Какую функцию выполняет капсула у бактерий кратко

Обновлено: 05.07.2024

Капсула – структура бактериальной клетки, которая расположена на поверхности клеточной стенки и тесно связана с ней. Она состоит из высокогидрофильных мицелл гетерополисахаридов (у кишечных бактерий), белков (у стрептококков), полипептидов (бацилл сибирской язвы). В зависимости от толщины слоя и прочности соединения с телом различают капсулу или макрокапсулу, которая видна в световом микроскопе, микрокапсулу (К-антиген), которая выявляется при электронной микроскопии, серологическими и химическими методами, и слизистый слой, который непрочно связан с клеточной стенкой и состоит из экстрацеллюлярных веществ микроба.

У некоторых бактерий капсула постоянна, содержится у всех особей и во всех средах (Klebsiella pneumoniae, S. pyogenes). У пневмококков, возбудителей сибирской язвы, C. perfringens капсульное вещество образуется только в макроорганизме, а на питательных средах синтез его прекращается. Капсула является важным фактором вирулентности, защищает бактерии от действия фагоцитов, связывает ионы тяжелых металлов, защищает от действия антител, комплемента и от высыхания. Определение капсулы используют для классификации и идентификации бактерий и установления их вирулентности. Капсула выявляется при специальных методах окраски (метод Бурри-Гинса), создающих негативное контрастирование вещества капсулы тушью.

СПОРЫ, ИХ ЗНАЧЕНИЕ, СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ ,УСЛОВИЯ ДЛЯ СПОРООБРАЗОВАНИЯ ,СПОСОБЫ ВЫЯВЛЕНИЯ.

Споры – покоящиеся формы жизненного цикла бактерий, образуются внутри цитоплазмы вегетативных клеток в неблагоприятных условиях существования и обеспечивают сохранение вида. В спорах микробы находятся в состоянии анабиоза. Микробы, образующие споры, называются бациллами (аэробы) или клостридиями (анаэробные бактерии, имеющие форму веретена). Споры отличаются от вегетативной клетки тем, что происходит репрессия генома и клетка переходит в состояние анабиоза, при котором отсутствует обмен веществ, вода переходит из свободного состояния в связанное, повышается концентрация ионов кальция, появляется дипиколиновая кислота, которая обусловливает термоустойчивость споры.

Процесс спорообразования сходен у большинства бактерий. Вначале образуется дополнительный нуклеоид, который отходит к одному из полюсов клетки. Затем в ЦПМ образуется инвагинация, разделяющая клетку на 2 протопласта, каждый из которых содержит 1 хромосому. Меньший из протопластов – проспора (предспора) – покрывается второй оболочкой, которая синтезируется мембраной материнской клетки. В оболочке клетки содержится дипиколиновая кислота и ионы кальция. Далее между двумя листками мембраны формируется специфический для споры кортикальный слой (кортекс), состоящий из пептидогликана, который отличается по составу от пептидогликана клеточной стенки. Снаружи спора покрывается толстой рыхлой оболочкой – экзоспориумом, содержащей немного углеводов. Белковая оболочка споры богата остатками цистеина и лизина и обладает гидрофобностью. После этого наступает аутолиз вегетативной клетки.

При попадании споры в благоприятные условия происходит активация споры и ее прорастание в вегетативные клетки. Идет дерепрессия генома, мобилизация метаболических процессов, из клетки удаляется дипиколиновая кислота, ионы кальция, разрушается пептидогликан кортекса.

Прорастание спор включает три стадии: активацию, начальную стадию и стадию роста.

Активация является обязательным условием прорастания спор. Она осуществляется различными воздействиями: снижением рН, веществами, содержащими свободные сульфгидрильные группы, повышением температуры, механическим повреждением спор.

Начальная стадия: происходит активация автолизина, который разрушает пептидогликан кортекса, в спору поступает вода, выходит дипиколинат кальция.

Стадия роста. После разрушения кортекса и наружных слоев споры появляется вегетативная клетка, которая при наличии питательных веществ удваивает свою биомассу, делится на две дочерние клетки, которые далее активно размножаются. Процесс прорастания споры контролируется генами как спорового, так и вегетативного геномов.

Для обнаружения спор используют электронную микроскопию, а также специальный метод окраски по Ожешко, на первом этапе которого нефиксированный мазок обрабатывают в течение 1-2 минут 0,5% р-ром HCl при подогревании, а далее препарат окрашивают по методу Циль-Нильсена. Споры окрашиваются в красный цвет, а вегетативные клетки – в синий. При простых методах окраски оболочка не пропускает красители, споры сильно преломляют свет и видны в микроскопе как прозрачные зерна.

ЖГУТИКИ. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ .ИНЖЕКТИСОМА ,СТРОЕНИЕ ,ФУНКЦИИ .

Жгутики – органы передвижения бактерий. Это тончайшие длинные нити (3-5х12-25 нм), одетые чехлом белковой природы, берут начало в цитоплазме и связаны с телом клетки при помощи дисков. Наружный диск находится в клеточной стенке, внутренний в ЦПМ. В состав жгутиков входит белок флагеллин, он относится к числу сократительных белков, обладает высокой антигенной активностью и специфичностью (см. Н-антиген).

По наличию жгутиков и их расположению микробы разделяются на монотрихи – имеют 1 жгутик, лофотрихи – пучок жгутиков с одной стороны, амфитрихи – по одному жгутику или по пучку жгутиков по полюсам, перитрихи – жгутики по всей поверхности тела клетки, атрихи – без жгутиков.

Помимо жгутиков есть ворсинки (пили, бахромки) – это органы прикрепления. Наиболее изучены 2 вида пилей – половые (sex) пили, через которые идет передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента в процессе конъюгации, и пили, обеспечивающие прикрепление или адгезию бактерий к определенным клеткам организма хозяина.

НУКЛЕОИД, ФУНКЦИЯ ,МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ НУКЛЕОИДА .

Нуклеоид (хромосома). Нуклеоид бактерий содержит циркулярно-замкнутую двойную нить ДНК, располагается в цитоплазме в виде клубка. У нуклеоида нет ядерной оболочки, ядрышек, белков гистонов и протаминов; при этом микробная клетка не делится митозом, т.к. нет митотического аппарата.

В нуклеоиде есть ДНК, РНК и ферменты, в частности РНК-полимераза. РНК и РНК-полимераза находятся в центре, а на них намотана ДНК, которая расположена компактно. Один конец ДНК связан с мезосомами ЦПМ, что способствует разделению дочерних хромосом при репликации. Бактерии – гаплоидные существа. Содержат 1 молекулу ДНК, ее можно рассматривать как одиночную хромосому, в расправленном состоянии ее длина 1 мм.

Форма нуклеоида различна: сферическая, палочковидная, подковообразная. В клетке в зависимости от физиологического состояния может быть один или кратное двум количество нуклеоидов. В молодых клетках – несколько, в старых – 1, у кокков – 1, у палочковидных – много.

Функции нуклеоида: хранитель генетической информации, которая закодирована в ДНК; принимает участие в генетических процессах (мутациях, рекомбинациях), а также в делении бактерий и спорообразовании.

Доказательства наличия нуклеоида:

– цитохимическая реакция Фельгена на ДНК. На мазок бактерий наносят соляную кислоту, при этом из дезоксирибозы образуются альдегиды, которые с фуксинсернистой кислотой реактива Шиффа дают фиолетовое окрашивание;

– люминесцентная микроскопия: при окраске мазка акридиновым оранжевым ДНК в ультрафиолете светится зеленым светом, РНК – красным;

– электронная микроскопия ультратонких срезов.

СЛОЖНЫЕ МЕТОДЫ ОКРАСКИ

I. Окраска по Граму:

1. На фиксированный мазок накладывают фильтровальную бумагу, пропитанную карболово-спиртовым раствором генцианового фиолетового и сверху капают несколько капель дистиллированной воды на 1-2 мин.

2. Убирают фильтровальную бумагу и, не промывая водой, наносят раствор Люголя на 1-2 мин.

3. Сливают раствор Люголя и обесцвечивают спиртом – 30 секунд.

4. Тщательно промывают водой.

5. Докрашивают водным раствором фуксина 1-2 мин., промывают, высушивают, микроскопируют.

Результат: Гр(+) бактерии окрашиваются в сине-фиолетовый цвет, Гр(-) бактерии – в розовый.

II. Окраска по Бурри-Гинсу:

1. Каплю взвеси микробов смешивают с каплей туши на обезжиренном стекле и готовят мазок шлифованным краем стекла, как мазки крови, высушивают, фиксируют.

2. Наносят водный раствор фуксина на 1-2 мин.

3. Промывают, высушивают, микроскопируют.

Результат: на темном фоне туши видны неокрашенные светлые капсула, внутри которой – красные бактерии.

III. Окраска по Ожешко:

1. На нефиксированный мазок наносят 0,5% раствор хлористоводородной кислоты и подогревают на пламени горелки в течение 2-3 мин.

2. Кислоту сливают, промывают мазок, просушивают, фиксируют в пламени горелки.

3. Через фильтровальную бумагу наносят карболовый фуксин Циля, подогревают над пламенем горелки до трехкратного появления паров.

4. Снимают бумагу, промывают водой.

5. Обесцвечивают мазок 5% раствором серной кислоты 1-2 мин.

6. Промывают водой.

7. Докрашивают метиленовым синим 3-5 мин.

8. Промывают,высушивают, микроскопируют.

Результат: споры окрашиваются в красный цвет, вегетативные клетки – в синий.

IV. Окраска по Нейссеру:

1. На фиксированный мазок наносят ацетат синьки Нейссера на 2-3 мин.

2. Наносят раствор Люголя на 10-30 секунд.

3. Промывают водой.

4. Докрашивают раствором везувина или хризоидина 0,5-1 мин.

5. Промывают, высушивают, микроскопируют.

Результат: зерна волютина окрашиваются в темно-синий цвет, цитоплазма бактерий – в желто-коричневый.

Капсула – поверхностная, временная структура бактериальной клетки, представляющая собой слизистый слой над клеточной стенкой бактерии. Вещество капсулы строго ограничено от окружающей среды [1] .

Содержание:

Многие микроорганизмы способны продуцировать на поверхности клетки слизистое вещество. В зависимости от толщины, структуры и химического состава различают капсулы, слизь, слизистые чехлы. Для прокариот характерно множество переходных форм между указанными структурами. При этом часто невозможно отличить капсулу от слизистых выделений или капсулу от чехла. Все эти структуры не являются жизненно необходимыми для бактериальной клетки. Они могут быть удалены механическим или ферментативным способами [3] [2] .

Испарение капсулообразующих бактерий
Xanthomonas campestris из ткани листа
горчицы.

Типы капсул

В зависимости от толщины слизистого слоя различаются:

Микрокапсула – толщина слизистого слоя до 0,2 мкм. Микрокапсула видна только в электронный микроскоп. Ее связь с клеточной стенкой очень прочна. Иногда ее предлагается рассматривать в качестве элемента клеточной стенки[2] . Микрокапсулы образует кишечная палочка – Escherichia coli[1] .
Макрокапсула (истинна капсула) – толщина слоя слизи более 0,2 мкм. При негативной окраскебактерий (смешивании с китайской тушью) макрокапсула хорошо видна в световой микроскоп (светлая на темном фоне). Макрокапсула характеризуется специфической внешней структурой. Поверх макрокапсулы концентрируется ещё один слизистый слой, связь с капсулой у которого непрочная. Об этом свидетельствует обнаружение в культуральной жидкости материала, составляющего слизистый слой [3][2] . Макрокапсулы образуют: возбудитель сибирской язвы Bacíllus ánthracis, возбудитель пищевых отравлений человека Clostridium perfringen[1] .

Как указывалось выше, капсула не является обязательной структурой бактериальной клетки, и потеря ее не приводит к гибели бактерии. Известны бескапсульные мутанты, в частности вакцинный штамм сибирской язвы СТИ 1 [1] .

Капсула, окружающая бактериальную клетку, по толщине часто превосходит ее диаметр. Кроме того, может наблюдаться образование одной капсулы для многих клеток одновременно, как у сапрофитной бактерии лейконосока. Скопление бактерий, заключенные в общую капсулу называют зооглеями [1] .

Химический состав

Вещество капсул представлено высокогидрофильными мицеллами. Химический состав кпсул весьма разнообразен [1] .

Чаще всего капсулы образуют полисахариды. В частности, полисахаридный химический состав капсул характерен:

для бактерийStreptococcus mutans (обнаруживается в ротовой полости человека и является одной из причин возникновения кариеса);
для некоторых представителей родов Xanthomonas, Klebsiella, Corynebacterium[2] .

Капсулы других бактерий состоят из полипептидов, представленных полимерами, в которых содержится много D- и L-форм глутаминовой кислоты. В частности, бактерии Bacillus anthracis (возбудитель сибирской язвы) образуют полимерную капсулу [2] .

Ряд бактерий способны синтезировать капсулу, состоящую из волокон целлюлозы. Таким образом построена капсула Sarcina ventriculi (неспороносные и непатогенные бактерии) [2] .

Микрокапсулы микобактерий туберкулеза млекопитающих входят гликопептиды, представленные сложным эфиром трегалозы и миколовой кислоты [1] .

Синтез капсул

Синтез капсулы для прокариот является видоспецифическим процессом. Считается, что биополимеры капсулы синтезируются на наружной поверхности цитоплазматической мембраны и выделяются на поверхность клеточной стенки в определенных участках [1] .

Функции капсул

Не смотря на возможность существования бескапсульных форм, капсула является важной структурой бактериальной клетки [2] .

Капсула – полифункциональный органоид, выполняющий ряд важных биологических функций:

предохранение клетки от неблагоприятных факторов окружающей среды (высыхания, механических повреждений);
создание дополнительного осмотического барьера;
место локализации капсульных агентов, определяющих вирулентность, антигенную специфичность и иммуногенность бактерий. Утрата капсулы патогенными бактерий значительно снижает их вирулентность;
барьер для бактериофагов, препятствие для их адсорбции на клетках бактерии;
источник запасных питательных веществ;
объединение клеток в цепочки и колонии;
обеспечение прикрепления клеток к поверхности субстрата [1][2] .

Определение микрокапсул

Микрокапсулы и слизистые слои определяют при помощи серотологических реакций (РА). Антигенные компоненты капсулы идентифицируют при помощи иммунофлюоресцентного метода (РИФ) [1] .

Практическое значение

Образуемые бактериальными клетками капсульные полисахариды находят большое значение в практическом использовании [2] .

Внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris – ксантан, используется в составе смазок при добыче нефти, в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств замороженных и консервированных продуктов, кремов, соусов. Находит ксантан применение и в косметической промышленности [2] .

Синтезируемые бактериями Leuconostoc mesenteroides декстранты применяются в качестве кровезаменителей, для лечения ожогов, очистки и разделения биологических молекул, как полиэлектролиты [2] .

Капсула – слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерии и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсулу патогенные бактерии (пневмококки, бациллы и др.) образуют, как правило, в организме животных или человека. Однако у некоторых видов (клебсиелла пневмонии) капсула обнаруживается постоянно.

Капсулы патогенных бактерий состоят, главным образом, из полисахаридов (пневмококки), но могут содержать полипептиды (сибиреязвенные бациллы).

Многие бактерии образуют микрокапсулу – слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии в виде микрофибрилл из мукополисахаридов, которые тесно прилегают к клеточной стенке.

Капсулы имеют консистенцию геля и не задерживают анилиновые красители, поэтому не окрашиваются ими. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. Она выявляется при специальном окрашивании по Бурри-Гинсу, создающем негативное контрастирование веществ капсулы.

Когда на улице холодно, мы надеваем теплую куртку, в дождь берем с собой зонтик, отправляясь в поход, прихватываем рюкзак с едой. Все эти функции в микромире успешно выполняет капсула бактерий. Есть так называемые истинно капсульные клетки, образующие защищающий их кокон в любых условиях. Есть клетки, формирующие очень тонкий слизистый слой, выявить который можно с помощью электронного микроскопа. Но для основной части бактерий формирование защитного слоя имеет значение только в агрессивной для них внешней среде.

Поверхностная структура клетки

цитоплазма (внутреннее содержимое клетки);
оболочка (мембрана);
поверхностные структуры (капсула, жгутики, микроворсинки).

Капсула клетки – поверхностная слизистая структура, образующаяся вокруг оболочки. Это аморфное вещество имеет большое значение для жизнедеятельности клетки, делает оболочку более прочной и плотной, служит защитным барьером на пути фагоцитов, иногда выполняет роль кладовой и хранит запасы пищи. В строении капсулы различают два слоя: внутренний и наружный. Внутренний слой – часть наружного слоя цитоплазмы клетки, а наружный – результат секреторной функции бактерии.

Виды капсул

Продукты биосинтеза бактерии откладывают вокруг клеточной оболочки в виде своеобразного кокона, поддерживающего жизнедеятельность клетки. В зависимости от толщины слизистого слоя различают:

Микрокапсулы. Слой слизи меньше 0,2 мкм. Выявляется только с помощью электронного микроскопа.
Макрокапсулы, имеющие стенки толще 0,2 мкм. Их уже можно рассмотреть в обычный микроскоп, но для выявления слизистой структуры понадобится специальная окраска негативным методом.

Не все микроорганизмы обладают способностью образовывать верхний слой в виде аморфного кокона. Некоторые бактерии образуют их в любых условиях (истинно капсульные бактерии), но для большинства образование капсул – метод защиты от окружающей среды.

Зачем клетке нужна дополнительная оболочка

Для микроорганизмов защитные оболочки имеют большое значение:

они образуют влажную среду, в которой клетка чувствует себя более комфортно;
аморфное строение кокона защищает клетки от высыхания и предохраняет их от механических повреждений;
увеличивают способность бактерий сцепляться друг с другом или с другими поверхностями, т. е. увеличивают их адгезию;
выполняют функции иммунного барьера, т. е. препятствуют проникновению в клетку фагов (вирусов для микроорганизмов).

Клетки, имеющие капсулу, способны выжить в неблагоприятных условиях. Особенно ярко это выявляется на примере патогенных микробов. При попадании в организм некоторые бактерии тут же обзаводятся рыхлой стенкой, защищающей их от иммунной системы макроорганизма (человека или животного), тогда как во внешней среде они превосходно существуют в своем обычном виде. В случае с патогенными бактериями наличие капсулы затрудняет антибиотикам проникновение в клетку и, соответственно, мешает организму победить болезнь.

Если бактерии соединены в колонию, то оболочка помогает осуществлять связь между отдельными клетками и выполняет функции их соединения между собой. Вязкая субстанция капсулы также имеет значение для крепления клетки или колонии к другим поверхностям.

Внеклеточные полимерные вещества, накапливаемые в капсуле, можно применять на практике. Так, их используют для получения искусственной плазмы крови или для выращивания тончайших синтетических пленок.

Выявление капсул

В строении капсулы принимает участие очень много воды, до 98%. Помимо того что жидкость делает кокон очень непрочным, она еще и прозрачна, т. е. рассмотреть гелеподобную оболочку под микроскопом обычным методом без дополнительной подготовки не получится.

В нормальном состоянии бактерии тоже прозрачны. Обычно для выявления клеток используют различные методы окраски, что позволяет легко рассмотреть их под микроскопом. Но для капсул обычные способы не подходят по нескольким причинам:

Слизистое вещество капсулы плохо задерживает красящие пигменты, после промывки препарата (это обязательная процедура при окрашивании) слизь остается бесцветной.
Аморфные оболочки очень мягкие и непрочные, в процессе окрашивания их легко повредить. При обычных методах окрашивания препарат подвергается механическим воздействиям, которые могут уничтожить сам объект исследования.

Одним из способов выявления такой непрочной субстанции является метод окраски по Гинсу. Он основан на неспособности капсулы удерживать краску и заключается в окрашивании окружающей среды и самой бактерии:

на предметное стекло наносят каплю туши;
добавляют в тушь куплю раствора, содержащего исследуемые клетки;
перемешивают и аккуратно распределяют жидкость по поверхности;
оставляют для высыхания на воздухе и фиксируют (обрабатывают сулемой, спиртом или быстро обжигают);
погружают в раствор красящих веществ;
промывают водой и высушивают.

Под микроскопом готовый препарат выглядит следующим образом: на темном (или черном) фоне туши хорошо видны красные или фиолетовые бактерии, окруженные светлым (неокрашенным) ободком.

Один из самых простых методов выявления капсул – окраска по Дюгиду. При этом способе тушь смешивают с культурой на предметном стекле, затем помещают сверху покровное стекло и сильно прижимают, в результате чего жидкость распределяется тонким слоем между поверхностями. Рассматривают готовый препарат с помощью специального объектива с большим увеличением. На темном фоне окружающей клетки туши отчетливо выделяются прозрачные зоны капсул.

Выявить капсулы можно еще несколькими методами:

с помощью окраски по Романовскому – Гимзе с использованием специального красящего состава;
методом окраски по Михину с помощью метиленовой сини Леффлера;
методом окрашивания по Бурри – Гинсу.

Ответ на нападение

Особое значение для изучения бактериальной оболочки имеет так называемая реакция Нейфельда. Этот способ основан на разбухании, разрыхлении капсульного вещества под воздействием антител, которые иммунная система организма использует для идентификации и обезвреживания различных чужеродных объектов.

Например, при попадании в организм пневмококков иммунная система пускает в ход антитела, соответствующие химическому составу капсул этих микробов. В ответ бактерии начинают наращивать толщину слизистого слоя, пытаясь уберечь клетку от гибели. В результате оболочка становится намного больше и заметнее.

При проведении медицинских анализов на выявление конкретного вида патогенных бактерий в исследуемый материал, полученный от больного, добавляют несколько видов сыворотки с различными антителами. Значение будет иметь тот результат, где ширина аморфного слоя самая большая. Таким способом достаточно просто подтвердить или установить диагноз, что позволит как можно быстрее начать необходимое лечение.

Бактериальные капсулы образовались в процессе эволюции. Скорее всего, их появление оказалось жизненно важным для некоторых бактерий. Мягкая, рыхлая оболочка в виде надежного кокона ограждала микроорганизмы почти от всех опасностей. Значение подобного защитного слоя для выживания вида сложно переоценить.

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Читайте также: