Строение бактериальной клетки

Основной физической единицей всего живого является клет­ка. Энергетические реакции, природа генетического материала, аппарат его репликации и механизм биосинтеза белка во всех клет­ках, в основном, одинаковы. Но прокариотическая бактериальная клетка обладает рядом характерных особенностей, которые отли­чают ее от эукариотической клетки. Среди этих особенностей сле­дует отметить тип рибосом (у бактерий рибосомы 70S - типа), мор­фологическую организацию ядра и аппарата дыхания (у бактерий нет митохондрий), отсутствие эндоплазматической сети, неспособ­ность бактерий синтезировать стерины и наличие особых гетеро-полимеров, входящих в состав клеточной стенки.

У эукариотов имеется истинное ядро, отделенное от цитоп­лазмы ядерной мембраной. В ядре содержится набор хромосом, который после удвоения в процессе митоза передается двум до­черним клеткам. Цитоплазма эукариотической клетки содержит митохондрии и пластиды. Цитоплазм этическая мембрана перехо­дит внутри клетки в эндоплазм этическую сеть и в ядерную мембра­ну-

Прокариоты представляют собой, в основном, одноклеточные, но также нитчатые, мицелиальные и колониальные организмы, ли­шенные хлорофила и обитающие во влажных средах.

Прокариоты являются реликтовыми формами живых организ­мов, сохранившихся с древнейших, времен. Основным отличитель­ным признаком прокариотов является отсутствие ядра окруженно­го мембраной. Вместо ядра у бактерий имеется образование, получившее название «нуклеоид». Нуклеоид бактерий состоит из нуклеопротеидов, основным компонентом которых является ДНК. Он не ограничен от цитоплазмы какой-либо ядерной мембраной и не связан с основным протеином бактериальной клетки.

Клеточное деление прокариот не сопровождается циклически­ми изменениями в консистенции или в способности к окрашиванию пи нуклеоплазмы, ни цитоплазмы. Во время клеточного деления в цитоплазме прокариот не образуется система микротрубочек вере­тена. У них наблюдаются процессы переноса и рекомбинации генов, но никогда не происходит гаметогенез и формирование зигот.

Цитоплазматическая мембрана прокариот отличается сложным строением и образует различные инвагинации в цитоплазму. Другой особенностью прокариот является отсутствие цитоплазматических органелл, например, митохондрий, окруженных элементарной мемб­раной. Вакуоли и репродуцирующие цитоплазматические органеллы встречаются сравнительно редко и окружены мембранами.

Цитоплазма прокариот неподвижна: тока цитоплазмы, псев-доподиальных движений, эндоцитоза и экзоцитоза нет. Питатель­ные вещества поглощаются в молекулярной форме.

У большинства прокариот клетка окружена ригидной клеточ­ной стенкой, не универсальной по составу и строению. Она состоит из гетеро поли мерно го вещества, которое не было обнаружено ни у одного из эукариотических организмов.

Клетки прокариот могут быть неподвижными или обладать способностью к «плаванию», либо к скользящему движению по по­верхности. Органы движения прокариот значительно упрощены и имеют принципиально иное строение, чем у эукариотов.

К числу основных компонентов бактериальной клетки отно­сятся: клеточная стенка, цитоплазм этическая мембрана, цитоплазма и нуклеоид (рис. 7).

Рис. 7. Строение микробной клетки

1- клеточная стенка; 2 - цитоплазматическая мембрана; 3 - мезосомы; 4 – рибосомы;

5 - полисомы; 6 - клубок кольцевой хромосомы, состоящей из молекулы ДНК (нуклеоид);

7 - плазмида; 8 - запасные вещества и внутри­клеточные включения;

9 - диски базального тела жгутика; 10 - жгутик; 11 - периплазма

Клеточная стенка. Под клеточной стенкой понимают обра­зование, расположенное снаружи бактериальной клетки и окружа­ющее цитоплазматическую мембрану. Основная функция клеточ­ной стенки состоит в защите цитоплазмы и цитоплазматической мембраны от механического повреждения и неблагоприятного вли­яния факторов внешней среды. Кроме того, она играет существен­ную роль в процессе роста и делении клеток.

Клеточная стенка проницаема для солей и других многочис­ленных низкомолекулярных соединений. Она регулирует приток воды внутрь клетки и внутреннее гидростатическое давление. Высокая внутриклеточная концентрация метаболитов обусловливает значи­тельный перепад осмотического давления между цитоплазмой и средой обитания бактерий. Внутреннее осмотическое давление у большинства микроорганизмов колеблется от 5атм. до 20 атм. Проч­ная и эластичная клеточная стенка предотвращает разрыв клетки и позволяет ей сохранять определенную форму.

Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида микроорганизмов. Основным материалом клеточной стенки является сложный полимер пептидогликан. Важ­ной особенностью пептидогликана является его прочность, элас­тичность, способность задерживать нежелательные для клетки химические вещества, в том числе антибиотики.

Пептидогликановые цепочки связаны между собой многочисленными перекрестными связями, образуя одну гигантскую моле­кулу. Этим достигается механическая прочность бактериальной клетки.

Длина цепочек пептидогликана, а также способ и частота их соединения определяют форму бактериальных клеток.

В зависимости от строения клеточкой стенки прокариоты де­лят на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Уста­новлено, что грамположительные бактерии после окрашивания ос­новными красителями три фенил метанового ряда (кристалвиолетом или генцианвиолетом) и обработки иодом, утрачивают способность обесцвечиваться спиртом. Аналогичная окраска грамотрицательных бактерий не приводит к образованию прочного окрашенного комп­лекса. Они легко обесцвечиваются спиртом или ацетоном,

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий различаются по своему химическому составу и ультраструк­туре. У грамположительных микроорганизмов имеется несколько пептидогликановых слоев, на которые приходится от 50% до 90% веса клеточной стенки. У грамотрицательных бактерий содержание пептидогликана в клеточной стенке колеблется от 1% до 10 %.

С помощью электронного микроскопа показано, что клеточ­ная стенка грамположительных бактерий устроена менее сложно и выглядит как гомогенный толстый пептидогликановый слой. У гра­мотрицательных бактерий клеточная стенка состоит из липополисахарида, наружной мембраны и л и поп роте и на, которые трехконгурным слоем расположены над пептидогликаном. Ли по протеин связывает пептидогликан с наружной мембраной, а липололисахарид крепится к наружной мембране с помощью гидрофобных свя­зей (рис. 8). Такой комплекс создает дополнительный барьер на пути проникновения в клетку различных веществ. Поэтому грамот­рицательные бактерии более устойчивы к воздействию различных химических, в том числе и дезинфицирующих, веществ.

Рис. 8. Схематическое строение клеточной стенки грамотрицательных бактерий

1 - липополисахаридный слой с липопротеидными бугорками;

2- каналы липополисахарвдного слоя; 3 - молекулы белка (гидрофобные связи);

4 - наружная мемб­рана; 5 - липопротеин; 6 - пептидогликан; 7 - цитоплазматическая мембрана.

Некоторые микроорганизмы, подвергаясь воздействию раз­личных неблагоприятных факторов, могут лишаться клеточной стенки. Это происходит под влиянием лизоцима, который разруша­ет клеточную стенку, в результате мутации или блокирования син­теза пептидогликана антибиотиками и токсичными агентами.

Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, приобретают шаровидную форму и называются протопластами. Появле­ние протопластов характерно для грамположительных бактерий. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка, как правило, пол­ностью не удаляется. Поэтому при разрушении клеточной стенки грамотрицательные бактерии превращаются в сферопласты.

Протопласты и сферопласты являются весьма неустойчивыми структурами. Они очень чувствительны к изменениям осомотического давления, к механическим воздействиям, не подвергаются ин­фицированию бактериофагами и не обладают активной подвижнос­тью.

Если протопласты или сферопласты сохраняют способность к росту и размножению, то их называют L-формами бактерий. Свое название они получили в честь института им.Листера в Лондоне, в котором они были открыты в 1935 году Различают нестабильные и стабильные L-формы. Первые сохраняют свои свойства только в присутствии фактора, который вызвал разрушение клеточной стен­ки. После устранения этого фактора наблюдается реверсия, т.е. восстановление клеточной стенки и формы микроорганизма. Стабиль­ные L-формы уже никогда не подвергаются реверсии.

У некоторых бактерий снаружи клеточной стенки откладывает­ся более или менее толстый слой сильно обводненного слизистого материала. Если этот материал плотно облегает клеточную стенку и практически неразделим с ней, то образуется чехол. При свободном облегании материала образуется капсула, а если материал слабо свя­зан с клеточной стенкой, то это определяется как слизистый слой.

В зависимости от толщины и строения различают микро- и макрокапсулы. Капсульное вещество бактерий состоит из полиса­харидов, мукополисахаридов или полипептидов. Оно имеет аморф­ное строение и в различной степени сохраняет связь с клеточной стенкой. Роль капсулы точно не определена, но считают, что кап­сулы не имеют жизненно важного значения для микроорганизмов. Но капсулы предохраняют клетку от высыхания, повышают устой­чивость бактерий к фагоцитозу, предохраняют от иммунных меха­низмов инфицированного организма и неблагоприятных факторов внешней среды. Капсулы могут играть роль ионообменника, погло­щая питательные вещества и освобождая их впоследствии для ис­пользования клеткой.

Капсулы могут образовываться не при всех условиях окружаю­щей среды, могут появляться мутанты, не обладающие способнос­тью к их образованию. С помощью ферментов слизистый слой можно удалить, не причиняя вреда бактериям.

У некоторых сапрофитных организмов (лейконосток) наблюда­ется образование общей капсулы для мно­гих клеток. Такое скопление микроорганиз­мов, заключенных в общую капсулу, на­зывают зооглеями (рис. 9).

Рис.9. Скопление микроорганизмов, заключенных в общую капсулу (зооглеи)

Между клепочной стенкой и цитоплазматической мембраной располагает­ся перизматическое пространство (периплазма), содержащее ферменты.

Цитоплазматическая мембрана располагается между клеточной стенкой и цитоплазмой. Небольшая толщина цитоплазматической мембраны не позволяет ей выступать в роли пластического материала, но она играет ведущую роль в процессах переноса молекул из питательного ра­створа в клетку. Цитоплазматическая мембрана представляет со­бой сложное высокоорганизованное и высокоспециализированное образование, состоящее из трех слоев: липидного, протеинового и полисахаридного. В ее состав входят белки, фосфолипиды, липопротеин, небольшое количество углеводов и другие соединения. Ци­топлазматическая мембрана выполняет функцию разделительной перегородки между клеточной стенкой и содержимым клетки. Она обеспечивает постоянство внутриклеточного осмотического дав­ления и высокую избирательную проницаемость для различных веществ, регулируя их поступление в бактериальную клетку и вы­ведение из клетки продуктов метаболизма. Активное продвижение через цитоплазм этическую мембрану различных веществ и ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки, непрерывно осуще­ствляется только с помощью ферментов (пермеаз). Поэтому ци­топлазматическая мембрана играет важную роль в обмене веществ. Ионизированные молекулы, такие, как органические кислоты, ами­нокислоты, неорганические соли, плохо проникают через цитоплазматическую мембрану, т.к. они отталкиваются электрическим за­рядом поверхности мембран, а также потому, что мембрана не имеет достаточно больших пор для прохождения крупных молекул. Это определяет барьерные функции цитоплазматической мембра­ны и ее избирательность по отношению к веществам, окружаю­щим клетку.

В цитоплазматической мембране локализованы высокочувстви­тельные рецепторы, с помощью которых клетки распознают и обра­батывают сигналы, поступающие из окружающей среды, дифферен­цируют питательные вещества и различные антибактериальные со­единения. На поверхности цитоплазматической мембраны содержат­ся активные ферментные системы, принимающие участие в синтезе белка, токсинов, ферментов, нуклеиновых кислот и других веществ. Прокариотная мембрана играет также важную роль в дыхании клет­ки, в процессах окислительного фосфорилирования.

Цитоплазматическая мембрана участвует в процессах син­теза компонентов клеточной стенки и капсулы, в делении нуклеоида, в формировании эндоспор.

При вдавливании (инвангинации) в сторону цитоплазмы цитоп­лазматическая мембрана образует мезосомы (от греч. mesos - сред­ний и soma - тело), на которых фиксируется ДНК. Мезомомы содер­жат большое количество ферментов и играют важную роль в форми­ровании клеточных стенок, делении, дыхании. Некоторые ученые счи­тают мезосомы аналогами митохондрий, так как они связаны с фер­ментами цитохромной системы окислительного фосфорилирования.

Цитоплазма бактерий представляет собой коллоидную сис­тему, отделенную мембраной и состоящую из воды, белков, угле­водов, липидов, минеральных соединений и других веществ. В от­личие от животных и растительных клеток, цитоплазма бактерий не содержит органелл. Кроме того, у бактерий цитоплазма ограни­чена только снаружи, тогда как в клетках высших организмов она отграничена изнутри ядерной мембраной. 11ри старении клетки дис­персность цитоплазмы изменяется, она принимает ячеистое строе­ние с образованием вакуолей, наполненных клеточным соком.

Бактериальная цитоплазма пронизана многочисленными струк­турами, неподвижна и имеет высокую плотность. Она содержит мелкие включения, состоящие на 60% из РНК и на 40% из протеи­на. Эти включения получили название рибосом. При активном син­тезе белка из нескольких рибосом образуются агрегаты, называе­мые полисомами или полирибосомами. Полисомы осуществляют синтез белка и являются весьма важными структурами для жизне­деятельности бактерий.

В цитоплазме находятся различные включения, которые пред­ставлены полисахаридами (крахмал, гликоген), липидами, полипеп­тидами, полифосфатами, пигментными скоплениями, отложениями серы и кальция. Они откладываются в цитоплазме в условиях из­бытка питательных веществ в окружающей среде.

Некоторые микроорганизмы обладают способностью запасать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата или волютина. Эти гранулы используются клетками как источник фосфора. Наличие гра­нул волютина является специфическим признаком, который учитыва­ют при лабораторной диагностике, например, дифтерийных бактерий.

Жировые скопления, или липопротеиновые тельца, довольно часто встречаются у бацилл и спирилл. Они появляются при росте клеток на питательных средах, содержащих много углеводов, и исчезают при голодании. Биологическое значение зерен волютина и липопротеиновых включений состоит в том, что они служат запасным пита­тельным веществом и используются бактериями при голодании.

В цитоплазме бактерий имеются вакуоли, которые состоят из различных, растворенных в воде веществ, и окружены мембраной (тонопласт) липопротеидного происхождения. Число вакуолей в клетке колеблется в пределах 6-10, а в период активного роста уве­личивается до 20.

Нуклеоид бактерий представляет собой морфологическую структуру, которая отличается от ядер растительной и животной клетки отсутствием оболочки, ядрышка, а также цитотического способа деления. Генетический материал нуклеоида сосредоточен в одной бактериальной хромосоме, имеющей форму замкнутого кольца и расположенной в центральной зоне клетки. ДНК нуклеои­да содержит наследственную информацию и руководит всей дея­тельностью клетки.

Кроме хромосомы нуклеоида, в цитоплазме расположены ко-валенгные замкнутые кольца ДНК, так называемые плазм иды. Они придают бактериям способность к коньюгации, устойчивость к антибиотикам, токсигенные свойства и др.

Органеллы движения. Движение бактерий - одно из самых поразительных явлений природы, которое впервые наблюдал А. Левенгук. Современные исследования показали, что бактерии, используют для своего движения устройство, куда более сложное, чем колесо, а именно ротор, вращающийся под действием электри­ческого поля. По существу речь идет об электродвигателе суб­микронного размера, собранном из нескольких белковых молекул.

Благодаря такому электродвигателю многие виды бактерий способны плыть сквозь толщу воды со скоростью до 150 мкм в секунду, то есть за одну секунду бактерия покрывает расстояние, примерно в сто раз превышающее ее длину.

Основным двигательным органоидом бактерий служат жгутики (флагеллы). Жгутики представляют собой специальные нитевидные образования, состоящие из одного единственного белка - флагеллина -молекулярной массой от 20 килодальтон до 60 килодальтон (kDa), в зависимости от вида бактерии (рис. 10). Белок жгутиков обладает ан­тигенными свойствами. Бактериальный жгутик имеет в поперечнике всего около 0,01 мкм, а его длина может в 10 раз превышать длину самой бактерии.

Рис. 10. Строение жгутика грамотрицательных бактерий.

Работы последних лет показали, что бактериальный жгутик вращается вокруг длинной оси. Источником энергии для вращения служит электрическое поле или ионный градиент, создаваемый по­током заряженных частиц: ионов Н+ или Na+, перемещающихся через клеточную мембрану из окружающей среды внутрь клетки.

Жгутик бактерии представляет собою жесткую полую труб­ку в форме, как правило, левой спирали длиной несколько микрон (иногда до 20), крепящейся к дискам специального образования - базального тела.

Наружный диск находится в клеточной стенке, а внутренний - в цитоплазматической мембране.

Вращение дисков относительно друг друга сообщается жгу­тикам. При движении бактерии ее жгутик совершает вращение вок­руг своей оси по часовой стрелке, либо - против. В результате энер­гичного движения жгутиков, напоминающего вращение штопора, жидкость движется вдоль жгутиков, и бактерии передвигаются.

У некоторых бактерий есть всего один жгутик, у других - их может быть до нескольких десятков. Расположение жгутиков у подвижных бактерий - характерный признак, который имеет таксо­номическое значение. В зависимости от расположения жгутиков, микробы подразделяются на четыре группы (рис. 11):

1. Монотрихи - бакте­рии с одним жгутиком на конце (холерный вибрион, синегнойная палочка).

2. Лофотрихи - бакте­рии, которые имеют по пуч­ку жгутиков на одном кон­це.

3. Амфитрихи - бакте­рии с двумя полярно распо­ложенными жгутиками или имеющие по пучку жгугиков на обоих концах.

4. Перитрихи - бактерии, обладающие жгутиками по всей по­верхности тела (кишечная палочка, сальмонеллы).

Рис. 11. Разновидности жгутиковых бактерий

1 - монотрихи; 2 - лофотрихи; 3 - амфитрихи; 4 - перитрихи.

Подвижные бактерии способны к направленным движениям, или таксисам. В зависимости от факторов среды, под влиянием которых происходит движение, различают хемотаксис, аэротаксис и фототаксис. При хемотаксисе бактерии уходят из зоны высокой или низкой концентрации веществ в места более благоприятного обитания. Аэротаксис определяется отношением бактерий к кис­лороду, а фототаксис - отношением бактерий к солнечному свету как источнику энергии.

Фимбрии. У различных видов микробов имеются фимбрии (реснички, пили, филаменты), представляющие собой образования зна­чительно короче и тоньше жгутиков, Они покрывают тело клетки. Ко­личество их достигает от 100 до 400 на одной особи. Полагают, что они не служат для передвижения, а способствуют прикреплению кле­ток к поверхности различных субстратов. Некоторые пили (F-пили) осуществляют направленный половой процесс передачи генетическо­го материала из клетки-донора (мужской штамм) в клетку-реципиент (женский штамм). Такой процесс называется конъюгацией.

Способность клетки быть донором связана с наличием особо­го генетического фактора, который при коньюгации переносится из одной клетки в другую. Этот генетический фактор носит название мужского полового фактора или фактора F (от англ. fertility - плодо­витость). F фактор переносится из одной клетки в другую с помо­щью половых волосков или F-пилей при непосредственном контакте клеток. При этом женские клетки всегда становятся мужскими.

F фактор не содержится в хромосомах, он относится к вне-хромосомным ДНК - плазмидам. Многие плазмиды несут гены, ответственные за процесс коньюгации. К ним относятся гены, оп­ределяющие некоторые поверхностные структуры клетки. При со­прикосновении бакгериальных клеток эти структуры участвуют в образовании коньюгационного мостика.

Таким образом, коньюгация представляет собой процесс, спо­собность к которому обеспечивается плазмидой и результатом ко­торого является перенос плазмидной ДНК. Гены бактериальной хромосомы переносятся в клетку-реципиент, если они интегриро­ваны с плазмидой в донорской клетке.

С помощью коньюгации из клетки в клетку передаются факторы передачи устойчивости Rtf (от англ. resistance transfer factors - факто­ры передачи устойчивости). Они содержат гены, которые передают бактерии-хозяину устойчивость к антибиотикам, химиопрепаратам, температуре и другим факторам окружающей среды. Например, при­обретенная устойчивость микроба к воздействию химического веще­ства передается из мужской клетки в женскую с помощью F-пиля.