وصف شكل وتركيب البكتيريا وكيف تُسبب الأمراض المُعدية

البكتيريا هي كائنات وحيدة الخلية تم اكتشافها لأول مرة من قبل أنطوني فان ليفينهوك في عام 1674. وهي من أكثر أشكال الحياة انتشارًا، حيث توجد في الهواء والماء والتربة، كما أنها توجد في أو على جسم الإنسان والحيوانات والنباتات.

لكل مكون من مكونات الخلية البكتيرية وظيفة، لكننا سنركز على الأجزاء المهمة التي تجعل البكتيريا قادرة على مهاجمة جسم الإنسان وإحداث الأمراض وأيضاً مقاومة العلاج بالمضادات الحيوية في بعض الحالات.

في هذا المقال سنشرح بالتفصيل الدقيق تركيب الخلية البكتيرية ووظيفة كل عضو فيها مع التوضيح بالصور كلما أمكن.

شكل البكتيريا

تصنف البكتيريا إلى فئات رئيسية بناءً على خصائصها الشكلية، مثل الشكل والحجم والترتيب وخصائص التلوين (الصبغة في المعمل).

حجم البكتيريا

يتراوح حجم معظم البكتيريا من 0.2 إلى 1.2 ميكرومتر في العرض ومن 0.4 إلى 14 ميكرومتر في الطول.

أشكال وترتيب البكتيريا

(أ) البكتيريا الكروية:

هي كائنات كروية بأشكال مختلفة، على سبيل المثال:

المكورات الثنائية: أزواج من الخلايا، على سبيل المثال النيسرية.
مجموعات غير منتظمة تشبه العنب، على سبيل المثال المكورات العنقودية.
سلاسل من أربع خلايا أو أكثر، على سبيل المثال المكورات العقدية.

(ب) العصيات:

هي كائنات على شكل قضيب. قد توجد هذه الخلايا منفردة أو في أزواج أو في سلاسل. بعض العصيات قصيرة (عصيات كروية)، والبعض الآخر منحنية (ضمة).

(ج) البكتيريا الحلزونية:

تنقسم إلى مجموعتين،مجموعة صلبة "Spirilla" و مجموعة مرنة " Spirochaetes".

يتم تحديد شكل ترتيب الخلايا البكتيرية من خلال طريقة الانقسام الميتوزي أثناء التكاثر، على سبيل المثال: المكورات التي يكون مستوى الانقسام فيها طولياً تنتج مكورات ثنائية أو سلاسل مثل بكتيريا المكورات العقدية، بينما تلك التي تنقسم على العديد من المستويات تنتج مجموعاتمثل بكتيريا المكورات العنقودية.

التقسيم طبقاً لأنواع الصبغات في المعمل

هناك نوعان من الصبغات في المعمل: البسيطة والتفاضلية.

وظيفة الصبغات هي التعرف على نوع البكتيريا المسببة للأمراض عند عمل مزرعة بكتيريا في المعامل.

"صبغة غرام" هي أهم صبغة تفاضلية في دراسة وتحليل البكتيريا. تقسم البكتيريا إلى إيجابية الغرام (ملطخة باللون البنفسجي) وسلبية الغرام (ملطخة باللون الأحمر).

الصبغة المهمة الثانية هي صبغة "زيل نيلسن" ويتم استخدامها لتحديد العصيات المقاومة للأحماض من جنس الميكوباكتيريا.

المكونات الدقيقة للبكتيريا ووظائفها

جميع البكتيريا لها نُويّة (شبه نواة) وريبوسومات وغشاء سيتوبلازمي، كما أن معظم البكتيريا لها جدار خلوي، وبعضها محاط بكبسولة أو طبقة لزجة.

بعض أنواع البكتيريا لديها أيضًا مشتملات سيتوبلازمية وملحقات مختلفة مثل الأسواط (flagella) والأهداب (pili).

شكل تركيب البكتيريا تحت المجهر -الميكروسكوب

صورة توضيحية رقم 1: تركيب خلية البكتيريا

تظهر التفاصيل الدقيقة للتركيبات الخلوية الفرعية بشكل أفضل عن طريق المجهر الإلكتروني، والتفاصيل فيما يلي:

السيتوبلازم

يمكن العثور على عدد قليل من المكونات المتميزة داخل السيتوبلازم وهي:

