На электронных микрофоторгафиях ультратонких срезов бактерий, фиксированных четырёхокисью осмия, плазматическая мембрана представляется многослойной. Она состоит из двух осмиофильных и поэтому темных слоёв толщиной 2 –3 нм каждый и промежуточного более светлого слоя толщиной 4-5 нм. По своему строению мембраны бактериальных, животных и растительных клеток очень сходны. Поэтому в мембранологии существует термин “элементарной мембраны”(unitmembrane).
Мембраны можно выделить, подвергнув осмотическому шоку протопласты, полученные с помощью лизоцима. Протопласты – это клетка бактерии, освобождённая от клеточной стенки. Мембрана бактерий очень богата липидами, особенно фосфолипидами. Они составляют всего 8 –15% от общего сухого вещества клетки, но в мембране их 70 – 90% всех её липидов.
Состав мембранMicrococcus luteus ифототрофных бактерий
Как уже отмечалось выше, плазматическая мембрана бактерий состоит из двойного липидного слоя. Гидрофобные концы молекул фосфолипидов и триглицеридов направлены внутрь, а гидрофильные “головки” – наружу. Благодаря гидрофобным взаимодействиям между остатками жирных кислот, входящих в состав липидов, и электростатическому взаимодействию между гидрофильными“головками” мембрана стабилизируется.
В двойной слой липидов встроены белки – так называемые интегральные белки мембран. Они “плавают”в этом слое, будучи погружены в него частично, или пронизывают его насквозь. Другие белки прикреплены к поверхности мембраны, и их называют периферийными белками. Некоторые мембраны с одной или с обеих сторон покрыты сетью вытянутых белковых молекул.
Саму по себе мембрану можно представить как очень мягкое, пластинчатое, почти жидкое образование; изолированные мембраны стремятся образовать замкнутые со всех сторон пузырьки (везикулы); кусочки мембран сливаются краями друг с другом.
Плазматическая мембрана бактерий играет важнейшую роль в обмене веществ. Она служит осмотическим барьером клетки и контролирует как поступление веществ внутрь клетки, так и выход их наружу. В мембране имеются специальные механизмы активного транспорта и системы субстрат - специфичных пермеаз. Имеются предположения, что, липидная плёнка элементарной мембраны пронизана “мостиками” (или каналами) белков, и именно эти белки служат порами, через которые осуществляется регулированный транспорт веществ.
Ферменты переноса электронов и окислительного фосфорилирования у дрожжей и грибков находятся в митохондриях, т.к. эти клетки являются эукариотами, а у бактерий локализуются внутри или на поверхности плазматической мембраны. Цитохромы, железо – серные белки и другие компоненты электрон – транспортной цепи находятся исключительно в мембранах. Сама мембрана построена асимметрично. Это можно увидеть по локализации её отдельных компонентов. Например, цитохром с расположен в наружном слое, а АТФ – синтетаза – на внутренней стороне мембраны. Мембраны ответственны за обмен веществ. Вероятней всего, они ответственны и за другие биосинтетические процессы, такие как синтез компонентов клеточной стенки и капсулы, выделение внеклеточных ферментов. Скорее всего, в бактериальной мембране локализуется центр репликации РНК. Жгутики бактерий тоже прикреплены к мембране.
Внутриклеточные мембраны и ламеллы. У некоторых бактерий мембрана охватывает цитоплазму без складок и впячиваний. У других она образует впячивания, пронизывает цитоплазму или формирует мембранные тельца. У ряда бактерий имеются мезосомы. Мезосомы - это локальные впячивания цитоплазматической мембраны. Хорошо развитые и сложно организованные мезосомы характерны для грамположительных прокариот. У грамотрицательных они встречаются реже и относительно просто организованы. Мезосомы различаются размерами, формой и локализацией в клетке. Выделяют три основных типа мезосом: ламелярные (пластинчатые), везикулярные (имеющие форму пузырьков), и тубулярные (трубчатые). Часто можно наблюдать мезосомы смешанного типа: состоящие из ламелл, трубочек и пузырьков. По расположению в клетке различают мезосомы, которые образуются в зоне клеточного деления и формирования поперечной перегородки (септы), мезосомы, к которым прикреплён нуклеоид, и, мезосомы, сформированные в результате инвагинации периферических участков ЦПМ. Существуют разные точки зрения относительно роли мезосом в прокариотической клетке. Согласно одной из них мезосомы не являются обязательной структурой прокариот, а служат только для усиления определённых клеточных функций, увеличивая общую“рабочую”поверхность мембран. Получены данные о том, что с мезосомами связано усиление энергетического метаболизма клеток. Мезосомы играют роль в репликации хромосомы и её последующем расхождении по дочерним клеткам, участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки (септы) при клеточном делении. Для некоторых грамположительных бактерий обнаружено участие мезосом в секреторных процессах.
Другие исследователи считают, что мезосомы не участвуют в процессах клеточного метаболизма, но выполняют структурную функцию, обеспечивая компартментализацию прокариотической клетки, т.е. пространственное разграничение внутриклеточного содержимого на относительно обособленные отсеки, что создаёт условия для протекания последовательности ферментативных реакций. Наиболее вероятным является взгляд на мезосомы, как на структуры, служащие для усиления мембранзависимых функциональных активностей клетки.
У Nitrobacter , Nitrosomonas и Nitrosococcus имеются стопки ламелл, состоящие из параллельно расположенных плоских пузырьков, часть которых связана с плазматической мембраной.
Особенно богаты внутриклеточными мембранами фототрофные пурпурные бактерии. Фотосинтетические внутренние мембранные системы имеют вид губок, пузырьков или стопок. У Rhodospirillum rubum илиChromatium клетка почти целиком заполнена пузырьками, которые упакованы в округлые образования. Эти пузырьки, по-видимому, возникают путём впячивания плазматической мембраны и роста её в форме рукава. На этих рукавах, на равных расстояниях образуются перетяжки, и в результате получаются пузырьки, не отделённые друг от друга. У других пурпурных бактерий пузырьки сильно уплощены и образуют упорядоченные стопки. Последние по аналогии со структурой хлоропластов зелённых растений называют стопками тиалкоидов.
Фотосинтетические мембраны сходны по строению и химическому составу с плазматической мембраной, но, кроме того, содержат пигменты, которые поглощают свет, также компоненты фотосинтетической электрон – транспортной цепи.
№11 Цитоплазматическая мембрана, цитоплазма, рибосомы, мезосомы, генофор, их строение, функции и значение для бактериальной клетки.
Цитоплазматическая мембрана
Периплазматическое пространство
Цитоплазма бактериальной клетки ограничена от клеточной стенки тонкой полупроницаемой структурой толщиной 5-10 нм, называемой цитоплазматической мембраной (ЦПМ). ЦПМ состоит из двойного слоя фосфолипидов, пронизанных белковыми молекулами (рис. 6).
С ЦПМ связаны многие ферменты и белки, участвующие в транслокации питательных веществ, а также ферменты и переносчики электронов конечных стадий биологического окисления (дегидрогеназы, цитохромная система, АТФ-аза). На ЦМП локализуются ферменты, катализирующие синтез пептидогликана, белков клеточной стенки, собственных структур. Мембрана является также местом превращения энергии при фотосинтезе, окислительном фосфорилировании.
Периплазматическое пространство (периплазма) представляет собой зону между клеточной стенкой и ЦПМ. Толщина периплазмы составляет около 10 нм, объем зависит от условий среды и, прежде всего, от осмотических свойств раствора. Периплазма может включать до 20% всей находящейся в клетке воды, в ней локализуются некоторые ферменты (фосфатазы, пермеазы, нуклеазы и др.) и транспортные белки – переносчики соответствующих субстратов.
Цитоплазма
Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, составляет цитоплазму бактерий. Та часть цитоплазмы, которая имеет гомогенную коллоидную консистенцию и содержит растворимые РНК, ферменты, субстраты и продукты обмена веществ, обозначается как цитозоль. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами: мезосомами, рибосомами, включениями, нуклеоидом, плазмидами.
Рибосомы -
Рибосомы - субмикроскопические рибонуклеопротеидные гранулы диаметром 15-20 нм. В рибосомах находится примерно 80-85% всей бактериальной РНК. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S. Они построены из двух частиц: 30 S (малая субъединица) и 50 S (большая субъединица) (рис. 8). Рибосомы служат местом синтеза белка.
Рис. 8. Рибосома (а) и ее субчастицы-большая (б) и малая (в) (Блинов Н.П., 1989).
Некоторые бактерии способны накапливать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата (зерна волютина, метахроматические зерна, зерна Бабеша-Эрнста). Они играют роль фосфатных депо и регулярно выявляются у коринебактерий, микобактерий и спирилл в виде плотных, хорошо контурированных образований в форме шара или эллипса, располагающихся, в основном, у полюсов клетки. Обычно на полюсах бывает по одной грануле.
Наличие зерен волютина у бактерий определяют методом Нейссера
Мезосомы
Мезосомы представляют собой мембранные структуры, образуемые при закручивании ЦПМ. Морфологически мезосомы выглядят как ламеллярные стопки или спирально упакованные ламеллы, везикулярные или тубулярные структуры, а также смешанные мембранные системы, образованные трубочками, пузырьками и ламеллами (рис. 7). По расположению в клетке различают: мезосомы, образующиеся в зоне клеточного деления и формирования клеточной перегородки (септальныемезосомы) и мезосомы, сформированные в результате инвагинации периферических участков ЦПМ (латеральные мезосомы).
Предполагается, что мезосомыполифункциональны, содержат различные ферментные системы и играют определенную роль в энергетическом метаболизме. Считают, что они являются сайтом для формирования клеточной стенки бактерий и прикрепления нуклеоида в процессе репликации ДНК. Септальныемезосомы участвуют в построении поперечной перегородки при делении бактерий.
бактериальная хромосома, или генофор )
Цитоплазма каждой клетки окружена мембраной, которая ограничивает ее от окружающей среды. Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) является исключительно полифункциональной структурой:
1. ЦПМ воспринимает всю химическую информацию , поступающую в клетку из внешней среды.
2. Она является основным осмотическим барьером , благодаря которому внутри клетки поддерживается определенное осмотическое давление.
3. ЦПМ совместно с клеточной стенкой участвует в регуляции роста и клеточного деления бактерий.
4. ЦПМ участвует в регуляции процессов репликации и сегрегации хромосом и плазмид (они связаны с ее рецепторами).
5. В ЦПМ содержится значительное количество ферментов, в том числе системы переноса электронов (ЦПМ - место генерации энергии у бактерий).
6. С ЦПМ связаны жгутики и аппарат регуляции их движения.
7. ЦПМ участвует в процессах транспорта (в том числе активного) питательных веществ в клетку и продуктов жизнедеятельности, включая ферменты и экзотоксины, из клетки в окружающую среду. В ней содержатся белки, участвующие в облегченной диффузии и активном транспорте.
8.
ЦПМ играет важную роль в компартментализации и стабилизации рибосом
.
9.
ЦПМ участвует в синтезе компонентов клеточной стенки.
10.
ЦПМ участвует в образовании мезосом (мезосомы образуются в результате инвагинации участка ЦПМ в цитоплазму, они открыты в периплазматическое пространство).
Каким образом мембрана осуществляет на молекулярном уровне свои многочисленные функции - один из актуальнейших вопросов современной биологии. На долю ЦПМ приходится около 10% сухого веса бактерий. Она содержит 25-40% фосфолипидов, образующих два слоя , 20-75% белков и до 6% утлеводов. Молекулы фосфолипидов асимметричны : головки, несущие электрический заряд, гидрофильны; хвостики - нейтральны и гидрофобны. Фосфолипиды упакованы в мембране следующим образом: их полярные гидрофильные головки обращены наружу и образуют два слоя ЦПМ - внутренний и внешний, а неполярные гидрофобные хвостики скрыты в толще мембраны. На электронограммах ЦПМ имеет вид трехслойной структуры, состоящей из двух 2 параллельных темных слоев и разделяющего их светлого слоя. Этот слой более проницаем для электронов, чем слои, состоящие из полярных концов фосфолипидов, ассоциированных с белками. Специфичность функций ЦПМ во многом зависит от набора содержащихся в них белков. Расположение их в ЦПМ своеобразно: некоторые белки пронизывают весь двойной липидный слой, определенная часть белков связана или только с внутренней, или только с наружной поверхностью мембраны. Это вытекает из того, что взаимодействие между мембраной и цитоплазмой, с одной стороны, мембраной и внешней средой, с другой - определяет различные, хотя и взаимосвязанные процессы ее жизнеобеспечения: облегченная диффузия, активный транспорт, элементарной биологической мембраны.
При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возникающим после приготовления (фиксации) препарата для электронной микроскопии. Тем не менее, считают, что производные цитоплазматической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т. е. в процессах с высокой затратой энергии.
Цитоплазма занимает основной объем бактериальной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков.
Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 8OS-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некоторые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукариотических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы -- 50S и 30S. Рибосомные РНК (рРНК.) - консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S рРНК. входит в состав малой субъединицы рибосом, a 23S рРНК- в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК. является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.
В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, бета-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Все запасные вещества присутствуют в клетки в химически инертной форме. Такое состояние препятствует нарушению осмостаза клеточного содержимого. Некоторые включения просто лежат в цитоплазме, другие окружены тонкой мембраной. Мембрана обычно белковой природы, но иногда может содержать и липиды. Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей.
Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голубым волютин окрашивается в красно-фиолетовый цвет, а цитоплазма бактерии - в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризованного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид электронно-плотных гранул размером 0,1-1,0 мкм.
Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. В 1956 году внутри бактериальных клеток была обнаружена «ядерная зона», или нуклеоид, где размещена бактериальная хромосома. Бактериальная ДНК обнаружена в кольцевой и линейной формах. Для клеток E.coli доказано, что ДНК существует в виде кольцевой молекулы, в то время как для Borrelia burgdorferi в 1989 г. показано, что клетки содержат ДНК в линейной форме. Нуклеоид, в отличие от ядра эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, но при нарушении деления в ней может находиться 4 и более копий одной хромосомы. У некоторых видов в клетки обнаружены две и три неидентичных хромосомы. У видов Vibrio, Leptospira interrogans обнаружены две кольцевые хромосомы. Поэтому идея, что бактерии содержат только одну хромосому, считается устаревшей. Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после окраски специфическими для ДНК методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК, связанной определенными участками с цитоплазматической мембраной или мезосомой, участвующими в репликации хромосомы.
Кроме нуклеоида в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды , представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.
Капсула, микрокапсула, слизь . Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. Поверхность колоний клеток с капсулами выглядит гладкой, влажной, блестящей.
Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Слизь растворима в воде.
Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палочки, часто встречающихся в мокроте больных с кистозным фиброзом. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам); их еще называют гликокаликсом. Кроме синтеза экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны.
Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, являясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.
Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка . Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят из 3 частей :
1. - спиралевидной нити,
2. - крюка
3. - базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары - у грамотрицательных бактерий) и моторными белками (рис).
Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем - ротором, вращающим жгутик. В качестве источника энергии используется разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгутика может достигать 100 об/с. У бактерий жгутики правовращающиеся. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пучок, образующий своеобразный пропеллер.
Жгутики состоят из белка - флагеллина (от. flagellum - жгутик), являющегося антигеном - так называемый Н-антиген . Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.
Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих ) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих ), у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.
Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелыми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанными на протравливании и адсорбции различных веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).
Ворсинки, или пили (фимбрии) - нитевидные образования, более тонкие и короткие, чем жгутики . Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, который организован в спиральную структуру. Архитектура пилей варьирует от тонких нитевидных до толстых прочных палочкообразных образований с осевыми отверстиями. Они обладают антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, т. е. за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водно-солевой обмен, и половые (F-пили) или пили 4-го типа, или конъюгационные, пили.
Обычно пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако половых пилей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими» клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Со/-плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является их взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях (рис.).
Основное предназначение пилей поддерживать на своих концах специфические прикрепительные структуры (адгезины). Адгезины являются посредниками при бактериальных контактах, при контактах с неживыми объектами, тканями и клетками восприимчивых организмах. Колонизация тканей хозяина бактериальными патогенами обычно зависит от стереохимического подобия между архитектурой адгезина и соответствующего рецептора клетки хозяина (рис). Таким образом, изучение функционирования пилей позволит не только глубже понять механизм колонизации и передачи сигналов, но и вести разработку новых поколений антимикробных препаратов.
Споры - своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки (рис.).
Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных вешеств и др.). Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов.
Спорообразующие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превышает диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называются клостридиями, например бактерии рода Clostridium (лат. clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы , поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нельсена в красный, а вегетативная клетка - в синий.
Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются видовым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга.
Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке :
1. терминальное, т. е. на конце палочки (у возбудителя столбняка),
2. субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены)
3. центрально е (у сибиреязвенной бациллы).
Процесс спорообразованя (споруляция) проходит ряд стадий, в течение которых часть цитоплазмы и хромосома бактериальной вегетативной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, - образуется проспора.
Проспору окружают две цитоплазматические мембраны, между которыми формируется толстый измененный пептидогликановый слой кортекса (коры). Изнутри он соприкасается с клеточной стенкой споры, а снаружи - с внутренней оболочкой споры. Наружная оболочка споры образована вегетативной клеткой.
Споры некоторых бактерий имеют дополнительный покров - экзоспориум.
Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка. Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколиновой кислоты и ионов кальция. Спора приобретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.
Спора долго может сохраняться из-за наличия многослойную оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка могут сохраняться десятки лет.
В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии (рис):
1. активацию
2. инициацию
3 . вырастание
При этом из одной споры образуется одна бактерия.
Активация - это готовность к прорастанию. При температуре 60-80°С спора активируется для прорастания.
Инициация прорастания длится несколько минут. Стадия вырастания характеризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.
Вопросы для самоконтроля
| | | | | | | | | 10 | | | | | |
Строение типичной бактериальной клетки показано на рис. 2.3. На рис. 2.4 представлена электронная микрофотография среза палочковидной бактерии. Можно видеть, насколько просто устроена бактериальная клетка, особенно если сравнить ее с клетками эукариот (рис. 7.5 и 7.6).
Рис. 2.3. Обобщенная схема строения клетки палочковидной бактерии. Справа перечислены структуры, встречающиеся в каждой клетке, слева - встречающиеся не во всех клетках. Жгутик бывает один, как у Rhizobium, или несколько, как у Azotobacter; обычно он длиннее клетки. Капсула может быть слизистой, как у Azotobacter; если капсула рыхлая, то она называется слизистым слоем . Трубчатые или мешковидные фотосинтетические мембраны , содержащие пигменты, представляют собой впячивания плазматической мембраны; у фотосинтезирующих бактерий, например у Chromatium, такие мембраны рассеяны по всей цитоплазме. Число пилей , или фимбрий , может достигать от одной до нескольких сотен, как, например, у Escherichia coli, Salmonella. Мезосома представляет собой многоскладчатое впячивание плазматической мембраны, как, например, у Bacillus subtilis. Клеточная стенка жесткая и содержит муреин. Рибосомы , располагающиеся по всей цитоплазме, по размеру меньше, чем у эукариот. Из запасных питательных веществ в бактериальных клетках можно обнаружить липиды, гликоген, полифосфаты (волютиновые гранулы). Цитоплазма не содержит никаких органелл; содержит ферменты и т. п
Рис. 2.4. Электронная микрофотография среза типичной палочковидной бактерии Bacillus subtilis. В светлых зонах находится ДНК. × 50000
Капсулы и слизистые слои
Капсулы и слизистые слои - это слизистые или клейкие выделения некоторых бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон). Капсула представляет собой относительно толстое и компактное образование, а слизистый слой намного рыхлее. В некоторых случаях слизь служит для формирования колоний из отдельных клеток. И капсула, и слизистые слои служат дополнительной защитой для клеток. Так, например, инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека и вызывают воспаление легких, а некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны.
Клеточная стенка
Клеточная стенка придает клетке определенную форму и жесткость. Ее хорошо видно на срезе (рис. 2.4). Как и у растений, клеточная стенка бактерий препятствует осмотическому набуханию и разрыву клеток, когда они, как это часто случается, попадают в гипотоническую среду (Приложение разд. П.1.5). Вода, другие малые молекулы и разные ионы легко проникают через крошечные поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Кроме того, клеточная стенка обладает антигенными свойствами, которые ей придают содержащиеся в ней белки и полисахариды.
По строению клеточной стенки бактерий можно разделить на две группы. Одни окрашиваются по Граму, поэтому их называют грамположительными , а другие обесцвечиваются при отмывке красителя (разд. 2.7), и поэтому их называют грамотрицательными . В клеточной стенке и тех и других есть особая жесткая решетка, состоящая из муреина . Молекула муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка окружена сетевидным мешком, составленным всего из одной молекулы. (Полисахаридная часть муреина описана в табл. 5.7).
У грамположительных бактерий, например у Lactobacillus, в муреиновую сетку встроены другие вещества, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг клетки создается сравнительно толстая и жесткая упаковка. У грамотрицательных бактерий, скажем у Escherichia coli или у Azotobacter, клеточная стенка гораздо тоньше, но устроена она сложнее. Муреиновый слой у этих бактерий снаружи покрыт мягким и гладким слоем липидов. Это защищает их от лизоцима . Лизоцим обнаружен в слюне, слезах и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца. Он катализирует гидролиз определенных связей между остатками углеводов и таким образом расщепляет полисахаридную основу муреина. Клеточная стенка разрывается, и, если клетка находится в гипотоническом растворе, происходит ее лизис (клетка осмотически набухает и лопается). Липидный слой придает клетке устойчивость и к пенициллину. Этот антибиотик препятствует образованию сшивок в клеточной стенке грамположительных бактерий, что делает растущие клетки более чувствительными к осмотическому шоку.
Жгутики
Многие бактерии подвижны, и эта подвижность обусловлена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики у бактерий устроены гораздо проще, чем у эукариот (разд. 17.6.2, табл. 2.1), и по своей структуре напоминают одну из микротрубочек эукариотического жгутика. Жгутики состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина (похожего на мышечный актин), которые расположены по спирали и образуют полый цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жестки.
Жгутики приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика, по-видимому, вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает клетку вперед. Это, очевидно, единственная известная в природе структура, где используется принцип колеса. Другая интересная особенность жгутиков - это способность отдельных субъединиц флагеллина спонтанно собираться в растворе в спиральные нити. Спонтанная самосборка - очень важное свойство многих сложных биологических структур. В данном случае самосборка целиком обусловлена аминокислотной последовательностью (первичной структурой) флагеллина.
Подвижные бактерии могут передвигаться в ответ на определенные раздражители, т. е. они способны к таксису. Так, например, аэробные бактерии обладают положительным аэротаксисом (т. е. плывут туда, где среда богаче кислородом), а подвижные фотосинтезирующие бактерии - положительным фототаксисом (т. е. плывут к свету).
Жгутики легче всего рассмотреть в электронном микроскопе (рис. 2.5), применив технику напыления металлом (разд. П.2.5).
Рис. 2.5. Микрофотография палочковидной бактерии, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Хорошо видны клеточная стенка, фимбрии и длинные волнистые жгутики, × 28000
Пили, или фимбрии
На клеточной стенке некоторых грамотрицательных бактерий видны тонкие выросты (палочковидные белковые выступы), которые называются пили или фимбрии (рис. 2.5). Они короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности, придавая специфическую "липкость" тем штаммам, которые ими обладают. Пили бывают разного типа. Наиболее интересны так называемые F-пили, которые кодируются специальной плазмидой (разд. 2.2.4) и связаны с половым размножением бактерий.
Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны
Как у всех клеток, протоплазма бактерий окружена полупроницаемой мембраной. По структуре и функциям плазматические мембраны бактерий не отличаются от мембран эукариотических клеток (разд. 7.2.1). У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы и (или) фотосинтетические мембраны.
Мезосомы - складчатые мембранные структуры (рис. 2.3 и 2.4), на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания. Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по-видимому, облегчает разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует образованию перегородки между дочерними клетками.
У фотосинтезирующих бактерий в мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтетические пигменты (в том числе бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют и в фиксации азота.
Генетический материал
ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 1 мм. Каждая такая молекула состоит примерно из 5·10 6 пар нуклеотидов. Суммарное содержание ДНК (геном) в бактериальной клетке намного меньше, чем в эукариотической, а следовательно, меньше и объем закодированной в ней информации. В среднем такая ДНК содержит несколько тысяч генов, что примерно в 500 раз меньше, чем в клетке человека (см. также табл. 2.1 и рис. 2.3).
Рибосомы
См. табл. 2.1 (биосинтез белка) и рис. 2.3.
Споры
Некоторые бактерии (в основном принадлежащие к роду Clostridium или Bacillus) образуют эндоспоры, т. е. споры, находящиеся внутри клетки. Эндоспоры - толстостенные долгоживущие образования, крайне устойчивые к нагреванию и коротковолновому излучению. Они по-разному располагаются внутри клетки, что служит очень важным признаком для идентификации и систематики таких бактерий (рис. 2.6). Если покоящаяся, устойчивая структура образуется из целой клетки, то она называется цистой. Цисты образуют некоторые виды Azotobacter.
Рис. 2.6. Различные формы бактерий на примере нескольких наиболее распространенных типов полезных и болезнетворных микробов.
А. Кокки (сферические)
Пример - Staphylococcus aureus, живущий в носоглотке; разные штаммы стафилококков вызывают фурункулез, воспаление легких, пищевые отравления и другие заболевания.
Пример - многие виды Streptococcus; некоторые вызывают инфекционные заболевания верхних дыхательных путей; например, S. pyogenes вызывает ангину и скарлатину; S. thermophilus придает йогурту его пикантный вкус; S. lactis - см. разд. 2.3.4
К этому роду относятся елинственный вид Diplococcus pneumoniae (пневмококк), возбудитель пневмонии * .
* (D. pneumoniae вызывает крупозное воспаление легких и многочисленные тяжелые острые пиогенные инфекции: менингит, септицемию, эмпиему и перитонит. - Прим. перев. )
Б. Бациллы (палочковидные)
Примеры - Escherichia coli (обычный кишечный симбионт); Lactobacillus см. разд. 2.3.4; Salmonella typhi - возбудитель брюшного тифа.
Примеры - Azotobacter, азотфиксирующая бактерия; Bacillus anthracis - возбудитель сибирской язвы.
Бациллы с эндоспорами (споры находятся в разном положении, имеют разные размеры и форму)
Находится в центре и не вызывает набухания клетки, например у Bacillus anthracis - возбудителя сибирской язвы.
Находится на конце материнской клетки, придает ей характерную форму барабанной палочки, например у Clostridium tetani - возбудителя столбняка.
Спора находится в субтерминальном положении, вызывая набухание клетки, например у Clostridium botulinum (споры могут занимать и центральное положение) - возбудителя смертельного пищевого отравления - ботулизма.
В. Спириллы (спиралевидные)
Пример - Spirillum; Форма клеток у спирохет очень схожа, но есть различия по спосубу передвижения, например Treponema pallidum - возбудитель сифилиса.
Г. Вибрионы (короткие палочки, всегда изогнутые в виде запятой)
Пример - Vibrio cholerae - возбудитель холеры; имеет один жгутик.
Бактерии являются прокариотами (рис. 1.2) и существенно отличаются от клеток растений и животных (эукариотов). Они относятся к одноклеточным организмам и состоят из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, нуклеоида (обязательных компонентов бактериальной клетки). Некоторые бактерии могут иметь жгутики, капсулы, споры (необязательные компоненты бактериальной клетки).
Рис. 1.2. Комбинированное схематическое изображение прокариотической (бактериальной) клетки со жгутиками.
1 - гранулы полиоксимасляной кислоты; 2 - жировые капельки; 3 - включения серы; 4 - трубчатые тилакоиды; 5 - пластинчатые тилакоиды; 6 - пузырьки; 7 - хроматофоры; 8 - ядро (нуклеоид); 9 - рибосомы; 10 - цитоплазма; 11 - базальное тельце; 12 - жгутики; 13 - капсула; 14 - клеточная стенка; 15 - цитоплазматическая мембрана; 16 - мезосома; 17 - газовые вакуоли; 18 - ламеллярные структуры; 19 -гранулы полисахарида; 20 - гранулы полифосфата
Клеточная стенка
Клеточная стенка представляет собой внешнюю структуру бактерий толщиной 30-35 нм, главным компонентом которой является пептидогликан (муреин). Пептидогликан является структурным полимером, состоящим из чередующихся субъединиц N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидными связями (рис.1.3).
Рис. 1.3. Схематическое изображение однослойной структуры пептидогликана
Параллельно расположенные полисахаридные (гликановые) цепи скреплены между собой поперечными пептидными мостиками (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Детальное строение структуры пептидогликана Светлые и черные короткие стрелки указывают связи, расщепляемые соответственно лизоцимом (мурамидазой) и специфической муроэндопептидазой
Полисахаридный каркас легко разрушается лизоцимом - антибиотиком животного происхождения. Пептидные связи являются мишенью для пенициллина, который ингибирует их синтез и препятствует формированию клеточной стенки. Количественное содержание пептидогликана влияет на способность бактерий окрашиваться по Граму. Бактерии, имеющие значительную толщину муреинового слоя (90-95%), стойко окрашиваются генцианвиолетом в сине-фиолетовый цвет и носят название грамположительных бактерий.
Грамотрицательные бактерии с тонким слоем пептидогликана (5-10%) в клеточной стенке после действия спирта утрачивают генцианвиолет и дополнительно окрашиваются фуксином в розовый цвет. Клеточные стенки у грамположительных и грамотрицательных прокариот резко различаются как по химическому составу (табл. 1.1), так и по ультраструктуре (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Схематическое изображение клеточной стенки у грамположительных (а) и грамотрицательных (б) прокариот: 1 - цитоплазматическая мембрана; 2 - пептидогликан; 3 - периплазматическое пространство; 4 - наружная мембрана; 5 - ДНК
Кроме пептидогликана, в клеточной стенке грамположительных бактерий содержатся тейхоевые кислоты (полифосфатные соединения), в меньшем количестве - липиды, полисахариды, белки.
Таблица 1.1. Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных прокариот
Грамотрицательные прокариоты имеют наружную мембрану, в состав которой входят липиды (22 %), белки, полисахариды, липопротеины.
Клеточная стенка у бактерий выполняет в основном формообразующую и защитную функции, обеспечивает ригидность, формирует капсулу, определяет способность клеток к адсорбции фагов.
Все бактерии, в зависимости от их отношения к окраске по Граму, делятся на грамположительные и грамотрицательные.
Методика окраски по Граму
1. На мазок кладут фильтровальную бумагу и наливают карболовый раствор генцианового фиолетового на 1-2 мин.2. Снимают бумагу, сливают краситель и, не промывая мазок водой, наливают раствор Люголя на 1 мин.
3. Сливают раствор Люголя и обесцвечивают препарат в 96 %-м спирте в течение 30 сек.
4. Промывают водой.
5. Красят 1-2 мин водным раствором фуксина.
6. Промывают водой и высушивают.
В результате окраски грамположительные бактерии окрашиваются в фиолетовый цвет, грамотрицательные - в красный.
Причину различного отношения бактерий к окраске по Граму объясняют тем, что после обработки раствором Люголя образуется нерастворимый в спирте комплекс йода с генциановым фиолетовым. Этот комплекс у грамположительных бактерий, в связи со слабой проницаемостью их стенки, не может диффундировать, в то время как у грамотрицательных - легко удаляется при промывании их этанолом, а затем водой.
Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, называются протопластами, они имеют шаровидную форму, обладают способностью к делению, дыханию, синтезу белков, нуклеиновых кислот, ферментов. Протопласты являются неустойчивыми структурами, очень чувствительными к изменениям осмотического давления, механических воздействий и аэрации, не обладают способностью синтезировать составные части клеточной стенки, не подвергаются инфицированию вирусами бактерий (бактериофагами) и не обладают активной подвижностью.
Если под влиянием лизоцима и других факторов происходит частичное растворение клеточной стенки, то бактериальные клетки превращаются в сферические тела, получившие название сферопластов.
Под воздействием некоторых внешних факторов бактерии способны терять клеточную стенку, образуя L-формы (названы в честь института им. Д. Листера, где были впервые выделены); подобная трансформация может быть спонтанной (например, у хламидий) или индуцированной, например, под воздействием антибиотиков. Выделяют стабильные и нестабильные L-формы. Первые не способны к реверсии, а вторые реверсируют в исходные формы после удаления причинного фактора.
Цитоплазматическая мембрана
Цитоплазма бактериальной клетки ограничена от клеточной стенки тонкой полупроницаемой структурой толщиной 5-10 нм, называемой цитоплазматической мембраной (ЦПМ). ЦПМ состоит из двойного слоя фосфолипидов, пронизанных белковыми молекулами (рис. 1.6).
Рис.1.6. Строение плазматической мембраны Два слоя фосфолипидных молекул, обращенных гидрофобными полюсами друг к другу и покрытых двумя слоями молекул глобулярного белка.
С ЦПМ связаны многие ферменты и белки, участвующие в переносе питательных веществ, а также ферменты и переносчики электронов конечных стадий биологического окисления (дегидрогеназы, цитохром-ная система, АТФ-аза).
На ЦМП локализуются ферменты, катализирующие синтез пептидогликана, белков клеточной стенки, собственных структур. Мембрана является также местом превращения энергии при фотосинтезе.
Периплазматическое пространство
Периплазматическое пространство (периплазма) представляет собой зону между клеточной стенкой и ЦПМ. Толщина периплазмы составляет около 10 нм, объем зависит от условий среды и прежде всего от осмотических свойств раствора.Периплазма может включать до 20 % всей находящейся в клетке воды, в ней локализуются некоторые ферменты (фосфатазы, пермеазы, нуклеазы и др.) и транспортные белки -переносчики соответствующих субстратов.
Цитоплазма
Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, составляет цитоплазму бактерий. Та часть цитоплазмы, которая имеет гомогенную коллоидную консистенцию и содержит растворимые РНК, ферменты, субстраты и продукты обмена веществ, обозначается как цитозоль. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами: мезосомами, рибосомами, включениями, нуклеоидом, плазмидами.Рибосомы - субмикроскопические рибонуклеопротеиновые гранулы диаметром 15-20 нм. В рибосомах находится примерно 80-85 % всей бактериальной РНК. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S. Они построены из двух частиц: 30 S (малая субъединица) и 50 S (большая субъединица) (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Рибосома (а) и ее субчастицы - большая (б) и малая (в) Рибосомы служат местом синтеза белка.
Цитоплазматические включения
Нередко в цитоплазме бактерий обнаруживаются различные включения, которые образуются в процессе жизнедеятельности: капельки нейтральных липидов, воска, серы, гранулы гликогена, в-гидроксимасляной кислоты (особенно у рода Bacillus). Гликоген и в-гидроксимасляная кислота служат для бактерий запасным источником энергии.У некоторых бактерий в цитоплазме находятся кристаллы белковой природы, обладающие ядовитым действием на насекомых.
Некоторые бактерии способны накапливать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата (зерна волютина, метахроматические зерна). Они играют роль фосфатных депо и выявляются в виде плотных образований в форме шара или эллипса, располагающихся в основном у полюсов клетки. Обычно на полюсах бывает по одной грануле.
Нуклеоид
Нуклеоид - ядерный аппарат бактерий. Представлен молекулой ДНК, соответствующей одной хромосоме. Она замкнута, располагается в ядерной вакуоле, не имеет ограничивающей от цитоплазмы мембраны.С ДНК связано небольшое количество РНК и РНК-полимеразы. ДНК свернута вокруг центрального стержня, состоящего из РНК, и представляет собой высокоупорядоченную компактную структуру. Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах 1-3 х109, константу седиментации 1300-2000 S. Молекула ДНК включает 1,6х10 нуклеотидных пар. Различия в генетическом аппарате прокариотических и эукариотических клеток обусловливают его название: у первых - нуклеоид (образование, подобное ядру), в отличие от ядра у вторых.
В нуклеоиде бактерий содержится основная наследственная информация, которая реализуется в синтезе специфических белковых молекул. С ДНК бактериальной клетки связаны системы репликации, репарации, транскрипции и трансляции.
Нуклеоид в прокариотической клетке может быть выявлен в окрашенных препаратах с помощью светового или фазово-контрастного микроскопа.э
У многих бактерий в цитоплазме обнаружены внехромосомные генетические элементы - плазмиды. Они представляют собой замкнутые в кольца двухцепочечные ДНК, состоящие из 1500-40000 пар нуклеотидов и содержащие до 100 генов.
Капсула
Капсула - слизистый слой клеточной стенки бактерий, состоящий из полисахаридов или полипептидов. Микрокапсулу (толщиной менее 0,2 мкм) способны формировать большинство бактерий.Жгутики
Жгутики выполняют роль органа движения, позволяющего бактериям передвигаться со скоростью 20-60 мкм/сек. Бактерии могут иметь один или несколько жгутиков, располагающихся по всей поверхности тела либо собранных в пучки у одного полюса, у разных полюсов. Толщина жгутиков в среднем составляет 10-30 нм, а длина достигает 10-20 мкм.Основу жгутика составляет длинная спиральная нить (фибрилла), которая у поверхности клеточной стенки переходит в утолщенную изогнутую структуру - крюк и прикрепляется к базальной грануле, вмонтированной в клеточную стенку и ЦПМ (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Схематическая модель базального конца жгутика Е. coli, основанная на электронных микрофотографиях выделенной органеллы
Базальные гранулы имеют диаметр около 40 нм и состоят из нескольких колец (одна пара - у грамположительных бактерий, четыре - у грамотрицательных прокариот). Удаление пептидогликанового слоя клеточной стенки ведет к потере способности бактерий к движению, хотя жгутики при этом остаются неповрежденными.
Жгутики почти полностью состоят из белка флагеллина с некоторым содержанием углеводов и РНК.
Споры
Некоторые бактерии в конце периода активного роста способны образовывать споры. Этому предшествует обеднение среды питательными веществами, изменение ее рН, накопление ядовитых продуктов метаболизма. Как правило, одна бактериальная клетка образует одну спору - локализация спор различна (центральная, терминальная, субтерминальная - рис. 1.9).
Рис. 1.9. Типичные формы спорообразующих клеток.
Если размеры спор не превышают поперечного размера палочковидной бактерии, то последняя называется бациллой. Когда диаметр споры больше - бактерии имеют форму веретена и носят название клостридий.
По химическому составу различие спор от вегетативных клеток состоит лишь в количественном содержании химических соединений. Споры содержат меньше воды и больше липидов.
В состоянии споры микроорганизмы метаболически неактивны, выдерживают высокую температуру (140-150°С) и воздействие химических дезинфицирующих веществ, длительно сохраняются в окружающей среде.
Попадая в питательную среду, споры прорастают в вегетативные клетки. Процесс прорастания спор включает три стадии: активации, начальной стадии и стадии роста. К активирующим агентам, нарушающим состояние покоя, относят повышенную температуру, кислую реакцию среды, механические повреждения и др. Спора начинает поглощать воду и с помощью гидролитических ферментов разрушает многие собственные структурные компоненты. После разрушения наружных слоев наступает период формирования вегетативной клетки с активацией биосинтеза, заканчивающейся делением клетки.
Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик