§31. Особенности строения грамположительных и грамотрицательных бактерий
Цель изучения этой темы: сравнить грамположительные и грамотрицательные бактерии.
Какие организмы относятся к возбудителям инфекций? Каковы особенности строения клеточной оболочки прокариот? Приведите примеры патогенных бактерий. Какие меры профилактики различных инфекций вам известны? Что такое дезинфекция помещений? Для чего ее проводят?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 8, 62 – учебник для 7 класса; § 1 – учебник для 8 класса; § 51 – учебник для 10 класса.
Изучение бактерий доктором Г. Грамом. Люди всегда искали способы борьбы с разными болезнями. Так действовали первые лекари, использовавшие лекарственные растения для лечения кожных и кишечных инфекций, так поступают и современные врачи, борющиеся с раком кожи и занимающиеся пересадкой сердца. Первые лекари изучали и классифицировали свойства лекарственных растений, чтобы использовать их в медицине. Современные же ученые для лучшего понимания принципов работы и причин воздействия вирусов и бактерий на человеческий организм классифицируют и изучают их свойства.
Г.К. Грам
(1853–1938)
Датский врач и бактериолог Ганс Кристиан (Христиан) Грам (1853–1938) разработал уникальный метод окрашивания микропрепаратов, содержащих бактериальные клетки. Этот метод получил название по фамилии ученого. Его активно применяют в медицине и по сей день. Изучая мир бактерий, доктор Грам использовал фиолетовый краситель. Он выяснил, что часть бактерий при окрашивании приобретает синюю окраску, а остальная часть остается неокрашенной. Разница в реакции бактерий на краситель заключалась в особенностях строения их оболочек. Так Грам классифицировал два типа бактериальных клеток, которые он назвал грамположительными (окрашиваются) и грамотрицательными (не окрашиваются) клетками.
Рис. 32. Строение грамположительных бактерий
Особенности строения и физиологии грамположительных бактерий. Причиной окрашивания бактериальных клеток стали особенности строения слоев их клеточных стенок. Грамположительные бактерии снаружи клеточной мембраны имеют пептидогликан – вещество, имеющее ячеистую структуру (рис. 32). Для бактерии пептидогликан очень важен, так как он защищает ее от разрыва в случае сильного внутреннего осмотического давления. Вспомните, как целлюлозная клеточная стенка противостоит внутриклеточному давлению, возникающему из-за большого количества воды, и препятствует разрыву клетки растений.
Пептидогликан занимает 40–90% клеточной оболочки. Это создает дополнительную амортизацию при физическом давлении, также он поддерживает постоянную форму у некоторых бактерий.
Грамположительные бактерии реагируют на красители, потому что пептидогликан, окружающий мембрану клетки, имеет ячеистую структуру. В эти ячейки проникают красители и антибиотики. В современной медицине метод Грама применяется для определения природы возбудителей той или иной болезни. Исследуются, как правило, слюна, выделения из носа или плевральная жидкость. Взятые на анализ бактерии окрашиваются фиолетовым красителем, фиксируются йодом и смываются спиртом. После окрашивания становится понятно, какие возбудители стали причиной болезни. Если это грамположительные бактерии, то они окрашиваются сразу. Если же окрашивания не произошло, то исследования продолжаются. Для определения грамотрицательных бактерий используют повторное окрашивание. Чаще всего краситель окрашивает клетки бактерий в красный или розовый цвет. Способность грамотрицательных бактерий не пропускать внутрь клетки жидкий краситель связана с их структурой. Речь о ней пойдет ниже.
Особенности строения и физиологии грамотрицательных бактерий. Снаружи грамотрицательные бактерии также имеют клеточную мембрану и даже пептидогликан (рис. 33). Правда, он намного тоньше, чем у грамположительных бактерий и составляет всего 5–10% от общей массы оболочки клетки. Помимо этого в грамотрицательных клетках существует межмембранное пространство, названное периплазматическим. В него и погружается пептидогликан. В периплазматическом пространстве находится межклеточная жидкость, которая содержит транспортные белки и гидролитические ферменты, позволяющие клеткам использовать большое разнообразие новых веществ. Снаружи клетку покрывает еще одна внешняя клеточная оболочка (мембрана), препятствующая проникновению в клетку антибиотиков, красителей и моющих средств. Именно эта комплексная трехслойная оболочка позволяет бактериям быть устойчивыми к лизоциму (антибактериальному ферменту слюны) и антибиотикам старого поколения.
Рис. 33. Строение грамотрицательных бактерий
Справится с грамотрицательными бактериями могут только антибиотики последнего поколения или группы антибиотических средств. Кроме того, при разрушении клеточной мембраны выделяются эндотоксины, которые могут привести к интоксикации организма вплоть до летального исхода.
Значение грамположительных и грамотрицательных бактерий. Этим методом окрашиваются не только болезнетворные бактерии. Было установлено, что почти все фотосинтезирующие и хемобактерии, являющиеся автотрофами, тоже относятся к грамотрицательным бактериям. Также среди грамотрицательных бактерий есть и гетеротрофные паразиты – источник инфекционных заболеваний. Это возбудители тяжелых патологий, таких как менингит, гонорея, сифилис и др.
Почти все виды грамположительных бактерий являются гетеротрофами, использующими дыхание или брожение в качестве основных способов получения энергии. Конечно, не все они возбудители болезней. Так, например, из неболезнетворных бактерий к грамположительным бактериям относятся лактобактерии, обеспечивающие процесс молочнокислого брожения.
Какие же из возбудителей болезней опаснее для человека? Большое количество болезней вызывается грамположительными бактериями, но в целом лечение проходит обычно легче за счет восприимчивости к антибиотикам. Грамотрицательные бактерии вызывают меньшее количество болезней, чем грамположительные. Поэтому некоторые ученые утверждают, что грамотрицательные бактерии, несмотря на высокий риск негативных последствий от болезней, менее опасны для человека, так как являются возбудителями меньшего числа заболеваний.
Грамположительные и грамотрицательные бактерии, пептидогликан, периплазматическое пространство.
Знание и понимание
1. Объясните, почему важно изучать возбудители инфекций.
2. Как вы понимаете, что такое окрашивание по Граму?
Применение
1. Для чего инфекционисты изобретают и применяют различные способы окрашивания микропрепаратов?
2. Заполните таблицу. Сравните грамположительные и грамотрицательные бактерии, отметив знаком × в таблице соответствующий признак.
Анализ
1. Изобразите в виде схемы строение оболочки клеток у различных типов бактерий.
2. Докажите на примерах, что борьба с болезнетворными грамположительными бактериями в целом должна быть более успешной, чем с грамотрицательными.
Синтез
1. Порассуждайте, почему при анализе жидкостей больного пытаются окрасить и грамотрицательные бактерии. Почему нельзя делать вывод, что «если возбудители не окрасились положительно, следовательно, они отрицательные»?
2. Порассуждайте, какой эволюционный путь могли пройти грамположительные и грамотрицательные бактерии. Обсудите следующее высказывание ученых: «У грамотрицательных бактерий присутствует тонкий слой пептидогликана, вероятно, состоящий из одного слоя гликановых нитей. Поэтому он обладает двухмерной структурой, и связующие пептидные мостики располагаются в той же плоскости, что и гликановые цепи. Напротив, у грамположительных бактерий слой пептидогликана гораздо толще и включает несколько слоев гликановых нитей. В этом случае поперечные мостики, вероятно, лежат в разных плоскостях и соединяют нити, находящиеся в одной плоскости с нитями расположенного ниже слоя. Неизвестно, почему у грамположительных и грамотрицательных бактерий сборка пептидогликана происходит столь разными путями».
Обобщите эти предположения с эволюционных позиций.
Оценка
1. Оцените предложенную на схеме классификацию. Выявите ее достоинства и недостатки.
2. Напишите реферат о любых группах бактерий, указанных на схеме, которые больше всего вас заинтересовали.