النُويّة: توجد المعلومات الجينية للخلية البكتيرية في جزيء دائري واحد من الحمض النووي الريبوزي ذي الشريطين، والذي يشكل الكروموسوم البكتيري. يبلغ طوله 1 ملليمتر وهو مضغوط في حالة فائقة الالتفاف داخل الخلية.
المنقولات (plasmids): في العديد من البكتيريا، توجد معلومات جينية إضافية على المنقولات وهي جزيئات حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين دائرية صغيرة خارج الكروموسوم يمكنها التكاثر بشكل مستقل عن الكروموسوم.
الريبوسومات: وهي موقع تصنيع البروتين في الخلية. تتكون الريبوسومات من البروتين والحمض النووي الريبي. الريبوسومات البكتيرية لها ثابت ترسيب يبلغ 70S، وهو أصغر من الريبوسومات في حقيقيات النواة (الخلايا البشرية) 80S، هذا الاختلاف يجعل الريبوسومات البكتيرية هدفًا انتقائيًا لعمل المضادات الحيوية.
الحويصلات: وهي حبيبات من المواد الغذائية، عادةً الفوسفاتات والكبريت والكربوهيدرات والدهون. عادةً ما يتم تخزين احتياطيات الطاقة على شكل جليكوجين أو نشا ويتم تخزين الفوسفات في حبيبات تستخدم لتوليف جزيئات الطاقة.
الميزوزومات: وهي انطواء معقد للغشاء السيتوبلازمي، وهي تشارك في انقسام الخلايا وفي التقوقع (تكوين الفقاعات المقاومة للمناعة). كما أن لها وظيفة مماثلة للميتوكوندريا في حقيقيات النواة حيث توفر دعما ً غشائياً للإنزيمات التنفسية.

الغشاء الخلوي

في البكتيريا، كما هو الحال في الخلايا الأخرى، يُحاط البروتوبلازم من الخارج بغشاء خلوي رفيع مرن، وهو عبارة عن طبقة ثنائية مكونة من الدهون الفوسفاتية والبروتينات وتشبه تلك الموجودة في الخلايا حقيقية النواة باستثناء أنه في البكتيريا يفتقر إلى الستيرولات.

الغشاء الخلوي له الوظائف التالية:

النقل الانتقائي: في البكتيريا، تتحرك الجزيئات عبر الغشاء الخلوي بالانتشار البسيط والانتشار الميسر والنقل النشط.
إفراز الإنزيمات خارج الخلية:
- الإنزيمات الهيدروليلية: التي تهضم جزيئات الطعام الكبيرة إلى وحدات فرعية صغيرة بما يكفي لاختراق الغشاء الخلوي.
- الإنزيمات المستخدمة لتدمير المواد الكيميائية الضارة، مثل المضادات الحيوية، على سبيل المثال إنزيمات تحلل البنسلين.
التنفس: تقع إنزيمات التنفس في الغشاء الخلوي، والذي يعد بالتالي نظيرًا وظيفيًا للميتوكوندريا في حقيقيات النوى.
تصنيع جدار الخلية
التكاثر: يرتبط بروتين محدد في الغشاء بالحمض النووي ويفصل الكروموسومات المكررة عن بعضها البعض، بالإضافة إلى ذلك يتم تكوين حاجز بواسطة الغشاء الخلوي لفصل سيتوبلازم الخليتين التوأمتين.
منظومة الجذب الكيميائي: ترتبط الجاذبات والمواد الطاردة بمستقبلات محددة في الغشاء الخلوي وترسل إشارات إلى داخل الخلية ثم تستجيب الخلية للرسالة السطحية.

جدار الخلية

جدار الخلية البكتيرية هو الهيكل الذي يحيط بالغشاء الخلوي مباشرةً. يبلغ سمكه 10-25 نانومتر، وهو قوي وصلب نسبيًا، على الرغم من أنه يتمتع ببعض المرونة.

بنية جدار الخلية:

جدار الخلية البكتيرية هو بنية معقدة ترجع قوتها المثيرة للإعجاب في المقام الأول إلى الببتيدوجليكان.

الببتيدوجليكان هو بوليمر معقد يتكون من أحماض أمينية ونشويات وهو فريد من نوعه في البكتيريا

بالإضافة إلى الببتيدوجليكان، فإن المكونات الإضافية في جدار الخلية تقسم البكتيريا إلى جرام موجب وجرام سالب (الصورة رقم 2).

الجدار الخلوي للبكتيريا موجبة الجرام يتكون من:

طبقة الببتيدوغليكان: سميكة وتتكون من ما يصل إلى 40 طبقة، وتمثل ما يصل إلى 50٪ من مادة الجدار الخلوي. على الرغم من سمك الببتيدوغليكان، إلا أن المواد الكيميائية يمكن أن تمر من خلاله بسهولة.
أحماض التيكويك: بوليمرات من ريبيتول أو فوسفات الجليسرول. توجد في الجدار الخلوي لمعظم البكتيريا موجبة الجرام. أحماض التيكويك وبروتينات الجدار الخلوي المرتبطة بها هي المستضدات السطحية الرئيسية للبكتيريا موجبة الجرام.

الجدار الخلوي للبكتيريا سلبية الجرام يتكون من:

طبقة الببتيدوغليكان: أرق بكثير، تتكون من طبقة أو اثنتين فقط تمثل 5-10٪ من مادة الجدار الخلوي.
الغشاء الخارجي: طبقة ثنائية من الفسفوليبيد والبروتين موجودة خارج طبقة الببتيدوغليكان. يتكون السطح الخارجي للطبقة الثنائية من جزيئات من lipopolysaccharide (LPS) والتي تتكون من دهن معقد يسمى lipid A مرتبط كيميائيًا بالسكريات المتعددة. يشكل Lipid A من LPS السم الداخلي للبكتيريا سلبية الجرام، بينما السكريات المتعددة هي الجزيئات الخارجية لجدار الخلية وهي المستضدات السطحية الرئيسية للخلية البكتيرية سلبية الجرام.

