1 строение бактериальной клетки. Строение бактериальной клетки: особенности

Бактериальная клетка в целом устроена достаточно просто. Она отделена от внешней среды цитоплазматической мембраной и заполнена цитоплазмой, в которой располагается зона нуклеоида, включающая кольцевую молекулу ДНК, с которой может «свисать» транскрибируемая мРНК, к которой, в свою очередь прикреплены рибосомы, синтезирующие на ее матрице белок одновременно с процессом синтеза самой матрицы. Одновременно ДНК может быть связана с белками, осуществляющими ее репликацию и репарацию. Рибосомы бактерий меньше эукариотических и имеют конэфициент седиментации 70S. Они, как и эукариотические образованы двумя субъединицами - малой (30S), в состав которой входит 16S рРНК и большую - 50S, включающую молекулы 23S и 5S рРНК.

На фотографии, полученной с помощью трансмиссионной микроскопии (рис.1), отчетливо видна светлая зона, в которой находится генетический аппарат и происходят процессы транскрипции и трансляции. Рибосомы видны как мелкие зернистые включения.

Чаще всего в бактериальной клетке геном представлен только одной молекулой ДНК, которая замкнута в кольцо, однако есть и исключения. У некоторых бактерий молекул ДНК может быть несколько. Например, Deinococus radiodurans, бактерия, известная своей феноменальной устойчивостью к радиации и способная спокойно выдерживать дозу радиации в 2 000 раз превышающую летальную дозу для человека, имеет две копии своей геномной ДНК. Известны бактерии, имеющие три или четыре копии. У некоторых видов ДНК может быть не замкнула в кольцо, а некоторые Agrobacterium содержат одну кольцевую и одну линейную ДНК.

Помимо нуклеоида, генетический материал может быть представлен в клетке в виде дополнительных маленьких кольцевых молекул ДНК - плазмид. Плазмиды реплицируются независимо от нуклеоида и зачастую содержат полезные для клетки гены, дающие клетке, например, устойчивость к антибиотикам способность к усвоению новых субстратов , способность к конъюгации и многое другое. Плазмиды могут передаваться как от материнской клетке к дочерней, так и путем горизонтального переноса быть переданы от одной клетке другой.

Бактериальная клетка чаще всего окружена не только мембраной, но и клеточной стенкой, причем по типу устройства клеточной стенки бактерий делят на две группы - грамположительные и грамотрицательные .

Клеточная стенка бактерий образована пептидогликаном - муреином. На молекулярном уровне муреиновый слой представляет собой сеть, образованную молекулами N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитыех между собой в длинные цепи β-1-4-гликозидными связями, соседние цепи, в свою очередь соединяются поперечными пептидными мостиками (Рис.2). Так получается одна большая сеть, окружающая клетку.

Грамположительные бактерии имеют толстую клеточную стенку, располагающуюся поверх мембраны. Муреин поперечно прошит еще одним типом молекул - тейхоевыми и липотейхоевыми (если они соединены с липидами мембраны) кислотами. Считается, что эти молекулы придают клеточной стенке эластичность при поперечном сжатии и растяжении, действуя как пружины. Поскольку слой муреина толстый, он легко окрашивается по методу Грама: клетки выглядят ярко-фиолетовыми, поскольку краситель (генциановый или метиловый фиолетовый) застревает в слое клеточной стенки.

У грамотрицательных бактерий слой муреина очень тонкий (исключение составляют цианобактерии), поэтому при окрашивании по Граму фиолетовый краситель вымывается, а клетки окрашиваются в цвет второго красителя (рис. 3).

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий покрыта сверху еще одной, внешней, мембраной, прикрепленной к пептидокликану липопротеинами. Пространство между цитоплазматической мембраной и внешней мембраной называется периплазмой. Внешняя мембрана содержит липополипротеины, липополисахариды (ЛПС), а также белки, образующие гидрофильные поры. Компоненты внешней мембраны зачастую отвечают за взаимодействие клетки со внешней средой. Она содержит антигены, рецепторы фагов, молекулы, участвующие в конъюгации и др.

Поскольку у грамположительных и грамотрицательных клеток различается строение покровов (Рис. 4, сверху), отличается и аппарат, заякоривающий жгутик в клеточных покровах (Рис.4, снизу).

Жгутик грамположительных бактерий закрепляется в мембране двумя белковыми кольцами (S-кольцо и M-кольцо) и приводится в движение системой белков, которые, потребляя энергию, заставляют нить крутиться. У грамотрицательных бактерий в дополнение к этой конструкции есть еще два кольца, дополнительно фиксирующие жгутик во внешней мембране и клеточной стенке.

Сам по себе жгутик у бактерий состоит из белка флагеллина, субъединицы которого соединяются в спираль, имеющую внутри полость и формирующие нить. Нить гибко крепится к заякоривающему и придающему ей кручение аппарату, с помощью крючка.

Помимо жгутиков на поверхности клеток бактерий могут быть и другие выросты - пили. Это белковые ворсинки, позволяющие бактериям присоединяться к различным поверхностям (повышая гидрофобность клетки) либо принимающие участие в транспорте метаболитов и процессе конъюгации (F-пили).

Бактериальная клетка обычно не содержит никаких мембранных структур внутри, в том числе и везикул, но могут быть различного рода включения (запасные липиды, сера) и газовые пузырьки, окруженные белковой мембраной. Без мембраны клетка может запасать молекулы полисахаридов, цианофицин (как депо азота), а также может содержать карбоксисомы - пузырьки, содержащий фермент РуБисКО, необходимый для фиксации углекислого газа в Цикле Кальвина.

В микробиологии этот термин означает питательное вещество, которое может быть усвоено микроорганизмом

Такое название групп происходит от фамилии врача Г.К. Грама, разработавшего метод окраски клеточных стенок бактерий, позволяющий различать клетки с различным типом строения клеточной стенки.

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа

Структурными компонентами клетки являются оболочка бактерий, состоящая из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны и иногда капсулы; цитоплазма; рибосомы; различные цитоплазматические включения; нуклеоид (ядро). Некоторые виды бактерий имеют, кроме того, споры, жгутики, реснички (пили, фимбрии) (рис. 2).

Клеточная стенка обязательное образование бактерий большинства видов. Ее строение зависит от вида и принадлежности
бактерий к группам, дифференцируемым при окраске по методу Грама. Масса клеточной стенки составляет около 20 % сухой массы всей клетки, толщина – от 15 до 80 нм.

Рис. 3. Схема строения бактериальной клетки

1 - капсула; 2 - клеточная стенка; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 - цитоплазма; 5 - мезосомы; 6 - рибосомы; 7 - нуклеоид; 8 - внутрицитоплазматические мембранные образования; 9 - жировые капли; 10 - полисахаридные гранулы; 11 - гранулы полифосфата; 12 -- включения серы; 13 - жгутики; 14 - базальное тельце

Клеточная стенка имеет поры диаметром до 1 нм, поэтому она – полупроницаемая мембрана, через которую проникают питательные вещества и выделяются продукты обмена.

Эти вещества могут проникать внутрь микробной клетки лишь после предварительного гидролитического расщепления специфическими ферментами, выделяемыми бактериями во внешнюю среду.

Химический состав клеточной стенки неоднороден, но он является постоянным для определенного вида бактерий, что используется при идентификации. В составе клеточной стенки обнаружены азотистые соединения, липиды, целлюлоза, полисахариды, пектиновые вещества.

Наиболее важным химическим компонентом клеточной стенки является сложный полисахаридпептид. Его еще называют пептидогликан, гликопептид, муреин (от лат. murus – стенка).

Муреин представляет собой структурный полимер, состоящий из молекул гликана, образованных ацетилглюкозамином и ацетилмурамовой кислотой. Синтез его осуществляется в цитоплазме на уровне цитоплазматической мембраны.

Пептидогликан клеточной стенки различных видов имеет специфический аминокислотный состав и в зависимости от этого определенный хемотип, что учитывают при идентификации молочнокислых и других бактерий.

В клеточной стенке грамотрицательных бактерий пептидогликан представлен одним слоем, тогда как в стенке грамположительных бактерий он формирует несколько слоев.

В 1884 г. Gram предложил метод окраски ткани, который использовали для окрашивания клеток прокариот. Если при окраске по Граму фиксированные клетки обработать спиртовым раствором краски кристаллического фиолетового, а затем раствором йода, то эти вещества образуют с муреином устойчивый окрашенный комплекс.

У гоамположительных микроорганизмов окрашенный фиолетовый комплекс под воздействием этанола не растворяется и соответственно не обесцвечивается, при докрашивании фуксином (краска красного цвета) клетки остаются окрашенными в темно-фиолетовый цвет.

У грамотрицательных видов микроорганизмов генцианвиолет растворяется этанолом и вымывается водой, а при докрашивании фуксином клетка окрашивается в красный цвет.

Способность микроорганизмов окрашиваться аналиновыми красителями и по методу Грама называют тинкториальными свойствами . Их необходимо изучать в молодых (18-24 часовых) культурах, так как некоторые грамположительные бактерии в старых культурах теряют способность положительно окрашиваться по методу Грама.

Значение пептидогликана заключается в том, что благодаря ему клеточная стенка обладает ригидностью, т.е. упругостью, и является защитным каркасом бактериальной клетки.

При разрушении пептидогликана, например, под действием лизоцима клеточная стенка теряет ригидность и разрушается. Содержимое клетки (цитоплазма) вместе с цитоплазматической мембраной приобретает сферическую форму, т. е. становится протопластом (сферопластом).

С клеточной стенкой связаны многие как синтезирующие, так и разрушающие ферменты. Компоненты клеточной стенки синтезируются в цитоплазматической мембране, а затем транспортируются в клеточную стенку.

Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой и плотно прилегает к ее внутренней поверхности. Она представляет собой полупроницаемую оболочку, окружающую цитоплазму и внутреннее содержимое клетки -протопласт. Цитоплазматическая мембрана – это уплотненный наружный слой цитоплазмы.

Цитоплазматическая мембрана является главным барьером между цитоплазмой и окружающей средой, нарушение ее целостности приводит к гибели клетки. В ее состав входят белки (50-75 %), липиды (15-45 %), у многих видов – углеводы (1-19 %).

Главным липидным компонентом мембраны являются фосфо- и гликолипиды.

Цитоплазматическая мембрана при помощи локализованных в ней ферментов осуществляет разнообразные функции: синтезирует мембранные липиды – компоненты клеточной стенки; мембранные ферменты – избирательно переносят через мембрану различные органические и неорганические молекулы и ионы, мембрана участвует в превращениях клеточной энергии, а также в репликации хромосом, в переносе электрохимической энергии и электронов.

Таким образом, цитоплазматическая мембрана обеспечивает избирательное поступление в клетку и удаление из нее разнообразных веществ и ионов.

Производными цитоплазматической мембраны являются мезосомы . Это сферические структуры, образуемые при закручивании мембраны в завиток. Они располагаются с двух сторон – в месте образования клеточной перегородки или рядом с зоной локализации ядерной ДНК.

Мезосомы функционально эквивалентны митохондриям клеток высших организмов. Они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях бактерий, играют важную роль в синтезе органических веществ, в формировании клеточной стенки.

Капсула является производным наружного слоя клеточной сгонки и представляет собой слизистую оболочку, окружающую одну или несколько микробных клеток. Толщина ее может достигать 10 мкм, что во много раз превышает толщину самой бактерии.

Капсула выполняет защитную функцию. Химический состав капсулы бактерий различен. В большинстве случаев она состоит из сложных полисахаридов, мукополисахаридов, иногда полипептидов.

Капсулообразование, как правило, является видовым признаком. Однако появление микрокапсулы часто зависит от условий культивирования бактерий.

Цитоплазма – сложная коллоидная система с содержанием большого количества воды (80-85 %), в которой диспергированы белки, углеводы, липиды, а также минеральные соединения и другие вещества.

Цитоплазма представляет собой содержимое клетки, окруженное цитоплазматической мембраной. Ее подразделяют на две функциональные части.

Одна часть цитоплазмы находится в состоянии золя (раствора), имеет гомогенную структуру и содержит набор растворимых рибонуклеиновых кислот, белков-ферментов и продуктов метаболизма.

Другая часть представлена рибосомами, включениями различной химической природы, генетическим аппаратом, другими внутрицитоплазма-тическими структурами.

Рибосомы – это субмикроскопические гранулы, представляющие собой нуклеопротеиновые частицы сферической формы диаметром от 10 до 20 нм, молекулярной массой около 2-4 млн.

Рибосомы прокариот состоят из 60 % РНК (рибонуклеиновой кислоты), располагающейся в центре, и 40 % белка, покрывающего нуклеиновую кислоту снаружи.

Включения цитоплазмы представляют собой продукты обмена, а также резервные продукты, за счет которых клетка живет в условиях недостатка питательных веществ.

Генетический материал прокариот состоит из двойной нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) компактной структуры, расположенной в центральной части цитоплазмы и не отделенной от нее мембраной. ДНК бактерий по строению не отличается от ДНК эукариот, но так как она не отделена от цитоплазмы мембраной, генетический материал называют нуклеоидом или генофором . Ядерные структуры имеют сферическую или подковообразную форму.

Споры бактерий являются покоящейся, не размножающейся их формой. Они формируются внутри клетки, представляют собой образования круглой или овальной формы. Споры образуют преимущественно грамположительные бактерии, палочковидной формы с аэробным и анаэробным типом дыхания в старых культурах, а также в неблагоприятных условиях внешней среды (недостаток питательных веществ и влаги, накопление продуктов обмена в среде, изменение рН и температуры культивирования, наличие или отсутствие кислорода воздуха и др.) могут переключаться на альтернативную программу развития, в результате чего образуются споры. При этом в клетке образуется одна спора. Это свидетельствует о том, что спорообразование у бактерий является приспособлением для сохранения вида (индивидуума) и не является способом их размножения. Процесс спорообразования происходит, как правило, во внешней среде в течение 18-24 ч.

Зрелая спора составляет примерно 0,1 объема материнской клетки. Споры у разных бактерий различаются по форме, размеру, расположению в клетке.

Микроорганизмы, у которых диаметр споры не превышает ширины вегетативной клетки, называют бациллами , бактерии, имеющие споры, диаметр которых больше поперечника клетки в 1,5-2 раза, называют клостридиями .

Внутри микробной клетки спора может располагаться в середине – центральное положение, на конце – терминальное и между центром и концом клетки – субтерминальное расположение.

Жгутики бактерий являются локомоторными органами (органами движения), при помощи которых бактерии могут передвигаться со скоростью до 50-60 мкм/с. При этом за 1 с бактерии перекрывают длину своего тела в 50-100 раз. Длина жгутиков превышает длину бактерий в 5-6 раз. Толщина жгутиков составляет в среднем 12-30 нм.

Число жгутиков, их размеры и расположение постоянны для определенных видов прокариот и поэтому учитываются при их идентификации.

В зависимости от количества и местонахождения жгутиков бактерии подразделяют на монотрихи (монополярные монотрихи) – клетки с одним жгутиком на одном из концов, лофотрихи (монополярные политрихи) – пучок жгутиков располагается на одном из концов, амфитрихи (биполярные политрихи) – жгутики располагаются на каждом из полюсов, перитрихи – жгутики расположены по всей поверхности клетки (рис. 4) и атрихи – бактерии, лишенные жгутиков.

Характер движения бактерий зависит от числа жгутиков, возраста, особенностей культуры, температуры, наличия различных химических веществ и других факторов. Наибольшей подвижностью обладают монотрихи.

Жгутики чаще имеются у палочковидных бактерий, они не являются жизненно необходимыми структурами клетки, так как существуют безжгутиковые варианты подвижных видов бактерий.

С точки зрения современной науки прокариоты имеют примитивное строение. Но именно эта «незатейливость» помогает выживать им в самых неожиданных условиях. Например, в сероводородных источниках или на атомных полигонах. Ученые подсчитали, что общая масса всех земных микроорганизмов составляет 550 миллиардов тонн.

Бактерии имеют одноклеточное строение . Но это не значит, что бактериальные клетки пасуют перед клетками животных или растений. Микробиология уже располагает знаниями о сотнях тысяч видов микроорганизмов. Тем не менее, представители науки ежедневно открывают новые их виды и особенности.

Немудрено, что для полного освоения поверхности Земли микроорганизмам приходится принимать разнообразные формы:

кокки – шарики;
стрептококки – цепочки;
бациллы – палочки;
вибрионы – изогнутые запятые;
спириллы – спиральки.

Размер бактерий измеряют в нанометрах и микрометрах. Их средняя величина составляет 0,8 мкм. Но среди них имеются прокариоты-гиганты, достигающие 125 мкм и больше. Настоящими великанами среди лилипутов являются спирохеты длиной в 250 мкм. Сравните теперь с ними размер самой мелкой прокариотической клеточки: микоплазмы «вырастают» совсем чуть-чуть и достигают 0,1-0,15 мкм в диаметре.

Стоит сказать, что великанам-бактериям не так легко выжить в окружающей среде. Им сложно найти себе достаточно питательных веществ для успешного выполнения своей функции. Но зато они не являются легкой добычей для бактерий-хищников, которые питаются своими собратьями – одноклеточными микроорганизмами, «обтекая» и поедая их.

Внешнее строение бактерий

Клеточная стенка

Клеточная стенка бактериальной клетки является для нее защитой и опорой. Она придает микроорганизму свою, специфическую форму.
Клеточная стенка проницаема. Через нее проходят питательные вещества внутрь и продукты обмена (метаболизма) наружу.
Некоторые виды бактерий вырабатывают специальную слизь, которая напоминает капсулу, предохраняющую их от высыхания.
У некоторых клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают им передвигаться.
У бактериальных клеток, которые при окрашивании по Граму приобретают розовую окраску (грамотрицательные ), клеточная стенка более тонкая, многослойная. Ферменты, благодаря которым происходит расщепление питательных веществ, выделяются наружу.
У бактерий, которые при окрашивании по Граму приобретают фиолетовую окраску (грамположительные ), клеточная стенка толстая. Питательные вещества, которые поступают в клетку, расщепляются в периплазматическом пространстве (пространство между клеточной стенкой и мембраной цитоплазмы) гидролитическими ферментами.
На поверхности клеточной стенки имеются многочисленные рецепторы. К ним прикрепляются убийцы клеток – фаги, колицины и химические соединения.
Липопротеиды стенки у некоторых видов бактерий являются антигенами, которые называются токсинами.
При длительном лечении антибиотиками и по ряду других причин некоторые клетки теряют оболочку, но сохраняют способность к размножению. Они приобретают округлую форму – L-форму и могут длительно сохраняться в организме человека (кокки или палочки туберкулеза). Нестабильные L-формы обладают способностью принимать первоначальный вид (реверсия).

Капсула

При неблагоприятных условиях внешней среды бактерии образуют капсулу. Микрокапсула плотно прилегает к стенке. Ее можно увидеть только в электронном микроскопе. Макрокапсулу часто образуют патогенные микробы (пневмококки). У клебсиеллы пневмонии макрокапсула обнаруживаются всегда.

Капсулоподобная оболочка

Капсулоподобная оболочка представляет собой образование, непрочно связанное с клеточной стенкой. Благодаря бактериальным ферментам капсулоподобная оболочка покрывается углеводами (экзополисахаридами) внешней среды, благодаря чему обеспечивается слипание бактерий с разными поверхностями, даже совершенно гладкими. Например, стрептококки, попадая в организм человека, способны слипаться с зубами и сердечными клапанами.

Функции капсулы многообразны:

защита от агрессивных условий внешней среды,
обеспечение адгезии (слипанию) с клетками человека,
обладая антигенными свойствами, капсула оказывает токсический эффект при внедрении в живой организм.

Жгутики

У некоторых бактериальных клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают передвигаться. В составе жгутиков находится сократительный белок флагелин.
Количество жгутиков может быть разным – один, пучок жгутиков, жгутики на разных концах клетки или по всей поверхности.
Движение (беспорядочное или вращательное) осуществляется в результате вращательного движения жгутиков.
Антигенные свойства жгутиков оказывают токсический эффект при заболевании.
Бактерии, не имеющие жгутиков, покрываясь слизью, способны скользить. У водных бактерий содержатся вакуоли в количестве 40 – 60, наполненные азотом.

Они обеспечивают погружение и всплытие. В почве бактериальная клетка передвигается по почвенным каналам.

Пили

Пили (ворсинки, фимбрии) покрывают поверхность бактериальных клеток. Ворсинка представляет собой винтообразно скрученную тонкую полую нить белковой природы.
Пили общего типа обеспечивают адгезию (слипание) с клетками хозяина. Их количество огромно и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. С момента прикрепления начинается любой инфекционный процесс.
Половые пили способствуют переносу генетического материала от донора реципиенту. Их количество от 1 до 4-х на одну клетку.

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой и представляет собой липопротеин (до 30% липидов и до 70% протеинов).
У разных бактериальных клеток разный липидный состав мембран.
Мембранные белки выполняют множество функций. Функциональные белки представляют собой ферменты, благодаря которым на цитоплазматической мембране происходит синтез разных ее компонентов и др.
Цитоплазматическая мембрана состоит из 3-х слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. При нарушении ее работы клетка погибает.
Цитоплазматическая мембрана принимает участие в спорообразовании.

Внутреннее строение бактерий

Цитоплазма

Все содержимое клетки, за исключением ядра и клеточной стенки, называется цитоплазмой. В жидкой, бесструктурной фазе цитоплазмы (матриксе) находятся рибосомы, мембранные системы, митохондрии, пластиды и другие структуры, а также запасные питательные вещества. Цитоплазма обладает чрезвычайно сложной, тонкой структурой (слоистая, гранулярная). С помощью электронного микроскопа раскрыты многие интересные детали строения клетки.

Внешний липопротвидный слой протопласта бактерий, обладающий особыми физическими и химическими свойствами, называется цитоплазматической мембраной. Внутри цитоплазмы находятся все жизненно важные структуры и органеллы. Цитоплазматическая мембрана выполняет очень важную роль – регулирует поступление веществ в клетку и выделение наружу продуктов обмена. Через мембрану питательные вещества могут поступать в клетку в результате к активного биохимического процесса с участием ферментов.

Кроме того, в мембране происходит синтез некоторых составных частей клетки, в основном компонентов клеточной стенки и капсулы. Наконец, в цитоплазматической мембране находятся важнейшие ферменты (биологические катализаторы). Упорядоченное расположение ферментов на мембранах позволяет регулировать их активность и предотвращать разрушение одних ферментов другими. С мембраной связаны рибосомы – структурные частицы, на которых синтезируется белок. Мембрана состоит из липопротеидов. Она достаточно прочна и может обеспечить временное существование клетки без оболочки. Цитоплазматическая мембрана составляет до 20% сухой массы клетки.

На электронных фотографиях тонких срезов бактерий цитоплазматическая мембрана представляется в виде непрерывного тяжа толщиной около 75A, состоящего из светлого слоя (липиды), заключенного между двумя более темными (белки). Каждый слой имеет ширину 20–30А. Такая мембрана называется элементарной.

Гранулы

В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Однако их присутствие нельзя рассматривать как какой-то постоянный признак микроорганизма, обычно оно в значительной степени связано с физическими и химическими условиями среды.

Многие цитоплазматические включения состоят из соединений, которые служат источником энергии и углерода. Эти запасные вещества образуются, когда организм снабжается достаточным количеством питательных веществ, и, наоборот, используются, когда организм попадает в условия, менее благоприятные в отношении питания.

У многих бактерий гранулы состоят из крахмала или других полисахаридов – гликогена и гранулезы. У некоторых бактерий при выращивании на богатой сахарами среде внутри клетки встречаются капельки жира. Другим широко распространенным типом гранулярных включений является волютин (метахроматиновые гранулы). Эти гранулы состоят из полиметафосфата (запасное вещество, включающее остатки фосфорной кислоты). Полиметафосфат служит источником фосфатных групп и энергии для организма. Бактерии чаще накапливают волютин в необычных условиях питания, например на среде, не содержащей серы. В цитоплазме некоторых серных бактерий находятся капельки серы.

Мезосомы

Между плазматической мембраной и клеточной стенкой имеется связь в виде десмозов – мостиков. Цитоплазматическая мембрана часто дает инвагинации – впячивания внутрь клетки. Эти впячивания образуют в цитоплазме особые мембранные структуры, названные мезосомами.

Некоторые виды мезосом представляют собой тельца, отделенные от цитоплазмы собственной мембраной. Внутри таких мембранных мешочков упакованы многочисленные пузырьки и канальцы. Эти структуры выполняют у бактерий самые различные функции. Одни из этих структур – аналоги митохондрий.

Другие выполняют функции зндоплазматической сети или апарата Гольджи. Путем инвагинации цитоплазматической мембраны образуется также фотосинтезирующий аппарат бактерий. После впячивания цитоплазмы мембрана продолжает расти и образует стопки, которые по аналогии с гранулами хлоропластов растений называют стопками тилакоидов. В этих мембранах, часто заполняющих собой большую часть цитоплазмы бактериальной клетки, локализуются пигменты (бактериохлорофилл, каротиноиды) и ферменты (цитохромы), осуществляющие процесс фотосинтеза.

Нуклеоид

У бактерий нет такого ядра, как у высших организмов (эукариотов), а есть его аналог – «ядерный эквивалент» – нуклеоид, который является эволюционно более примитивной формой организации ядерного вещества. Он состоит из одной замкнутой в кольцо двухспиральной нити ДНК длиной 1,1 –1,6 нм, которую рассматривают как одиночную бактериальную хромосому, или генофор. Нуклеоид у прокариот не отграничен от остальной части клетки мембраной – у него отсутствует ядерная оболочка.

В состав структур нуклеоида входят РНК-полимераза, основные белки и отсутствуют гистоны; хромосома закрепляется на цитоплазматической мембране, а у грамположительных бактерий – на мезосомс. Бактериальная хромосома реплицируется поликонсервативным способом: родительская двойная спираль ДНК раскручивается и на матрице каждой полинуклеотидной цепи собирается новая комплементарная цепочка. Нуклеоид не имеет митотического аппарата, и расхождение дочерних ядер обеспечивается ростом цитоплазматической мембраны.

Бактериальное ядро – дифференцированная структура. В зависимости от стадии развития клетки нуклеоид может быть дискретным (прерывистым) и состоять из отдельных фрагментов. Это связано с тем, что деление бактериальной клетки во времени осуществляется после завершения цикла репликации молекулы ДНК и оформления дочерних хромосом.

В нуклеоиде сосредоточен основной объем генетической информации бактериальной клетки. Кроме нуклеоида в клетках многих бактерий обнаружены внехромосомные генетические элементы – плазмиды, представленные небольшими кольцевыми молекулами ДНК, способными к автономной репликации.

Плазмиды

Плазмиды представляют собой автономные молекулы, свернутые в кольцо, двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.

Рибосомы

В цитоплазме бактерий содержатся рибосомы – белок-синтезирующие частицы диаметром 200А. В клетке их насчитывается больше тысячи. Состоят рибосомы из РНК и белка. У бактерий многие рибосомы расположены в цитоплазме свободно, некоторые из них могут быть связаны с мембранами.

Рибосомы являются центрами синтеза белка в клетке. При этом они часто соединяются между собой, образуя агрегаты, называемые полирибосомами или полисомами.

Включения

Включения – продукты метаболизма ядерных и безъядерных клеток. Представляют собой запас питательных веществ: гликоген, крахмал, сера, полифосфат (валютин) и др. Включения часто при окраске приобретают иной вид, чем цвет красителя. По валютину можно диагностировать дифтерийную палочку.

Что же отсутствует в клетках бактерий?

Так как бактерия – это прокариотический микроорганизм, в клетках бактерий всегда отсутствуют множество органоидов, которые присущи эукариотическим организмам:

аппарат Гольджи, который помогает клетке тем, что накапливает ненужные вещества, а в последствии выводит их из клетки;
пластиды, содержащиеся только в клетках растений, обуславливают их окраску, а также играют значимую роль в фотосинтезе;
лизосомы, обладающие особыми ферментами и помогающие расщеплению белков;
митохондрии обеспечивают клетки необходимой энергией, а также участвуют в размножении;
эндоплазматическая сеть, обеспечивающая транспорт в цитоплазму определённых веществ;
клеточный центр.

Также стоит помнить, что у бактерий отсутствует клеточная стенка, посему процессы, такие как пиноцитоз и фагоцитоз не могут протекать.

Особенности процессов бактерий

Являясь особыми микроорганизмами, бактерии приспособлены к существованию в таких условиях, когда кислород может отсутствовать. А само же дыхание у них происходит за счёт мезосом. Также очень интересно то, что зелёные организмы способны точно также фотосинтезировать, как и растения. Но важно учитывать то, что у растений процесс фотозинтеза происходит в хлоропластах, а у бактерий же на мембранах.

Размножение в бактериальной клетке происходит примитивнейшим путём. Созревшая клетка делится надвое, они через некоторое время достигают зрелости, и этот процесс повторяется. В благоприятных условиях за сутки может произойти смена 70-80 поколений. Важно помнить, что бактериям из-за своего строения не доступны такие способы размножения, как митоз и мейоз. Они присущи только эукариотическим клеткам.

Известно, что образование споров – это один из нескольких способов размножения грибов и растений. Но бактерии также умеют образовывать споры, что присуще немногим из их видов. Они обладают данной способностью для того, чтобы переживать особо неблагоприятные условия, которые могут быть опасными для их жизни.

Известны такие виды, которые способны выжить даже в условиях космоса. Такое не могут повторить никакие живые организмы. Бактерии стали прародителями жизни на Земле благодаря простоте их строения. Но то, что они существуют и по сей день, показывает насколько они важны для окружающего нас мира. С их помощью люди могут максимально приблизиться к ответу на вопрос о происхождении жизни на Земле, постоянно изучая, бактерии и узнавая что-то новое.

Самые интересные и увлекательные факты о бактериях

Бактерии стафилококка жаждут человеческой крови

Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) является распространенным видом бактерий, который поражает около 30 процентов всех людей. У некоторых людей он является частью микробиома (микрофлоры), и встречается как внутри организма, так и на коже или в полости рта. В то время как есть безвредные штаммы стафилококка, другие, такие как метициллинрезистентный золотистый стафилококк (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus), создают серьезные проблемы для здоровья, включая инфекции кожи, сердечно-сосудистые заболевания, менингит и болезни пищеварительной системы.

Исследователи Университета Вандербильта обнаружили, что бактерии стафилококка предпочитают кровь человека по сравнению с кровью животных. Эти бактерии неравнодушны к железу, которое содержится в гемоглобине, обнаруженном в эритроцитах. Золотистый стафилококк разрывает клетки крови, чтобы добраться до железа внутри них. Считается, что генетические вариации гемоглобина могут сделать одних людей более желанным для бактерий стафилококка, чем других.

Бактерии вызывают дождь

Исследователи обнаружили, что бактерии в атмосфере могут играть определенную роль в производстве дождя и других форм осадков. Этот процесс начинается, когда бактерии с растений переносятся ветром в атмосферу. На высоте, вокруг них образуется лед, и они начинают расти. Как только замороженные бактерии достигают определенного порога роста, лед начинает таять и возвращается на землю в виде дождя. Бактерии вида Psuedomonas syringae даже были обнаружены в центре крупных частиц града. Они продуцируют особый белок в клеточных мембранах, позволяющий связывать воду уникальным образом, способствуя образованию льда.

Борьба с бактериями, провоцирующими акне

Исследователи выявили, что некоторые штаммы бактерий, вызывающих акне могут фактически помочь предотвратить прыщи. Бактерия, которая вызывает акне – Propionibacterium acnes, обитает в порах нашей кожи. Когда эти бактерии провоцируют иммунный ответ, область на коже набухает, и образуются прыщи.

Однако было обнаружено, что некоторые штаммы бактерий реже вызывают акне. Эти штаммы могут быть причиной того, что у людей со здоровой кожей редко появляются прыщи. Изучая гены штаммов Propionibacterium acnes, собранные у людей с акне и здоровой кожей, исследователи определили штаммп, который был распространен на чистой коже и редко встречался на коже с акне. Будущие исследования будут включать в себя попытки разработать препарат, убивающий только вызывающие угри штаммы бактерии Propionibacterium acnes.

Бактерии на деснах могут привести к сердечно-сосудистым заболеванием

Кто бы мог подумать, что регулярная чистка зубов способна помочь предотвратить заболевания сердца? Ранее исследования выявили связь между болезнью десен и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Теперь ученые нашли конкретную связь между этими заболеваниями.

Предполагается, что и бактерии, и люди производят определенные типы белков, называемые стрессовыми белками. Эти белки образуются, когда клетки испытывают различные типы стрессовых состояний. Когда у человека есть инфекция десен, клетки иммунной системы начинают атаковать бактерии. Бактерии производят стресс-белки при атаке, а белые кровяные клетки также атакуют стресс-белки.

Проблема заключается в том, что белые кровяные клетки не могут различать стресс-белки, продуцируемые бактериями, и те, которые продуцируются организмом. В результате клетки иммунной системы также атакуют стрессовые белки, вырабатываемые организмом, что вызывает накопление лейкоцитов в артериях и приводит к атеросклерозу. Кальцинированное сердце является основной причиной сердечно-сосудистых заболеваний.

Почвенные бактерии улучшают обучаемость

Вы знали, что время, проведенное в саду или работа в огороде, может помочь вам лучше учиться? По мнению исследователей, почвенная бактерия Mycobacterium vaccae способна улучшать обучаемость у млекопитающих.

Вероятно, эти бактерии попадают в наш организм путем проглатывания или через дыхание. По предположению ученых, бактерия Mycobacterium vaccae улучшает обучаемость, стимулируя рост нейронов головного мозга, что приводит к увеличению уровня серотонина и снижению беспокойства.

Исследование проводили с использованием мышей, которых кормили живыми бактериями Mycobacterium vaccae. Результаты показали, что мыши, употребляющие бактерии, передвигались лабиринтом гораздо быстрее и с меньшим уровнем беспокойства, чем мыши, которые не питались бактериями. Ученые предполагает, что Mycobacterium vaccae играет определенную роль в улучшении решения новых задач и уменьшении уровня стресса.

Бактериальные силовые машины

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории обнаружили, что бактерия Bacillus subtilis обладают способностью вращать очень маленькие шестерни. Эти бактерии являются аэробными, то есть нуждаются в кислороде для роста и развития. Когда их помещают в раствор с микропузырьками воздуха, бактерии плавают в зубьях шестерни и заставляют ее поворачиваться в определенном направлении.

Требуется несколько сотен бактерий, работающих в унисон, чтобы начать вращение шестерни. Было также обнаружено, что бактерии могут поворачивать несколько соединенных между собой шестеренок. Исследователи смогли контролировать скорость, с которой бактерии крутили шестерни, регулируя количество кислорода в растворе. Уменьшение количества кислорода привело к замедлению бактерий. Удаление кислорода заставляет их полностью прекратить движение.

Бактерии это самый древний организм на земле, а также самый простой в своем строении. Он состоит всего из одной клетки, которую можно увидеть и изучить только под микроскопом. Характерным признаком бактерий является отсутствие ядра, вот почему бактерии относят к прокариотам.

Некоторые виды образовывают небольшие группы клеток, такие скопления могут быть окружены капсулой (чехлом). Размер, форма и цвет бактерии сильно зависит от окружающей среды.

По форме бактерии различаются на: палочковидные (бациллы), сферические (кокки) и извитые (спириллы). Встречаются и видоизмененные – кубические, С-образные, звездчатые. Их размеры колеблются от 1 до 10мкм. Отдельные виды бактерий могут активно передвигаться при помощи жгутиков. Последние иногда превышают размер самой бактерии в два раза.

Виды форм бактерий

Для движения бактерии используют жгутики, количество которых бывает различное – один, пара, пучок жгутиков. Расположение жгутиков также бывает разным – с одной стороны клетки, по бокам или равномерно распределены по всей плоскости. Также одним из способов передвижения считается скольжение благодаря слизи, которой покрыт прокариот. У большинства внутри цитоплазмы есть вакуоли. Регулировка ёмкости газа в вакуолях помогает им двигаться в жидкости вверх или вниз, а также перемещаться по воздушных каналах почвы.

Ученые открыли более 10 тысяч разновидностей бактерий, но по предположениям научных исследователей в мире существует их более миллиона видов. Общая характеристика бактерий дает возможность определиться с их ролью в биосфере, а также изучить строение, виды и классификацию царства бактерий.

Места обитания

Простота строения и быстрота адаптации к окружающим условиям помогла бактериям распространиться в широком диапазоне нашей планеты. Они существуют везде: вода, почва, воздух, живые организмы – всё это максимально приемлемое место обитания для прокариотов.

Бактерии находили как на южном полюсе, так и в гейзерах. Они есть на океанском дне, а также в верхних слоях воздушной оболочки Земли. Бактерии живут везде, но их количество зависит от благоприятных условий. К примеру, большая численность видов бактерий проживает в открытых водоемах, а также почве.

Особенности строения

Клетка бактерии отличается не только тем, что в ней нет ядра, но и отсутствием митохондрий и пластид. ДНК данного прокариота находится в специальной ядерной зоне и имеет вид замкнутого в кольцо нуклеоида. У бактерии строение клетки состоит из клеточной стенки, капсулы, капсулоподобной оболочки, жгутиков, пили и цитоплазматичной мембраны. Внутреннее строение оформляют цитоплазма, гранулы, мезосомы, рибосомы, плазмиды, включения и нуклеоид.

Клеточная стенка бактерии выполняет функцию обороны и опоры. Вещества могут свободно протекать сквозь неё, благодаря проницаемости. Данная оболочка имеет в своем составе пектин и гемицеллюлозу. Некоторые бактерии выделяют особую слизь, которая может помочь защититься от пересыхания. Слизь формирует капсулу – полисахарид по химическому составу. В такой форме бактерия способна переносить даже очень большие температуры. Также она выполняет и другие функции, к примеру слипание с любыми поверхностями.

На поверхности клетки бактерии находятся тонкие белковые ворсинки – пили. Их может быть большая численность. Пили помогают клетке передавать генетический материал, а также обеспечивают слипание с другими клетками.

Под плоскостью стенки находится трехслойная цитоплазматичная мембрана. Она гарантирует транспорт веществ, а также имеет немалую роль в образовании спор.

Цитоплазма бактерий на 75 процентов произведена из воды. Состав цитоплазмы:

Рыбосомы;
мезосомы;
аминокислоты;
ферменты;
пигменты;
сахар;
гранулы и включения;
нуклеоид.

Обмен веществ у прокариотов возможен, как с участием кислорода, так и без его него. Большая их часть питаются уже готовыми питательными веществами органического происхождения. Очень мало видов способны сами синтезировать органические вещества из неорганических. Это сине-зеленые бактерии и цианобактерии, которые отыграли немалую роль в формировании атмосферы и насыщении её кислородом.

Размножение

В условиях, благоприятных для размножения, оно осуществляется почкованием или вегетативно. Бесполое размножение происходит в такой последовательности:

Клетка бактерии достигает максимального объема и содержит необходимый запас питательных веществ.
Клетка удлиняется, посередине появляется перегородка.
Внутри клетки происходит дележ нуклеотида.
ДНК основная и отделенная расходятся.
Клетка делится пополам.
Остаточное формирование дочерних клеток.

При таком способе размножения нету обмена генетической информацией, поэтому все дочерние клетки будут точной копией материнской.

Процесс размножения бактерий в неблагоприятных условиях более интересен. О способности полового размножения бактерий ученые узнали сравнительно недавно – в 1946 году. У бактерий нет разделения на женские и половые клетки. Но ДНК у них встречается разнополое. Две такие клетки при приближении друг к другу образовывают канал для передачи ДНК, происходит обмен участками – рекомбинация. Процесс довольно длительный, результатом которого являются две совершенно новые особи.

Большинство бактерий очень сложно увидеть под микроскопом, так как они не имеют своей окраски. Немногие разновидности имеют пурпурный или зеленый окрас, благодаря содержанию в них бактериохлорофилла и бактериопурпурина. Хотя если рассматривать некоторые колонии бактерий, становится ясно, что они выделяют окрашиваемые вещества в среду обитания и приобретают яркую окраску. Для того, чтобы подробней изучать прокариотов, их окрашивают.

Классификация

Классификация бактерий может быть основана на таких показателях, как:

Форма
способ передвижения;
способ получения энергии;
продукты жизнедеятельности;
степень опасности.

Бактерии симбионты живут в содружестве с иными организмами.

Бактерии сапрофиты проживают на уже отмерших организмах, продуктах и органических отходах. Они способствуют процессам гниения и брожения.

Гниение очищает природу от трупов и других отходов органического происхождения. Без процесса гниения не было бы круговорота веществ в природе. Так в чем же состоит роль бактерий в круговороте веществ?

Бактерии гниения - это помощник в процессе расщепления белковых соединений, а также жиров и других соединений, содержащих в себе азот. Проведя сложную химическую реакцию, они разрывают связи между молекулами органических организмов и захватывают молекулы белка, аминокислот. Расщепляясь, молекулы высвобождают аммиак, сероводород и другие вредные вещества. Они ядовиты и могут вызывать отравление у людей и животных.

Бактерии гниения быстро размножаются в благоприятных для них условиях. Так как это не только полезные бактерии, но и вредные, то чтобы не допустить преждевременного гниения у продуктов, люди научились их обрабатывать: сушить, мариновать, солить, коптить. Все эти способы обработки убивают бактерии и не дают им размножаться.

Бактерии брожения при помощи ферментов способны расщеплять углеводы. Эту способность люди заметили еще в древние времена и используют такие бактерии для изготовления молочнокислых продуктов, уксусов, а также других продуктов питания до сих пор.

Бактерии, трудясь в совокупности с другими организмами, делают очень важную химическую работу. Очень важно знать какие есть виды бактерий и какую пользу или вред приносят для природы.

Значение в природе и для человека

Выше уже отмечалось большое значение многих видов бактерий (при процессах гниения и различных типах брожения), т.е. выполнение санитарной роли на Земле.

Бактерии также играют огромную роль в круговороте углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы, кальция и других элементов. Многие виды бактерий способствуют активной фиксации атмосферного азота и переводят его в органическую форму, способствуя повышению плодородия почв. Особо важное значение имеют те бактерии, которые разлагают целлюлозу, являющиеся основным источником углерода для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании нефти и сероводорода в лечебных грязях, почвах и морях. Так, насыщенный сероводородом слой воды в Черном море является результатом жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Деятельность этих бактерий в почвах приводит к образованию соды и содового засоления почвы. Сульфатредуцирующие бактерии переводят питательные вещества в почвах рисовых плантаций в такую форму, которая становится доступной для корней этой культуры. Эти бактерии могут вызывать коррозию металлических подземных и подводных сооружений.

Благодаря жизнедеятельности бактерий почва освобождается от многих продуктов и вредных организмов и насыщается ценными питательными веществами. Бактерицидные препараты успешно используются для борьбы с многими видами насекомых-вредителей (кукурузным мотыльком и др.).

Многие виды бактерий используются в различных отраслях промышленности для получения ацетона, этилового и бутилового спиртов, уксусной кислоты, ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, белково-витаминных препаратов и т.д.

Без бактерий невозможны процессы при дублении кожи, сушке листьев табака, выработке шелка, каучука, обработке какао, кофе, мочении конопли, льна и других лубоволокнистых растений, квашении капусты, очистке сточных вод, выщелачивании металлов и т.д.

Бактерии - микроскопические одноклеточные организмы. Строение бактериальной клетки имеет особенности, которые являются причиной выделения бактерий в отдельное царство живого мира.

Оболочки клетки

Большинство бактерий имеет три оболочки:

клеточная мембрана;
клеточная стенка;
слизистая капсула.

Непосредственно с содержимым клетки - цитоплазмой, соприкасается клеточная мембрана. Она тонкая и мягкая.

Клеточная стенка - плотная, более толстая оболочка. Её функция - защита и опора клетки. Клеточная стенка и мембрана имеют поры, через которые в клетку поступают необходимые ей вещества.

Многие бактерии имеют слизистую капсулу, которая выполняет защитную функцию и обеспечивает слипание с разными поверхностями.

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

Именно благодаря слизистой оболочке стрептококки (один из видов бактерий) прилипают к зубам и вызывают кариес.

Цитоплазма

Цитоплазма - это внутреннее содержимое клетки. На 75% состоит из воды. В цитоплазме находятся включения - капли жира и гликогена. Они являются запасными питательными веществами клетки.

Рис. 1. Схема строения бактериальной клетки.

Нуклеоид

Нуклеоид означает «подобный ядру». У бактерий нет настоящего, или, как ещё говорят, оформленного ядра. Это значит, что у них нет ядерной оболочки и ядерного пространства, как у клеток грибов, растений и животных. ДНК находится прямо в цитоплазме.

Функции ДНК:

сохраняет наследственную информацию;
реализует эту информацию, управляя синтезом белковых молекул, характерных для данного вида бактерий.

Отсутствие истинного ядра - самая важная особенность бактериальной клетки.

Органоиды

В отличие от клеток растений и животных, бактерии не имеют органоидов, построенных из мембран.

Но клеточная мембрана бактерий в некоторых местах проникает в цитоплазму, образуя складки, которые называются мезосомой. Мезосома участвует в размножении клетки и обмене энергии и как бы заменяет мембранные органоиды.

Единственный органоид, имеющийся у бактерий - рибосомы. Это маленькие тельца, которые размещены в цитоплазме и синтезируют белки.

У многих бактерий есть жгутик, с помощью которого они перемещаются в жидкой среде.

Формы бактериальных клеток

Форма клеток бактерий различна. Бактерии в виде шара называются кокками. В виде запятой - вибрионами. Палочкообразные бактерии - бациллы. Спириллы имеют вид волнистой линии.

Рис. 2. Формы клеток бактерий.

Бактерии можно увидеть только под микроскопом. Средние размеры клетки 1-10 мкм. Встречаются бактерии длиной до 100 мкм. (1 мкм = 0,001 мм).

Спорообразование

При наступлении неблагоприятных условий бактериальная клетка переходит в спящее состояние, которое называется спорой. Причинами спорообразования могут быть:

пониженные и повышенные температуры;
засуха;
недостаток питания;
опасные для жизни вещества.

Переход происходит быстро, в течение 18-20 часов, а находиться клетка в состоянии споры может сотни лет. При восстановлении нормальных условий бактерия за 4-5 часов прорастает из споры и переходит в обычный режим жизнедеятельности.

Рис. 3. Схема образования споры.

Размножение

Бактерии размножаются делением. Период от рождения клетки до её деления составляет 20-30 минут. Поэтому бактерии широко распространены на Земле.

Что мы узнали?

Мы узнали, что, в общих чертах, клетки бактерий подобны клеткам растений и животных, они имеют мембрану, цитоплазму, ДНК. Основным отличием бактериальных клеток является отсутствие оформленного ядра. Поэтому бактерии называют доядерными организмами (прокариотами).