоплазма, рибосомы и включения

Цитоплазма — коллоидная среда из белков, РНК, рибосом и включений. Рибосомы бактерий — 70S, из малой (30S) и большой (50S) субъединиц, а у эукариот рибосомы 80S. На этой разнице основано действие части антибиотиков.

Включения — запасы питательных веществ: гранулы полисахаридов (гликогена, крахмала), жировые включения и полифосфаты. Их набор и количество зависят от условий, в которых живёт клетка. Гранулы полифосфатов называют волютином. Их выявляют окраской по Нейссеру; типичный пример бактерии с волютином — дифтерийная палочка (Corynebacterium diphtheriae).

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) — двойной слой фосфолипидов с белками. Она регулирует транспорт веществ в клетку и из неё, участвует в энергетическом обмене, делении клетки и спорообразовании. Стеролов в ЦПМ бактерий нет — исключение составляют микоплазмы.

Впячивания мембраны называют мезосомами. Их функции до конца не выяснены.

Клеточная стенка бактерий

Клеточная стенка — жёсткий каркас поверх ЦПМ. Она держит форму клетки, защищает от осмотического давления и внешних воздействий, участвует в делении и определяет отношение к красителям.

Основа стенки — пептидогликан (муреин). Это цепи из чередующихся N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитые короткими пептидами — тетрапептидами. Пептидогликан есть только у бактерий, а гликозидные связи в нём разрушает лизоцим.

По строению стенки бактерии делят на грамположительные (толстостенные), грамотрицательные (тонкостенные) и не имеющие стенки — микоплазмы. Чем стенки первых двух групп отличаются и как это проявляется при окраске — в разделе про грамположительные и грамотрицательные бактерии.

Капсула бактерий

Капсула — слизистый слой толщиной больше 0,2 мкм, прочно связанный с клеточной стенкой и с чёткой наружной границей. Чаще всего она состоит из полисахаридов, реже из полипептидов: у B. anthracis — из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна и содержит много воды.

Слой тоньше 0,2 мкм — микрокапсула, её видно только в электронном микроскопе. От капсулы отличают слизь — рыхлый слой без чётких границ, который легко отделяется от клетки.

Капсулу выявляют окраской по Бурри — Гинсу: тушь создаёт тёмный фон, бактерии окрашиваются фуксином в красный, а капсула остаётся светлым неокрашенным ободком. Хорошо видна капсула и в мазках-отпечатках из патологического материала.

Жгутики бактерий

Жгутики — органы движения. Это тонкие спиральные нити из белка флагеллина, длиннее самой клетки. Флагеллин — антиген, его называют H-антигеном.

Жгутик состоит из трёх частей: базального тельца, крюка и нити (филамента). Базальное тельце закреплено в мембране и стенке дисками: у грамположительных бактерий — одной парой, у грамотрицательных — двумя. По числу и расположению жгутиков бактерии делят на четыре группы:

• монотрихи — один жгутик, например холерный вибрион (V. cholerae);
• лофотрихи — пучок жгутиков на одном конце клетки;
• амфитрихи — по жгутику или пучку жгутиков на обоих концах, например спириллы;
• перитрихи — жгутики по всей поверхности клетки, например E. coli.

Подвижность изучают на живых бактериях в препаратах «висячая» и «раздавленная» капля, лучше — в тёмном поле или фазово-контрастном микроскопе. Сами жгутики в световом микроскопе видны только после специальной обработки — протравливания с окраской или серебрения. Чётче всего их видно в электронном микроскопе.

Пили (фимбрии)

Пили (фимбрии, ворсинки) — тонкие и короткие нити из белка пилина, тоньше и короче жгутиков. На одной клетке их обычно несколько сотен. Пили бывают двух видов:

• общие пили отвечают за прикрепление (адгезию) бактерий к клеткам хозяина и другим поверхностям;
• половые пили (F-пили) единичны: через них при конъюгации передаётся генетический материал от клетки-донора. Их образование определяет F-плазмида.

Споры бактерий

Споры образуют некоторые грамположительные палочки — бациллы и клостридии. Спора появляется в неблагоприятных условиях: при высушивании, нехватке питательных веществ

Устойчивость споре дают многослойная оболочка, низкое содержание воды и дипиколинат кальция. Обычные красители спора воспринимает плохо, поэтому её выявляют окраской по Ожешко: споры становятся красными, вегетативные клетки — синими. Расположение споры в клетке — диагностический признак:

• центральное — у возбудителя сибирской язвы (B. anthracis);
• субтерминальное, ближе к концу клетки, — у возбудителя ботулизма (Clostridium botulinum); клетка похожа на теннисную ракетку;
• терминальное, на самом конце, — у возбудителя столбняка (C. tetani); клетка похожа на барабанную палочку.

Чтобы не путать: центральная спора бациллы не раздувает клетку, а спора клостридии всегда шире палочки — в середине она даёт веретено, у конца — ракетку или барабанную палочку.

Методичка по общей микробиологииМорфология, физиология, генетика бактерий и иммунитет — в одной методичке: 139 страниц, майнд-карты, мнемоники, таблицы, клиника в каждой теме449 ₽549 ₽Смотреть →

Грамположительные и грамотрицательные бактерии#

Метод окраски предложил датский бактериолог Ганс Кристиан Грам в 1884 году. По результату бактерии делят на грамположительные (Г+), которые окрашиваются в сине-фиолетовый цвет, и грамотрицательные (Г−), которые становятся красными. Цвет зависит от строения клеточной стенки.

Тейхоевые кислоты — полимеры глицерол- и рибитолфосфата, связанные с пептидогликаном. Они участвуют в адгезии и служат антигенами.

Липополисахарид (ЛПС) грамотрицательных бактерий состоит из трёх частей: липида А, ядра (кора) и О-специфической цепи. Липид А отвечает за токсичность ЛПС, а О-цепь — за антигенные различия между штаммами (О-антиген).

В периплазме находятся ферменты, в том числе β-лактамазы, и белки транспортных систем. Каналы в наружной мембране образуют белки-порины.

Окраска по Граму

Этапы окраски и время экспозиции:

1. Генциановый фиолетовый — 1–2 минуты. Краситель проникает во все клетки, все становятся фиолетовыми.
2. Раствор Люголя — 1–2 минуты, без промывания водой. Йод образует с красителем комплекс, клетки остаются фиолетовыми.
3. Этиловый спирт — 30 секунд, затем промыть водой. Грамположительные удерживают комплекс, грамотрицательные обесцвечиваются.
4. Фуксин — 1–2 минуты, затем промыть и высушить. Обесцвеченные грамотрицательные клетки становятся красными, грамположительные остаются сине-фиолетовыми.

Готовый препарат смотрят с иммерсионной системой. Окраска по Граму — дифференциальный метод: по одному мазку видно и форму клеток, и их тинкториальную группу.

Результат зависит от целостности стенки. Если стенку грамположительной клетки повредить, например лизоцимом, она окрасится как грамотрицательная. Поэтому в старых культурах некоторые грамположительные бактерии, в том числе клостридии, бывают грамотрицательными или грамвариабельными.

Кислотоустойчивые бактерии, например возбудитель туберкулёза (Mycobacterium tuberculosis), плохо воспринимают красители из-за липидов и восков в стенке. Для них используют окраску по Цилю — Нильсену: кислотоустойчивые клетки становятся красными, остальные — синими.

Бактерии без клеточной стенки и другие особые группы#

L-формы бактерий

Лизоцим, пенициллин и защитные факторы организма нарушают синтез клеточной стенки. Бактерия теряет стенку полностью или частично и становится шаровидной. Без стенки клетка осмотически чувствительна и выживает только в изотонической среде.

L-формы бывают нестабильными — после устранения причины они возвращаются к исходной форме, — и стабильными, которые к такому возврату (реверсии) не способны. L-формы образуют многие возбудители инфекций, в том числе в организме человека.

Микоплазмы, риккетсии, хламидии

Микоплазмы (класс Mollicutes) — мелкие бактерии без клеточной стенки, окружённые только ЦПМ со стеролами. Форма у них разная — кокковидная, нитевидная, колбовидная; её изучают в фазово-контрастном микроскопе. В отличие от L-форм микоплазмы не теряют стенку под действием внешних факторов, а не имеют её изначально.

Риккетсии — мелкие грамотрицательные палочки, облигатные внутриклеточные паразиты; их форма может меняться до кокковидной и нитевидной. Пример — возбудитель эпидемического сыпного тифа Rickettsia prowazekii.

Хламидии — облигатные внутриклеточные кокковидные грамотрицательные бактерии с двумя формами. Мелкие элементарные тельца существуют вне клетки и не делятся. Внутри клетки они превращаются в крупные ретикулярные тельца, которые делятся бинарно.

Микро-пакОбщая микробиология и бактерии: 70+ микроорганизмов. 2 методички, 323 страницы, скидка 22%899 ₽1 148 ₽Смотреть →

Как изучают морфологию бактерий#

Изучение морфологии бактерий начинается с микроскопии. Живые клетки смотрят, чтобы оценить подвижность, фиксированные окрашенные мазки — чтобы увидеть форму, расположение и структуры.

Виды микроскопии

• Иммерсионная — объектив погружают в каплю иммерсионного масла, это повышает чёткость и разрешение. Основной способ смотреть окрашенные мазки.
• Фазово-контрастная — делает видимыми прозрачные неокрашенные живые клетки. Ею изучают подвижность и морфологию микоплазм.
• Темнопольная — объект освещают сбоку, и клетки светятся на тёмном фоне. Так смотрят живые неокрашенные бактерии, например спирохеты; видны только контуры, без внутреннего строения.
• Люминесцентная — препарат обрабатывают флюорохромами, и клетки светятся под ультрафиолетовым или сине-фиолетовым светом. Метод находит бактерии даже при небольшом их количестве.
• Электронная — изображение строит поток электронов. Нужна для ультраструктуры: микрокапсулы, пилей, рибосом.

Простые и сложные методы окраски

В простых методах используют один краситель — фуксин или метиленовый синий. Видны форма, размер и расположение клеток. В сложных методах красителей несколько, и разные структуры окрашиваются в разные цвета.

Вопросы к коллоквиуму по морфологии бактерий#