Раздел 5 Основы микробиологии. В жизни высших растений микроорганизмы раз­личных систематических групп имеют неравноценное значение

В жизни высших растений микроорганизмы раз­личных систематических групп имеют неравноценное значение. Наибольшая роль принадлежит прокариотам.

Клетка прокариот сравнительно с клетками расте­ний характеризуется рядом структурных и функциональ­ных особенностей, которые сводятся к следующему:

· отсутствие ядерной оболочки и оформленного ядра;

· отсутствие обособленных от цитоплазмы органелл;

· слабое развитие мембран: у большинства прокариотных клеток цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) является единственной;

· особое строение клеточной стенки.

Большинство бактерий является одноклеточными организмами. Эволюция выработала у них такие адап­тивные механизмы, которые позволяют каждой отдель­ной клетке осуществлять все необходимые жизненные функции, рост, развитие и размножение.

Бактериальная клетка содержит до 80% воды. Ос­тальная часть представлена белками, полисахаридами, липидами, нуклеиновыми кислотами. В сухом веществе клетки они соответственно составляют в среднем 52, 17,9и19%.

Ультрамикроскопическое строение клетки бакте­рий показано на рис. Цитоплазму, окруженную мембраной, называют протопластом. Снаружи от ЦПМ располагаются поверхностные структуры прокариот­ной клетки: клеточная стенка, слизистые капсулы или чехлы, жгутики, ворсинки.

В связи с особенностями строения клеточной стен­ки бактерии делят на грамположительные и грамотри­цательные. Название происходит от способа окраши­вания, предложенного датским ученым Х. Грамом: фиксированные клетки бактерий обрабатывают снача­ла реактивом кристаллическим фиолетовым, затем йодом, вследствие чего появляется специфическое окрашивание. При последующей обработке этиловым спиртом у одних бактерий окрашивание исчезает - это грамотрицательные бактерии. Другие бактерии сохраняют окрашенный комплекс, поэтому получили название грамположительных бактерий.

Клеточная стенка прокариот устроена очень слож­но. Основная масса клеточной стенки грамположительных бактерий состоит из гетерополимерного соединения - пептидогликана, остов молекулы которого пред­ставлен чередующимися остатками N-ацетилглюкоза­мина и N-ацетилмурамовой кислоты. Последняя явля­ется эфиром N-ацетилглюкозамина и молочной кис­лоты, к карбоксильной группе которой при соединен пептидный «хвост» из нескольких аминокислот, обычно четырех. Эта пептидная цепочка необычна по двум причинам. Во-первых, здесь присутствуют амино­кислоты в D-форме и аминокислоты с двумя аминогруп­пами. Обе аминогруппы этих аминокислот могут обра­зовывать не только пептидные связи между собой, но и дополнительные пептидные связи между гетерополи­мерными цепями пептидогликана. В образовании пеп­тидных связей обычно участвуют карбоксильная груп­па D-аланина одного тетрапептида и свободная амино­группа другого. Иногда эти связи образуют другие аминокислоты. В образовании пептидных связей уча­ствуют не все пептидные мостики, часть их находится в свободном состоянии или образует ковалентные связи с другими химическими веществами клеточной стенки. Частота таких «сшивок» может быть различной.

1 - клеточная стенка; 2 - капсула; 3 - слизистые выделения; 4 ­чехол; 5 - жгутики; 6 - ворсинки; 7 - ЦПМ; 8 - нуклеоид; 9 - рибосомы; 10 - цито­плазма; 11 - хроматофоры; 12 - хлоросомы; 13 - пластинчатые тилакоиды; 14 - фикобилисомы; 15 - трубчатые тилакоиды; 16 - ме­зосома; 17 - аэросомы (газовые вакуоли); 18 - ламеллярные струк­туры; 19 - полисахаридные гранулы; 20 ­гранулы поли-b-оксимасляной кислоты; 21 - гранулы полифосфата; 22 - цианофициновые гранулы; 23 - карбоксисомы (полиэдральные тела); 24 - включения серы; 25 - жировые капли; 26 - углеводородные гранулы.

Наряду с пептидогликаном в клеточной стенке грамположительных бактерий содержатся полимерные соединения - тейхоевые кислоты, в молекулы кото­рых входит спирт рибит или глицерин. Свободные гидроксилы в молекулах спиртов могут замещаться остатками различных аминокислот, глюкозы и некото­рых других сахаров. Кроме того, в клеточной стенке этих бактерий в небольших количествах представлены полисахариды, белки и липиды. Все три класса соеди­нений, образующих клеточную стенку, связаны между собой ковалентными связями и представляют собой очень прочную упорядоченную структуру.

Клеточная стенка у грамотрицательных бакте­рий устроена еще более сложно. Она состоит из нескольких слоев: внутренний тонкий слой образо­ван пептидогликаном, наружный слой представляет собой мембрану, состоящую из белков, липидов и по­лисахаридов. Между ними, в периплазматическом пространстве, расположен рыхлый слой белков.

