Широко распространенная в природе группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующаяся примитивной формой клеточной организации.
Впервые бактерии были обнаружены в 17 в. гол. ученым А. Левенгуком. Интенсивное изучение биол. свойств Б. и их роли в биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы франц. ученого Л. Пастера, нем. ученого Р. Коха и англ. ученого Д. Листера.
Большинство Б. не имеют хлорофилла, т. е. они не используют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в результате хим. превращений неорганич. или органич. соединений, присутствующих в среде их обитания. Б. широко распространены в природе: их находят в почве, воде, в растениях, в организме человека и животных. Они могут существовать в самых разнообразных условиях, часто неблагоприятных для жизни других организмов. Б. играют огромную роль в формировании биосферы, в поддержании жизни на нашей планете, участвуя в круговороте энергии и веществ в природе.
Среди Б. имеется относительно небольшое число видов, способных вызывать заболевания человека, животных и растений. Потенциальная способность бактерий вызывать инф. заболевания называется болезнетворностью или патогенностью. Некрые Б. являются условно патогенными, т. к. их болезнетворность зависит от ряда условий, в первую очередь от сопротивляемости организма, в к-ром эти Б. присутствуют.
Строение бактерий. По форме Б. делят на три группы: шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы).
Размеры палочковидных Б. могут быть от 1 до 8 микрометров (мкм) в длину и от 0,5 до 2 мкм в ширину; средний диам. шаровидных—0,5—1 мкм (1 мкм равен тысячной доле миллимет- ра). Известны гигантские Б. толщиной 40—50 мкм, нити к-рых видны невооруженным глазом, а также очень тонкие — толщиной 0,06—0,1 мкм.
Основные структурные элементы бактериальной клетки: оболочка, цитоплазма, нуклеоид. Содержимое тела бактериальной клетки, или ее цитоплазма, представляет собой желеобразный, вязкий раствор, в к-ром растворены различные органич. и неорганич. соединения и находится большое количество мелких гранул. Цитоплазма, окруженная тонкой эластичной мембраной (цитоплазматическая мембрана), образует протопласт. Толщина мембраны 7—10 нанометров (1 нм равен миллионной доле миллиметра). Ее основной компонент — сложные вещества, состоящие из белков и жиров (липопротеины). Цитоплазматическая мембрана выполняет функцию молекулярного «сита»: пропуская воду и небольшие молекулы некрых жирорастворимых веществ, она не пропускает другие низкомолекулярные соединения, что поддерживает стабильность хим. состава цитоплазмы и защищает клетку от попадания в нее вредных веществ. Наряду с пассивным переносом питательных веществ из окружающей среды в клетку — за счет диффузии через цитоплазматическую мембрану — имеется активный транспорт, осуществляемый с помощью спец. ферментов — пермеаз, находящихся в составе мембраны. Кроме пермеаз, в мембране присутствуют ферменты, участвующие в дыхании Б. (так наз. цитохромная система), в обмене углеводов, в образовании самой мембраны и в других важных функциях клетки.
Бактериальный протопласт окружен клеточной стенкой, обеспечивающей постоянство формы Б. Клеточная стенка толще, чем мембрана (10—25 нм), и значительно прочнее ее. Она имеет эластичные поры диам. 1 нм, через к-рые свободно проникают относительно крупные молекулы. Целостность клеточной стенки обеспечивает нормальную жизнедеятельность Б. Ее ослабление или разрушение приводит к проникновению в клетку воды из окружающей среды, набуханию клетки, а затем к разрыву цитоплазматической мембраны и вытеканию содержимого протопласта (цитоплазмы). Описанный процесс разрушения Б. и растворения ее содержимого в среде называется лизисом. Основной компонент стенки — сложное соединение, молекулы к-рого связаны друг с другом с помощью белковых мостиков и образуют полимерную структуру. Кроме пептидогликона, стенка Б. содержит другие хим. соединения, состав и количество к-рых у разных Б. различны. Эти компоненты обозначают общим термином специальные структуры. У золотистого стафилококка спец. структуры составляют 20% содержимого стенки, а у кишечной палочки — 80%. Функция этих соединений пока недостаточно изучена. Предполагается, что некрые из них защищают стенку бактерий от действия ферментов организма, способных разрушать основной компонент стенки — пептидогликон. Среди этих соединений обнаружены и такие, к-рые обусловливают болезнетворные свойства Б., в частности некрые кишечные Б. содержат в стенке липополисахариды, обладающие токсическими свойствами. Клеточная стенка Б., находящаяся в организме, может быть повреждена в результате действия ферментов организма или различных лекарственных средств, способных разрушать основное вещество стенки — пептидогликан. В результате этого бактерии гибнут или захватываются и перевариваются фагоцитирующими клетками организма, т. е. происходит фагоцитоз (см. Иммунитет).
Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, многие Б. окружены капсулой (рис.4) толщиной 0,2 мкм, представляющей собой относительно плотный, желатинообразный материал, и непосредственно прилегающей к бактериальной стенке. Главный хим. компонент капсулы — полисахарид. Есть основания считать, что капсула защищает клетку от действия антибактериальных агентов, способных повредить клеточную стенку (бактериофаги, антибиотики, ферменты). У некрых патогенных Б. (пневмококков, гноеродных стрептококков, палочек сибирской язвы и возбудителей чумы) капсула содержит вещества, защищающие Б. от фагоцитоза, Следовательно, наличие капсулы у некрых Б. является одним из факторов, определяющих их болезнетворность.
В отличие от клеток высших организмов (эукариотов), в Б. (прокариотах) отсутствует дифференцированное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Его функции осуществляет находящийся в цитоплазме нуклеоид, представляющий собой замкнутую в кольцо двунитчатую спираль молекулы дезоксирибонуклеиновой к-ты — ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), свернутую в виде клубка. Функция молекулы ДНК Б. аналогична функции хромосомы клеток высших организмов, т. е. в ней сосредоточена генетическая информация данной бактерии. Ядерное вещество легко обнаруживается при электронной микроскопии ультратонких срезов Б.
В цитоплазме Б. находится до 10 тыс. рибосом, представляющих собой мелкие гранулы диам. ок. 20 нм, с помощью к-рых осуществляется синтез белка клетки. В ней содержатся также различные включения (жиры, крахмал, гликоген, сера), являющиеся запасом питательных веществ, используемых Б.
Некрые палочковидные Б. образуют споры — сферические образования внутри палочки; такие Б. называют бациллами. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования Б.: при отсутствии питательных веществ, изменении хим. состава и температуры среды обитания и др. Каждая Б. формирует только одну спору. Следовательно, способность Б. образовывать споры является механизмом, обеспечивающим сохранение вида, а не способом размножения. У различных Б. споры отличаются по форме, размеру и расположению в клетке. В отличие от вегетативных (способных к размножению) клеток, споры характеризуются более высоким содержанием жиров и жироподобных веществ (липидов) и относительно меньшим содержанием воды. Это обусловливает их высокую устойчивость к внешним воздействиям (температуре, солнечному свету и др.), позволяя долго сохранять жизнеспособность, иногда многие годы. При попадании в благоприятные условия споры прорастают, образуя вегетативные клетки.
Многие Б. способны активно двигаться с помощью жгутиков, своеобразных органов движения. Число жгутиков на поверхности клетки колеблется от 1 (рис. 5) до нескольких десятков. Способность Б. к активному движению, вероятно, помогает им быстрее поглощать вещества в жидкой среде обитания. Есть доказательства, что многие Б. двигаются в сторону тех участков среды, где имеются оптимальные условия для их существования, и удаляются от участков, в к-рых присутствуют вещества, вредно действующие на Б. (положительный и отрицательный хемотаксис Б.). Подвижные Б., нуждающиеся в кислороде (напр., холерный вибрион), двигаются к поверхности среды — месту наивысшей концентрации растворимого. кислорода. Можно предположить, что активное движение помогает патогенным Б. проникать через вязкие, слизистые секреты, эпителиальные барьеры и распространяться в жидкостях и тканях организма.
Физиология бактерий. По хим. составу Б. не отличаются от клеток других организмов. Бактериальная клетка содержит 80% воды и 20% сухого остатка. Ок. 90% сухого остатка Б. составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые к-ты (10%), белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликон (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганич. соли и другие низкомолекулярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельности Б., как и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них (эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая процессы синтеза, дыхания и т. п. Другие (экзоферменты) выделяются Б. в окружающую среду. Необходимые бактериям высокомолекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, к-рые проникают в клетку через цитоплазматическую мембрану. Белки, полисахариды, липиды могут быть использованы Б. в качестве источника питания лишь после их расщепления экзоферментами — до аминокислот, моносахаров и др.
Для нормальной жизнедеятельности Б. должна быть обеспечена источниками углерода и азота. Одни виды Б. (автотрофы) используют неорганич. углерод (в виде углекислого газа или солей угольной к-ты); другие (гетеротрофы), в число к-рых входят патогенные Б., используют органич. соединения углерода. Гетеротрофные Б., в свою очередь, разделяют на сапрофитов, питающихся органич. соединениями внешней среды, и паразитов, живущих за счет другого организма.
Патогенные виды Б., относящиеся к паразитам, находят источники легко усвояемого углерода (глюкоза и аминокислоты) в тканевых жидкостях организма. Главным источником азота является аммиак (обычно в форме аммонийных солей). Некрые Б. усваивают азот атмосферы, к-рый в процессе азотфиксации превращается в аммонийные соли. Азотфиксирующие Б. играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, поддерживая плодородие почв и обеспечивая в природе непрерывность реакций, входящих в круговорот азота в биосфере. Другие Б., в т. ч. и патогенные, в качестве источников азота используют органич. соединения (аминокислоты, пептоны). Кроме азота и углерода, Б. нуждается в ионах натрия, кальция, магния, калия, фосфата, сульфата и др.
Различные Б. неодинаково относятся к присутствию свободного кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, напр, холерный вибрион, могут развиваться лишь в присутствии свободного кислорода. Анаэробы, напр, возбудители газовой гангрены, столбняка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие к-рого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэробы, напр. возбудители кишечных инфекций, раз- виваются как в кислородной, так и в бескислородной среде.
Аэробность или анаэробность Б. обусловливается способом получения ими энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. Некрые Б. (фотосинтезирующие) способны, подобно растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света. Остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных хим. реакций. Существуют Б. (хемоавтотрофы), окисляющие неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но для большинства Б. источником энергии служат превращения органич. соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы используют реакции биол. окисления с участием свободного кислорода (дыхание), в результате к-рых органич. соединения окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробы получают энергию при расщеплении органич. соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения — спирты, молочная, масляная и другие к-ты, ацетон и др.
В процессе жизнедеятельности Б. образуют различные биологически активные вещества — ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматич. соединения, токсины и др.
Большинство Б. размножается делением, к-рому предшествует рост бактерии, т. е. увеличение массы ее клетки. Обычно палочкообразные Б. в длину увеличиваются вдвое, и после достижения ими определенного размера посередине клетки возникает поперечная перегородка, состоящая из цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Такой способ деления Б. называется поперечным. Образовавшиеся дочерние клетки по своим свойствам (строение, физиол. особенности, питательные потребности и пр.) полностью подобны материнской клетке, из к-рой они возникли.
Для того чтобы Б. могли расти и размножаться, среда их обитания должна содержать необходимые источники углерода, азота, энергии, определенный солевой набор и иметь оптимальную температуру. Для большинства патогенных Б. температурный оптимум равен 37°, т. е. соответствует температуре тела человека и животных.
В лабораторных условиях для выращивания Б. используют искусственные субстраты, так наз. питательные среды, из них наиболее распространены мясопептонный бульон и мясопептонный агар. Скорость размножения Б. в этих средах очень велика. Примерно каждые 20 мин. бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следовательно, из одной клетки, культивируемой в хорошей питательной среде, через 10 часов образуется 1 000 000 000 потомков. Если бы процесс размножения Б. в питательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков одной бактерии равнялось 1021 клеток, а их масса составила бы примерно 4000 т. В действительности же в питательной среде высокая скорость деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с момента внесения в нее Б. Это происходит потому, что очень быстро истощаются питательные вещества среды и в ней накапливаются продукты обмена веществ, неблагоприятно действующие на Б. Скорость размножения патогенных Б. в организме значительно меньше, чем в искусственной питательной среде.
Генетика бактерий. Все признаки, характерные для Б. данного вида, определяются свойствами полипептидов, входящих в структуру ее ферментов и других белков. Генетическая информация Б., как и любых других клеток, записана в виде специфичной последовательности нуклеотидов в ДНК (см. Генетика, Нуклеиновые кислоты). ДНК является матрицей, на к-рой синтезируется ее точная копия, и в клетках, образовавшихся после деления Б., находятся молекулы ДНК, идентичные по последовательности нуклеотидов. ДНК выполняет также функцию шаблона для синтеза на ней информационной РНК, последовательность нуклеотидов к-рой определяет строение полипептида, синтезируемого на рибосомах. Сегмент ДНК, к-рый контролирует синтез специфичного полипептида, называется геном.
Большинство Б. имеет одну молекулу ДНК в виде хромосомы (рис. 6), в к-рой содержится информация, достаточная для кодирования от 1000 до 3000 полипептидов, т. е. заключено от 1000 до 3000 генов.
Бактериальные гены подвержены мутациям, т. е. в них возникают изменения в последовательности нуклеотидов в результате замены одних нуклеотидов другими, добавки излишнего нуклеотида или потери части из них.
Мутациям подвержен любой ген Б,, а т. к. многие из генов контролируют синтез жизненно необходимых для Б. соединений, такая мутация может оказаться для Б. смертельной (летальной). Это связано с тем, что, в отличие от клеток высших организмов, к-рые имеют двойной набор хромосом (диплоиды), Б. в норме имеют лишь одну молекулу ДНК (гаплоиды). Поэтому каждая мутация Б. проявляется изза отсутствия в ней аналогичного, но не подвергшегося мутации (дикого) гена, деятельность к-рого маскирует мутацию. Первые описанные мутации Б. касались изменения внешнего вида их колоний, отсутствия пигмента, затем были найдены мутации, изменяющие чувствительность Б. к бактериофагу, способность формировать капсулу, споры или жгутики, использовать определенные углеводы, синтезировать аминокислоты, а также мутации, изменяющие чувствительность Б. к антибиотикам и др.
Мутации в Б. могут возникать без какихлибо внешних воздействий (спонтанная мутация) с довольно постоянной скоростью, к-рая для разных типов варьирует от одной на 104 до одной на 1010 клеточных делений. Эта скорость увеличивается при обработке Б. некрыми хим. веществами или под действием физ. факторов, к-рые называют мутагенами. Если определенная мутация в данном гене дает Б. преимущества для роста и размножения по сравнению с немутантной клеткой, то происходит процесс селекции (отбора), в результате к-рого мутантные Б. размножаются, а немутантные погибают. Селекция такого типа осуществляется в природе, в т. ч. и в организме животного и человека. Напр., мутанты Б., устойчивые к антибиотику, легко селекционируются, если в среде культивирования находится данный антибиотик. Это же может произойти в организме человека и животных при лечении их соответствующими антибиотиками. Мутации, приводящие к изменению поверхностных структур Б., в ряде случаев делают их устойчивыми к действию таких защитных факторов организма (см. Иммунитет). С другой стороны, известны мутации Б., приводящие к изменению ее капсулы.
Так, у пневмококка мутация, происшедшая в гене, к-рый контролирует синтез фермента, необходимого для образования предшественника одного из компонентов, входящих в состав капсульного полисахарида, приводит к тому, что пневмококк не будет «одет» в капсулу. В результате пневмококк теряет болезнетворность, т. к. становится чувствительным к действию защитных механизмов организма, в частности к фагоцитозу. Изучение мутаций у Б. имеет практич. значение. Напр., в результате мутации были получены Б., потерявшие способность вызывать заболевание, но сохранившие способность создавать в организме невосприимчивость к нему. Такие ослабленные (аттенуированные) Б. применяют в качестве живых вакцин для профилактики туберкулеза, сибирской язвы и др. Безопасность их практич. использования связана с предотвращением появления у них обратных мутаций, приводящих к восстановлению болезнетворное™. Важное практич. значение имеет расшифровка механизма возникновения мутаций, при дающих Б. устойчивость к антибиотикам. Такие мутантные Б. вызывают у человека заболевания, не поддающиеся лечению данным антибиотиком. Поэтому в леч. практике часто прежде, чем назначить антибиотик, выделяют из организма больного Б. и определяют, к какому из имеющихся антибиотиков она чувствительна.
Изменение генетических признаков у Б. происходит не только в результате мутационного процесса и последующего отбора мутантных клеток, дающих начало новой разновидности данной Б. Этот процесс осуществляется также путем переноса генов от одной Б. к другой. Чаще такой перенос осуществляется между клетками одного и того же вида, но в ряде случаев генетический материал может передаваться среди Б., относящихся к разным родам, напр. от кишечной к дизентерийной палочке. Перенос генетического материала от Б. к Б. осуществляется тремя способами:
1. Путем захвата бактерией изолиро ванной молекулы ДНК другой бакте рии. Изолированные молекулы ДНК могут оказаться в среде (вне клетки) в результате растворения (лизиса) кле ток или могут быть получены искусст венным способом и добавлены в среду культивирования бактерий. Этот способ переноса генов называется транс формацией.
2. Бактериальные гены могут быть перенесены от Б. к Б. с помощью бак териофагов. Этот способ переноса генов называют транедукцией.
3. ДНК мигрирует между клетками в процессе конъюгации, при к-рой Б. контактируют своими поверх ностями, в результате чего между ними формируется мостик (рис. 7), через к-рый ДНК одной клетки переносится в другую. При этом способе генетичес кий материал переносится полярно, т. е. от донора к реципиенту, а не наоборот. Донорные свойства Б. обусловлены присутствием в ней специализирован ной генетической структуры, называе мой Р-фактором (фактор плодовитости, половой фактор). Клеткидоноры, спо собные к конъюгационной передаче генов, называются мужскими, а клет киреципиенты, лишенные полового фактора, — женскими. Все три способа передачи генов у Б. осуществляются в природе и наряду с мутациями играли и играют важную роль в эволюции Б.
Независимо от способа передачи генов от бактерии к бактерии, фрагмент ДНК донора, попавший в клетку реципиента, встраивается в ее собственную кольцевую ДНК, в результате чего формируется рекомбинантная ДНК, несущая основную часть генов реципиента и часть генов донора.
Кроме гигантской циркулярной кольцевой молекулы ДНК, являющейся эквивалентом хромосомы высших организмов, в цитоплазме Б. обнаружены небольшие внехромосомные кольцевые молекулы ДНК. При делении Б. эти молекулы копируются и попадают в дочерние клетки. Эти структуры называются бактериальными плазмидами. В некрых случаях бактериальные плазмиды включаются в состав бактериальной хромосомы; такие плазмиды называются эписомами. Плазмиды различаются по своим размерам, некрые крупные плазмиды содержат более 100 генов. В большинстве случаев удаление плазмид из Б. не сопровождается заметным вредным влиянием на ее жизнедеятельность. Плазмиды обнаружены у многих Б.: у кишечной палочки, дизентерийных, тифозных и паратифозных Б., у капсульных Б. и др. Важнейшим свойством ряда плазмид является их способность переноситься в бактерии, не имеющие плазмид. Многие плазмиды, попадая в Б., придают ей новые свойства. Так, напр., известны плазмиды , к-рые превращают неболезнетворные разновидности кишечных палочек в болезнетворные. Это связано с тем, что в таких плазмидах имеются гены, контролирующие синтез ядовитых веществ (токсинов). Хорошо изучены плазмиды, несущие гены устойчивости к различным антибиотикам и химиотерапевтич. средствам. В отдельных плазмидах могут быть гены, контролирующие устойчивость одновременно к нескольким леч. препаратам, напр, к пенициллину, канамицину, стрептомицину и тетрациклину. Такие плазмиды, несущие множественную устойчивость к антибиотикам, как правило, переносятся в бесплазмидные бактерии. Это создает угрозу их широкого распространения в мире Б., в т. ч. и среди болезнетворных, что в свою очередь ограничивает возможность использования антибиотиков для лечения. Межклеточный перенос плазмид обусловлен тем, что многие из них являются половыми факторами, подобными упомянутому выше фактору Р.
Устойчивость бактерий к факторам внешней среды. На жизнедеятельность Б. оказывают влияние температура, влажность, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения. К низким температурам Б. устойчивы, некрые выживают даже при —190°, а споры при —253°. К высоким температурам Б. высокочувствительны. Неспорообразующие Б. погибают при температуре от 60—70°, спорообразующие Б. (бациллы) при прогреве выше 100°. Разные виды Б. поразному переносят высушивание. Одни бактерии (напр., гонококки) очень быстро погибают при высушивании, другие при этих же условиях выживают. Так, палочка дизентерии при высушивании остается жизнеспособной в течение 7 суток, дифтерии — 30 суток, брюшного тифа — 70 суток, туберкулеза — 90 суток, споры бацилл сибирской язвы — до 10 лет. Б. чувствительны к ультрафиолетовому излучению, в т. ч. и к прямому солнечному свету. Б. высокочувствительны к некрым хим. веществам, разрушающим их структуру или нарушающим процессы их жизнедеятельности.
Для стерилизации объектов, не переносящих высокой температуры, используют ионизирующую радиацию в несколько миллионов рад (рентгеновские и гаммалучи). В основе действия ионизирующего излучения на Б. лежит его способность повреждать бактериальную ДНК.. Разные виды Б. неодинаково чувствительны к излучению. Известны Б., устойчивые к облучению: существуют Б., обитающие в залежах урановых руд и даже в воде ядерных реакто- ров при дозах 2—3 млн. рад. Различная степень устойчивости к ионизирующему излучению объясняется неодинаковой способностью разных бактерий восстанавливать (репарировать) структуру ДНК после возникновения в ней повреждений. Эта способность обусловлена наличием у клеток спец. ферментов, устраняющих повреждения в молекулах ДНК.
Изучение факторов, убивающих Б., имеет важное значение в практической микробиологии и в медицине. Полное освобождение объекта от жизнедеятельных микроорганизмов (включая вирусы, бактерии и их споры, грибки и их споры независимо от того, относятся ли они к патогенным или непатогенным видам) достигается в результате стерилизации. При дезинфекции объект освобождается преимущественно от патогенных микроорганизмов.
Самый эффективный метод стерилизации — действие высокой температуры (100° и выше). Различают влажную и сухую тепловую стерилизацию, из к-рых более эффективна влажная. Для стерилизации объектов, не переносящих высокой температуры, используют ионизирующее излучение (при дозах в несколько миллионов рад). Жидкости, к-рые нельзя нагревать, стерилизуют фильтрованием через бактериальные фильтры с очень мелкими порами, задерживающими бактерии.
При дезинфекции используют антисептические средства — хим. антимикробные агенты, способные убивать (бактерицидный эффект) бактерии или угнетать (бактериостатический эффект) их жизнедеятельность. В основе действия антисептиков лежит их способность реагировать с жизненно важными структурами или хим. компонентами Б., разрушая их или нарушая их функции. Напр., к-ты и фенолы способны денатурировать белки; хлорная известь, хлорамин, йод, перекись водорода, марганцовокислый калий являются сильными окислителями, разрушающими активные группы белков цитоплазмы Б.; органич. растворители и поверхностноактивные вещества нарушают свойства цитоплазматической мембраны Б. На бактериальные споры антисептики, как правило, не действуют.
Антибактериальные химиотерапевтические агенты. Хим. соединения, используемые для дезинфекции, хотя и обладают высокой антибактериальной активностью, не могут изза их токсичности применяться в леч. целях. Для этого используют антибактериальные химиотерапевтич. средства. Они способны убивать Б. или угнетать жизнедеятельность Б., присутствующих в организме, не оказывая при определенных дозах токсическое влияние на ткани или организм в целом, т. е. они должны обладать избирательным действием, направленным против бактерии или другого микроорганизма.
Кроме хим. соединений, мощными антибактериальными средствами являются антибиотики — химиотерапевтич. препараты естественного происхождения, синтезируемые микроорганизмами.
Теоретические основы химиотерапии и вопросы ее практич. использования при лечении инф. заболеваний были разработаны в начале века нем. ученым П. Эрлихом, к-рый открыл органич. соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса (сальварсан). Однако долгие годы не удавалось найти химиотерапевтич. средства для лечения бактериальных инфекций. Дальнейшее развитие химиотерапии связано с открытием сульфаниламидов и т. д.
Применение сульфаниламидов не только обогатило медицину новыми по тому времени химиотерапевтич. средствами, но и обусловило новое направление поиска противобактериальных химиотерапевтич. средств. Это направление возникло в результате изучения механизма действия сульфаниламидов на Б. Было установлено, что по хим. структуре сульфаниламид подобен парааминобензойной к-те — одному из важных промежуточных продуктов (метаболитов), участвующих в синтезе нуклеиновых к-т Б. Из-за хим. подобия сульфаниламид действует как антиметаболит парааминобензойной к-ты: включаясь вместо нее в биохим. процессы, но не заменяя ее, сульфаниламид на- рушает синтез нуклеиновых к-т Б. сходя из этих данных, было сформулировано положение, что среди антиметаболитов других биохимич. процессов окажутся леч. противобактериальные средства. Однако проблема получения новых лекарственных средств против бактериальных инфекций, принцип действия к-рых основан на конкуренции антиметаболита с важным для клетки метаболитом, оказалась значительно сложнее, чем предполагалось. Это связано с тем, что синтезированные антиметаболиты подавляли обмен веществ не только у Б., но и в тканях организма. Т. о., проблема свелась к поиску реакций обмена веществ, специфичных для Б. и отсутствующих в клетках организма человека или животного.
Биохимич. реакции, присущие лишь Б., были обнаружены в процессе синтеза клеточной стенки, в частности при образовании пептидогликона. Некрые антибиотики (пенициллин, циклосерин, бацитрацин), эффективные как противобактериальные терапевтич. средства, воздействуют на процесс формирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликона, входящего в ее состав, что приводит к разрыву Б. и ее растворению. Другие антибиотики — тетрациклин, хлорамфеникол, стрептомицин, канамицин и другие — обладают способностью нарушать синтез белков Б. Первым препаратом из этой группы, нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что он способен избирательно объединяться с рибосомами Б., не взаимодействуя с рибосомами клеток организма. В результате «точность» работы рибосом Б. в процессе синтеза белка нарушается, что приводит к «порче» синтезируемых белков и к гибели Б. Неомицин, канамицин, хлорамфеникол и эритромицин также взаимодействуют с рибосомами клетки Б. Тетрациклин нарушает присоединение информационной РНК к рибосомам. Леч., эффективность упомянутых антибиотиков, угнетающих биосинтез белков Б., определяется их специфичностью, т. е. относительно низкой пособностью влиять на эти же процессы в клетках высших организмов.
Болезнетворность бактерий. Из огромного количества Б., обнаруженных в природе, лишь небольшое число видов вызывают заболевания, т. е. явля- ются патогенными. Болезнетворность Б. определяется их способностью преодолевать защитные барьеры организма, внедряться в ткани организма (инвазивность) и выделять токсич. вещества (токсигенность).
При ряде заболеваний (дифтерия, столбняк, ботулизм и др.) было отмечено, что общее тяжелое поражение организма не сопровождается распространением Б. из места их первичного внедрения. Напр., при дифтерии возбудитель обнаруживается в носоглотке и трахее, а пораженными оказываются сердечная мышца, нервы, надпочечники. Изучение причины этого явления привело к заключению, что токсин, вырабатываемый возбудителем болезни, всасывается в кровь и транспортируется в разные органы и ткани. Тип инф. заболевания, при к-ром поражение вызывается бактериальным токсином, называется токсинемией.
В питательной среде или в организме бактерия в период ее активного роста выделяет в среду обитания токсин — экзотоксин. Кроме дифтерийной палочки, экзотоксины образуют возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены и один из возбудителей дизентерии — дизентерийная палочка Шига и др.
Экзотоксины представляют собой чувствительные к нагреванию (термолабильные) белки с высоким молекулярным весом. В очищенном виде они характеризуются очень высокой ядовитостью: 1 мг токсина столбняка или ботулизма способен убить более миллиона морских свинок, 3 кг ботулинич. токсина достаточно для уничтожения всего населения земного шара.
Многие бактериальные экзотоксины характеризуются специфической тканевой избирательностью, т. е. способностью поражать определенные органы и ткани, напр, ботулинич., столбнячный и дифтерийный токсины поражают различные отделы нервной системы. Столбнячный токсин нарушает функцию двигательных клеток спинного мозга, ботулинич. парализует черепномозговые двигательные нервы и вегетативную нервную систему, а дифтерийный повреждает периферич. нервы, сердечную мышцу и надпочечники.
Действие токсинов как биологически активных веществ подобно действию ферментов, и некрые экзотоксины действительно являются бактериальными ферментами, а другие могут взаимодействовать с ферментами клеток. Напр., а-токсин, продуцируемый возбудителем газовой гангрены, оказался ферментом, расщепляющим компоненты клеточных мембран; дифтерийный токсин, взаимодействуя с трансферазами (ферменты, обеспечивающие транспорт веществ через клеточную мембрану), угнетает белковый клеточный синтез; столбнячный и ботулинич. токсины угнетают в разных частях нервной системы образование и освобождение ацетилхолинов. Нейротоксин, синтезируемый дизентерийной бактерией Шига, первично поражает мелкие сосуды головного и спинного мозга, что ведет к нарушению, функций центральной нервной системы. Относительно недавно идентифицированный холерный экзотоксин вызывает повышенную секрецию жидкости в тонком кишечнике. Экзотоксины обнаружены у патогенных стафилококков и стрептококков: гемолитич. токсин поражает эритроциты, лейкоцидины разрушают лейкоциты за счет их взаимодействия с компонентами мембран клеток. Как многие другие белки, экзотоксины разрушаются при действии высокой температуры (70—100°), в среде с кислой реакцией или при обработке протеолитическими ферментами.
Очень важное практич. значение имело открытие, что под действием формальдегида, не оказывающего влияния на антигенность (см. Иммунитет), экзотоксины теряют ядовитость. В результате токсин превращается в токсоид (анатоксин), к-рый применяют для иммунизации организма для создания в нем невосприимчивости к данному токсину.
Ряд бактерий (сальмонеллы, кишечные палочки, большинство возбудителей дизентерии, гонококки и др.) не синтезирует экзотоксины, и отравляющее действие этих Б. на организм связано с эндотоксинами — сложными соединениями, в молекулу к-рых входят фосфолипид, полисахарид и белок.
В отличие от экзотоксинов, эндотоксины не выделяются бактериями в среду, а освобождаются после разрушения Б. и представляют собой часть клеточной стенки Б. Эндотоксины менее токсичны, чем экзотоксины, и не обладают избирательным действием на ткани; обработка эндотоксина формальдегидом не превращает его в анатоксин. Токсич. свойства эндотоксина обусловливаются липополисахаридной частью его молекулы, к-рая способна взаимодействовать с мембраной клеток организма. При введении эндотоксинов у подопытных животных обнаруживают резкое падение кровяного давления, нарушение циркуляции крови (коллапс), снижение числа лейкоцитов, тромбоцитов, тромбозы и т. д. Общее свойство эндотоксинов — способность повышать температуру тела (пирогенный эффект). Этот эффект не связан с действием эндотоксинов на терморегулирующий центр, расположенный в гипоталамической области головного моз- га. Оказалось, что в организме циркулирует низкомолекулярный белок (эндогенный пироген), действующий на терморегуляцию. Вероятно, эндотоксины, повреждая лейкоциты, макрофаги и, возможно, другие клетки, способствуют повышению концентрации этого пирогена в крови, что и приводит к повышению температуры тела.
Фактором болезнетворное™ некрых Б. (пневмококков, стрептококков, палочек сибирской язвы, чумы, коклюша и др.) оказалось наличие капсулы. Разрушение капсулы путем обработки ферментами или другими соединениями, а также в результате соответствующих мутаций, приводящих к нарушению синтеза капсулы, резко снижает их болезнетворность. Это выражается в том, что для развития смертельного заболевания у подопытного животного ему необходимо ввести во много тысяч раз больше бескапсульных Б., чем Б., обладающих капсулой. Капсула защищает Б. от фагоцитоза, но механизм защитного действия не совсем понятен. Предполагается, что электрический заряд поверхности капсулы препятствует возникновению физ. контакта фагоцита с Б. Вместе с тем описаны непатогенные Б., обладающие капсулой, но легко фагоцитируемые, а также бескапсульные патогенные Б., парализующие фагоцитоз.
Кроме токсинов и капсулы, у некрых Б. обнаружены и другие факторы, определяющие их болезнетворность. К их числу относится фермент гиалуронидаза, продуцируемый гноеродным стрептококком и растворяющий основное вещество соединительной ткани — гиалуроновую к-ту, что облегчает распространение Б. в тканях. Патогенные стафилококки синтезируют другой фермент — коагулазу, к-рый, вероятно, является одним из факторов болезнетворности этих Б. Коагулаза действует подобно тромбину (см. Кровь, кроветворная система), вызывая образование сетки фибрина вокруг стафилококка и препятствуя, т. о., фагоцитозу.
Впервые бактерии были обнаружены в 17 в. гол. ученым А. Левенгуком. Интенсивное изучение биол. свойств Б. и их роли в биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы франц. ученого Л. Пастера, нем. ученого Р. Коха и англ. ученого Д. Листера.
Большинство Б. не имеют хлорофилла, т. е. они не используют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в результате хим. превращений неорганич. или органич. соединений, присутствующих в среде их обитания. Б. широко распространены в природе: их находят в почве, воде, в растениях, в организме человека и животных. Они могут существовать в самых разнообразных условиях, часто неблагоприятных для жизни других организмов. Б. играют огромную роль в формировании биосферы, в поддержании жизни на нашей планете, участвуя в круговороте энергии и веществ в природе.
Среди Б. имеется относительно небольшое число видов, способных вызывать заболевания человека, животных и растений. Потенциальная способность бактерий вызывать инф. заболевания называется болезнетворностью или патогенностью. Некрые Б. являются условно патогенными, т. к. их болезнетворность зависит от ряда условий, в первую очередь от сопротивляемости организма, в к-ром эти Б. присутствуют.
Строение бактерий. По форме Б. делят на три группы: шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы).
Размеры палочковидных Б. могут быть от 1 до 8 микрометров (мкм) в длину и от 0,5 до 2 мкм в ширину; средний диам. шаровидных—0,5—1 мкм (1 мкм равен тысячной доле миллимет- ра). Известны гигантские Б. толщиной 40—50 мкм, нити к-рых видны невооруженным глазом, а также очень тонкие — толщиной 0,06—0,1 мкм.
Основные структурные элементы бактериальной клетки: оболочка, цитоплазма, нуклеоид. Содержимое тела бактериальной клетки, или ее цитоплазма, представляет собой желеобразный, вязкий раствор, в к-ром растворены различные органич. и неорганич. соединения и находится большое количество мелких гранул. Цитоплазма, окруженная тонкой эластичной мембраной (цитоплазматическая мембрана), образует протопласт. Толщина мембраны 7—10 нанометров (1 нм равен миллионной доле миллиметра). Ее основной компонент — сложные вещества, состоящие из белков и жиров (липопротеины). Цитоплазматическая мембрана выполняет функцию молекулярного «сита»: пропуская воду и небольшие молекулы некрых жирорастворимых веществ, она не пропускает другие низкомолекулярные соединения, что поддерживает стабильность хим. состава цитоплазмы и защищает клетку от попадания в нее вредных веществ. Наряду с пассивным переносом питательных веществ из окружающей среды в клетку — за счет диффузии через цитоплазматическую мембрану — имеется активный транспорт, осуществляемый с помощью спец. ферментов — пермеаз, находящихся в составе мембраны. Кроме пермеаз, в мембране присутствуют ферменты, участвующие в дыхании Б. (так наз. цитохромная система), в обмене углеводов, в образовании самой мембраны и в других важных функциях клетки.
Бактериальный протопласт окружен клеточной стенкой, обеспечивающей постоянство формы Б. Клеточная стенка толще, чем мембрана (10—25 нм), и значительно прочнее ее. Она имеет эластичные поры диам. 1 нм, через к-рые свободно проникают относительно крупные молекулы. Целостность клеточной стенки обеспечивает нормальную жизнедеятельность Б. Ее ослабление или разрушение приводит к проникновению в клетку воды из окружающей среды, набуханию клетки, а затем к разрыву цитоплазматической мембраны и вытеканию содержимого протопласта (цитоплазмы). Описанный процесс разрушения Б. и растворения ее содержимого в среде называется лизисом. Основной компонент стенки — сложное соединение, молекулы к-рого связаны друг с другом с помощью белковых мостиков и образуют полимерную структуру. Кроме пептидогликона, стенка Б. содержит другие хим. соединения, состав и количество к-рых у разных Б. различны. Эти компоненты обозначают общим термином специальные структуры. У золотистого стафилококка спец. структуры составляют 20% содержимого стенки, а у кишечной палочки — 80%. Функция этих соединений пока недостаточно изучена. Предполагается, что некрые из них защищают стенку бактерий от действия ферментов организма, способных разрушать основной компонент стенки — пептидогликон. Среди этих соединений обнаружены и такие, к-рые обусловливают болезнетворные свойства Б., в частности некрые кишечные Б. содержат в стенке липополисахариды, обладающие токсическими свойствами. Клеточная стенка Б., находящаяся в организме, может быть повреждена в результате действия ферментов организма или различных лекарственных средств, способных разрушать основное вещество стенки — пептидогликан. В результате этого бактерии гибнут или захватываются и перевариваются фагоцитирующими клетками организма, т. е. происходит фагоцитоз (см. Иммунитет).
Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, многие Б. окружены капсулой (рис.4) толщиной 0,2 мкм, представляющей собой относительно плотный, желатинообразный материал, и непосредственно прилегающей к бактериальной стенке. Главный хим. компонент капсулы — полисахарид. Есть основания считать, что капсула защищает клетку от действия антибактериальных агентов, способных повредить клеточную стенку (бактериофаги, антибиотики, ферменты). У некрых патогенных Б. (пневмококков, гноеродных стрептококков, палочек сибирской язвы и возбудителей чумы) капсула содержит вещества, защищающие Б. от фагоцитоза, Следовательно, наличие капсулы у некрых Б. является одним из факторов, определяющих их болезнетворность.
В отличие от клеток высших организмов (эукариотов), в Б. (прокариотах) отсутствует дифференцированное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной мембраной. Его функции осуществляет находящийся в цитоплазме нуклеоид, представляющий собой замкнутую в кольцо двунитчатую спираль молекулы дезоксирибонуклеиновой к-ты — ДНК (см. Нуклеиновые кислоты), свернутую в виде клубка. Функция молекулы ДНК Б. аналогична функции хромосомы клеток высших организмов, т. е. в ней сосредоточена генетическая информация данной бактерии. Ядерное вещество легко обнаруживается при электронной микроскопии ультратонких срезов Б.
В цитоплазме Б. находится до 10 тыс. рибосом, представляющих собой мелкие гранулы диам. ок. 20 нм, с помощью к-рых осуществляется синтез белка клетки. В ней содержатся также различные включения (жиры, крахмал, гликоген, сера), являющиеся запасом питательных веществ, используемых Б.
Некрые палочковидные Б. образуют споры — сферические образования внутри палочки; такие Б. называют бациллами. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования Б.: при отсутствии питательных веществ, изменении хим. состава и температуры среды обитания и др. Каждая Б. формирует только одну спору. Следовательно, способность Б. образовывать споры является механизмом, обеспечивающим сохранение вида, а не способом размножения. У различных Б. споры отличаются по форме, размеру и расположению в клетке. В отличие от вегетативных (способных к размножению) клеток, споры характеризуются более высоким содержанием жиров и жироподобных веществ (липидов) и относительно меньшим содержанием воды. Это обусловливает их высокую устойчивость к внешним воздействиям (температуре, солнечному свету и др.), позволяя долго сохранять жизнеспособность, иногда многие годы. При попадании в благоприятные условия споры прорастают, образуя вегетативные клетки.
Многие Б. способны активно двигаться с помощью жгутиков, своеобразных органов движения. Число жгутиков на поверхности клетки колеблется от 1 (рис. 5) до нескольких десятков. Способность Б. к активному движению, вероятно, помогает им быстрее поглощать вещества в жидкой среде обитания. Есть доказательства, что многие Б. двигаются в сторону тех участков среды, где имеются оптимальные условия для их существования, и удаляются от участков, в к-рых присутствуют вещества, вредно действующие на Б. (положительный и отрицательный хемотаксис Б.). Подвижные Б., нуждающиеся в кислороде (напр., холерный вибрион), двигаются к поверхности среды — месту наивысшей концентрации растворимого. кислорода. Можно предположить, что активное движение помогает патогенным Б. проникать через вязкие, слизистые секреты, эпителиальные барьеры и распространяться в жидкостях и тканях организма.
Физиология бактерий. По хим. составу Б. не отличаются от клеток других организмов. Бактериальная клетка содержит 80% воды и 20% сухого остатка. Ок. 90% сухого остатка Б. составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые к-ты (10%), белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликон (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганич. соли и другие низкомолекулярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельности Б., как и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них (эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая процессы синтеза, дыхания и т. п. Другие (экзоферменты) выделяются Б. в окружающую среду. Необходимые бактериям высокомолекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, к-рые проникают в клетку через цитоплазматическую мембрану. Белки, полисахариды, липиды могут быть использованы Б. в качестве источника питания лишь после их расщепления экзоферментами — до аминокислот, моносахаров и др.
Для нормальной жизнедеятельности Б. должна быть обеспечена источниками углерода и азота. Одни виды Б. (автотрофы) используют неорганич. углерод (в виде углекислого газа или солей угольной к-ты); другие (гетеротрофы), в число к-рых входят патогенные Б., используют органич. соединения углерода. Гетеротрофные Б., в свою очередь, разделяют на сапрофитов, питающихся органич. соединениями внешней среды, и паразитов, живущих за счет другого организма.
Патогенные виды Б., относящиеся к паразитам, находят источники легко усвояемого углерода (глюкоза и аминокислоты) в тканевых жидкостях организма. Главным источником азота является аммиак (обычно в форме аммонийных солей). Некрые Б. усваивают азот атмосферы, к-рый в процессе азотфиксации превращается в аммонийные соли. Азотфиксирующие Б. играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, поддерживая плодородие почв и обеспечивая в природе непрерывность реакций, входящих в круговорот азота в биосфере. Другие Б., в т. ч. и патогенные, в качестве источников азота используют органич. соединения (аминокислоты, пептоны). Кроме азота и углерода, Б. нуждается в ионах натрия, кальция, магния, калия, фосфата, сульфата и др.
Различные Б. неодинаково относятся к присутствию свободного кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, напр, холерный вибрион, могут развиваться лишь в присутствии свободного кислорода. Анаэробы, напр, возбудители газовой гангрены, столбняка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие к-рого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэробы, напр. возбудители кишечных инфекций, раз- виваются как в кислородной, так и в бескислородной среде.
Аэробность или анаэробность Б. обусловливается способом получения ими энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. Некрые Б. (фотосинтезирующие) способны, подобно растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света. Остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных хим. реакций. Существуют Б. (хемоавтотрофы), окисляющие неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но для большинства Б. источником энергии служат превращения органич. соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы используют реакции биол. окисления с участием свободного кислорода (дыхание), в результате к-рых органич. соединения окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробы получают энергию при расщеплении органич. соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения — спирты, молочная, масляная и другие к-ты, ацетон и др.
В процессе жизнедеятельности Б. образуют различные биологически активные вещества — ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматич. соединения, токсины и др.
Большинство Б. размножается делением, к-рому предшествует рост бактерии, т. е. увеличение массы ее клетки. Обычно палочкообразные Б. в длину увеличиваются вдвое, и после достижения ими определенного размера посередине клетки возникает поперечная перегородка, состоящая из цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Такой способ деления Б. называется поперечным. Образовавшиеся дочерние клетки по своим свойствам (строение, физиол. особенности, питательные потребности и пр.) полностью подобны материнской клетке, из к-рой они возникли.
Для того чтобы Б. могли расти и размножаться, среда их обитания должна содержать необходимые источники углерода, азота, энергии, определенный солевой набор и иметь оптимальную температуру. Для большинства патогенных Б. температурный оптимум равен 37°, т. е. соответствует температуре тела человека и животных.
В лабораторных условиях для выращивания Б. используют искусственные субстраты, так наз. питательные среды, из них наиболее распространены мясопептонный бульон и мясопептонный агар. Скорость размножения Б. в этих средах очень велика. Примерно каждые 20 мин. бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следовательно, из одной клетки, культивируемой в хорошей питательной среде, через 10 часов образуется 1 000 000 000 потомков. Если бы процесс размножения Б. в питательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков одной бактерии равнялось 1021 клеток, а их масса составила бы примерно 4000 т. В действительности же в питательной среде высокая скорость деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с момента внесения в нее Б. Это происходит потому, что очень быстро истощаются питательные вещества среды и в ней накапливаются продукты обмена веществ, неблагоприятно действующие на Б. Скорость размножения патогенных Б. в организме значительно меньше, чем в искусственной питательной среде.
Генетика бактерий. Все признаки, характерные для Б. данного вида, определяются свойствами полипептидов, входящих в структуру ее ферментов и других белков. Генетическая информация Б., как и любых других клеток, записана в виде специфичной последовательности нуклеотидов в ДНК (см. Генетика, Нуклеиновые кислоты). ДНК является матрицей, на к-рой синтезируется ее точная копия, и в клетках, образовавшихся после деления Б., находятся молекулы ДНК, идентичные по последовательности нуклеотидов. ДНК выполняет также функцию шаблона для синтеза на ней информационной РНК, последовательность нуклеотидов к-рой определяет строение полипептида, синтезируемого на рибосомах. Сегмент ДНК, к-рый контролирует синтез специфичного полипептида, называется геном.
Большинство Б. имеет одну молекулу ДНК в виде хромосомы (рис. 6), в к-рой содержится информация, достаточная для кодирования от 1000 до 3000 полипептидов, т. е. заключено от 1000 до 3000 генов.
Бактериальные гены подвержены мутациям, т. е. в них возникают изменения в последовательности нуклеотидов в результате замены одних нуклеотидов другими, добавки излишнего нуклеотида или потери части из них.
Мутациям подвержен любой ген Б,, а т. к. многие из генов контролируют синтез жизненно необходимых для Б. соединений, такая мутация может оказаться для Б. смертельной (летальной). Это связано с тем, что, в отличие от клеток высших организмов, к-рые имеют двойной набор хромосом (диплоиды), Б. в норме имеют лишь одну молекулу ДНК (гаплоиды). Поэтому каждая мутация Б. проявляется изза отсутствия в ней аналогичного, но не подвергшегося мутации (дикого) гена, деятельность к-рого маскирует мутацию. Первые описанные мутации Б. касались изменения внешнего вида их колоний, отсутствия пигмента, затем были найдены мутации, изменяющие чувствительность Б. к бактериофагу, способность формировать капсулу, споры или жгутики, использовать определенные углеводы, синтезировать аминокислоты, а также мутации, изменяющие чувствительность Б. к антибиотикам и др.
Мутации в Б. могут возникать без какихлибо внешних воздействий (спонтанная мутация) с довольно постоянной скоростью, к-рая для разных типов варьирует от одной на 104 до одной на 1010 клеточных делений. Эта скорость увеличивается при обработке Б. некрыми хим. веществами или под действием физ. факторов, к-рые называют мутагенами. Если определенная мутация в данном гене дает Б. преимущества для роста и размножения по сравнению с немутантной клеткой, то происходит процесс селекции (отбора), в результате к-рого мутантные Б. размножаются, а немутантные погибают. Селекция такого типа осуществляется в природе, в т. ч. и в организме животного и человека. Напр., мутанты Б., устойчивые к антибиотику, легко селекционируются, если в среде культивирования находится данный антибиотик. Это же может произойти в организме человека и животных при лечении их соответствующими антибиотиками. Мутации, приводящие к изменению поверхностных структур Б., в ряде случаев делают их устойчивыми к действию таких защитных факторов организма (см. Иммунитет). С другой стороны, известны мутации Б., приводящие к изменению ее капсулы.
Так, у пневмококка мутация, происшедшая в гене, к-рый контролирует синтез фермента, необходимого для образования предшественника одного из компонентов, входящих в состав капсульного полисахарида, приводит к тому, что пневмококк не будет «одет» в капсулу. В результате пневмококк теряет болезнетворность, т. к. становится чувствительным к действию защитных механизмов организма, в частности к фагоцитозу. Изучение мутаций у Б. имеет практич. значение. Напр., в результате мутации были получены Б., потерявшие способность вызывать заболевание, но сохранившие способность создавать в организме невосприимчивость к нему. Такие ослабленные (аттенуированные) Б. применяют в качестве живых вакцин для профилактики туберкулеза, сибирской язвы и др. Безопасность их практич. использования связана с предотвращением появления у них обратных мутаций, приводящих к восстановлению болезнетворное™. Важное практич. значение имеет расшифровка механизма возникновения мутаций, при дающих Б. устойчивость к антибиотикам. Такие мутантные Б. вызывают у человека заболевания, не поддающиеся лечению данным антибиотиком. Поэтому в леч. практике часто прежде, чем назначить антибиотик, выделяют из организма больного Б. и определяют, к какому из имеющихся антибиотиков она чувствительна.
