От предзнаменований к микробам как причине болезней На протяжении тысячелетий люди приписывали эпидемии — смертельный фурункулез, непрекращающуюся диарею и кровавую рвоту — кометам, затмениям, землетрясениям или демонам. Болезни приравнивались к сверхъестественным явлениям, потому что их истинные виновники были невидимы. Только когда мы перевели взгляд с небес на то, что находилось за пределами видимости невооруженным глазом, мы увидели микробы. Затем человечество прошло долгий и трудный путь, чтобы доказать их существование и их роль в возникновении конкретных заболеваний.
Микробный мир: Клеточные и бесклеточные формы Мир микроорганизмов включает клеточных и неклеточных инфекционных агентов. К клеточным микробам относятся бактерии, грибы и простейшие; к бесклеточным представителям относятся вирусы, вироиды и прионы. “Микробы” - это собирательное название форм жизни, которые слишком малы для невооруженного глаза и которые впервые увидел голландский ученый Левенгук. Незамеченные на протяжении веков, но всегда присутствующие рядом с нами, они уже давно представляют явную угрозу.
Прокариоты и эукариоты: где находятся гены Поскольку размеры бактерий приближаются к размерам митохондрий эукариот, электронная микроскопия лучше всего выявляет организацию прокариот. Ключевым отличием является генетическая локализация: у прокариот отсутствует четко выраженное ядро, и они содержат ДНК в цитоплазме, в то время как у эукариот ДНК находится внутри ядра. Греческий корень “карио” означает ядро, а “прокариот” буквально означает “перед ядром”.
Бактериальная архитектура: Обязательные и вспомогательные элементы Бактериальная клетка состоит из обязательных и вспомогательных компонентов. Обязательные элементы — клеточная оболочка, цитоплазма, рибосомы и нуклеоид — необходимы для жизнедеятельности. Вспомогательные элементы включают капсулы, включения, споры, функциональные поверхностные структуры и плазмиды, отсутствие которых не препятствует существованию, но изменяет свойства.
Цитоплазма без органелл Цитоплазма, ограниченная цитоплазматической мембраной, представляет собой коллоид, богатый водой (около 75%), растворимыми белками, РНК, накопительными включениями и многочисленными мелкими гранулами. В отличие от эукариот, у него отсутствует аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы и эндоплазматический ретикулум, и у большинства бактерий он относительно неподвижен. Некоторые виды Streptococcus, Proteus и Clostridium содержат особые цитоплазматические канальцы, называемые рапидосомами, аналоги микротрубочек.
Нуклеоид: Компактная кольцевидная ДНК без ядра. Нуклеоид - это генетический аппарат бактерий, расположенный в центре в виде неправильной формы области плотно упакованной кольцевой двухцепочечной ДНК. Он также содержит РНК и белки, которые уплотняют хромосому и контролируют регуляцию генов, репликацию ДНК для деления и транскрипцию информации ДНК в РНК. В отличие от ядер эукариот, у него отсутствует ядерная оболочка, ядрышко и гистоны, а бактерии не подвергаются митозу. Бактерии являются гаплоидными и обычно несут одну кольцевую хромосому, за исключением таких возбудителей холеры и бруцелл, которые обладают двумя хромосомами; для них характерны суперспирализация и специфическое расположение рибосом.
Рибосомы: фабрики 70-х годов и мишени для антибиотиков Рибосомы - это немембранные нуклеопротеиновые органеллы, которые преобразуют мРНК в белки из цитоплазматических аминокислот. Бактериальные рибосомы имеют длину около 20 нм, осаждаются при 70S и распадаются на 50S и 30S субъединицы, содержащие 23S и 16S рРНК соответственно. Функциональные центры включают аминоацильный участок для катализа, пептидильный участок для образования пептидной связи, участок выхода тРНК и участок связывания мРНК; их состав лежит в основе селективности антибиотиков. Количество рибосом возрастает от минимального в лаг-фазе до максимального при экспоненциальном росте; в кишечной палочке на питательных средах ежесекундно синтезируется около пяти тысяч рибосом.
Инклюзивные органы и специализированные отсеки Многие бактерии содержат гранулы полисахаридов, поли-β-гидроксибутирата, полифосфатов (волютина) или серы, которые накапливают энергию и необходимые элементы в условиях стресса, иногда ограниченные тонкой белковой оболочкой. Карбоксисомы содержат ферменты, фиксирующие углерод, и концентрируют CO2, чтобы компенсировать неэффективность ферментов цикла Кальвина. Магнетосомы - это кристаллы магнетита, заключенные в мембрану, которые обеспечивают магнитотаксис у некоторых бактерий. Водные формы, особенно цианобактерии, используют связанные с белками газовые пузырьки, наполненные воздухом, для регулирования плавучести, встречающиеся поодиночке или в виде решетообразных массивов. Мезосомы - это инвагинации цитоплазматической мембраны, связанные с ДНК, которые помогают отделять дочерние молекулы ДНК после репликации и способствуют формированию перегородки.
Плазмиды: Мобильные, несущественные геномы и их возможности Плазмиды - это двухцепочечные молекулы ДНК, кольцевые или линейные, которые не являются существенными, но выгодны при стрессе и реплицируются независимо от хромосомы, иногда под строгим контролем копирования, а иногда с большим количеством копий. Некоторые из них обратимо встраиваются в хромосому в виде эписом, и трансмиссивные плазмиды могут переносить ДНК от донора к клеткам-реципиентам, даже преодолевая таксономические границы. Конъюгация зависит от плазмид фертильности, в то время как плазмиды резистентности кодируют ферменты, которые инактивируют антибактериальные препараты, и многие такие плазмиды являются трансмиссивными. Другие плазмиды содержат факторы вирулентности множества патогенов человека, ферменты, которые расщепляют природные или синтетические соединения для получения углерода или энергии, или бактериоцины, которые адсорбируются родственными штаммами и подавляют их метаболизм, что дает преимущества при колонизации. Искусственные плазмиды служат исследовательскими векторами; размножаясь в бактериях, они вырабатывают большое количество необходимых белков, таких как инсулин.
Цитоплазматическая мембрана: фосфолипидный бислой и многофункциональная платформа Цитоплазматическая мембрана является важной границей, представляющей собой фосфолипидный бислой, усеянный интегральными белками. Структурные белки формируют мембранную архитектуру, в то время как функциональные белки действуют как ферменты, стимулирующие синтез, окислительно-восстановительные реакции и специфический транспорт с помощью пермеаз. Бактериальные липиды состоят из насыщенных или мононенасыщенных жирных кислот и не содержат стеринов; на электронных микрофотографиях видны гидрофильные верхние группы по краям и более светлое гидрофобное ядро липидных хвостов. Мембрана самоорганизуется и выполняет барьерную, транспортную, матриксную, механическую, энергетическую, рецепторную и адгезивную функции.
Клеточная стенка и дифференцировка по граму Жесткая клеточная стенка формирует клетку, защищает ее содержимое, способствует делению и транспортировке метаболитов, а также содержит рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов, антибиотиков и других химических веществ. При дифференциальном окрашивании по Граму различают грамположительные, грамотрицательные и микоплазмы без стенки. Пептидогликан находится в основе стенки, а грамотрицательные клетки имеют единственный слой пептидогликана.
Пептидогликан: дисахаридно–пептидная сетка и ее сборка Пептидогликан состоит из повторяющихся дисахаридов N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных β-связями, каждый из которых содержит тетрапептид, образующий трехмерную сетку. В сшивках участвует D-аланин, а у грамположительных пациентов - мостиковые цепи, такие как пентаглицин, а мурамилдипептид действует как мощный иммуномодулятор. Предшественники собираются в цитозоле в виде UDP-связанных промежуточных продуктов, затем липидный носитель доставляет их к мембране для трансгликозилирования и транспептидации. Ферменты, идентифицируемые с помощью связывания пенициллина, — пенициллинсвязывающие белки - опосредуют эти этапы, и их ингибирование объясняет бактерицидный эффект пенициллина.
S-слой: Кристаллическая броня на поверхности Поверхностный S-слой, присутствующий почти у всех архей и многих бактерий, представляет собой мономолекулярную решетку из белков или гликопротеинов, которая самоорганизуется и обволакивает клетку. Его поры однородны, примерно 2-8 нм в поперечнике, и он связывается с липополисахаридами у грамотрицательных животных и с пептидогликаном или тейхоевой кислотой у грамположительных. В зависимости от вида, это может быть внешний слой окружающей среды или даже единственный компонент стенки, обеспечивающий механическую и осмотическую стабилизацию. У клостридиальных возбудителей S-образный слой способствует образованию биопленки, адгезии к клеткам хозяина и иммуномодуляции.
Капсулы и слизь: полисахаридная оболочка Капсула представляет собой слизистую структуру, прочно прикрепленную к стенке, с четкими границами, обычно полисахаридную, но иногда и полипептидную, как в случае с поли-D-глутаминовой кислотой в бацилле сибирской язвы. Он защищает от высыхания, препятствует проникновению фагов, создает осмотический барьер, содержит капсульные антигены, которые определяют иммуногенность, а у патогенов действует как фактор вирулентности и токсигенности, подавляя фагоцитоз лейкоцитов. Капсулы имеют упорядоченную ультраструктуру микрофибрилл и могут быть многослойными, как у Azotobacter, в то время как грамположительные капсулы менее многослойны; прикрепление в основном ионное с помощью кальция и магния, хотя могут возникать ковалентные связи. Слизь представляет собой неплотно прикрепленный мукоидный экзополисахарид без четких границ. При негативном окрашивании капсулы визуализируются в виде ярких ореолов на темном фоне, в то время как микрокапсулы и гликокаликс требуют электронной микроскопии.
Подвижность и таксомоторы, управляемые жгутиками Жгутики состоят из спиралевидной нити флагеллина, изогнутого крючка и базального тела из колец — M и S у грамположительных и M, S, P и L у грамотрицательных — которые закрепляются в оболочке. Композиции включают в себя монотонные, лофотричные, амфитричные и перитричные узоры. Каждый жгутик представляет собой вращающийся двигатель, приводимый в действие трансмембранным электрохимическим потенциалом, который обеспечивает плавное движение при вращении против часовой стрелки и кувыркание при обратном движении со скоростью, близкой к длине тела в секунду. Классические наблюдения выявили таксис: направленное движение к аттрактантам и от репеллентов, при котором клетки даже скапливаются в заполненных питательными веществами капиллярах.
Фимбрии и половые щупальца: адгезия и перенос генов Фимбрии, или обычные пили, представляют собой короткие, тонкие, прямые пилиновые нити, число которых может исчисляться тысячами и которые обеспечивают агрегацию клеток и адгезию к субстратам как у жгутиконосцев, так и у бактерий без жгутиков. Половые нити появляются только на донорских клетках, которые содержат факторы фертильности в плазмидах; они толще и длиннее, обычно по одной-две на клетку. Эти нити образуют полые трубки и участвуют в переносе ДНК во время конъюгации.
Спороношение: морфология, расположение и стадии При неблагоприятных условиях некоторые грамположительные палочковидные бактерии инициируют споруляцию: клетка обезвоживается, сморщивается, меняет форму и образует плотную оболочку из спор под мембраной. Споры могут быть овальными, сферическими или удлиненными и располагаться терминально, субтерминально или в центре; если спора превышает диаметр клетки, культура является клостридиальной, в противном случае бациллярной. Стадии включают подготовку (метаболизм замедляется, репликация ДНК прекращается, локализуется один нуклеоид и начинается синтез пиколиновой кислоты), формирование спорангиальной зоны путем врастания мембраны, образование форспоры с кортексом, содержащим дипиколиновую кислоту и экзоспорий, и созревание с последующим аутолизом материнской клетки.
Устойчивость к образованию спор и их прорастание Споры бактерий образуются вне организма человека и на искусственных средах, выдерживая экстремальные механические, термические и химические нагрузки. Термостойкость обусловлена почти полным обезвоживанием, химически связанной водой, высоким содержанием кальция, дипиколиновой кислоты, отличительных белков спор и пептидогликана коры головного мозга, отличного от пептидогликана вегетативных клеток. Прорастание длится около 4-5 часов и проходит через активацию, инициацию и отрастание.