بكتيريا موجبة الغرام بكتريا سالبة الجرام

صورة توضيحية رقم 2: بكتيريا موجبة الغرام وبكتريا سالبة الجرام

الفضاء المحيط بالسيتوبلازم: الفراغ بين الغشاء السيتوبلازمي والغشاء الخارجي يحتوي على طبقة الببتيدوغليكان وحل بروتيني يشبه الهلام.

وظائف الجدار الخلوي:

يحافظ على الشكل المميز للبكتيريا.
يدعم الغشاء السيتوبلازمي الضعيف ضد الضغط الاسموزي الداخلي العالي للبروتوبلازم (5-25 ضغط جوي).
يلعب دورًا مهمًا في انقسام الخلايا.
هو المسؤول عن صبغة الكائن الحي.

الكبسولة والتركيبات الأخرى

تصنع العديد من البكتيريا كميات كبيرة من البوليمر خارج الخلية الذي يتجمع خارج جدار الخلية لتشكيل طبقة سطحية إضافية تتشكل هذه الطبقة فقط داخل المضيف (في الجسم الحي، سواء الإنسان أو الحيوان).

المادة خارج الخلية مصنوعة من مركبات سكرية باستثناء واحد فقط.

الكبسولة: هي طبقة تلتصق بسطح الخلية وتشكل هالة محددة جيدًا عند صبغها بشكل مختلف، لتظهر تحت المجهر الضوئي.

طبقة المخاط: هي طبقة سطحية موزعة بشكل فضفاض حول الخلية.

الغلاف السكري: هو شبكة فضفاضة من خيوط متعددة السكريات تمتد من الخلية إلى الخارج.

الوظائف:

تحمي جدار الخلية من أنواع مختلفة من العوامل المضادة للبكتيريا، مثل العاثيات البكتيرية والكوليسينات، والمتممات، والليزوزيمات.
تحمي الخلية البكتيرية من البلعمة (أكل الخلايا المناعية للبكتيريا). وبالتالي، تعتبر الكبسولة عامل ضراوة مهم للبكتيريا.
تلتصق بعض البكتيريا بالسطح المستهدف باستخدام كبسولاتها أو غلافها السكري من أجل إثبات العدوى. على سبيل المثال، تشكل Streptococcus mutans غلافًا سكريًا، يلتصق به البكتيريا بالمينا.

الزوائد

تبرز عدة هياكل عبر جدار الخلية البكتيرية لتشكيل زوائد سطحية. الأكثر شيوعًا هي الأسواط والزغيبات.

أ- الأسواط

تتحرك العديد من أجناس البكتيريا بواسطة الأسواط.

الأسواط قطرها 20 نانومترًا فقط، وهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها تحت المجهر الضوئي. يمكن رؤيتها بوضوح باستخدام المجهر الإلكتروني.

يختلف موقع وعدد الأسواط في الخلية باختلاف نوع البكتيريا. قد تكون الكائنات وحيدة السوط (سوط واحد عند طرف واحد من الخلية)، أو متعددة الأسواط (أسواط متعددة عند طرف واحد من الخلية)، أو متعددة الأسواط (أسواط موزعة على سطح الخلية بالكامل) (الصورة رقم 3).

تتكون الأسواط من نوع واحد من البروتين يسمى فلاجيلين، والذي يختلف في أنواع البكتيريا المختلفة. الفلاجلينات شديدة المضاد (مستضد H).

تميل البكتيريا المتحركة إلى الهجرة نحو المناطق التي توجد فيها تركيزات أعلى من العناصر الغذائية والمذاب (عملية تُعرف باسم الكيموتاكسيس) وبعيدًا عن المواد المطهرة (الكيموتاكسيس السلبي).

الألياف المحورية

تتكون هذه التركيبات من مجموعتين من الألياف تنشآن من طرفي الخلية المتقابلين وتتداخل في الوسط. من حيث التركيب الكيميائي، تشبه ألياف الخيوط المحورية الأسواط وتسمى أحيانًا "الأسواط الداخلية".

تتحرك اللولبيات بواسطة هذه الخيوط المحورية. عندما تتحرك الخلية، فإنها تدور حول محورها الطولي وتنثني وتنحني على طولها.

الأهداب أو الخمل

البيلي (المفرد: بيلوس) هي أنابيب بروتينية تمتد من الخلايا. إنها أقصر وأرق من الأسواط ولا يمكن رؤيتها إلا بواسطة المجهر الإلكتروني. إنها تتكون من وحدات فرعية بروتينية بنائية تسمى البيلينات.

صورة توضيحية رقم 3: أشكال أهداب وزوائد البكتيريا