Изменение генетических признаков у Б. происходит не только в результате мутационного процесса и последующего отбора мутантных клеток, дающих начало новой разновидности данной Б. Этот процесс осуществляется также путем переноса генов от одной Б. к другой. Чаще такой перенос осуществляется между клетками одного и того же вида, но в ряде случаев генетический материал может передаваться среди Б., относящихся к разным родам, напр. от кишечной к дизентерийной палочке. Перенос генетического материала от Б. к Б. осуществляется тремя способами:
1. Путем захвата бактерией изолиро ванной молекулы ДНК другой бакте рии. Изолированные молекулы ДНК могут оказаться в среде (вне клетки) в результате растворения (лизиса) кле ток или могут быть получены искусст венным способом и добавлены в среду культивирования бактерий. Этот способ переноса генов называется транс формацией.
2. Бактериальные гены могут быть перенесены от Б. к Б. с помощью бак териофагов. Этот способ переноса генов называют транедукцией.
3. ДНК мигрирует между клетками в процессе конъюгации, при к-рой Б. контактируют своими поверх ностями, в результате чего между ними формируется мостик (рис. 7), через к-рый ДНК одной клетки переносится в другую. При этом способе генетичес кий материал переносится полярно, т. е. от донора к реципиенту, а не наоборот. Донорные свойства Б. обусловлены присутствием в ней специализирован ной генетической структуры, называе мой Р-фактором (фактор плодовитости, половой фактор). Клеткидоноры, спо собные к конъюгационной передаче генов, называются мужскими, а клет киреципиенты, лишенные полового фактора, — женскими. Все три способа передачи генов у Б. осуществляются в природе и наряду с мутациями играли и играют важную роль в эволюции Б.
Независимо от способа передачи генов от бактерии к бактерии, фрагмент ДНК донора, попавший в клетку реципиента, встраивается в ее собственную кольцевую ДНК, в результате чего формируется рекомбинантная ДНК, несущая основную часть генов реципиента и часть генов донора.
Кроме гигантской циркулярной кольцевой молекулы ДНК, являющейся эквивалентом хромосомы высших организмов, в цитоплазме Б. обнаружены небольшие внехромосомные кольцевые молекулы ДНК. При делении Б. эти молекулы копируются и попадают в дочерние клетки. Эти структуры называются бактериальными плазмидами. В некрых случаях бактериальные плазмиды включаются в состав бактериальной хромосомы; такие плазмиды называются эписомами. Плазмиды различаются по своим размерам, некрые крупные плазмиды содержат более 100 генов. В большинстве случаев удаление плазмид из Б. не сопровождается заметным вредным влиянием на ее жизнедеятельность. Плазмиды обнаружены у многих Б.: у кишечной палочки, дизентерийных, тифозных и паратифозных Б., у капсульных Б. и др. Важнейшим свойством ряда плазмид является их способность переноситься в бактерии, не имеющие плазмид. Многие плазмиды, попадая в Б., придают ей новые свойства. Так, напр., известны плазмиды , к-рые превращают неболезнетворные разновидности кишечных палочек в болезнетворные. Это связано с тем, что в таких плазмидах имеются гены, контролирующие синтез ядовитых веществ (токсинов). Хорошо изучены плазмиды, несущие гены устойчивости к различным антибиотикам и химиотерапевтич. средствам. В отдельных плазмидах могут быть гены, контролирующие устойчивость одновременно к нескольким леч. препаратам, напр, к пенициллину, канамицину, стрептомицину и тетрациклину. Такие плазмиды, несущие множественную устойчивость к антибиотикам, как правило, переносятся в бесплазмидные бактерии. Это создает угрозу их широкого распространения в мире Б., в т. ч. и среди болезнетворных, что в свою очередь ограничивает возможность использования антибиотиков для лечения. Межклеточный перенос плазмид обусловлен тем, что многие из них являются половыми факторами, подобными упомянутому выше фактору Р.
Устойчивость бактерий к факторам внешней среды. На жизнедеятельность Б. оказывают влияние температура, влажность, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения. К низким температурам Б. устойчивы, некрые выживают даже при —190°, а споры при —253°. К высоким температурам Б. высокочувствительны. Неспорообразующие Б. погибают при температуре от 60—70°, спорообразующие Б. (бациллы) при прогреве выше 100°. Разные виды Б. поразному переносят высушивание. Одни бактерии (напр., гонококки) очень быстро погибают при высушивании, другие при этих же условиях выживают. Так, палочка дизентерии при высушивании остается жизнеспособной в течение 7 суток, дифтерии — 30 суток, брюшного тифа — 70 суток, туберкулеза — 90 суток, споры бацилл сибирской язвы — до 10 лет. Б. чувствительны к ультрафиолетовому излучению, в т. ч. и к прямому солнечному свету. Б. высокочувствительны к некрым хим. веществам, разрушающим их структуру или нарушающим процессы их жизнедеятельности.
Для стерилизации объектов, не переносящих высокой температуры, используют ионизирующую радиацию в несколько миллионов рад (рентгеновские и гаммалучи). В основе действия ионизирующего излучения на Б. лежит его способность повреждать бактериальную ДНК.. Разные виды Б. неодинаково чувствительны к излучению. Известны Б., устойчивые к облучению: существуют Б., обитающие в залежах урановых руд и даже в воде ядерных реакто- ров при дозах 2—3 млн. рад. Различная степень устойчивости к ионизирующему излучению объясняется неодинаковой способностью разных бактерий восстанавливать (репарировать) структуру ДНК после возникновения в ней повреждений. Эта способность обусловлена наличием у клеток спец. ферментов, устраняющих повреждения в молекулах ДНК.
Изучение факторов, убивающих Б., имеет важное значение в практической микробиологии и в медицине. Полное освобождение объекта от жизнедеятельных микроорганизмов (включая вирусы, бактерии и их споры, грибки и их споры независимо от того, относятся ли они к патогенным или непатогенным видам) достигается в результате стерилизации. При дезинфекции объект освобождается преимущественно от патогенных микроорганизмов.
Самый эффективный метод стерилизации — действие высокой температуры (100° и выше). Различают влажную и сухую тепловую стерилизацию, из к-рых более эффективна влажная. Для стерилизации объектов, не переносящих высокой температуры, используют ионизирующее излучение (при дозах в несколько миллионов рад). Жидкости, к-рые нельзя нагревать, стерилизуют фильтрованием через бактериальные фильтры с очень мелкими порами, задерживающими бактерии.
При дезинфекции используют антисептические средства — хим. антимикробные агенты, способные убивать (бактерицидный эффект) бактерии или угнетать (бактериостатический эффект) их жизнедеятельность. В основе действия антисептиков лежит их способность реагировать с жизненно важными структурами или хим. компонентами Б., разрушая их или нарушая их функции. Напр., к-ты и фенолы способны денатурировать белки; хлорная известь, хлорамин, йод, перекись водорода, марганцовокислый калий являются сильными окислителями, разрушающими активные группы белков цитоплазмы Б.; органич. растворители и поверхностноактивные вещества нарушают свойства цитоплазматической мембраны Б. На бактериальные споры антисептики, как правило, не действуют.
Антибактериальные химиотерапевтические агенты. Хим. соединения, используемые для дезинфекции, хотя и обладают высокой антибактериальной активностью, не могут изза их токсичности применяться в леч. целях. Для этого используют антибактериальные химиотерапевтич. средства. Они способны убивать Б. или угнетать жизнедеятельность Б., присутствующих в организме, не оказывая при определенных дозах токсическое влияние на ткани или организм в целом, т. е. они должны обладать избирательным действием, направленным против бактерии или другого микроорганизма.
Кроме хим. соединений, мощными антибактериальными средствами являются антибиотики — химиотерапевтич. препараты естественного происхождения, синтезируемые микроорганизмами.
Теоретические основы химиотерапии и вопросы ее практич. использования при лечении инф. заболеваний были разработаны в начале века нем. ученым П. Эрлихом, к-рый открыл органич. соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса (сальварсан). Однако долгие годы не удавалось найти химиотерапевтич. средства для лечения бактериальных инфекций. Дальнейшее развитие химиотерапии связано с открытием сульфаниламидов и т. д.
Применение сульфаниламидов не только обогатило медицину новыми по тому времени химиотерапевтич. средствами, но и обусловило новое направление поиска противобактериальных химиотерапевтич. средств. Это направление возникло в результате изучения механизма действия сульфаниламидов на Б. Было установлено, что по хим. структуре сульфаниламид подобен парааминобензойной к-те — одному из важных промежуточных продуктов (метаболитов), участвующих в синтезе нуклеиновых к-т Б. Из-за хим. подобия сульфаниламид действует как антиметаболит парааминобензойной к-ты: включаясь вместо нее в биохим. процессы, но не заменяя ее, сульфаниламид на- рушает синтез нуклеиновых к-т Б. сходя из этих данных, было сформулировано положение, что среди антиметаболитов других биохимич. процессов окажутся леч. противобактериальные средства. Однако проблема получения новых лекарственных средств против бактериальных инфекций, принцип действия к-рых основан на конкуренции антиметаболита с важным для клетки метаболитом, оказалась значительно сложнее, чем предполагалось. Это связано с тем, что синтезированные антиметаболиты подавляли обмен веществ не только у Б., но и в тканях организма. Т. о., проблема свелась к поиску реакций обмена веществ, специфичных для Б. и отсутствующих в клетках организма человека или животного.
Биохимич. реакции, присущие лишь Б., были обнаружены в процессе синтеза клеточной стенки, в частности при образовании пептидогликона. Некрые антибиотики (пенициллин, циклосерин, бацитрацин), эффективные как противобактериальные терапевтич. средства, воздействуют на процесс формирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликона, входящего в ее состав, что приводит к разрыву Б. и ее растворению. Другие антибиотики — тетрациклин, хлорамфеникол, стрептомицин, канамицин и другие — обладают способностью нарушать синтез белков Б. Первым препаратом из этой группы, нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что он способен избирательно объединяться с рибосомами Б., не взаимодействуя с рибосомами клеток организма. В результате «точность» работы рибосом Б. в процессе синтеза белка нарушается, что приводит к «порче» синтезируемых белков и к гибели Б. Неомицин, канамицин, хлорамфеникол и эритромицин также взаимодействуют с рибосомами клетки Б. Тетрациклин нарушает присоединение информационной РНК к рибосомам. Леч., эффективность упомянутых антибиотиков, угнетающих биосинтез белков Б., определяется их специфичностью, т. е. относительно низкой пособностью влиять на эти же процессы в клетках высших организмов.
Болезнетворность бактерий. Из огромного количества Б., обнаруженных в природе, лишь небольшое число видов вызывают заболевания, т. е. явля- ются патогенными. Болезнетворность Б. определяется их способностью преодолевать защитные барьеры организма, внедряться в ткани организма (инвазивность) и выделять токсич. вещества (токсигенность).
При ряде заболеваний (дифтерия, столбняк, ботулизм и др.) было отмечено, что общее тяжелое поражение организма не сопровождается распространением Б. из места их первичного внедрения. Напр., при дифтерии возбудитель обнаруживается в носоглотке и трахее, а пораженными оказываются сердечная мышца, нервы, надпочечники. Изучение причины этого явления привело к заключению, что токсин, вырабатываемый возбудителем болезни, всасывается в кровь и транспортируется в разные органы и ткани. Тип инф. заболевания, при к-ром поражение вызывается бактериальным токсином, называется токсинемией.
В питательной среде или в организме бактерия в период ее активного роста выделяет в среду обитания токсин — экзотоксин. Кроме дифтерийной палочки, экзотоксины образуют возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены и один из возбудителей дизентерии — дизентерийная палочка Шига и др.
Экзотоксины представляют собой чувствительные к нагреванию (термолабильные) белки с высоким молекулярным весом. В очищенном виде они характеризуются очень высокой ядовитостью: 1 мг токсина столбняка или ботулизма способен убить более миллиона морских свинок, 3 кг ботулинич. токсина достаточно для уничтожения всего населения земного шара.
Многие бактериальные экзотоксины характеризуются специфической тканевой избирательностью, т. е. способностью поражать определенные органы и ткани, напр, ботулинич., столбнячный и дифтерийный токсины поражают различные отделы нервной системы. Столбнячный токсин нарушает функцию двигательных клеток спинного мозга, ботулинич. парализует черепномозговые двигательные нервы и вегетативную нервную систему, а дифтерийный повреждает периферич. нервы, сердечную мышцу и надпочечники.
Действие токсинов как биологически активных веществ подобно действию ферментов, и некрые экзотоксины действительно являются бактериальными ферментами, а другие могут взаимодействовать с ферментами клеток. Напр., а-токсин, продуцируемый возбудителем газовой гангрены, оказался ферментом, расщепляющим компоненты клеточных мембран; дифтерийный токсин, взаимодействуя с трансферазами (ферменты, обеспечивающие транспорт веществ через клеточную мембрану), угнетает белковый клеточный синтез; столбнячный и ботулинич. токсины угнетают в разных частях нервной системы образование и освобождение ацетилхолинов. Нейротоксин, синтезируемый дизентерийной бактерией Шига, первично поражает мелкие сосуды головного и спинного мозга, что ведет к нарушению, функций центральной нервной системы. Относительно недавно идентифицированный холерный экзотоксин вызывает повышенную секрецию жидкости в тонком кишечнике. Экзотоксины обнаружены у патогенных стафилококков и стрептококков: гемолитич. токсин поражает эритроциты, лейкоцидины разрушают лейкоциты за счет их взаимодействия с компонентами мембран клеток. Как многие другие белки, экзотоксины разрушаются при действии высокой температуры (70—100°), в среде с кислой реакцией или при обработке протеолитическими ферментами.
Очень важное практич. значение имело открытие, что под действием формальдегида, не оказывающего влияния на антигенность (см. Иммунитет), экзотоксины теряют ядовитость. В результате токсин превращается в токсоид (анатоксин), к-рый применяют для иммунизации организма для создания в нем невосприимчивости к данному токсину.
Ряд бактерий (сальмонеллы, кишечные палочки, большинство возбудителей дизентерии, гонококки и др.) не синтезирует экзотоксины, и отравляющее действие этих Б. на организм связано с эндотоксинами — сложными соединениями, в молекулу к-рых входят фосфолипид, полисахарид и белок.
В отличие от экзотоксинов, эндотоксины не выделяются бактериями в среду, а освобождаются после разрушения Б. и представляют собой часть клеточной стенки Б. Эндотоксины менее токсичны, чем экзотоксины, и не обладают избирательным действием на ткани; обработка эндотоксина формальдегидом не превращает его в анатоксин. Токсич. свойства эндотоксина обусловливаются липополисахаридной частью его молекулы, к-рая способна взаимодействовать с мембраной клеток организма. При введении эндотоксинов у подопытных животных обнаруживают резкое падение кровяного давления, нарушение циркуляции крови (коллапс), снижение числа лейкоцитов, тромбоцитов, тромбозы и т. д. Общее свойство эндотоксинов — способность повышать температуру тела (пирогенный эффект). Этот эффект не связан с действием эндотоксинов на терморегулирующий центр, расположенный в гипоталамической области головного моз- га. Оказалось, что в организме циркулирует низкомолекулярный белок (эндогенный пироген), действующий на терморегуляцию. Вероятно, эндотоксины, повреждая лейкоциты, макрофаги и, возможно, другие клетки, способствуют повышению концентрации этого пирогена в крови, что и приводит к повышению температуры тела.
Фактором болезнетворное™ некрых Б. (пневмококков, стрептококков, палочек сибирской язвы, чумы, коклюша и др.) оказалось наличие капсулы. Разрушение капсулы путем обработки ферментами или другими соединениями, а также в результате соответствующих мутаций, приводящих к нарушению синтеза капсулы, резко снижает их болезнетворность. Это выражается в том, что для развития смертельного заболевания у подопытного животного ему необходимо ввести во много тысяч раз больше бескапсульных Б., чем Б., обладающих капсулой. Капсула защищает Б. от фагоцитоза, но механизм защитного действия не совсем понятен. Предполагается, что электрический заряд поверхности капсулы препятствует возникновению физ. контакта фагоцита с Б. Вместе с тем описаны непатогенные Б., обладающие капсулой, но легко фагоцитируемые, а также бескапсульные патогенные Б., парализующие фагоцитоз.
Кроме токсинов и капсулы, у некрых Б. обнаружены и другие факторы, определяющие их болезнетворность. К их числу относится фермент гиалуронидаза, продуцируемый гноеродным стрептококком и растворяющий основное вещество соединительной ткани — гиалуроновую к-ту, что облегчает распространение Б. в тканях. Патогенные стафилококки синтезируют другой фермент — коагулазу, к-рый, вероятно, является одним из факторов болезнетворности этих Б. Коагулаза действует подобно тромбину (см. Кровь, кроветворная система), вызывая образование сетки фибрина вокруг стафилококка и препятствуя, т. о., фагоцитозу.