Некоторые бактерии имеют отличия в строении клеточной стенки (метанообразующие, галофильные), другие не имеют ее вовсе (микоплазмы).

Клеточная стенка выполняет ряд физиологических функций:

· механическую;

· защитную;

· транспортную;

· служит местом локализации ряда веществ, напри­мер ферментов у грамотрицательных бактерий в периплазматическом пространстве между двумя мембранами и др.

Защитной функцией обладают и слизистые обра­зования поверхностных структур, состоящие главным образом из особых полисахаридов и реже из полипеп­тидов. Они же могут служить местом запаса воды и питательных веществ и одним из способов взаимной связи между соседними клетками у колониальных микроорганизмов.

Многие прокариоты способны к активному движе­нию. Направленные движения микроорганизмов назы­вают таксисами. В зависимости от действующего фак­тора различают хемо-, аэро-, фототаксисы и др. У разных микробов наблюдаются различные формы дви­жения:

1. Жгутиковое. Жгутики представляют собой много­кратно изогнутые длинные структуры, которые прикреп­лены к ЦПМ. В состав жгутиков входит специфический белок флагеллин. Энергия для движения с помощью жгутиков получается при превращении градиента элек­трохимического потенциала в механическую работу.

2. Извивание. Например, у спирохет вокруг прото­пласта обвивается аксиальная (опорная) нить, состоя­щая из тех же веществ, что и жгутики. Движение спи­рохет происходит за счет вращения аксиальных фиб­рилл в периплазматическом пространстве между пептидогликановым слоем и наружной мембраной. Это вращение создает на поверхности клеточной стенки эластичную волну, благодаря которой спирохеты могут быстро вращаться вокруг своей длинной оси, извивать­ся и передвигаться в жидкой среде по винтовому или волнообразному способу.

3. Скольжение. Некоторые бактерии, не обладающие жгутиками, передвигаются по твердому субстрату за счет скольжения (миксобактерии, нитчатые серобакте­рии и др.). Это слизеобразующие микроорганизмы. Объяснение механизма движения этих бактерий ви­дят в гипотезе бегущей волны.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) у многих бактерий является единственной мембраной. На ее долю приходится 8 - 15 % сухой массы клетки. У фототрофных микроорганизмов, использующих энергию солнечного света, и хемоавтотрофных, пользующихся энергией окисления химических веществ, формируют­ся мембранные структуры, тесно связанные с ЦПМ и выполняющие функции фотосинтеза и хемосинтеза. Они получили название внутрицитоплазматических мембран. Химический состав ЦПМ у грамположитель­ных и грамотрицательных бактерий и эукариот прак­тически одинаков.

Цитоплазматическая мембрана бактерий выполняет много функций.

1. барьерную;

2. здесь находятся ферменты, с участием которых происходит образование различных компонентов клеточной стенки;

3. в ЦПМ расположены электронтранспортные цепи фотосинтеза, хемосинтеза, дыхания, анаэробного дыхания и ферментные комплексы, обеспечиваю­щие превращение электрохимической энергии в энергию макроэргов АТФ;

4. ЦПМ участвует в процессах передачи наслед­ственных свойств благодаря закреплению на ней кольцевой ДНК клетки, в поглощении воды и эле­ментов питания.

Типичных органелл, т.е. структур, обособленных от цитоплазмы, у прокариот нет. Среди внутрицитоплаз­матических мембран бактерий следует отметить мезо­сомы, выполняющие функции энергообмена, а также выделения (секреторные функции). Предположительно с мезосомами связывают компартментацию клеток, обес­печивающую определенную последовательность в ходе различных ферментативных реакций, доставку субстра­тов для синтеза клеточной стенки. К внутрицитоплазма­тическим структурам относятся тилакоиды пурпурных бактерий, хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий, выполняющие фотосинтетическую функцию. Хлоросомы в виде продолговатых пузырьков длиной 90-150 нм и шириной 25-75 нм окружены одно­слойной мембраной толщиной 2 - 3 нм, состоящей толь­ко из молекул белков. Хлоросомы плотно примыкают к ЦПМ. В них содержатся бактериохлорофиллы, роль которых заключается в улавливании квантов света. Фикобилисомы имеют вид гранул диаметром 25 - 55 нм. В них располагаются пигменты белковой природы ­фикобилипротеиды, растворимые в воде. Они также способны улавливать энергию солнечного света.

Цитоплазма, состоящая из белков, продуктов обме­на веществ и различных субстратов, носит название цитозоля. Другая часть, структурная, содержит гене­тический аппарат, рибосомы, а у некоторых микроор­ганизмов и внутрицитоплазматические мембраны, и различные включения. Вся цитоплазма насыщена ри­босомами, где осуществляются, как и у высших расте­ний, синтез белка. Рибосомы отличаются от рибосом эукариот своими меньшими размерами. Число рибо­сомв бактериальных клетках зависит от интенсивно­сти биосинтеза белка в них.

Генетический аппарат прокариотной клетки пред­ставлен, как правило, одной молекулой ДНК, имеющей форму кольца и названной бактериальной хромосомой. Впечатляют ее размеры: в развернутом виде ее длина почти в 1000 раз превышает длину прокариотной клет­ки. Бактериальная хромосома - высокоупорядоченная, компактная и суперспирализованная структура, име­ющая у большинства бактерий молекулярную массу в пределах 1 – 3 · 10⁹.

Молекула ДНК располагается в определенном ме­сте цитоплазмы и не отделена от нее мембраной, как у эукариот. Поэтому в отличие от последних генетичес­кий аппарат прокариот называют нуклеоидом, а не ядром. Гистоны у большинства бактерий отсутствуют. Лишь недавно гистоноподобные белки, связанные с ДНК, обнаружены у некоторых микоплазм и некоторых цианобактерий. У каждого вида содержание пар азоти­стых оснований А + Т и Г + Ц в молекуле ДНК посто­янно и служит важным диагностическим признаком.

Удвоение молекул ДНК предшествует делению прокариотной клетки и начинается в точке прикрепле­ния кольцевой хромосомы к ЦПМ. Здесь расположе­ны ферменты, которые участвуют в процессах репли­кации ДНК. Водородные связи между полинуклеотид­ными нитями разрываются, и на однонитиевых участках, как на матрице, синтезируются комплементарные цепи дочерних молекул ДНК. Параллельно с репликацией ДНК происходит рост мембраны на уча­стке контакта ДНК с ЦПМ, приводя к разделению вновь образовавшихся молекул ДНК и оформлению их в са­мостоятельные хромосомы двух дочерних бактериаль­ных клеток.

Рост бактериальной клетки представляет собой комплекс процессов биосинтеза различных веществ и формирования структурных элементов. В результате роста бактериальная клетка увеличивается в размерах до определенного момента, затем рост ее приостанав­ливается. После репликации ДНК клетка готова к раз­множению путем деления или почкования. Большин­ство грамотрицательных бактерий делится путем пе­ретяжки, а грамположительных - за счет образования поперечной перегородки.

У некоторых фото- и хемосинтетиков недавно най­дены карбоксисомы, имеющие форму многогранника с 4 - 6 сторонами; они окружены однослойной мембра­ной, состоящей из белков. В состав карбоксисом вхо­дят частицы фермента РДФкарбоксилазы, катализиру­ющей присоединение СО₂ к рибулозодифосфату.

У некоторых бактерий, обитающих в воде и в по­чве, имеются аэросомы (газовые вакуоли), которые обес­печивают плавучесть клеток: сжатие аэросом приво­дит к погружению, разбухание - к подъему.

Из запасных включений бактериальных клеток необходимо назвать полисахариды (гликоген, грануле­зу и др.), полипептиды, поли- β- оксимасляную кисло­ту, полифосфаты (источники запасного фосфора), от­ложения элементарной серы у серобактерий. Эти вклю­чения могут обособляться от цитоплазмы белковой мембраной, что предохраняет их от преждевременно­го гидролиза.

Цианобактерии устроены еще более сложно. В це­лом они близки к грамотрицательным бактериям. На­ружная мембрана стенки цианобактерий покрыта сли­зистой капсулой или слизистым чехлом у нитчатых форм. Соседние клетки нитчатых цианобактерий свя­заны между собой особыми ультраструктурами, назван­ными микроплазмодесмами, которые обеспечивают непрерывность мембран и цитоплазмы соседних клеток. Цитоплазма с нуклеотидом обильно заполнена рибосомами. Фотосинтетический аппарат содержит хлорофилл а (хлорофилл b отсутствует) и каротино­иды, а также фикобилипротеиды - красные и синие пигменты. Цианобактерии осуществляют фотосинтез с выделением кислорода, а в темноте ведут себя как гетеротрофы. Многие из цианобактерий способны к азотфиксации.

Некоторые бактерии в определенных условиях формируют структуры, отличные от обычных вегетатив­ных клеток. В своем большинстве эти видоизмененные клетки способствуют выживаемости отдельных видов в неблагоприятных условиях среды (эндоспоры, цисты), размножению (споры актиномицетов, гормогонии циа­нобактерий) или осуществлению фиксации атмосфер­ного азота (гетероцисты цианобактерий, бактероиды клубеньковых бактерий). Эндоспоры образуются по од­ной внутри цитоплазмы некоторых грамположительных бактерий. Они обладают многослойными очень плотны­ми покровами. Эндоспоры переносят длительное кипя­чение без потери жизнеспособности, высушивание и т.д. Часть грамотрицательных бактерий способна превра­щаться в цисты - клетки с толстыми наружными по­кровами и капсулами, например у азотобактера. В форме цист азотобактер переносит длительное воздействие неблагоприятных внешних факторов.

Раздел 5 Основы микробиологии