Поверхневі структури прокаріотичної клітини

Структу­ра	Локалізація	Будова і розміри	Хімічний склад
Клітинна стінка	Шар, що прилягає до цитоплазматичної мемб­рани	Г^-:внутрішній шар ~1,5-3,0 мкм. Зовнішня мембрана ~ 7-10 нм	Пептидоглікан, Р-ліпі­ди, білки, ЛПС
Г^+: гомогенна структура, 20 - 40 нм.	Пептидоглікан, тейхо­єві кислоти
Капсула	Дифузний шар із зов­нішнього боку клітинної стінки	Гомогенна структура низької щільності і різної товщини	Полісахариди, рідше поліпептиди
Чохли	Те саме	Те саме	Гетерополісахариди
Стеблин­ки	Направлене виділення слизу із зовнішнього бо­ку клітинної стінки	Слизова речовина: Gallionella, Nevskia. Ниткоподібні вирости: Caulobacter, Rhodomicrobium, Hiphomicrobium	Полісахариди, інкрус­товані окислами заліза
Простеки	Вирости клітинної стін­ки і цитоплазматичної мембрани	Ниткоподібні структури	Матеріал клітинної стінки і цитоплазма­тичної мембрани
Пілі	Закріплюються в про­топласті, проходять крізь ЦПМ і клітинну стінку	Нитка, ~4-10 мкм	Пілін
Джгути-ки	Закріплюються в клі­тинній стінці і прони­зують її	Нитка, завдовжки до 12 мкм	Флагелін

 

 

Цитоплазматична мембрана та внутрішньоклітинні

Структури бактерій

Цитоплазма – це вміст клітини, оточений цитоплазматичною мембра­ною ( ЦПМ). Вона є середовищем, яке зв’язує всі внутрішньоклітинні струк­тури в єдину систему. Внутрішню порожнину клітини заповнює цитозоль – напіврідка колоїдна маса, що складається на 70-85% з води, РНК, білків (включаючи ферменти), продуктів і субстратів метаболічних процесів. У ци­топлазмі знаходяться структури клітини (рибосоми, нуклеоїд та ін.), цито­плазматичні мембранні утвори (газові вакуолі, мезосоми, хроматофори, тила­коїди), включення, оточені білковою мембраною (хлоросоми, фікобілісоми, аеросоми, мегнетосоми, карбоксисоми), а також структури, позбавлені мем­брани, котрі розглядаються як запасні речовини.

ЦПМ є обов’язковим і життєво важливим структурним елементом кожної клітини. Порушення цілісності ЦПМ супроводжується втратою клі­тиною життєздатності.

ЦПМ виконує низку важливих функцій:

- служить вибірковим бар’єром між внутрішнім вмістом клітини і зов­нішнім середовищем;

- ЦПМ клітин багатьох груп прокаріот відіграє значну роль в енергетичному обміні клітини, чого не спостерігається в клітин еукаріот. Наприклад, в аеробних бактерій дихальна система перенесення електронів “вмонтована” в ЦПМ. (В еукаріот ця система локалізована в мітохондріях). При цьому бактерії з інтенсивним типом дихальної системи мають досить складну структуру ЦПМ – утворюються численні вп’ячування, які проникають у цитоплазму;

- вважається, що на внутрішній поверхні ЦПМ знаходяться спеціальні ді­лянки, до яких прикріплюється ДНК. Це підтверджується і тим, що ріст мембрани (її подовження) супроводжується поділом геномів.

- ЦПМ виявляє певну пружність, але в той же час здатна і розтягуватися. Наприклад, якщо клітини Acholeplasma laidlawii помістити в гіпотонічний розчин NaCl, то їх поверхня збільшується приблизно на 50% без пору­шення цілісності мембрани.

 

На долю ЦПМ припадає 8-15% сухої маси клітини. На електронних мікрофотографіях ультратонких зрізів ЦПМ має тришарову структуру (рис. 41): два електронно-щільних шари, які обмежують електронно-прозорий про­міжок. При цьому осмофільні електронно-щільні шари мають товщину 2-3 нм кожен, а електронно-прозорий проміжок між ними – 4-5 нм.

За хімічним складом ЦПМ є білково-ліпідним комплексом, який міс­тить 50-75% білків, 15-45% ліпідів та невелику кількість вуглеводів. У ліпі­дах мембран багатьох прокаріот виявлено низку специфічних жирних кислот, яких немає в мембранах еукаріотичних клітин.

Найдетальніше вивченим компонентом мембран мікроорганізмів є лі­піди. В деяких бактерій, зокрема в грампозитивних, основна частина клітин­них ліпідів локалізована в мембрані протопластів. Ліпіди мембрани склада­ються з фосфо- і нейтральних ліпідів. Фосфоліпіди є основними ліпідами ЦПМ бактеріальної клітини. Вони становлять ~20-30% сухої маси клітини, або 70-90% сухої маси ЦПМ.

Скелет молекули мембранних Р-ліпідів утворюється фосфатидною кислотою (ФК), до складу якої входять гліцерин і залишки жирних кислот (R) ( рис. 42). До ФК приєднуються залишки спиртів, амінокислот та інших сполук (Х).

 

 

Найбільш поширеними серед мембранних Р-ліпідів є: фосфатидил­етаноламін (ФЕ): ; фосфатидилгліцерин (ФГ): та дифосфатидилгліцерин (кардіоліпін – КЛ): .

Склад Р-ліпідів може значно змінюватися, але функції мембрани, як правило, не порушуються. Але якщо вміст фосфатидилетаноламіну зменшу­ється більше як на 50%, ріст клітини припиняється. Такий ефект не спос­терігається навіть за повної відсутності кардіоліпіну.

Близько 50% поверхні мембрани зайнято білками. Деякі з них мають слабкий зв’язок з ЦПМ і при зміні іонної сили розчину можуть вивільнятися. Ці білки називають периферійними. Частина білків має досить стійкий зв’я­зок з ліпідами ЦПМ, утворюючи білково-ліпідні комплекси, які становлять ~10% маси мембрани. Такі білки називають інтегральними.

Білковий склад ЦПМ досить різноманітний. У мембрані E. coli, нап­риклад, визначається близько 120 різних білків. Серед них особливе місце займають транспортні білки, до яких належать пермеази, і білки, які забезпе­чують активний транспорт речовин, а також біосинтетичні ферменти, які здійснюють кінцеві етапи синтезу мембранних ліпідів і макромолекул клі­тинної стінки (муреїну, тейхоєвих кислот, ліпополісахаридів).

У мембрані прокаріот знаходяться компоненти апарату регенерації АТР, а в пурпурових бактерій (Rhodospirillum) у ЦПМ локалізований і фото­синтетичний апарат клітини.

Більшість мембран мікроорганізмів містять 2-5% вуглеводів. У деяких випадках вони можуть бути залишковим матеріалом клітинної стінки, що прилип до мембрани. Є дані, що в мембранах грампозитивних бактерій міс­тяться гліколіпіди. Так, мембрани Micrococcus lysodeikticus містять манозил­дигліцерид, а в Streptococcus faecalis виявляються моноглюкозилдигліцерид і галактозилглюкозилдигліцерид.

Площа ЦПМ може змінюватися за рахунок інвагінацій. Останні утво­рюються в центрі клітинного поділу. Вважається, що такі інвагінаційні струк­тури беруть участь у побудові поперечної перетинки в клітині під час її поділу.

Інвагінаційні утвори необхідні також для розміщення центрів дихаль­ної і фотосинтетичної активності. Це підтверджується, зокрема, тим, що такі інвагінації визначаються в мембранах бактерій з високою дихальною ак­тивністю (Azotobacter, нітрифікуючі бактерії).

Таким чином, ЦПМ прокаріотичної клітини, в цілому, подібна до мем­брани еукаріотичної клітини, але в бактерій вона багатша на білки.

Раніше були описані відмінності між прокаріотичними і еукаріотич­ними клітинами щодо їх мембранних систем (див. табл. 1). Відсутність у про­каріот типових органел, тобто структур, повністю відмежованих від цитоп­лазми елементарними мембранами, – принципова особливість їхньої клітин­ної організації.

Серед внутрішньоцитоплазматичних мембран розрізняють декілька видів (табл. 7). Розвинута система внутрішньоцитоплазматичних мембран ха­рактерна для більшості фотосинтезуючих прокаріот. Оскільки доведено, що в цих мембранах локалізований фотосинтетичний апарат клітини, вони дістали загальну назву фотосинтетичні мембрани. Усі фотосинтетичні мембрани, як і всі внутрішньоклітинні, – похідні цитоплазматичної мембрани, що утворили­ся внаслідок її розростання і глибинного вп’ячування (інвагінації) в цито­плазму. В деяких бактерій (наприклад, пурпурових) фотосинтетичні мембра­ни зберігають тісний зв’язок з ЦПМ і легко виявляються при електронно-мік­роскопічному дослідженні ультратонких зрізів клітини. В ціанобактерій та­кий зв’язок менш виражений.

Таблиця 7

Мембрани прокаріот

 

Прокаріоти	Фізіологічні групи	Мембрани
зовнішня клітинна мембрана	ЦПМ	Внутрішньоцитоплазматичні
фотосин-тетичні	мезосо-мальні	інші
Грампозитивні	Хемотрофи	-	+	-	+	-
Грамнегативні	Фототрофи	+	+	+	+ *	-
Хемотрофи	+	+	-	+	+**

* Не виявляється в зелених бактерій і ціанобактерій Gloeobacter violaceus.

** Сильно розвинуті в нітрифікуючих, азотфіксуючих, метанокиснюючих бактерій.

 

Внутрішньоцитоплазматичні мембрани фотосинтезуючих бактерій можуть мати вигляд трубочок, пухирців (везикул, хроматофорів) або сплю­щених замкнутих дисків (тилакоїдів), утворених двома тісно зближеними мембранними пластинами (ламелами). Система фотосинтетичних мембран дуже пластична. Її морфологія і ступінь розвитку в клітині визначаються ба­гатьма факторами зовнішнього середовища (інтенсивність світла, концентра­ція кисню, наявність поживних речовин) та віковими характеристиками культури. Проте в групі зелених бактерій та ціанобактерій Gloeobacter viola­ceus внутрішньоклітинні фотосинтетичні мембрани не виявляються. Основні компоненти їхнього фотосинтетичного апарату локалізовані в ЦПМ, і лише світлозбираючі пігменти (хлоросоми в зелених бактерій і фікобілісоми у ціанобактерій) знаходяться в особливих структурах, які прилягають до ЦПМ і не мають елементарної мембрани.

У прокаріотичних організмів описані локальні вп’ячування ЦПМ – мезосоми, які добре розвинені і складно організовані в грампозитивних бак­терій. У грамнегативних прокаріот ці структури виявляються рідше і вони простіше організовані.

Мезосоми – це відносно прості, а інколи й досить складні вп’ячування ЦПМ. Вони відрізняються розмірами, формою і локалізацією в клітині. Ви­діляють три основних типи мезосом: ламелярні (пластинчасті), везикулярні (мають форму пухирців) і тубулярні (трубчасті) (рис. 43).

 

Часто можна спостерігати мезосоми змішаного типу, вони можуть складатися з ламел, трубочок і пухирців. За розташуванням у клітині розріз­няють: мезосоми, які утворюються в зоні клітинного поділу і формування по­перечної перетинки (септи); мезосоми, до яких прикріплений нуклеоїд; ме­зосоми, які сформовані внаслідок інвагінації периферійних ділянок ЦПМ.

Термін «нуклеїдосоми» відноситься до мезосомальноподібних утво­рень, зв'язаних з хромосомою. Зв’язок ДНК зі специфічною ділянкою мем­брани необхідний для функціонування геному, проте, як й істинні мезосоми, нуклеїдосоми виявляються не в усіх бактерій і не завжди, тобто їх наявність у клітині не обов’язкова.

Існують різні точки зору щодо ролі мезосом у прокаріотичній клітині. Деякі автори вважають, що вони не є обов’язковими структурами прокаріот, а служать лише для підсилення певних функцій клітини, збільшуючи за­гальну “робочу” поверхню мембрани. Є також дані, що з мезосомами пов’я­зане підсилення енергетичного метаболізму клітин. Вважається, що ці струк­тури відіграють певну роль у реплікації хромосоми та її розходженні між дочір­німи клітинами. Встановлено, що мезосоми деяких грампозитивих бак­терій беруть участь у секреторних процесах. Висловлюється також думка, що мезосоми не беруть активної участі в процесах клітинного метаболізму, а ви­конують структурну функцію, забезпечуючи компартменталізацію прокаріо­тичної клітини, тобто просторове розмежування внутрішньоклітинного вмісту на відносно відокремлені ділянки, що створює більш сприятливі умо­ви для перебігу певних ланок ферментативних реакцій.

Таким чином, одночасне існування різних гіпотез відносно ролі мезо­сом у прокаріотичній клітині свідчить про те, що їхні функції продовжують залишатися не з’ясованими.

Добре розвинута система внутрішньоцитоплазматичних мембран, яка морфологічно відрізняється від мезосомальних, описана в представників трьох груп грамнегативних хемотрофних бактерій (азотфіксуючих, нітрифі­куючих, метанокиснюючих), для яких встановлена висока активність дихан­ня, а також здатність метаболізувати розчинні в рідкому середовищі газопо­дібні сполуки.

Хроматофори. Для деяких груп мікроорганізмів характерна наявність мембранних систем, які є похідними ЦПМ і просторово зв’язані з нею, хоча такий зв’язок не завжди виявляється.

На внутрішньоклітинних мембранних системах, які визначаються як хроматофори, локалізовані процеси фотосинтезу в пурпурових бактерій. У Rhodospirillum, Thiocystis, Chromatium і багатьох інших пурпурових бактерій мембранні структури хроматофора мають вигляд трубочок і пухирців діа­метром 20-100 нм. Трубочки та пухирці утворюють у клітині складну мем­бранну сітку і в численних ділянках зберігають зв’язок з ЦПМ. На репліках із сколів таких мембран на внутрішній поверхні виявляються частинки діаметром 7 і 10 нм.

У деяких пурпурових бактерій (наприклад, Thiocapsa pfennigii) хрома­тофор утворений системою трубочок, розташованих паралельними або розга­луженими рядами. Хроматофори Rhodopseudomonas gelatinosa і R. tenue явля­ють собою подвоєні мембранні пластинки, котрі є виростами ЦПМ. Такі под­воєні мембрани називають тилакоїдами. В клітинах деяких пурпурних бак­терій тилакоїди зібрані в стоси. Стоси дисковидних тилакоїдів виявляються в клітинах деяких видів Rhodopseudomonas і Ectothiorhodospira. Пурпурові бак­терії, які брунькуються (наприклад, Rhodomicrobium, Rhodopseudomonas viri­dis), мають хроматофори у вигляді пластинок, розташованих паралельно клі­тинній стінці. Такий хроматофор складається інколи з декількох тилакоїдів, на полюсі клітини він має отвір, через який у бруньки може переходити ДНК після поділу нуклеоїду. При брунькуванні тилакоїди залишаються в материн­ській клітині, а в бруньках вони утворюються заново.

На відміну від хлоропластів рослин, хроматофори бактерій можуть зникати й утворюватися заново. Це явище спостерігається в бактерій, здат­них до гетеротрофного розвитку в темряві. При цьому хроматофори в темряві зникають і знову з’являються при вирощуванні бактерій на світлі.

Розвиток системи внутрішньоклітинних мембран властивий метан­окиснюючим бактеріям. У них виявляється два типи таких мембран. Мембра­ни типу I складаються із стосів щільно упакованих везикулярних дисків, роз­ташованих по всій цитоплазмі. Такий тип структур виявлено в Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus. Ці структури утворюються за рахунок інвагіна­ції ЦПМ на одному з полюсів, хоча точка контакту внутрішньоклітинних структур і цитоплазматичної мембрани може бути дещо зміщена від полюса клітини. Мембрани типу II характерні для Methylosinus, Methylocystis, Methy­lobacterium – це спарені мембранні шари, розташовані по периферії цитоплаз­ми.

Функціональна роль внутрішньоклітинних мембранних систем мети­лотрофів до кінця не вивчена, але є думка, що завдяки їхній наявності збіль­шується локальна концентрація субстратів (метану й кисню) метанмоно­оксигенази, відбувається просторове зближення всіх компонентів, які беруть участь в окисненні метану.

Бактеріальні рибосоми служать місцем синтезу білка. Це округлі рибонуклепротеїнові частинки розміром 16-18 нм, розташовані в цитоплазмі. В рибосомах міститься 80-85% усієї бактеріальної РНК.

Рибосома складається з двох субчастинок: у бактерій – це субчастин­ки 30S та 50S, які утворюють рибосому 70S типу, тобто рибосому, яка при ультрацентрифугуванні осідає зі швидкістю біля 70 одиниць Сведберга (S), їх називають 70S-рибосомами. Бактеріальна клітина має приблизно від 5 000 до 90 000 рибосом, що визначається інтенсивністю синтезу білка. Еукаріоти мають рибосоми 80S типу.

30S субчастинка має одну молекулу 16S РНК і, в більшості випадків, по одній молекулі білка 21 виду. Білкові молекули позначаються S1-S21 від­повідно до їх положення в поліакріламідному гелі при хроматографії. 50S-субодиниця складається з двох молекул РНК (23S і 5S) і по одній копії білків 34 видів – L1-L34. Більшість рибосомальних білків знаходяться в одній копії і виконують структурну функцію.

Будова рибосоми еубактерій, архебактерій та еукаріот у загальних ри­сах подібна (рис. 44). Разом з тим мають місце і деякі відмінності: рибосоми архебактерій і еукаріот мають дзьобик (носик), відсутній в еубактеріальних рибосом; рибосома еукаріот відрізняється від бактеріальної наявністю ло­пастей.

Таким чином, бактеріальна клітина містить у цитоплазмі всі необхідні структури, які забезпечують її життєдіяльність.

Запасні речовини знаходяться в осмотично інертній формі, але якщо умови змінюються і стають сприятливими для росту, то вони включаються в метаболічні процеси (табл. 8). За консистенцією ці речовини можна поділи­ти на рідкі (наприклад, полі-b-гідроксимасляна кислота – ПОМК), напіврідкі (сірка) та тверді (глікоген).

 

 

Для мікроорганізмів, як і для організмів тварин, вуглеводи не є основ­ним будівельним матеріалом. Це характерно лише для рослин, котрі є джере­лом вуглеводів для всіх інших живих істот.

Мікроорганізмам властиве накопичення деяких вуглеводів як запас­них поживних речовин. До таких речовин належать глікоген, який називають тваринним крохмалем, бо він утворюється в організмі людини і тварин і використовується як запасний енергетичний матеріал.

Запасні полісахариди бактерій (глікоген) – це глюкани, котрі на відміну від полісахаридів клітинної стінки утворюються з a-D-глюкози. Скелет мо­лекули має глюкозидні зв’язки a(1-4)-типу та зв’язки в точках галуження a-(1-6)-типу. Галуження відходять у середньому через кожних 12 залишків глюкози в основному ланцюзі.

При реакції з розчином Люголя полісахариди утворюють червоно-фіолетове (або коричневе) забарвлення. Молекулярна маса глікогену може досягати 1 000 000. Глікоген, або тваринний крохмаль, має риси подібності з амілопектином, але його ланцюги мають більше галуження. Він виявляється в клітинах дріжджів і деяких бацил (B. polymyxa), багатьох представників ро­дини Enterobacteriaceae (Escherichia, Salmonella), у Sarcina, Arthrobacter.

 

Таблиця 8

Запасні речовини прокаріот

 

Запасна речовина	Структурна характеристика	Хімічний склад	Функції	Розповсюдження
Гранули глікогену (a-гранули)	Сферичної форми, діаметр 20-100 нм	Високомолекулярні полімери глюкози	Джерело вуглецю й енергії	Широко розповсюджений тип за­пасних речовин
Гранули полі-b-ок­симасляної кислоти	Діаметр 100-1000 нм; оточені одно­шаровою білковою мембраною 2-3 нм завтовшки	98% полімеру полі-b-окси­масляної кислоти; 2% білка	Джерело вуглецю й енергії	Широко розповсюджені лише в прокаріот
Ціанофіцинові гранули	Розмір і форма різні; можуть дося­гати в діаметрі 500 нм	Поліпептид, який містить аргінін і аспарагінову кисло­ту (1:1); М.м. – 25-100х10^3 D	Джерело азоту	Виявляються в багатьох видів ціанобактерій
Гранули поліфос-фату	Діаметр близько 500 нм, залежить від об’єкта і умов вирощування	Лінійні полімери ортофос­фату	Джерело фосфору	Розповсюджений тип запасних гранул
Гранули сірки	Діаметр 100-800 нм; оточені одно­шаровою білковою мембраною завтовшки 2-3 нм	Включення рідкої сірки	Донор електронів або джерело енергії	Пурпурові сіркобактерії, без­барвні бактерії, які окиснюють H2S
Вуглеводневі гранули	Діаметр 200-300 нм; оточені білко­вою оболонкою 2-4 нм завтовшки	Вуглеводні такого ж типу, що і в середовищі	Джерело вуглецю й енергії	Представники родів Arthrobacter, Acinetobacter, Mycobacterium, Nocardia та інші прокаріоти, які використовують вуглеводні

 

 

При мікроскопії глікоген має вигляд округлих електронно-щільних гранул діаметром до 200 нм. Гранули можна розчинити шляхом обробки га­рячим KOH.

Завдяки a–глюкозидним зв’язкам поліглюкозні ланцюги не витягнуті в довжину, а закручені гвинтоподібно.

Накопичення полісахаридних гранул стимулюється дефіцитом азоту при надлишку джерела вуглецю й енергії в середовищі. При культивуванні бактерій в оптимальних умовах глікоген накопичується при переході культу­ри у фазу стаціонарного розвитку.

У клітинах деяких бактерій вміст полісахаридів може досягати 25% їхньої маси.

Жироподібні речовини. Гранули крапель жиру дуже часто зустрічають­ся в клітинах мікроорганізмів у формі полі-b-оксимасляної кислоти (ПОМК) – поліефіру b-оксимасляної кислоти, в якій окремі мономери з’єднані складним ефірним зв’язком за рахунок карбоксильної та гідроксильної груп сусідніх молекул b-оксимасляної кислоти.

 

ПОМК, як запасна речовина, виявляється в клітинах Azotobacter, Rhi­zobium, Bacillus, фототрофних бактерій і практично не зустрічається в облі­гатних анаеробних хемотрофів. У деяких бактерій, які окиснюють вуглевод­ні, полі-b-оксимасляна кислота становить до 70% сухої речовини клітин. На­копичення ліпідів у клітині відбувається в умовах, коли середовище багате на джерело вуглецю і бідне на азот.

ПОМК в клітинах має вигляд округлих, інколи довгастих гранул роз­міром 200-800 нм. У клітинах їхній вміст може досягати 80% від сухої маси. Для їх виявлення використовують ліпофільні барвники – судан 3 (гранули забарвлюються в червоний колір), судан чорний (гранули ПОМК мають чор­ний колір). Такі суданофільні гранули розчиняються у хлороформі, спиртах, піримідині, диоксані, толуолі, 1 М NaOH, камфорі і практично нерозчинні у воді, ефірі, метиловому й етиловому спиртах, ацетоні.

Гранули ПОМК оточені білковою мембраною, товщина якої колива­ється від 2,2 до 8,0 нм. З мембраною зв’язані ферменти синтезу і розпаду цієї запасної речовини.

У клітинах деяких бактерій, наприклад у B. cereus, представників роду Azotobacter, посилення синтезу ПОМК спостерігається при внесенні в се­редовище глюкози, а у Micrococcus halodenitrificans – у присутності гліцери­ну, пірувату або ацетату.

Важливим фактором, який стимулює синтез ПОМК, є лімітування ек­зогенного джерела азоту.

Якщо клітини, які містять гранули ПОМК, помістити в середовище без джерела вуглецю й енергії, то вони починають енергійно використо­вувати ПОМК.

Еукаріотичні організми не мають ферментів синтезу чи розпаду ПОМК, тому бактерії, які накопичують у своїх клітинах цю речовину, неба­жано використовувати для виробництва харчових чи кормових добавок.

У клітинах мікобактерій, нокардій і актиноміцетів у вакуолях можуть накопичуватися інші жироподібні речовини, здатні навіть виділятися у се­редовище. Так, у клітинах мікобактерій до 40% сухої маси становлять воски (складні ефіри вищих жирних кислот і спиртів).

Ліпіди служать для клітини хорошим джерелом вуглецю та енергії.

Поліфосфати. Багато бактерій і зелені водорості виявляють здатність запасати фосфорну кислоту у вигляді гранул поліфосфату. Вперше вони були виявлені в клітинах Spirillum volutans, тому їх називають волютиновими гра­нулами. Іншу свою назву – метахроматичні гранули – вони дістали через те, що поліфосфати викликають у деяких барвників (метиленовий синій, толуї­диновий синій) характерні зміни кольору – метахромазію. Волютин фарбу­ється основними барвниками, наприклад нейтральним червоним, толуїдино­вим синім, метиленовим синім. Два останніх барвники дають метахроматич­не забарвлення, при якому включення зафарбовуються у фіолетово-червоний колір. Фарбування волютину краще проводити при низьких значеннях pH, оскільки вони зберігають забарвлення в кислому середовищі, це є основним показником належності включень до волютинових.

 

 

В основі метахроматичного забарвлення лежить взаємодія полікатіо­нів, якими є основні барвники, з поліаніонами, тобто з поліфосфатами, що викликає поглинання барвниками хвиль більшої довжини. Суть цієї реакції полягає в полімеризації барвника на макромолекулах поліаніона.

Зерна поліфосфатів розчиняються в гарячій воді і слабких лугах. Вони нерозчинні в спиртах, ефірі та хлороформі.

У значних кількостях волютин накопичується в клітинах деяких корі­неформних бактерій. У клітинах Corynebacterium diphtheriae ці включення називають тільцями або зернами Бабеша-Ернста (на честь вчених, які впер­ше звернули на них увагу).

Волютин утворює гранули діаметром до 1 мкм, які складаються пере­важно з поліфосфатів, але в препаратах гранул виявляється також РНК, ДНК, білок.

Вважається, що волютинові гранули виконують функцію депо фосфа­тів, за рахунок яких клітина може ділитися при дефіциті фосфору в середо­вищі. В деяких випадках відмічається залежність накопичення і розкладу во­лютину від стадій клітинного циклу бактеріальної популяції. Так, при вив­ченні синхронних культур Corynebacterium diphtheriae було встановлено, що волютин накопичується в клітинах перед їх поділом і витрачається в процесі останнього. Особливо енергійно волютин синтезується при перенесенні бак­терій із середовища, лімітованого за фосфором, у середовище, багате на фос­фати. Поліфосфати використовуються клітинами як джерело фосфору. Пи­тання, чи можуть вони служити джерелом енергії в прокаріот, залишається дискусійним.

Специфічною запасною речовиною ціанобактерій є ціанофіцинові гранули. Хімічний аналіз показав, що вони складаються з поліпептиду, який містить аргінін і аспарагінову кислоту в еквімолярних кількостях. Скелет мо­лекули побудований із залишків аспарагінової кислоти, з’єднаних пептидни­ми зв’язками, а до її b-карбоксильної групи приєднані залишки аргініну. Для початку синтезу ціанофіцину необхідні молекули АТФ, іони K⁺ і Mg²⁺. Поява ціанофіцинових гранул при культивуванні ціанобактерій у середовищі з азо­том та їх зникнення при його виснаженні свідчить про те, що вони служать резервом азоту, який мобілізується при його дефіциті в середовищі.

Бактерії, метаболізм яких пов’язаний зі сполуками сірки, здатні від­кладати у своїх клітинах молекули сірки. Сірка накопичується, коли у сере­довищі є сірководень, і окиснюється до сульфату, якщо весь сірководень ви­черпується. Для аеробних тіонових бактерій, які окиснюють H₂S, сірка слу­жить джерелом енергії, а для анаеробних фотосинтетичних – донором елек­тронів.

Газові вакуолі – це структури, які оточені мембраною й утворені скуп­ченням газових пухирців (везикул). Вони виявляються тільки в прокаріотич­них клітинах. Газовий пухирець має форму циліндра завдовжки 200-1000 нм і діаметром біля 75 нм. Білкова оболонка, яка оточує вакуоль, має товщину до 2 нм, вона побудована з білкових субодиниць із молекулярною масою 14 000. Гідрофобні амінокислоти оболонки повернуті всередину вакуолі, а гідро­фільні – на зовнішній бік. Така упаковка амінокислот оболонки перешкоджає проникненню води всередину газової вакуолі. Склад повітря, яке визначаєть­ся у вакуолях, відповідає його складу в навколишньому середовищі.

При мікроскопії у світлому полі газові вакуолі мають вигляд оптично- порожнього простору, яке сильно заломлює світло. При електронній мікрос­копії вони мають вигляд порожнистих циліндрів з конічними кінцями, роз­ташованими паралельними рядами.

Утворення газових вакуолей (аеросом) характерне для багатьох вод­них бактерій, особливо фототрофних, але ряд безбарвних бактерій (Pelonema, Peloploca), галобактерії (Halobacterium halobium) і деякі представники роду Clostridium також містять газові вакуолі. Вони надають клітині здатності змі­нювати свою середню щільність і залишатися в завислому стані, через що деякі бактерії можуть у стратифікованих озерах утримуватися в шарі води з оптимальними умовами для їх розвитку. Аноксигенні фототрофні бактерії, зокрема пурпурові (Lamprocystis, Amoebobacter, Thiodictyon) і зелені (Pelodic­tyon), ростуть у водоймах в анаеробній зоні (в гіполімніоні). Вважається, що плавучість цих організмів є достатньою для того, щоб вони могли перебувати в суспендованому стані в холодному (більш важкому) шарі води гіполімніо­ну, але не забезпечує підйомної сили, котра дозволяла б їм триматися в теп­лому (більш легкому) шарі води. Оксигенні ціанобактерії (Oscillatoria agar­dhii, Aphanizomenon flos-aquae, Microcystis aeruginosa) розташовуються у більш теплих шарах води. Існує думка, що плавучість цих бактерій регулю­ється за допомогою фотосинтезу, тургору клітин, а також зміни кількості і розміру газових пухирців.

Параспоральні тіла. В клітинах Bacillus thuringiensis і родинних видів (B. laterosporus, B. medusa) виявляються особливі кристалоподібні включення – параспоральні тільця (рис. 45). За хімічною природою це білок, дуже ток­сичний для кровосисних комарів. Такі бактерії знайшли своє практичне зас­тосування як засіб біологічної боротьби не тільки з кровосисними комарами, а й з личинками метеликів.

 

 

 

Магнетосоми виявляються в клітинах бактерій, здатних до магнето­таксису, тобто здатних рухатися вздовж силових ліній магнітного поля. Вони являють собою оточені мембраною частинки Fe₃O₄. У клітинах Aquaspirillum magnetotacticum, наприклад, магнетосоми мають форму куба зі сторонами 40-50 нм і розташовані в ряд уздовж клітини. Форма, кількість і характер роз­ташування цих структур у різних груп мікроорганізмів різні.

 

Локомоторні органи бактерій

Рухомість бактеріальної клітини може забезпечуватися різними спосо­бами. Найхарактернішими є плаваючий і ковзний типи руху.

Локомоторним органом бактерій з плаваючим типомруху є джгутик. Джгутикові форми зустрічаються серед усіх відомих груп бактерій. Це свідчить про те, що джгутики є дуже давніми утворами бактеріальної клі­тини.

Розрізняють кілька типів розташування джгутиків на поверхні мік­робної клітини (рис. 46):

- монотрихальний тип джгутикування, при якому один джгутик розташова­ний на одному з полюсів клітини (Vibrio comma, Pseudomonas aeruginosa, Neurospora europea, Thiobacillus ferrooxidans) або один джгутик локалізо­ваний субтермінально (Rhizobium lu­pini);

 

 

- на одному з полюсів клітини може бути пучок джгутиків – лофотрихи. Та­кий тип джгутикування характерний для Pseudomonas fluorescens, P. pu­tida, Chromatium okeanii та представників роду Sphaerotillus (субполярне розташування пучка джгутиків);

- в амфітрихів пучки джгутиків виявляються на обох полюсах мікробної клітини (біполярні політрихи) – Spirillum;

- джгутики можуть локалізуватися по всій поверхні клітини – перитрихаль­ний тип джгутикування. Він властивий, наприклад, представникам родів Proteus, Escherichia, Salmonella.

 

Кількість джгутиків та характер їх розташування може бути однією з диференційних ознак. Однак слід пам’ятати, що ця ознака визначається умо­вами культивування, а також те, що в процесі виготовлення препаратів, джгу­тики можуть обламуватися. Для виявлення джгутиків бактерій використову­ють спеціальні методи, зокрема, метод фазового контрасту або темного поля (Bdellovibrio, Chromatium оkenii, Pseudomonas, Spirillum). Хороші результати дає електронна мікроскопія. При мікроскопії у світлому полі застосовують спеціальні методи фарбування, які передбачають потовщення нитки джгути­кового апарату.

У прокаріот розрізняють два типи джгутиків – прості і складні. Тов­щина простого джгутика коливається в межах 12-18 нм, довжина – 3-15 мкм. Складні джгутики покриті додатковим чохлом білкової природи. Білок чохла з молекулярною масою 55 000 відрізняється як від білків оболонки клітини, так і від білків самого джгутика. Товщина складного джгутика становить ~18 нм. Цей тип джгутиків зустрічається в деяких представників роду Pseu­domonas (P. rhodos), Rhizobium (R. lupini).

Швидкість обертання джгутика відносно велика. Джгутики спірил, наприклад, обертаються зі швидкістю 40-60 об./сек (~3 000 об./хв).

Швидкість руху клітини за допомогою джгутика в різних груп мікро­організмів різна, і її неможливо пов’язувати з кількістю джгутиків. Наприк­лад, клітини B. megaterium, які мають перитрихальний тип джгутикування, рухаються зі швидкістю ~27 мкм/сек., а Vibrio comma (монотрихи) – ~200 мкм/сек. Швидкість руху клітини за допомогою джгутиків становить від 300 до 3 000 довжин тіла за хвилину (900-9 000 мкм/хв) при довжині тіла клітини ~3 мкм. Якщо уявити, що людина зростом 1,5 м рухалася б із такою швид­кістю, то вона становила б 27-270 км/год.

Апарат джгутика складається з нитки, гачка і базальної структури (рис. 47).

За хімічною природою нитка джгутика це білок флагелін з молекуляр­ною масою 25 000-60 000. Вивчено білкові субодиниці (мономери) джгутика. Встановлено, що вони зібрані в спіральні ланцюги, закручені навколо порож­нинної серцевини. Особливістю будови білка флагеліну джгутика є відсут­ність у його складі гістидину, проліну, тирозину, триптофану, цистеїну.

Білок джгутика виявляє антигенну специфічність. Його називають Н-антигеном, який широко використовується при ідентифікації бактерій.

Білок гачка дещо відрізняється від білка нитки джгутика як за моле­кулярною масою, так і за антигенною специфічністю. Він стійкіший до низь­ких значень pH, нагрівання, дії сечовини.

 

 

Базальна структура джгутика складається з центрального стрижня (па­лички-осі), вмонтованого у систему кілець. У грамнегативних бактерій ця структура має дві пари кілець: внутрішню (M i S) та зовнішню (P i L); у грампозитивних – лише одну пару кілець (M i S).

Внутрішня пара кілець локалізована на рівні ЦПМ. При цьому М-кіль­це ніби занурене в цитоплазматичну мембрану. Кільце S локалізоване дещо вище, воно майже прилягає до внутрішньої поверхні пептидоглікану. L-кіль­це розташоване на рівні шару ЛПС зовнішньої мембрани клітинної стінки грамнегативних бактерій, а Р – на рівні муреїнового шару.

Довжина базальної структури коливається в межах 25-30 нм і визна­чається товщиною клітинної стінки. Зв’язок кілець з паличкою-віссю віднос­но слабкий, про що свідчать електронні мікрофотографії, на яких деякі кільця відсутні.

Головна функція базальної структури полягає у фіксації (закріпленні) джгутика. А оскільки ця структура складна, кожен її елемент має своє приз­начення. Виходячи з того, що кільця L і P виявляються лише в структурі джгутика грамнегативних бактерій, можна вважати, що вони служать для до­даткової фіксації джгутика і що для функціонування джгутикового апарату досить лише внутрішньої пари, тобто кілець S i M.

Найбільш детально рух джгутиків вивчений у бактерій з лофо- і амфі­трихальним типом джгутикування. У більшості лофотрихів джгутики (подіб­но до корабельного гвинта) проштовхують клітину через середовище.