Строение бактериальной клетки

Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особенностей, касающихся как её ультраструктурной, так и химической организации.

Главная особенность прокариотной клетки - отсутствие ядра, ограниченного от цитоплазм двойной мембраной. Наследственный материал сосредоточен в бактериальной хромосоме, обычно представленной в виде кольцевой молекулы двухцепочечной ДНК. У некоторых спирохет, родококков, агробактерий обнаружены хромосомы линейного типа, а у актиномицетов - "псевдокольцевые". У некоторых видов в клетке обнаружены две или даже три неидентичные хромосомы. Нитевидная молекула ДНК выполняет функцию ядра и располагается в центральной зоне клетки, называемой " нуклеоидом ". В электронном микроскопе на срезе бактериальной клетки эта зона выглядит более светлой, чем остальная цитоплазма.

У бактерий может присутствовать дополнительная молекула ДНК в виде внехромосомных элементов либо интегрированных в генофор. подобные включения обозначаются термином " плазмиды" (соответственно эписомальные и интегрированные). Для ДНК эписом тоже характерна кольцевая форма, но по размеру эписомы меньше бактериальной хромосомы Плазмиды несут ряд различных генов и часто определяют вирулентность бактерий, но информация, содержащаяся в плазмидах, не абсолютно необходима для бактериальной клетки.

Цитоплазматическая мембрана, окружающая каждую клетку, определяет её величину и обеспечивает сохранение существенных различий между клеточным содержимым и окружающей средой. В клетке бактерий отсутствует мембранная сеть - эндоплазматический ретикулум, цитоплазматическая мембрана, лежащая под клеточной стенкой и отгораживающая снаружи протопласт, является единственной мембраной в клетке.

Но мембрана - это не просто механическая перегородка. Она служит также высокоизбирательным фильтром, который поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны и позволяет питательным веществам проникать внутрь клетки, а продуктам выделения выходить наружу. Цитоплазматическая мембрана представляет собой ансамбль липидных и белковых молекул. удерживаемых с помощью нековалентных взаимодействий. В электронном микроскопе мембраны имеют вид листков толщиной около 7 нм с выраженной трёхслойной структурой, двойной слой липидных молекул определяет структурные особенности мембраны, белки же ответственны за большинство мембранных функций.

В цитоплазматической мембране прокариот существуют многочисленные впячивания - инвагинации, которые выполняют разные функции. Они могут содержать ферменты энергетического метаболизма и соответственно выполнять функции митохондрий или являться мезосомами и участвовать в делении клетки. Из цитоплазматической мембраны формируются покровы эндоспор. Она представляет собой также главный барьер для проникновения веществ внутрь клетки.

Структуры, расположенные снаружи от цитоплазматической мембраны, - клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, фимбрии, пили, ворсинки - являются поверхностными структурами.

Клеточная стенка - важный и обязательный структурный компонент большинства прокариотных клеток (истинных бактерий, не считая архебактерий и микоплазм). Располагается под капсулой или слизистым чехлом или (в случае отсутствия последнего) - контактирует с окружающей средой. Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придаёт клетке определённую присущую ей форму - ригидность. Состав и строение клеточной стенки – важный систематический признак, по которому все прокариоты подразделяются на следующие группы: грамположительные, грамотрицательные и не имеющие клеточной стенки.

Названия этих групп происходят от способности или неспособности разных бактерий окрашиваться по Граму. Датским врачом К. Грамом, занимавшимся окрашиванием тканей, в 1884 г. был предложен метод окраски, который позднее использован для бактерий. Его суть мы подробно рассмотрим на лабораторном занятии, а пока отметим, что клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Г+ бактерии хорошо удерживают внутри клетки красящий комплекс генцианового фиолетового с иодом, а Г - - теряют окраску после обработки спиртом.

Эмпирически найденные различия между двумя группами бактерий в отношении окраски по Граму оказались коррелятивно связанными со многими другими важными признаками. Например, Г+ бактерии размножаются бинарным делением за счёт формирования поперечной перегородки в клетке, грамотрицательные - путём образования перетяжки. Первые чувствительны к пенициллину, вторые - нет. Г- бактерии не образуют эндоспор, а некоторые Г+ их образуют.

По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой эукариотичных организмов. Клеточная стенка прокариот состоит из нескольких слоёв, из них основной - каркасный - слой, ответственный за прочность, формируется из особого вещества - пептидогликана муреина, который синтезируется только прокариотной клеткой и не встречается у других организмов. Это поперечносшитый биополимер, гетерополисахарид, формирующий замкнутый мешок, полностью покрывающий клетку снаружи. Муреин составляет основную массу клеточной стенки Г+ бактерий (в 40 раз больше, чем Г^-). Полисахаридный состав молекулы построен из чередующихся остатков N -ацетилглюкозамина и N - ацетилмурамовой кислоты, соединённых между собой с помощью гликозидных связей. Муреиновый мешок достаточно эластичен и под действием внешних факторов может растягиваться и сжиматься до 4-х раз. Интересно, что такая биологическая структура, как муреин, возникла в ходе эволюции дважды, поскольку некоторые археи содержат аналогичный по строению биополимер, состоящий из других исходных материалов.

В состав клеточной стенки входят также тейхоевые кислоты и полисахариды. Тейхоевые кислоты представляют собой полимеры, построенные на основе многоатомных спиртов (рибита и глицерина), соединённых между собой фосфодиэфирными связями. Считается, что тейхоевые кислоты придают муреиновому мешку определённую степень свободы при растяжении и сжатии и действуют наподобие пружин в матрасе.

У Г- эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее. В её состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к цитоплазматической мембране. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки - наружная мембрана, которая состоит из фосфолипидов, белков, липопротеина и липополисахарида. Между цитоплазматической и внешней мембранами возникает уникальное периплазматическое пространство. Внешняя мембрана содержит белки-порины, формирующие поры. Кроме того, она обеспечивает контакт клеток между собой, с поверхностью субстрата и удерживает ряд внешних структурных образований, например пили.

Пили – нитеобразные полимерные органеллы белковой природы, локализованные на поверхности клеток. Обозначает все типы нежгутиковых образований на поверхности клетки (фимбрии). Пили выступают акцепторами бактериофагов. Помогают клеткам принимать и передовать ДНК при коньюгации и принимать участие в движении клетки. Основное назначение – поддержка специфических прикрепительных структур клеток.

Прокариоты, не имеющие клеточной стенки, называются микоплазмами. Это сапротрофы и внутриклеточные паразиты растений, человека, животных.

Клеточная стенка прокариот механически защищает клетку от воздействия окружающей среды, обеспечивает поддержание её внешней формы, даёт возможность клетке существовать в гипотонических растворах. С клеточной стенкой связана проницаемость и транспорт веществ в клетку.

Под цитоплазматической мембраной у бактерий находится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бактерий и их возраста. В цитоплазме могут находиться включения (мезосомы, газовые вакуоли) и запасные вещества (β-гидроксибутират, гранулы гликогена и серы, карбоксисомы, пароспоральные тельца). Некоторые из включений просто лежат в цитоплазме, другие окружены тонкой мембраной (2-4 нм).

Цитоплазма прокариотной клетки не подвержена циклическому движению, как у растений или сократительным явлениям, как у амёб. Бактериальные клетки осуществляют движение за счёт других механизмов: либо при помощи просто устроенных жгутиков, отличающихся от сложных жгутиков эукариот, они активно плавают в жидкой среде либо скользят, выделяя слизь и перемещаясь по поверхности плотного субстрата. Несколько модифицированный тип движения наблюдается у спирохет, которые обладают «аксиальной нитью».

Бактериальные жгутики располагаются по полюсам или по разным сторонам клетки. В зависимости от числа и расположения жгутиков различают монотрихи (один полярный жгутик), амфитрихи (жгутики на двух полюсах), лофотрихи (пучок жгутиков) и перетрихи (жгутики по всей поверхности клетки). Жгутики построены иначе. Чем у эукариот (9+2). У бактерий жгутики правовращающие, у архей – левовращающие. Жгутик состоит из базального тела, включающего 4 или 2 кольца, стержень,белки мотора, а также из крючка и филломента (цилиндр состоит из белка флагеллина).Подвижные клетки бактерий активно перемещаются в направлении, определяемом теми или иными факторами. Такие направленные перемещения бактерий называют "таксисами".

Покоящиеся клетки бактерий представлены у Г+ бактерий эндоспорами, у Г- -цистами. Споры бактерий обладают уникальной устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Устойчивость спор связана с наличием у них особого слоя в клеточной стенке - кортекса.

Эндоспоры остаются жизнеспособными в течение 500 лет, споры актиномицетов до 7500 лет, бацилл -25-30 млн лет (в кишечнике пчелы в кусочке янтаря).

Тип спосрообразования (бациллярный, клостридиальный и плектридиальный) часто помогает идентифицировать культуру.

Циста – потерявшая подвижность клетка с утолщённой ослизненной оболочкой. Устойчивая к высушиванию и перепадам температур. Цисты характеризуются состоянием покоя со значительно сниженной метаболической активностью. Функции: защищают от вредных воздействий окружающей среды, служат способом сохранения ДНК, способ передачи информационного начала от хозяина к хозяину (у патогеннов). Прорастание стимулируется благоприятными внешними условиями.

Снаружи клеточные стенки прокариот часто бывают окружены слизистым веществом. Такие образования в зависимости от структурных особенностей получили название капсул, слизистых слоёв, чехлов или влагалищ (у нитчатых бактерий). Все они являются результатом биосинтеза прокариотами органических полимеров, в основном полисахаридной природы, и отложения их вокруг клеток. Как правило, химический состав капсул, образуемых бактериями, родо- и видоспецифичен. Капсулы и чехлы защищают клетку от повреждений, высыхания, создают дополнительный барьер, служат препятствием для проникновения фагов, создают вокруг клеток особую среду, обеспечивающую определённый водный режим.

Форма клетки прокариот очень разнообразна. Выделяют три основные формы бактерий - шаровидные или овальные - кокки, палочки (бациллы) и спиралевидные.

Кокки подразделяют на парные - диплококки, тетракокки, пакетообразные кокки или сарцины, располагающиеся этажами, стрептококки - в цепочках, стафилококки, образующие бесформенные скопления, напоминающие гроздья винограда.

Среди палочек выделяют одиночные, беспорядочно расположенные, диплобациллы, расположенные попарно и стрептобациллы - в цепочках

Спиралевидные бактерии разделяют на две группы - вибрионы и спирохеты и спириллы, имеющие изгибы, равные одному или нескольким оборотам спирали.

Многоклеточные прокариоты имеют форму нитей или червеобразную форму.

Таким образом, бактерии морфологически сравнительно слабо дифференцированы, поэтому среди них можно различить лишь ограниченное число форм. С таким внешним "единообразием" удивительно контрастирует чрезвычайное многообразие метаболических процессов.

Основы классификации бактерий

Классификация микроорганизмов, причисляемым к прокариотам, учитывает в первую очередь практические моменты и служит для распознавания описанных форм. Под классификацией понимают распределение единиц по группам более высокого порядка. Она осуществляется по иерархической системе. Основной единицей является чистая культура выделенной бактерии - "штамм". Штаммы объединяются в виды (species), виды в роды (genus, мн. числ. genera), а роды в семейства. Основой для классификации служит адекватное описание штаммов. в соответствии с которым и проводят сравнение и разграничение рассматриваемых единиц. Установлением соподчинения отдельных групп организмов занимается таксономия.

Различают два вида классификаций: филогенетические "естественные" и искусственные. Построение естественной классификации - конечная цель таксономии бактерий, которая состоит в том, чтобы объединить родственные формы, связанные общностью происхождения, и на этой основе создать филогенетическое древо бактерий. Несомненно, когда-нибудь это удастся сделать, исходя из химических признаков - таких, как последовательность аминокислот в функционально сходных белках или последовательность нуклеотидов в консервативных нуклеиновых кислотах, например в рибосомных РНК.

Искусственная классификация ставит перед собой более скромные задачи. Она довольствуется объединением организмов в отдельные группы на основе их сходства и используется для идентификации и определения организмов. Искусственная система рассчитана на использование её в качестве ключа для определения. Наиболее полный труд, в котором описаны бактерии, - это "Руководство по определению бактерий Берги". Первое издание определителя, подготовленное Американским обществом микробиологов, вышло в 1928, последнее - девятое - в 1994. Это признанный во всём мире, регулярно переиздаваемый многотомный труд, подготовленный международным коллективом из лучших специалистов по той или иной группе микроорганизмов (около 300 авторов). На русский 9-е американское издание переведено в 1997 г, благодаря бескорыстной работе русских микробиологов, с готовностью отдавших своё время и знания для перевода соответствующих глав. Это справочник для идентификации бактерий, необходимый в каждой лаборатории.

Разделение бактерий по группам на основании фенотипических признаков (морфологии, физиологии) удобно в практических целях для быстрой идентификации организмов. Организмы объединяются в искусственные группы, или "секции", не имеющие таксономического статуса и часто обозначаемые по наиболее характерному роду или названию. По такому принципу построен Определитель Берджи (9-е изд., 1997)

Краеугольное для каждой классификации понятие "вид" для бактерий до сих пор не имеет чёткого определения. Разнообразные механизмы изменчивости бактерий обусловливают определённую нестабильность признаков, совокупность которых определяет тот или иной вид. Поэтому в систематике бактерий широко применяют понятие " вариант". Различают морфологические, биологические, ферментативные, серологические и многие другие варианты

В микробиологии также применяют специализированные понятия и термины - " штамм" и "клон". Термин " штамм" определяет культуру микроорганизмов, выделенную из определённого конкретного источника. клоном называют культуру микроорганизмов, полученную из одной материнской клетки.