Строение клеточной стенки у разных видов бактерий

Уникальная по своему строению клеточная стенка разных бактерий обеспечивает их разнообразие и особенности жизнедеятельности.

Современная микробиология для изучения и классификации использует следующие отличительные особенности бактерий:

1. Морфологическое клеточное строение:
   • шаровидные «кокки»;
   • палочковидные «бациллы»;
   • спиралевидные «спирохеты»;
   • извитой формы «вибрионы».
2. Дыхание:
   • дышат кислородом «аэробные»;
   • бескислородные «анаэробные».
3. Способ питания:
   • автотрофные «самостоятельные» – способны синтезировать органические вещества из неорганических с помощью энергии химических реакций или фотосинтеза (к примеру, сине-зеленые водоросли);
   • гетеротрофные – преобразовывают и перерабатывают готовые органические вещества, полученные в результате жизнедеятельности других организмов, сюда относятся патогенные (болезнетворные), и симбиотические (полезные) микроорганизмы, а также бактерии, живущие за счет процессов брожения, гниения и т.д.
4. Среда обитания:
   • внешняя среда (почва, вода и т.д.);
   • внутри живых организмов;
   • мертвая органика (трупы, отложения, продукты жизнедеятельности).
5. Способ распространения и выживания (образовывают ли клеточные споры, чехлы, слизь).
6. Реакция на тест по Граму (разделение по особенностям состава и строения стенок, ключевая классификация в разрезе темы строения клеточной стенки):

• грамположительные – окрашиваются во время проведения процедуры окрашивания по Граму (оболочка проницаема для анилинового красителя (кристаллвиолет, метиловый фиолетовый и др.));
• грамотрицательные – не окрашиваются во время проведения процедуры окрашивания по Граму (клеточная оболочка непроницаема для красителя).

Особенности клеточной оболочки грамположительных бактерий

Суть проведения теста (предложен Г.К.Грамом в 1884 году) состоит в процедуре обработки образца бактериальной культуры анилиновым красителем (кристаллвиолет, кристаллический фиолетовый). При последующей промывке спиртом, Грам (+) виды микроорганизмов сохраняют синюю окраску, другие же обесцвечиваются. Способность клеточной оболочки фиксировать краситель определяется составом и строением клеточной стенки. Классификация одноклеточных по типу структуры клеточной стенки, поддающейся окраске или нет с помощью метода Грама, является одной из ключевых. На практике результаты грам-теста помогают диагностировать инфекционные заболевания изучать биохимические свойства микроорганизмов.

Большинство грамположительных бактерий имеют массивную однослойную оболочку, проницаемую для анилинового красителя. Состав стенки включает в себя сложные органические молекулы, основу механической жесткости придает муреин (гетерополимер), гликопептиды, мукопептиды. Строение стенки определяет форму микроорганизма и является чем-то вроде внешнего скелета, с пористой структурой, толщиной порядка 40 молекул гликопептида. Кроме пептидогликановой основы, в состав оболочки входят тейхоевые кислоты и полисахариды.

Несмотря на общую реакцию на краситель, среди грамположительных можно встретить организмы, принадлежащие к самым разным подвидам, разных форм, размеров, среды обитания и способа питания.

Большинство патогенных для человека бактерий являются граположительными, среди которых, к примеру, возбудители таких инфекционных заболеваний:

• столбняк (Clostridium tetani),
• ботулизм (Clostridium botulinum),
• сибирская язва (Bacillus anthracis),
• стрептококки,
• стафилококки (Staphylococcus aureus), обладающие высокой устойчивостью к температуре и действию лекарственных препаратов.

Кислотоустойчивые виды бактерий, благодаря особому многослойному строению оболочки (в нее входят воски, полисахариды и белки), как правило, не окрашиваются по методу Грама. Для них применяют специальный метод Циля-Нельсена. Но некоторые дают положительный результат по методу Грама в случае очень высокой концентрации красителя или повышенной температуры во время проведения процедуры.

Кислотоустойчивые одноклеточные сохраняют жизнеспособность в кислых и щелочных средах, хотя нормальная для их развития и роста среда – нейтральная. Кислотоустойчивые микроорганизмы обычно классифицируются как грамположительные. Опасными для людей и животных представителями этой группы являются возбудители таких болезней, как туберкулез и проказа. Также кислотоустойчивыми являются некоторые грунтовые бактерии, способные к фиксации атмосферного азота и являющиеся симбионтами растений.

Особенности оболочки грамотрицательных бактерий

Несмотря на то, что толщина мукопептидной стенки у них намного меньше, стенка является непроницаемой для кристаллического фиолетового красителя. Все дело в принципиально ином строении и химическом составе клеточной оболочки грамотрицательных бактерий. Оболочка имеет многослойную структуру и состоит из:

• внешней оболочки (мембаны), основной ее состав – липосахариды и белки;
• периплазматического пространства;
• внутреннего слоя (муреин пептидогликановый), его состав аналогичен, как и у стенок грамположительных бактерий, но как правило, более чем в два раза тоньше.

Благодаря более сложной структуре некоторые представители этой группы имеют повышенную устойчивость к антителам и антибиотикам.

С усложнением клеточной стенки появились новые функции и возможности. Некоторые виды бактерий, живущие на твердых поверхностях, приобрели возможность менять форму клетки (стенки «скелета» стали пластичными). Это важно при скольжении и перемещении по неровностям твердой среды обитания.

Периплазматическое пространство приобрело функцию изолированного места хранения некоторых гидролизующих ферментов, необходимых для жизнедеятельности клетки, но в то же время способных расщепить и полимерные молекулы самой бактерии. Благодаря гидролизу попадающих извне полимерных молекул живая клетка расширяет круг пригодных для питания веществ, в то же время непроницаемая для ферментов внутренняя оболочка препятствует «самоперевариванию» бактериальной клетки.

В структуру внешней мембраны входят белки, способные образовывать гидрофильные поры, через которые внутрь клетки могут проходить некоторые макромолекулы (сахара и аминокислоты), необходимые для питания бактерии.

К данному классу бактерий относятся многие бактерии, способные менять химический состав среды обитания (бактерии уксусного и спиртового брожения); симбиотические – кишечная палочка (E coli), многие патогенные (болезнетворные) организмы, такие как менингококк (Neisseria meningitidis); легионелла (Legionella pneumophila), и знаменитая Helicobacter pylori вызывающая язвенную болезнь и обладающая высокой кислотоустойчивостью.

Использование человеком особенностей строения бактерий

Первыми микроорганизмами, которые были использованы человеком для своих нужд, были молочнокислые и бактерии спиртового брожения. Именно они готовили для нас и готовят до сих пор сыр, хлеб и вино. Причем пользоваться продуктом их работы люди начали задолго до открытия бактерий и начала изучения строения и состава продуктов их жизнедеятельности.

В настоящее время биологические методы очистки сточных и фекальных вод стали доступны не только муниципальным предприятиям, но и частным домовладельцам. Спящие культуры входят в состав современных препаратов для выгребных ям и локальных канализаций. Фермерские хозяйства часто используют кислотоустойчивые штаммы бактерий для скоростной переработки компоста и животноводческих отходов на удобрения и для многих других целей.

Также многие генетически модифицированные бактерии участвуют в процессах производства лекарственных препаратов, синтеза новых видов полимеров и других материалов с уникальными химическими свойствами и сложным строением.