Строение бактериальной клетки

Бактерии– это простейшие одноклеточные организмы, не имеют хлорофилла. Содержат нуклеиновую кислоту, белки, полисахариды, липиды, минеральные вещества, воду, микроэлементы. У них всегда присутствуют оболочка, цитоплазма, нуклеоид, рибосомы, мезосомы. Не у всех бактерий имеются капсула, жгутики, фибриллы, пили, споры, включения и плазмиды.

Оболочка бактерий состоит из трех слоев: слизистого (поверхностного), собственно клеточной стенки и ЦПМ – цитоплазматической мембраны.

Слизистый слой располагается поверх клеточной стенки, состоит из мукополисахаридов, которые не имеют с клеточной стенкой постоянной и прочной связи.

Клеточная стенка бактерий и грибов располагается между цитоплазматической мембраной и капсулой (если она имеется).

Толщина клеточной стенки колеблется от 10 до 100 нм. Клеточная стенка составляет 10-50% сухой массы бактерий.

Главным и специфичным для клеточной стенки компонентом является муреин или пептидогликан. Он имеется только у эубактерий (кроме микоплазм).

У грамотрицательных бактерий клеточная стенка слоистая. Внутренний слой построен из пептидогликана (5-10%), не содержит тейхоевых кислот. Наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с цитоплазматической мембраной. Наружная мембрана представлена липополисахаридами, фосфолипидами и белками.

Клеточная стенка грамположительных бактерий имеет однородную структуру. Она толще, чем у грамотрицательных бактерий – 20-60 нм. У грамположительных бактерий клеточная стенка на 60-95% состоит из пептидогликана и тесно связанных с ним тейхоевых кислот.

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генцианфиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с краской. Обработка окрашенного по Граму мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пептидогликане и задержку красителя в клеточной стенке. Наоборот, грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, обесцвечиваются, поры остаются открытыми и при обработке фуксином бактерии окрашиваются в красный цвет.

Клеточная стенка выполняет следующие функции:

- определяет и сохраняет постоянную форму микробной клетки;

- является осмотическим барьером, защищает внутреннюю часть клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды;

- имеет своеобразное строение в виде «сита», через ее поры в клетку проникают питательные вещества, а из клетки выделяются продукты метаболизма, токсины, ферменты;

- участвует в регуляции роста и деления клеток;

- в клеточной стенке находятся гидролитические ферменты. Они обеспечивают рост клеточной стенки, а при гибели - аутолиз её;

- защищает клетку от неблагоприятных воздействий (температура, химические вещества);

Цитоплазматическая мембрана. Цитоплазматическая мембрана имеет три слоя – двойной фосфолипидный и белковый. Она ограничивает цитоплазму, поддерживает постоянство осмотического давления, необходимого для нормального метаболизма клетки, контролирует водный и солевой обмен, обеспечивает питание бактерий за счет ферментов-пермеаз, расположенных в ЦПМ. За счет окислительно-восстановительных ферментов ЦПМ принимает участие в процессах дыхания. ЦПМ участвует в делении клетки, биосинтезе компонентов клеточной стенки и капсулы, в регуляции процессов репликации хромосом и плазмид.

Имеется система внутренних мембран – мезосомы – это аналоги митохондрий. Они являются производными ЦПМ, связаны с нуклеоидом. Принимают участие в делении клеток, в распределении дочерних нуклеоидов в делящихся клетках, участвуют в спорообразовании, в синтезе материала клеточной стенки, в энергетическом метаболизме.

Цитоплазма – это коллоидная масса, заключенная в оболочку. Химический состав её сложный (белки, полисахариды, липиды, РНК, микроэлементы, минеральные вещества).

Рибосомы – структуры, в которых идет синтез белка. В свободном состоянии рибосомы могут находиться в виде 2 субъединиц перед синтезом белка субъединицы объединяются в рибосому с константой седиментации 70S.

Гранулы гликогена, крахмала, жира, зерна волютина (полифосфаты) играют трофическую и диагностическую роль .

В цитоплазме могут быть плазмиды – участки дополнительного генетического материала, представленные двойной нитью ДНК, обеспечивающие определенные свойства бактерий.

Нуклеоид (хромосома). Нуклеоид бактерий содержит циркулярно-замкнутую двойную нить ДНК, располагается в цитоплазме в виде клубка. У нуклеоида нет ядерной оболочки, ядрышек, белков гистонов; при этом микробная клетка не делится митозом, т.к. нет митотического аппарата.

Один конец ДНК связан с мезосомами ЦПМ, что способствует разделению дочерних хромосом при репликации. Бактерии – гаплоидные существа. Содержат 1 молекулу ДНК, ее можно рассматривать как одиночную хромосому, в расправленном состоянии ее длина 1 мм.

Форма нуклеоида различна: сферическая, палочковидная, подковообразная. В клетке в зависимости от физиологического состояния может быть один или кратное двум количество нуклеоидов. В молодых клетках – несколько, в старых – 1, у кокков – 1, у палочковидных – много.

Функции нуклеоида: хранитель генетической информации, которая закодирована в ДНК; принимает участие в генетических процессах (мутациях, рекомбинациях), а также в делении бактерий и спорообразовании.

Жгутики – органы передвижения бактерий. В состав жгутиков входит белок флагеллин, он относится к числу сократительных белков, обладает высокой антигенной активностью и специфичностью.

По наличию жгутиков и их расположению микробы разделяются на:

монотрихи – имеют 1 жгутик,

лофотрихи – пучок жгутиков с одной стороны,

амфитрихи – по одному жгутику или по пучку жгутиков по полюсам, перитрихи – жгутики по всей поверхности тела клетки,

атрихи – без жгутиков.

Помимо жгутиков есть ворсинки (пили, бахромки) – это органы прикрепления.

Наиболее изучены 2 вида пилей

– половые (sex) пили, через которые идет передача генетического материала из клетки донора в клетку реципиента в процессе конъюгации,

– пили общего назначения, обеспечивающие прикрепление или адгезию бактерий к определенным клеткам организма хозяина.

Фибриллы (периплазматические жгутики) – органы передвижения у спирохет, они состоят из отдельных переплетающихся нитей и располагаются между клеточной стенкой и ЦПМ.

Споры – покоящиеся формы жизненного цикла бактерий, образуются внутри цитоплазмы вегетативных клеток в неблагоприятных условиях существования и обеспечивают сохранение вида. В спорах микробы находятся в состоянии анабиоза. Микробы, образующие споры, называются бациллами или клостридиями (анаэробные бактерии, имеющие форму веретена).

Споры отличаются от вегетативной клетки тем, что происходит репрессия генома и клетка переходит в состояние анабиоза, при котором отсутствует обмен веществ, вода переходит из свободного состояния в связанное, повышается концентрация ионов кальция, появляется дипиколиновая кислота, которая обусловливает термоустойчивость споры.

При попадании споры в благоприятные условия происходит активация споры и ее прорастание в вегетативные клетки. Идет дерепрессия генома, мобилизация метаболических процессов, из клетки удаляется дипиколиновая кислота, ионы кальция, разрушается пептидогликан кортекса.

Прорастание спор включает три стадии: активацию, начальную стадию и стадию роста.

Капсула – структура бактериальной клетки, которая расположена на поверхности клеточной стенки и тесно связана с ней. В зависимости от толщины слоя и прочности соединения с телом различают макрокапсулу, которая видна в световом микроскопе, микрокапсулу (К-антиген), которая выявляется при электронной микроскопии, серологическими и химическими методами, и слизистый слой, который непрочно связан с клеточной стенкой.

Капсула является важным фактором вирулентности, защищает бактерии от действия фагоцитов, связывает ионы тяжелых металлов, защищает от действия антител, комплемента и от высыхания.