Грамположительные бактерии
Обновлено: 01.06.2024
Структура бактериальной клетки
Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и ядерного аппарата, называемого нуклеоидом. Имеются другие структуры: мезосома, хроматофоры, тилакоиды, вакуоли, включения полисахаридов, жировые капельки, капсула (микрокапсула, слизь), жгутики, пили. Некоторые бактерии способны образовывать споры.
Структуру и морфологию бактерий изучают с помощью различных методов микроскопии: световой, фазово-контрастной, интерференционной, темнопольной, люминесцентной и электронной.
Обозначения:
Клеточная стенка
В клеточной стенки грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40—90% массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка).
В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана. На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид (ЛПС). Липополисахарид наружной мембраны состоит из трех фрагментов: липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий; ядра, или стержневой, коровой части (лат. core — ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры (наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота); высоковариабельнои О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями (О-антиген). Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы.
При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима,
пенициллина, защитных факторов организма образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. Бактерии сферо- или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами.
Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабильные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку.
Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы, бета-лактомазы) и компоненты транспортных систем.
Цитоплазматическая мембрана
Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя фосфолипидов с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты — впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами.
Цитоплазма
Цитоплазма состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул — рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков. Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 80S-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Рибосомные РНК (рРНК) - консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, а 23S рРНК - в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.
В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они являются запасными веществами для питания и энергетических потребностей бактерий. Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки.
Нуклеоид
Нуклеоид — эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.
Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.
Капсула, микрокапсула, слизь
Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка (например, по Бурри-Гинсу), создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы. Капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда из полипептидов, например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).
Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слиэь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких границ. Слизь растворима в воде.
Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их еще называют гликокаликсом. Кроме синтеза
экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны.
Жгутики
Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары дисков - у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-мотором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка - флагеллина (от flagellum - жгутик); является Н-антигеном. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.
Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих) у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.
Пили (фимбрии, ворсинки) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10нм х 0, 3-10мкм) , чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, то есть за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водносолевой обмен и половые (F-пили), или конъюгационные пили. Пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако, половых пилей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми "мужскими" клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Col-плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми "мужскими" сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.
Споры
Споры - своебразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т.е. бактерий
с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.. Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Спорообразующие бактерии рода Bacillus имеют споры, не превышающие диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, называются клостридиями, например, бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нильсена в красный, а вегетативная клетка в синий цвет.
Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке -терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулиэма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизмов. В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активация, инициация, прорастание.
Чем отличаются грамотрицательные и грамположительные бактерии?
В результатах анализов и в инструкциях к лекарственным препаратам часто встречаются такие понятия, как грамположительные и грамотрицательные бактерии. Чтобы выяснить разницу между двумя этими терминами, нужно познакомиться ближе как с самими бактериями, так и с лабораторными методами их исследования.
Зачем нужны понятия грамположительности и грамотрицательности
Известно, что бактерии относятся к микроорганизмам – представителям живого мира, имеющим настолько маленькие размеры, что это делает их невидимыми для невооруженного глаза. Использование микроскопа в какой-то мере решило эту проблему – под определенным увеличением даже самые маленькие бактерии становятся доступными для идентификации и подсчета их количества. Но многие из таких микроорганизмов по виду схожи друг с другом, и различить их посредством визуального сравнения часто становится сложной задачей. Поэтому стало необходимым найти способ, который позволил бы классифицировать бактерии по иным признакам, не только внешним. Таким решением стал метод окрашивания бактерий по Граму. Именно от названия этого лабораторного исследования и произошли термины «грамотрицательный» и «грамположительный».
Метод определения «грамположительности» и «грамотрицательности»
По строению клеточной стенки все бактерии делятся на два типа: имеющие дополнительную внешнюю мембрану и те, в которых такая мембрана отсутствует.
При анализе образца, взятого для исследования микрофлоры (мазка из влагалища, уретры, зева и пр.), в него добавляется специальный краситель. Это вещество окрашивает бактерии, не имеющие внешней мембраны, в фиолетовый цвет. Но внутрь микроорганизмов с внешней мембраной краситель не проникает, и они остаются бесцветными.
После этого цвет бактерий фиксируется йодистым раствором, затем следует промывание обесцвечивающим составом – и у микроорганизмов без внешней мембраны фиолетовый цвет меняется на синий. А при добавлении в образец контрастного вещества окрашиваются и клетки, имеющие дополнительную мембрану, – они становятся розовыми или красными.
Такой метод классификации по строению клеточной стенки бактерий называется окрашиванием по Граму. Соответственно, бактерии, изменившие цвет при первом окрашивании, относятся к грамположительным, а отреагировавшие лишь на контрастное вещество – к грамотрицательным.
Значение грамположительных и грамотрицательных бактерий для здоровья человека
Строение клеточной стенки у бактерий имеет не только лабораторное значение. Установлено, что существенная часть микроорганизмов, которые являются для человека патогенными, вызывающими различные заболевания, относятся к грамположительным. Кроме того, наличие или отсутствие внешней мембраны определяет чувствительность бактерии к антибиотикам, что имеет критическое значение при лечении инфекций. По результатам анализов на грамотрицательную и грамположительную микрофлору становится возможным сделать правильный выбор антибактериального препарата, который будет максимально эффективен в конкретном случае.
Грамположительные и грамотрицательные представители влагалищной микрофлоры
Влагалищная среда включает в себя представителей и грамположительных, и грамотрицательных бактерий. Находясь в правильном соотношении, они поддерживают здоровую микроэкологию влагалища, защищают его от инфекций и имеют способность к саморегуляции – у здоровой женщины количественный и качественный состав влагалищной микрофлоры поддерживается иммунной и нервной системой.
В вагинальных выделениях здоровой женщины могут присутствовать следующие виды микроорганизмов:
- грамположительные палочки Lactobacillus species, Bifidobacterium species, Eubacterium species, Clostridium speciesидр.;
- грамположительные кокки Staphylococcus aureus, Peptococcus species и др.;
- грамотрицательные палочки Escherichia coli, Gardnerella vaginalis и пр.;
- грамотрицательные кокки Acidominococcus fermentas, Veillonella species.
Условно-патогенные микроорганизмы в составе влагалищной микрофлоры являются безопасными для здоровья женщины, но ровно до тех пор, пока их рост и активность сдерживаются другими – полезными бактериями. К наиболее важным из них относятся лактобактерии, которые представляют собой доминирующий вид микроорганизмов во влагалищной среде. В здоровой микрофлоре они составляют 95–98 % от общего количества бактерий и играют важную роль в регуляции роста патогенов.
Лактобактерии вырабатывают органические кислоты, обеспечивая именно тот уровень кислотности влагалищной среды, при которой болезнетворные микроорганизмы не способны активно размножаться. Более того, в процессе своей жизнедеятельности они продуцируют подобные антибиотикам вещества, губительные для многих бактерий, попадающих на слизистую влагалища из окружающей среды. Таким образом, поддержание количества лактобактерий на нужном уровне является одной из первостепенных задач для сохранения здоровья женщины.
Если баланс грамположительных и грамотрицательных бактерий нарушен
При дисбалансе интимной микрофлоры врач может назначить медикаментозную поддержку в виде пробиотических препаратов, одним из которых является Лактонорм®. При курсовом использовании он способствует заселению слизистой оболочки влагалища лактобактериями. За счет вагинального применения препарат обеспечивает их направленное поступление без количественных потерь.
Вагинальные капсулы Лактонорм ® имеют размер не более 2 см, поэтому удобны в применении. В отличие от свечей они практически не тают в руках, не вытекают и не оставляют следов на нижнем белье.
Грамположительные бактерии-деструкторы полициклических арома тических углеводородов, выделенные из почв с высокой техноге нной нагрузкой.
Исследование деструкции полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) бифенила и его хлорированных производных грамположительными бактериями позволит расширить представления о таксономическом разнообразии и биодеградативном потенциале почвенных бактерий-деструкторов. Предусматривается выделение и скрининг почвенных грамположительных бактерий, способных к деструкции различных ПАУ, бифенила, а также других ароматических углеводородов и их галогенированных производных. Особое внимание будет направлено на изучение штаммов-деструкторов, обладающих высоким биодеградативным потенциалом и адаптированных к экстремальным условиям среды (высокая минерализация, пониженная температура). Планируется изучение биохимических и генетических систем утилизации данных ксенобиотиков у наиболее перспективных штаммов-деструкторов. На основе полученных данных планируется моделирование микробных сообществ, способных к эффективной утилизации широкого спектра галогенированных и негалогенированных углеводородов ароматического ряда.
Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:
Охарактеризованы грамположительные микроорганизмы-деструкторы нафталина, бифенила (полихлорированных бифенилов), выделенные из техногенных почв Пермской области. Штаммы-деструкторы были идентифицированы и отнесены к родам: Rhodococcus, Microbacterium, Cellulomonas, Arthrobacter, Brevibacterium. Установлено, что исследованные бактерии способны разлагать широкий круг моно-, полиароматических и хлорароматических углеводородов. Более подробно исследованы штаммы-деструкторы бифенила Rhodococcus ruber Р25, Microbacterium sp. B51, которые обладают наибольшей субстратной специфичностью: растут на бензоле, толуоле, феноле, бензоате, салицилате, гентизате, пара-оксибензоате, протокатехате, 2-хлорбензоате, 2,4-дихлорбензоате и 2,4-дихлорфеноксиацетате. Штамм R. ruber P25 в отличие от штамма Microbacterium sp. B51 способен утилизировать орто-фталат и 4-хлорбензоат, а также использует как ростовой субстрат дизельное топливо. Установлен метаболический путь разложения 4-хлорбензоата у штамма Rhodococcus ruber P25 и охарактеризованы ключевые ферменты пути деструкции 4-хлорбензоата: пара- гидроксибензоат-3-гидроксилаза, протокатехат диоксигеназа. Штамм Microbacterium sp. В51 полностью утилизирует 2-монохлорбифенил, 2,2’- дихлорбифенил и 2-хлорбензоат, минерализация данных соединений осуществляется через салицилат. Проведена амплификация ключевых генов деструкции нафталина, бифенила и 4-хлорбензоата у грамположительных штаммов- деструкторов. У штаммов Arthrobacter sp. H4 и Rhodococcus ruber P25 обнаружены последовательности ДНК, соответствующие генам fcbА и fcbB, кодирующим первый фермент пути метаболизма 4-хлорбензоата - дегалогеназу. Выявлены бактерии, утилизирующие ксенобиотики в широком диапазоне температур, рН среды и в присутствии высоких концентраций хлорида натрия. Штаммы Rhodococcus ruber Р25 и Microbacte rium sp. В51 эффективно утилизируют бифенил при рН 6.0-9.0. Штамм Р25 растет на бифениле и 4-хлорбензоате, используя их в качестве единственного источника углерода и энергии, при температурах от 10°С до 43°С. Из почвенных образцов, отобранных в районе солеразработок (г. Березники, Пермская область) были выделены бактерии рода Rhodococcus, способные к эффективной утилизации нафталина в присутствии 8 % NaCl.
Экспериментальный антибиотик уничтожил устойчивые грамотрицательные бактерии
Американские исследователи разработали новый антибиотик, эффективный в отношении лекарственно-устойчивых грамотрицательных бактерий. В экспериментах на изолятах внутрибольничных бактерий и на мышиных моделях вызванных ими инфекций он продемонстрировал высокую активность, при этом практически не действовал на компоненты нормальной микробиоты человека. Отчет о работе опубликован в журнале ACS Central Science.
Устойчивость к противомикробным препаратам возникает в результате быстрой эволюции возбудителей инфекций в условиях широкого и зачастую бесконтрольного применения соответствующих лекарств в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Всемирная организация здравоохранения назвала эту проблему одной из 10 стоящих перед человечеством глобальных угроз здоровью населения, ее выносили на обсуждение Генеральной ассамблеи ООН. При этом в 2019 году эксперты ВОЗ выявили всего 32 антибиотика, которые находятся на этапе клинической разработки и предназначены для лечения приоритетных патогенов, из них лишь шесть отнесли к категории инновационных.
В последние два десятилетия были достигнуты определенные успехи в разработке лекарственных средств для борьбы с грамположительными микроорганизмами, таких как оксазолидиноны, плевромутилины и липопептиды. Против грамотрицательных бактерий с их плотной липиполисахаридной наружной мембраной и эффлюксными насосами новых препаратов фактически не появлялось в течение полувека. При этом подавляющее большинство наиболее распространенных и опасных лекарственно-устойчивых возбудителей (включая ESKAPE) относятся именно к этой группе.
Большинство имеющихся антибиотиков тем или иным способом подавляют либо трансляцию белка, либо репликацию ДНК, либо построение клеточной стенки бактерий. В последние годы были найдены и другие перспективные мишени для антибактериальных препаратов, в том числе один из ключевых ферментов биосинтеза жирных кислот редуктаза FabI. Путем высокопроизводительного скрининга был получен его ингибитор Debio-1452, который в виде пролекарства под названием афабицин проходит II фазу клинических испытаний при инфекциях, вызванных золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus). Против грамотрицательных микроорганизмов этот препарат неэффективен, поскольку не накапливается в их клетках в достаточной концентрации.
В поиске решения этой проблемы сотрудники Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне под руководством Пола Хергенротера (Paul Hergenrother) создали приложение eNTRyway, которое по данным поиска количественных взаимосвязей «структура-активность» (QSAR) предсказывает накопление низкомолекулярных веществ в грамотрицательных клетках. В ходе предварительных исследований были определены химические группы Debio-1452, поддающиеся замещению, и получено вещество Debio-1452-NH3 с умеренной активностью против этого класса бактерий при применении в максимальной переносимой мышами дозе.
Микроскопическое (бактериоскопическое) исследование мазка, окрашенного по Граму (Gram Stain. Bacterioscopic examination of different smears)
Краткая характеристика Микроскопического исследования мазка, окрашенного по Граму
Бактериоскопия (от лат. «скопео» – смотрю) – лабораторный метод исследования бактерий под микроскопом. Метод широко используется врачами разных специальностей при подозрении на инфекционный процесс и наличии гнойно-воспалительных проявлений заболевания, а также при диспансерных обследованиях в гинекологической и акушерской практике.
При микроскопии в мазках можно обнаружить бактерии, грибы (при кандидозе), простейшие (при трихомониазе). Важными моментами при проведении исследования являются оценка морфологии, т. е. формы бактерий, их размеров и расположения. Важными также являются количество (от скудного до массивного) и отношение к красителям (грамположительные и грамотрицательные клетки).
Нормальной флорой при исследовании гинекологических мазков являются грамположительные палочки, которые в результате описываются как лактоморфотипы. При бактериальном вагинозе микробная флора представлена обильной мелкой коккобациллярной грамвариабельной флорой и характеризуется снижением лактоморфотипов. При гонорее в мазке присутствуют грамотрицательные кокки бобовидной формы, расположенные парами внутри и внеклеточно. При других гнойно-воспалительных состояниях (неспецифических) могут встречаться грамположительные кокки, грамотрицательные палочки. В мазках учитываются также наличие эпителия, присутствие ключевых клеток и количество лейкоцитов.
В мокроте имеют значение грамположительные кокки, слегка вытянутые, в капсуле, расположенные парами, морфологически сходные с пневмококками, или мелкие неодинаковой формы грамотрицательные палочки, сходные с гемофилами, а также грамотрицательные кокки, расположенные поодиночке, что может говорить в пользу наличия бранхамелл.
Однако с помощью микроскопического исследования нет возможности дать заключение о названии бактерий. Для определения рода и вида бактерий требуется проведение бактериологического посева.
С какой целью проводят Микроскопическое исследование мазка, окрашенного по Граму
Микроскопическое исследование окрашенного нативного мазка проводят при диагностике инфекционно-воспалительных заболеваний мочеполовых путей; легких; ЛОР-органов; глаз; кожи, мягких тканей и др. Возможно применение данного теста в качестве дополнительного исследования к посевам на анаэробную инфекцию.
Что может повлиять на результат теста «Микроскопическое исследование мазка, окрашенного по Граму»
Не рекомендуется брать биологический материал для цитологического, бактериологического и ПЦР-исследований в один день!
– гинекологические мазки у женщин (материалом служат отделяемое наружных половых органов, уретры, влагалища, шейки матки, полости матки);
– материалом для мазков другой локализации могут служить мокрота, плевральная, перитонеальная, суставная и др. жидкости, раневое отделяемое, гной, мазки из зева, уха, отделяемого глаза и др.
Читайте также: