С.6 С.7 Структуры прокариотной клетки.

Особенности морфоструктуры прокариот.

С.1

На данном слайде представлено все разнообразие форм прокариот, которое встречается в природе. По форме клеток основную массу прокариот можно подразделить на три группы: (С.2) шаровидные, или кокки, палочковидные и извитые. В зависимости от плоскости деления и характера взаимного расположения клеток относительно друг друга среди кокков выделяют (С.3): микрококки и стафилококки — клетки делятся в разных плоскостях (у микрококков клетки после деления расходятся и лежат одиночно, у стафилококков образуют скопления в виде виноградной грозди (от лат. staphyle — гроздь винограда); диплококки и стрептококки (от греч. sreptos - цепочка — клетки делятся в одной плоскости (первые образуют пары, вторые – цепочки разной длины); тетракокки и сарцины – клетки делятся соответственно в двух и трех взаимно перпендикулярных плоскостях ( у первых клетки располагаются в виде тетрады, а у вторых формируют пакеты по 8 особей (от лат.sarcina – связка, тюк).

С.4Палочковидные бактерии представляют самую многочисленную группу прокариот. Они имеют цилиндрическую форму тела с округлыми или заостренными концами и в сильной степени различаются по отношению длины к ширине. В среде палочковидные бактерии располагаются одиночно либо образуют короткие или длинные цепочки. Они делятся только в одной плоскости — перпендикулярно оси цилиндра. Клетки при этом могут располагаться по одиночке (монобактерии), образовывать пары (диплобактерии) или цепочки (стрептобактерии). Палочковидные формы подразделяют на две группы: неспоровые палочки (бактерии – Bacterium) и палочки, образующие споры (бациллы – Bacillus). Палочки, у которых диаметр споры превышает ширину вегетативной клетки, называют клостридиями (Clostridium) - веретенообразные.

С.5Извитые микроорганизмы различаются по степени изогнутости клеток и по числу витков и среди них выделяют три типа клеток: вибрионы (от греч. vibrio – извиваясь, изгибаясь) имеют один завиток не превышающий четверти оборота спирали (в виде запятой), спириллы (от греч. spiera – спираль) имеют 3-5 крупных завитков, спирохеты имеют большое количество мелких завитков.

Помимо основных есть и другие весьма разнообразные формы микроорганизмов. Так тело акциномицета представлено одной сильно ветвящейся клеткой, похожей на мицелий гриба. Своеобразную форму клетки имеют стебельковые и почкующиеся бактерии, несущие выросты, получившие название простек. Одна клетка может иметь от 1 до 8 простек разной длины. Функции простек различны: репродуктивная, прикрепления к субстрату и др.

С.6 С.7 Структуры прокариотной клетки.

Клетка прокариот, несмотря на относительно малые размеры, имеет все основные структурные компоненты, необходимые для осуществления обмена веществ.

Среди структур бактериальной клетки различают:

основные структуры – клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с различными включениями и нуклеоид;

временные структуры, которые клетка несет лишь на определенных этапах жизненного цикла, - капсулу, жгутики, фимбрии, у некоторых представителей бактерий – эндоспоры.

Клеточная стенка. Клеточная стенка является обязательным структурным элементом бактериальной клетки, исключение составляют микоплазмы и L-формы бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ. Толщина данной структуры составляет 10-80 нм.

Клеточная стенка выполняет следующие функции:

· механическая защита от факторов окружающей среды;

· поддержание формы бактериальной клетки;

· дает возможность клетке существовать в гипотонических условиях;

· осуществляет транспорт веществ и ионов (характерно грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану и цитоплазматическую мембрану);

· препятствует проникновению в клетку токсических веществ (характерно для грамотрицательных бактерий);

· на клеточной стенке находятся рецепторы, на которых адсорбируются бактериофаги и бактериоцины;

· в клеточной стенке находятся антигены (липолисахариды у грамотрицательных бактерий и тейховые кислоты у грамположительных бактерий);

· на клеточной стенке находятся рецепторы, ответственные за взаимодействие клеток донора и реципиента при конъюгации бактерий.

С.8По химическому составу клеточная стенка прокариот коренным образом отличается от оболочки клеток эукариот. Основным компонентом клеточной стенки бактерий является муреин, относящийся к классу пептидогликанов. Муреин – гетерополимер, образованный чередующимися остатками N-ацетил-N-глюкозамин и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенными β-1,4-гликозидными связями. N-ацетилмурамовая кислота соединена с пептидом, в состав которого входят 4-6 различных аминокислот. Основу пептидного компонента муреина составляют тетрапептиды, образованные обычно L-аланином, D-глутаминовой кислотой, специфической для прокариот мезодиаминопимелиновой кислотой (рис. ).

С.9Благодаря пептидным связям гетерополимерные цепи связаны между собой и образуют мешкообразную гигантскую молекулу – муреиновый мешок, который выполняет функцию опорного каркаса клеточной стенки. Эти структурные элементы клеточной стенки составляют ахиллесову пяту бактерий, используемую врачами в борьбе с инфекцией. Для борьбы с инфекцией бактериальной этиологии применяют лекарственные препараты, специфически воздействующие на клеточные стенки бактерий или процесс их синтеза, но не на клетки растений, животных и человека.

В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные. В 1884 г. датский ученый Х. Грам предложил метод окраски бактерий, вошедший в практику микробиологии как один из диагностических признаков. Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба этого комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протопласте, но его удерживание клеткой или вымывание из нее при последующей обработке спиртом определяется особенностями строения клеточной стенки. (табл.) С.10

Клеточные стенки этих групп эубактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

С.11Клеточная стенка грамположительных бактерий достаточно массивна, толщина ее достигает 20-80 нм. Муреин в клеточной стенке здесь составляет от 50 до 90% сухой массы. С муреином связаны тейхоевые кислоты – полимеры, образованные остатками спирта рибита или глицирина, связанные фософодиэфирными мостиками. существует мнение, что тейхоевые кислоты влияют на катионный обмен в клетках. Помимо вышеназванных компонентов, в составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольшом количестве обнаружены полисахариды, белки и липиды (табл.). Кроме того, у этого вида бактерий нет внешней или наружной мембраны.

С.12К грамположительным бактериям относятся: Bacillus subtilis, Staphyloccocus aureus и др. (рис. ).

С.13Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, толщина ее составляет от 14 до 17 нм. По химическому составу она более разнообразна. Внутренний слой представлен пептидогликаном муреином, на долю которого приходится от 1 до 10% сухой массы. Внешний слой клеточной стенки – наружная мембрана имеет типичную организацию, характерную для элементарных мембран. Основную ее фракцию составляют липиды (22% сухой массы). Наружная мембрана выполняет не только механические, но и важные физиологические функции. В ней находятся трансмембранные белки, которые насквозь пронизывают мембрану. Они представляют собой заполненные водой каналы или гидрофильные поры в липофильной мембране, их называют поринами и через них происходит транспорт низкомолекулярных гидрофильных веществ. Одной из отличительных особенностей грамотрицательных бактерий является отсутствие в их клеточной стенке тейхоевых кислот.

Компоненты клеточной стенки у грамотрицательных бактерий разделены электронно-прозрачным промежутком, получившим название периплазматического пространства.

С.14К грамотрицательным бактериям относится: Escherichia coli и др.

Структурную организацию клеточной стенки грамотрицательных бактерий следует рассматривать как более высокую ступень эволюционного развития прокариот. Наличие дополнительной наружной мембраны у них приводит к тому, что грамотрицательные бактерии оказываются более устойчивыми к действию различных химических веществ, ферментов, антибиотиков.

Обнаружены прокариоты, клеточная стенка которых по структуре и хим. составу резко отличается от описанных выше типов. Они принадлежат к группе архебактерий. Клеточные стенки метанобразующих бактерий могут состоять из пептидогликана особого химического строения или из кислого гетерополисахарида, а у некоторых экстремально галофильных, метанобразующих и ацидотермофильных архебактерий — только из белка. Архебактерии с белковой стенкой не окрашиваются по Граму, а остальные типы архебактерий дают грамположительную реакцию.

Действие некоторых антибиотиков (группы пенициллина циклосерина), подавляющих синтез клеточной стенки бактерий, а также литических ферментов, разрушающих муреин, приводит к образованию протопластов и сферопластов.

Протопластами называются клетки округлой формы, полностью лишенные остатков клеточной стенки и окруженные только ЦПМ. Их образование чаще характерно для грамположительных бактерий. У сферопластов имеются остатки клеточной стенки и они характерны для грамотрицательных бактерий.

Протопласты и сферопласты сохраняют обмен веществ, способность к росту, а иногда и к делению. При снятии действующего фактора они превращаются (реверсируют) в нормальные клетки, либо трансформируются в так называемые L-формы, либо погибают. L-формами называют бактерии, частично или полностью лишенные клеточной стенки, но сохранившие способность к развитию. Клетки L-форм имеют хорошо развитую систему внутриципоплазматических мембран, т.е. у них имеются мезосомы и часто содержат крупные вакуоли. Среди L-форм бактерий различают стабильные, которые почти никогда не реверсируют в исходный вид, и нестабильные, восстанавливающие клеточную стенку после прекращения действия трансформирующего агента.

Образование L-форм патогенных бактерий в организме больного человека можно рассматривать как одну из причин хронических рецидивирующих заболеваний. При неправильном приеме антибиотиков, способствующих образованию L-форм бактерий, может наступить улучшение состояния больного. Однако после прекращения приема лечебного препарата наступает реверсия L-форм в бактерии исходного вида с восстановлением их вирулентности, что приводит к рецидиву болезни.

Цитоплазматическая мембрана и ее производные.ЦПМ составляет 8-15% сухой массы клетки. Химический состав представлен белково-липидным комплексом, в котором на долю белков приходится 50-75%, на долю липидов – 15-50%. Углеводы в основном входят в состав гликолипидов и гликопротеидов. Белковый состав ЦПМ бактерий весьма разнообразен и по своему аминокислотному составу не отличаются от других белков бактериальной клетки. По расположению и характеру связи с липидным бислоем белки ЦПМ подразделяются на поверхностные, периферические и интегральные. ЦПМ выполняет ряд существенных для клетки функций:

Ø поддержание гомеостаза клетки за счет ее полупроницаемости. Транспорт ионов из клетки и в нее осуществляется за счет специализированных транспортных систем, локализованных в мембране. Такие транспортные механизмы функционируют за счет механизмов активного транспорта и системы субстрат-специфических ферментов пермеаз.

Ø в ЦПМ находятся элементы ЭТЦ и ферменты окислительного фосфорилирования;

Ø ЦПМ связана с синтезом клеточной стенки и капсулы за счет наличия в ней специфических переносчиков;

Ø в ЦПМ закреплены жгутики, энергетическое обеспечение их также связано с ЦПМ.

ЦПМ при росте клеток может образовывать впячивания (инвагинации) различной формы. Локальные инвагинации ЦПМ, описанные у разных групп бактерий, получили название мезосом.

Мезосомы бактерий весьма разнообразны по форме, размерам и локализации в клетке. Выделяют три основных типа мезосом: везикулярные (имеющие форму пузырьков), ламеллярные (пластинчатые) и тубулярные (трубчатые). Часто в клетке бактерий формируются мезосомы смешанного типа, состоящие из пластинок, трубочек и пузырьков. У большинства грамположительных бактерий имеются сложноустроенные мезосомные структуры, а у грамотрицательных – относительно простоорганизованные.

Функции мезосом далеко не выяснены. Предполагается, что мезосомы :

служат для усиления функциональной активности ЦПМ, так в мембранах образующих мезосомы находятся ферменты, участвующие в энергетическом метаболизме растений;

мезосомы играют роль в репликации ДНК и последующем расхождении ее копий по дочерним клеткам;

мезосомы участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при клеточном делении.

В клетке фотосинтезирующих бактерий имеются внутрицитоплазматические мембранные образования, носящие название хроматофоров. В них локализованы фотосинтетические пигменты — бактериохлорофиллы, каратиноиды, ферменты транспорта электронов – убихиноны и цитохромы, а также компоненты системы фосфорилирования.

Формирование внутрицитоплазматических мембранных систем в бактериальной клетке следует рассматривать как увеличение рабочей поверхности ЦПМ, обеспечивающее усиление разнообразных клеточных функций.

Цитоплазма и внутрицитоплазматические включения.

Цитозоль – гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая растворимые компоненты РНК, ферментные белки, субстраты и продукты метаболических реакций. Вторая фракция цитоплазмы представлена структурными элементами: рибосомами, внутрицитоплазматическими включениями и нуклеоидом.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они образованы двумя субъединицами: 30S и 50S. По величине и некоторым другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами митохондрий и хлоропластов. Бактериальная клетка содержит от 5 до 50 тыс. рибосом, число их тем больше, чем больше скорость роста клетки.

Различия между рибосомами бактерий (70S) и эукариот (80S) имеют решающее значение для борьбы с инфекционными заболеваниями, так как некоторые антибиотики частично или полностью подавляют синтез белка, протекающий на рибосомах 70S типа, но не затрагивают функционирования рибосом 80S типа.

Циполазматические включения бактериальной клетки принято подразделять на включения, окруженные белковой мембраной, и включения лишенные белковой мембраны. К первой группе относятся: аэросомы водных бактерий, хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. Аэросома – скопление газовых пузырьков (везикул). Аэросомы снижают удельную массу бактериальной клетки и благодаря этому поддерживают ее во взвешенном состоянии в водоеме. Хлоросомы м фикобилисомы – эллипсовидные образования, окруженные тонкой белковой оболочкой, содержащие бактериохлорофиллы или фикобилипротеиды соответственно.

Карбоксисомы или полиэдрические тела. Имеют форму многогранника диаметром 90-100 нм, окруженного однослойной белковой мембраной. В них содержится фермент рибулозо-1,5 дифосфаткарбоксилаза – ключевой фермент, участвующий в фиксации СО₂ в процессе хемо- и фотосинтеза.

Магнитосомы содержат водные бактерии, способные ориентироваться и перемещаться в магнитном поле. Они содержат 0,4% железа (по сухому веществу). Они располагаются вблизи мест прикрепления жгутиков.

К внутрицитоплазматическим включениям относятся и запасные вещества – полифосфаты, полисахариды, гликоген, крахмалоподобное вещество (гранулеза), поли-β-оксимаслянная кислота и отложения серы.

Основным энергетическим запасом бактериальной клетки является валютин (впервые обнаружен у Spirillum volutans), представленный полифосфатами. Гранулы валютина оптически плотные, по размерам составляют 0,1-0,5 мкм.

Цианофитиновые гранулы служат резервом азота, который используется цианобактериями при недостатке его в среде.

Характер запасных веществ определяется видом микроорганизма и условиями культуры.

С.15 Нуклеоид.

Генетический материал прокариот представлен молекулой (молекулами) ДНК, уложенными в компактную структуру и локализованными в ограниченных участках цитоплазмы, не имеющей в отличие от эукариот, собственной ядерной мембраны. Учитывая эти особенности, генетический аппарат прокариот принято называть нуклеоидом.

Тот факт, что в состав нуклеоида входит ДНК, впервые удалось показать Ж.Кэрнсу с помощью метода радиоавтографии. Благодаря этому методу было установлено, что бактериальная ДНК E.coli имеет форму нити, замкнутой в кольцо, длина нити составляет более 1 мм. Эта молекула ДНК включает несколько тысяч генов, расположенных линейно называется хромосомой.

Полностью «уложенный» нуклеоид представляет собой достаточно компактное образование. Стабилизирующую роль в такой организации играют специфические белки, способствующие упаковке ДНК. Они сходны по аминокислотному составу с др. свойствам с гистоновыми белками эукариот. Наибольшее значение в «упаковке» ДНК играет белок HU. Связываясь с ДНК, он меняет конформацию ее витков. Важную роль как для сохранения целостности структуры, так и для функционирования генома бактерий играет прикрепление нуклеоида к ЦПМ.

С.16Механизм репликации и сегрегации бактериальной хромосомы не вполне еще ясен. Предполагается, что молекула ДНК одной своей точкой закрепляется на мембране в районе мезосомы. На примере Escherichia coli М. Меселсоном и Ф. Сталем было доказано, что репликация бактериальной хромосомы осуществляется по полуконсервативному типу. Двойная спираль молекулы ДНК начинает раскручиваться в точке ее прикрепления к ЦПМ в двух противоположных направлениях, и на каждой из двух полинуклеотидных цепей идет достройка комплементарной пары. Образующиеся в процессе репликации дочерние молекулы ДНК остаются прикрепленными к ЦПМ. Дальнейшее разделение дочерних хромосом происходит благодаря росту участка ЦПМ между ними. Процессы репликации ДНК и сегрегации реплицированных хромосом осуществляются системой ферментов, прочно связанных с ДНК-мембранным комплексом.

Обычно деление бактериальной клетки во времени осуществляется после завершения цикла репликации молекулы ДНК и оформления дочерних хромосом. Однако в интенсивно растущих культурах репликация ДНК опережает процесс деления клетки и нередко клетка содержит количество ДНК, в 4-8 раз превосходящее массу хромосомы.

Помимо хромосом, в клетках многих бактерий обнаружены внехромосомные генетические элементы, получившие название плазмид. Последние представлены небольшими ковалентно-замкнутыми кольцевыми молекулами ДНК, содержащими 1 500-40 000 пар нуклеотидов, способными реплицироваться автономно от хромосомной ДНК. К настоящему времени описано большое разнообразие плазмид, обнаруженных у более чем ста видов бактерий, относящихся к 40 родам. Это плазмиды, контролирующие половой процесс у бактерий (F-фактор), множественную устойчивость к лекарственным препаратам (R-фактор), синтез бактериоцинов – веществ белковой природы, способных вызвать гибель близкородственных видов бактерий (Col-фактор) и др.

Очевидно, плазмиды играют важную роль в эволюционном процессе прокариот, так как они нередко придают бактериальной клетке дополнительные свойства, способствующие ее выживанию.