Ультраструктура бактериальной клетки

01Принципы организации бактериальной клетки: компартментализация и общие отличия

Бактерии относятся к домену Bacteria и представляют собой типичные прокариотические микроорганизмы. Ключевой ультраструктурной особенностью прокариот является отсутствие внутрицитоплазматической компартментализации замкнутыми мембранными системами: у них нет истинного ядра, отграниченного кариолеммой, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий, лизосом и пластид.

Все ультраструктурные компоненты бактериальной клетки подразделяются на две фундаментальные группы:

• Постоянные (обязательные) структуры:

  • Нуклеоид (генетический аппарат);

  • Цитоплазма с рибосомальным аппаратом (70S);

  • Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ);

  • Клеточная стенка (присутствует у абсолютного большинства эубактерий, за исключением микоплазм).

• Непостоянные (факультативные) структуры:

  • Капсула, микрокапсула и слизистый слой (гликокаликс);

  • Жгутики (органеллы движения);

  • Пили (фимбрии, ворсинки);

  • Плазмиды (внехромосомные молекулы ДНК);

  • Эндоспоры (покоящиеся формы у определенных грамположительных палочек);

  • Запасные включения (волютин, гликоген, полигидроксибутират).

Отсутствие мембранных органелл компенсируется функциональной многозначностью цитоплазматической мембраны и специализированными ферментными ансамблями цитоплазмы. Соотношение площади поверхности к малому объему клетки обеспечивает высокую скорость метаболизма и транспорта веществ.

02Клеточная стенка: молекулярное строение пептидогликана и дифференцировка по Граму

Клеточная стенка бактерий — ригидная структура, окружающая протопласт. Она поддерживает постоянную форму клетки, защищает ее от высокого внутриклеточного осмотического (тургорного) давления (до 5–20 атм), обеспечивает транспорт метаболитов и несет поверхностные антигенные детерминанты.

Строение пептидогликана (муреина)

Основу клеточной стенки почти всех бактерий составляет гетерополимер пептидогликан (муреин). Он состоит из трех основных частей:

1. Гликановые тяжи: повторяющиеся дисахаридные звенья из N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM), соединенные β-(1→4)-гликозидными связями (мишень действия фермента лизоцима).

2. Тетрапептидные боковые цепочки: присоединены к карбоксильной группе NAM. Характерно наличие D-стереоизомеров аминокислот (например, D-аланин, D-глутаминовая кислота), что защищает стенку от расщепления стандартными эукариотическими протеазами.

3. Поперечные пептидные мостики: сшивают тетрапептиды соседних гликановых цепей в единый замкнутый мешок (муреиновый саккул). Процесс сшивки катализируют ферменты транспептидазы (пенициллинсвязывающие белки — ПСБ), служащие мишенью для бета-лактамных антибиотиков.

Грамположительный тип клеточной стенки

• Толщина: массивный монолитный слой пептидогликана (20–80 нм), составляющий до 80–90% сухой массы стенки.

• Тейхоевые и липотейхоевые кислоты: полимеры рибитфосфата или глицеролфосфата. Липотейхоевые кислоты заякорены в ЦПМ, а тейхоевые связаны ковалентно с пептидогликаном. Они создают отрицательный заряд поверхности клетки, связывают катионы (Mg2+, Ca2+) и являются ключевыми поверхностными антигенами.

• Периплазматическое пространство выражено слабо или представляет собой узкую переходную зону.

Грамотрицательный тип клеточной стенки

• Пептидогликан: тонкий слой (1–3 нм, 1–2 слоя), составляющий не более 10% массы стенки.

• Периплазматическое пространство: выраженная зона между ЦПМ и внешней мембраной, содержащая гидролитические ферменты, транспортные белки и бета-лактамазы.

• Внешняя мембрана (ВМ): асимметричный бислой. Внутренний листок образован фосфолипидами, наружный — молекулами липополисахарида (ЛПС).

• Липопротеин Брауна: связывает пептидогликан с внешней мембраной, фиксируя каркас.

03Внешняя мембрана грамотрицательных бактерий и эндотоксин (ЛПС)

Внешняя мембрана грамотрицательных бактерий представляет собой специализированный барьер проницаемости, предотвращающий диффузию гидрофобных токсических соединений, детергентов и многих антибиотиков внутрь клетки.

Молекулярная организация наружного листка

Наружный листок внешней мембраны сформирован амфифильной молекулой липополисахарида (ЛПС), состоящей из трех химически и функционально различных фрагментов:

1. Липид А: гидрофобная часть, погруженная в мембрану и служащая ее якорем. Представляет собой фосфорилированный дисахарид глюкозамина, эстерифицированный насыщенными жирными кислотами (преимущественно β-гидроксимиристиновой). Именно липид А отвечает за токсичность (эндотоксин): при лизисе клетки высвобождается и взаимодействует с рецепторами TLR4 макрофагов, запуская массивный выброс интерлейкинов (IL-1, IL-6, TNF-α) с развитием эндотоксического шока и синдрома ДВС.

2. Ядро (коровая часть, core): консервативный олигосахарид, объединяющий Липид А и вариабельный полисахарид. Содержит уникальные сахара: кетодезоксиоктонат (KDO) и гептозы. Структура ядра схожа внутри родственных родов бактерий.

3. О-антиген (О-специфическая полисахаридная цепь): длинная цепь повторяющихся олигосахаридных звеньев, направленная наружу клетки. Чрезвычайно вариабельна по составу даже в пределах одного вида, что обуславливает серологическое разнообразие (серовары) микроорганизмов и защиту от прямого комплемент-опосредованного лизиса.

Белки внешней мембраны

• Порины: трансмембранные белки, организованные в тримеры с гидрофильным центральным каналом. Через порины происходит неизбирательная пассивная диффузия низкомолекулярных гидрофильных питательных веществ (глюкоза, аминокислоты, ионы) и некоторых гидрофильных противомикробных средств.

• Белки активного транспорта: рецепторно-опосредованные переносчики крупных субстратов (витамин B12, сидерофоры железа) с привлечением энергии комплекса TonB внутренней мембраны.

04Цитоплазматическая мембрана и периплазматическое пространство

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

Цитоплазматическая мембрана бактерий построена по классическому принципу жидкостно-мозаичной модели: это липидный бислой, пронизанный интегральными, полуинтегральными и периферическими белками (соотношение белок/липид у бактерий значительно выше, чем у эукариот — примерно 3:1 по массе).

• Липидный состав: представлен преимущественно фосфатидилглицеролом и фосфатидилэтаноламином. За редким исключением (например, микоплазмы, утилизирующие стеролы хозяина), бактериальные мембраны не содержат холестерина. У многих бактерий его стабилизирующую роль выполняют пентациклические тритерпеноиды — гопаноиды.

• Ключевые функции ЦПМ:

  • Барьерно-транспортная: избирательный трансмембранный перенос молекул через унипортеры, симпортеры, антипортеры и ABC-транспортеры.

  • Биоэнергетическая: ЦПМ бактерий функционально эквивалентна внутренней мембране митохондрий. В нее встроены компоненты электрон-транспортной цепи (цитохромы, дегидрогеназы) и фермент ATP-синтаза; мембрана генерирует и поддерживает протонный трансмембранный потенциал (Δp).

  • Синтетическая: синтез предшественников пептидогликана, ЛПС, тейхоевых кислот и мембранных липидов.

  • Секреторная: экспорт экзоферментов и факторов патогенности посредством белковых систем секреции (типы I–VII).

Мезосомы: современный взгляд

Ранее в учебной литературе складчатые инвагинации ЦПМ называли мезосомами и приписывали им роль центров дыхания или репликации ДНК. Современные электронно-микроскопические исследования (криофиксация без химических фиксаторов) доказали, что классические мезосомы являются артефактом химической фиксации клетки глутаральдегидом или осмием. Тем не менее, у фототрофных и нитрифицирующих бактерий существуют истинные фотосинтетические или респираторные внутрицитоплазматические мембраны (тилакоиды), являющиеся специализированными производными ЦПМ.

Периплазматическое пространство

Периплазма грамотрицательных бактерий представляет собой гидрофильный коллоидный гель между ЦПМ и внешней мембраной. В ней сосредоточены:

• Гидролитические ферменты (фосфатазы, протеазы, нуклеазы) для расщепления питательных субстратов;

• Транспортные периплазматические белки, захватывающие субстраты от поринов и доставляющие их к ABC-транспортерам ЦПМ;

• Шапероны, обеспечивающие правильный фолдинг белков клеточной стенки;

• Защитные ферменты деградации антибиотиков (в частности, бета-лактамазы).

05Внутриклеточные структуры: нуклеоид, рибосомы и включения

Нуклеоид (бактериальная хромосома)

Генетический аппарат бактерий представлен нуклеоидом, расположенным непосредственно в цитоплазме:

• Структура: представляет собой единичную (в большинстве случаев) замкнутую кольцевую молекулу двухцепочечной ДНК (дцДНК). Исключения редки (например, линейные хромосомы у Borrelia burgdorferi).

• Отсутствие истинных гистонов: бактериальная ДНК не образует классических эукариотических нуклеосом. Ее компактная укладка обеспечивается отрицательной сверхспирализацией под контролем ферментов ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и топоизомеразы IV (мишени фторхинолонов), а также низкомолекулярными гистоноподобными белками (HU, H-NS, IHF).

• Сопряжение процессов: ввиду отсутствия ядерной оболочки процессы транскрипции и трансляции пространственно не разделены и происходят одновременно: рибосома начинает синтез полипептида на мРНК еще до завершения ее синтеза РНК-полимеразой.

Рибосомальный аппарат

• Бактерии содержат рибосомы 70S-типа, константа седиментации которых отличается от эукариотических цитоплазматических рибосом (80S).

• Каждая 70S рибосома состоит из двух субъединиц:

  • Малая (30S): содержит 16S рРНК и 21 белок. 16S рРНК отвечает за связывание с последовательностью Шайна-Дальгарно на мРНК и является филогенетическим маркером систематики бактерий. Мишень для аминогликозидов и тетрациклинов.

  • Большая (50S): содержит 23S рРНК, 5S рРНК и более 30 белков. 23S рРНК обладает пептидилтрансферазной рибозимной активностью. Мишень для макролидов, хлорамфеникола, линкозамидов.

Запасные включения

В цитоплазме не содержатся мембранные везикулы, однако накапливаются метаболические резервы в виде гранул, осмотически инертных для клетки:

• Волютин (полифосфаты): гранулы полиметафосфата, служащие резервом фосфора и энергии. Имеют диагностическое значение (например, зерна Бабеша-Эрнста у Corynebacterium diphtheriae, выявляемые метахроматическим окрашиванием по Нейссеру или Леффлеру).

• Полигидроксибутират (ПГБ): полимер липидоподобного характера, резерв углерода и энергии.

• Гликоген и полиглюкозиды: резервные полисахариды.

06Капсула, микрокапсула и слизистые слои

Поверхностные углеводные или полипептидные оболочки располагаются кнаружи от клеточной стенки и не являются обязательными для жизнедеятельности бактерии в чистой культуре, однако играют решающую роль в организме хозяина.

Классификация

1. Макрокапсула (истинная капсула): четко очерченный толстый слой, прочно связанный со стенкой клетки; визуализируется при световой микроскопии (негативное контрастирование по Бурри-Гинсу).

2. Микрокапсула: тонкий слой толщиной менее 0,2 мкм, различимый только при электронной микроскопии или серологически.

3. Слизистый слой (гликокаликс): аморфное водорастворимое вещество, слабо ассоциированное с клеткой, легко смываемое в среду; способствует формированию бактериальных биопленок.

Химический состав

• У большинства бактерий капсула имеет полисахаридную природу (Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Neisseria meningitidis).

• Редкие исключения имеют полипептидный состав: например, капсула Bacillus anthracis состоит из полимера D-глутаминовой кислоты, что снижает ее иммуногенность.

Функции капсулы

• Антифагоцитарное действие: маскирует поверхностные лиганды клетки, препятствует опсонизации молекулами C3b комплемента и антителами, имеет отрицательный заряд, отталкивающий фагоциты.

• Адгезия: обеспечивает начальное прикрепление к тканям и синтетическим поверхностям (катетеры, протезы).

• Защита от высыхания: гидратированный матрикс удерживает молекулы воды.

• Антигенность: несет K-антиген (капсульный), применяемый в серотипировании.

07Жгутики бактерий: ультраструктура роторного мотора и хемотаксис

Жгутики — органеллы движения бактерий, обеспечивающие их перемещение в жидких средах путем истинного вращения (ротации), а не волнообразного изгибания, как у эукариот.

Молекулярная архитектура жгутика

Бактериальный жгутик состоит из трех структурных блоков:

1. Базальное тело: заякорено в клеточной оболочке и представляет собой электромеханический роторный мотор. Включает центральный стержень и систему колец:

   • У грамотрицательных бактерий 4 кольца: L (в липополисахаридном слое внешней мембраны), P (в пептидогликане), MS (в цитоплазматической мембране и периплазме) и C-кольцо (в цитоплазме, контактирует с моторными белками).

   • У грамположительных бактерий только 2 кольца: внутренние M(S) и C, так как внешняя мембрана отсутствует.

   • Кольца M-S и C вращаются (ротор), в то время как статорные комплексы белков MotA/MotB неподвижно заякорены в пептидогликане.

2. Крючок: гибкое белковое трубчатое колено длиной 30–45 нм, передающее крутящий момент от стержня к длинной нити.

3. Филамент (нить): длинная полая спиральная трубка, образованная субъединицами глобулярного белка флагеллина. Обладает антигенными свойствами (H-антиген). Сборка филамента осуществляется с дистального конца: мономеры флагеллина транспортируются через внутренний полый канал жгутика наружу.

[Среда] Филамент (Флагеллин / H-антиген) │ Крючок (гибкое сочленение) ═══════════════════╪══════════════════ Внешняя мембрана (L-кольцо) Грамотрицательные Периплазма │ Пептидогликан (P-кольцо) ───────────────────┼────────────────── ЦПМ (MS-кольцо) Цитоплазма [C] (Mot-статоры) Цитоплазма (C-кольцо)

Энергетика движения и типы жгутикования

Движение бактериального мотора питается не гидролизом ATP, а градиентом ионов: трансмембранной протондвижущей силой (PMF, H+) либо градиентом ионов натрия (Na+). Поток протонов через каналы белков MotA/MotB индуцирует конформационные изменения, вызывающие вращение ротора со скоростью сотни оборотов в секунду.

По расположению и числу жгутиков различают:

• Монотрихи: один полярный жгутик (Vibrio cholerae);

• Лофотрихи: пучок жгутиков на одном конце клетки (Pseudomonas spp.);

• Амфитрихи: одиночные жгутики или пучки на противоположных полюсах (Spirillum);

• Перитрихи: множество жгутиков по всей поверхности клетки (Escherichia coli, Proteus vulgaris).

08Пили (ворсинки, фимбрии): адгезины и конъюгационный аппарат

Пили (ворсинки) — прямые нитевидные поверхностные белковые придатки, более тонкие, короткие и жесткие, чем жгутики. Они состоят из мономеров белка пилина и подразделяются на две функционально несвязанные группы:

1. Пили общего типа (фимбрии, пили адгезии, пили I и IV типов)

• Количество: от сотен до тысяч на одну бактериальную клетку.

• Функции:

  • Адгезия: на верхушках фимбрий располагаются белки-лектины (адгезины), комплементарно распознающие углеводные остатки рецепторов эукариотических клеток. Это главный фактор колонизации и вирулентности (например, пили уропатогенных штаммов E. coli связываются с уроплакинами эпителия мочевого пузыря).

  • Дергающаяся подвижность (twitching motility): характерна для пилей IV типа (Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae). Пиль полимеризуется, выдвигается вперед, закрепляется адгезином за субстрат и деполимеризуется у основания, подтягивая бактерию.

  • Формирование биопленок и межклеточная агрегация.

2. Половые пили (сексуальные F-пили, F-пилюли)

• Количество: обычно 1–4 на клетку, несущую конъюгативную плазмиду (например, F-фактор).

• Строение: длиннее и толще фимбрий адгезии, представляют собой полую белковую трубку.

• Функция: обеспечивают распознавание и физический контакт между клеткой-донором (F+) и клеткой-реципиентом (F-). После сближения клеток пиль деполимеризуется, мембраны сближаются, формируется релаксосомный конъюгационный канал (система секреции IV типа), через который передается одна цепь плазмидной ДНК.

09Бактериальные эндоспоры: ультраструктура и механизмы экстремальной устойчивости

Эндоспоры — покоящиеся формы грамположительных бактерий родов Bacillus и Clostridium, формирующиеся внутри клетки в ответ на нутриентный стресс (дефицит углерода, азота, фосфора). Это механизм переживания неблагоприятных условий среды, а не способ размножения (из одной вегетативной клетки образуется ровно одна спора).

Ультраструктура зрелой споры (изнутри наружу)

1. Сердцевина (протопласт споры, core): содержит конденсированный нуклеоид, минимум метаболически неактивных ферментов, трансляционный аппарат, а также комплекс дипиколината кальция (дипиколиновая кислота + Ca2+), связывающий свободную воду.

2. Мембрана сердцевины: интактный фосфолипидный бислой с низкой проницаемостью.

3. Кортекс (кора споры): массивный слой специфического рыхлосшитого пептидогликана. Содержит модифицированный мурамовый лактам и обладает высокой эластичностью, поддерживая механическое сжатие сердцевины.

4. Внутренняя и внешняя оболочки (coat): плотные белковые слои, богатые остатками цистеина с многочисленными дисульфидными (S-S) связями. Непроницаемы для ферментов, лизоцима, дезинфектантов и окислителей.

5. Экзоспориум: тонкий полисахаридно-липидно-белковый чехол, присутствующий у некоторых видов (B. anthracis, B. cereus).

[Вне] Экзоспориум ──> Белковая оболочка ──> Кортекс ──> Мембрана ──> Сердцевина (ДНК + Ca-дипиколинат)

Механизмы устойчивости споры к нагреванию, радиации и токсинам

Экстремальная резистентность споры (выдерживание кипячения в течение десятков минут и устойчивость к ультрафиолету) обеспечивается совокупностью факторов:

• Глубокая дегидратация сердцевины: содержание свободной воды снижено до 10–25% (в вегетативной клетке — 80%). Ферменты лишены водной оболочки и не денатурируют при нагревании.

• Дипиколинат кальция: составляет до 10–15% сухой массы споры, стабилизирует макромолекулы и нуклеиновые кислоты.

• SASP-белки (Small Acid-Soluble Spore Proteins): связываются с ДНК, индуцируя переход ее структуры из B-формы в стойкую A-форму, что предотвращает гидролиз, депуринизацию и тиминовый димеризм под действием УФ-излучения.

• Метаболическое молчание: полное отсутствие активности ферментов дыхания и биосинтеза.

10На экзамене

11Частая ошибка