Бактерии - одни из самых древних организмов на Земле. Несмотря на простоту своего строения, они живут во всех возможных средах обитания. Больше всего их насчитывается в почве (до нескольких миллиардов бактериальных клеток на 1 грамм почвы). Много бактерий в воздухе, воде, пищевых продуктах, внутри тел и на телах живых организмов. Бактерии были обнаружены в тех местах, где другие организмы жить не могут (на ледниках, в вулканах).

Обычно бактерия - это одна клетка (хотя бывают колониальные формы). Причем эта клетка очень мелкая (от долей мкм до нескольких десятков мкм). Но главной особенностью бактериальной клетки является отсутствие клеточного ядра. Другими словами, бактерии принадлежат прокариотам .

Бактерии бывают подвижными и неподвижными. В случае неподвижных форм передвижение осуществляется с помощью жгутиков. Их может быть несколько, а может быть только один.

Клетки разных видов бактерий могут сильно отличаться между собой по форме. Бывают шаровидные бактерии (кокки ), палочковидные (бациллы ), похожие на запятую (вибрионы ), извитые (спирохеты, спириллы ) и др.

Строение бактериальной клетки

У клеток многих бактерий имеется слизистая капсула . Она выполняет защитную функцию. В частности, защищает клетку от высыхания.

Как и у клеток растений, у бактериальных клеток есть клеточная стенка . Однако, в отличие от растений, ее строение и химический состав несколько иной. Клеточная стенка состоит из слоев сложного углевода. Ее строение таково, что позволяет проникать различным веществам внутрь клетки.

Под клеточной стенкой находится цитоплазматическая мембра н а .

Бактерии относятся к прокариотам, так как в их клетках нет оформленного ядра. Они не имеют и хромосом, характерных для клеток эукариот. В состав хромосомы входит не только ДНК, но и белок. У бактерий же их хромосома состоит только из ДНК и представляет собой кольцевую молекулу. Такой генетический аппарат бактерий называется нуклеоид . Нуклеоид находится прямо в цитоплазме, обычно в центре клетки.

У бактерий нет настоящих митохондрий и ряда других клеточных органелл (комплекса Гольджи, эндоплазматической сети). Их функции выполняют впячивания клеточной цитоплазматической мембраны. Такие впячивания называются мезосомами .

В цитоплазме есть рибосомы , а также различные органические включения : белки, углеводы (гликоген), жиры. Также клетки бактерий могут содержать различные пигменты . В зависимости от наличия тех или иных пигментов или их отсутствия, бактерии могут быть бесцветными, зелеными, пурпурными.

Питание бактерий

Бактерии возникли на заре формирования жизни на Земле. Именно они «открыли» различные способы питания. Лишь потом, с усложнением организмов, четко выделились два крупных царства: Растения и Животные. Они отличаются между собой в первую очередь по способу питания. Растения являются автотрофами, а животные - гетеротрофами. У бактерий же встречаются оба типа питания.

Питание - это способ получения клеткой или организмом необходимых органических веществ. Их можно получить из вне или синтезировать самостоятельно из неорганических веществ.

Автотрофные бактерии

Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Процесс синтеза требует энергии. В зависимости от того, откуда автотрофные бактерии получают эту энергию их делят на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию Солнца, улавливая его излучение. В этом они сходны с растениями. Однако, если у растений в процессе фотосинтеза выделяется кислород, то у большинства фотосинтезирующих бактерий он не выделяется. То есть бактериальный фотосинтез анаэробен. Также зеленый пигмент бактерий отличается от аналогичного пигмента растений и называется бактериохлорофиллом . У бактерий нет хлоропластов. В основном фотосинтезирующие бактерии обитают в водоемах (пресных и соленых).

Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию различных химических реакций. Энергия выделяется не во всех реакциях, а только в экзотермических. Некоторые такие реакции протекают в бактериальных клетках. Так в нитрифицирующих бактериях протекает реакция окисления аммиака в нитриты и нитраты. Железобактерии окисляют закисное железо в окисное. Водородные бактерии окисляют молекулы водорода.

Гетеротрофные бактерии

Гетеротрофные бактерии не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Поэтому вынуждены получать их из окружающей среды.

Бактерии, питающиеся органическими остатками других организмов (в том числе мертвыми телами), называются бактериями-сапрофитами . По-другому их называют бактериями гниения. Таких бактерий много в почве, где они разлагают перегной до неорганических веществ, которые впоследствии используются растениями. Молочнокислые бактерии питаются сахарами, превращая их в молочную кислоту. Маслянокислые бактерии разлагают органические кислоты, углеводы, спирты до масляной кислоты.

Клубеньковые бактерии живут в корнях растений и питаются за счет органических веществ живого растения. Однако они связывают азот из воздуха и обеспечивают им растение. То есть в данном случае имеет место симбиоз. Другие гетеротрофные бактерии-симбионты обитают в пищеварительном аппарате животных, помогая переваривать пищу.

В процессе дыхания происходит разрушение органических веществ с высвобождением энергии. Эта энергия в последствии тратится на различные процессы жизнедеятельности (например, на движение).

Эффективным способом получения энергии является кислородное дыхание. Однако некоторые бактерии могут получать энергию без кислорода. Таким образом, существуют аэробные и анаэробные бактерии.

Аэробным бактериям необходим кислород, поэтому они обитают в местах, где он есть. Кислород участвует в реакции окисления органических веществ до углекислого газа и воды. В процессе такого дыхания бактерии получают относительно большое количество энергии. Такой способ дыхания характерен для подавляющего числа организмов.

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде для дыхания, поэтому могут обитать в бескислородной среде. Энергию они получают за счет реакции брожения . Данный способ окисления малоэффективен.

Размножение бактерий

В большинстве случаев для бактерий характерно размножение путем деления их клетки надвое. Перед этим происходит удвоение кольцевой молекулы ДНК. Каждая дочерняя клетка получает одну из этих молекул и, следовательно, является генетической копией материнской клетки (клоном). Таким образом, для бактерий характерно бесполое размножение .

В благоприятных условиях (при достаточном количестве питательных веществ и благоприятных условиях окружающей среды) бактериальные клетки делятся очень быстро. Так от одной бактерии за сутки могут образоваться сотни миллионов клеток.

Хотя бактерии размножаются бесполым путем, в ряде случаев у них наблюдается так называемый половой процесс , который протекает в форме конъюгации . При конъюгации две разные бактериальные клетки сближаются, между их цитоплазмами устанавливается связь. Части ДНК одной клетки переходят во вторую, а части ДНК второй клетки - в первую. Таким образом, при половом процессе у бактерий происходит обмен генетической информации. Иногда при этом бактерии обмениваются не участками ДНК, а целыми молекулами ДНК.

Споры бактерий

Подавляющее большинство бактерий в неблагоприятных условиях образуют споры. Споры бактерий - это в основном способ переживания неблагоприятных условий и способ расселения, а не способ размножения.

При образовании споры цитоплазма бактериальной клетки сжимается, а сама клетка покрывается плотной толстой защитной оболочкой.

Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течении длительного времени и способны переживать очень неблагоприятные условия (крайне высокие и низкие температуры, высыхание).

Когда спора попадает в благоприятные условия, то происходит ее набухание. После этого защитная оболочка сбрасывается, и появляется обычная бактериальная клетка. Бывает, что при этом происходит деление клетки, и образуется несколько бактерий. То есть спорообразование сочетается с размножением.

Значение бактерий

Огромна роль бактерий в круговороте веществ в природе. В первую очередь это относится к бактериям гниения (сапрофитам). Их называют санитарами природы . Разлагая остатки растений и животных, бактерии превращают сложные органические вещества в простые неорганические (углекислый газ, воду, аммиак, сероводород).

Бактерии повышают плодородие почвы, обогащая ее азотом. В нитрифицирующих бактериях протекают реакции, в процессе которых из аммиака образуются нитриты, а из нитритов - нитраты. Клубеньковые бактерии способны усваивать атмосферный азот, синтезируя азотистые соединения. Они живут в корнях растений, образуя клубеньки. Благодаря этим бактериям, растения получают необходимые им азотистые соединения. В основном в симбиоз с клубеньковыми бактериями вступают бобовые растения. После их отмирания почва обогащается азотом. Это нередко используется в сельском хозяйстве.

В желудке жвачных животных бактерии разлагают целлюлозу, что способствует более эффективному пищеварению.

Велика положительная роль бактерий в пищевой промышленности. Многие виды бактерий используются для получения молочнокислых продуктов, сливочного масла и сыра, квашения овощей, а также в виноделии.

В химической промышленности бактерии используются при получении спиртов, ацетона, уксусной кислоты.

В медицине с помощью бактерий получают ряд антибиотиков, ферментов, гормонов и витаминов.

Однако бактерии могут приносить и вред. Они не просто портят продукты питания, но своими выделениями делают их ядовитыми.

Особенности строения бактериальной клетки. Основные органеллы и их функции

Отличия бактерий от других клеток

1. Бактерии относятся к прокариотам, т. е. не имеют обособленного ядра.

2. В клеточной стенке бактерий содержится особый пептидогликан – муреин.

3. В бактериальной клетке отсутствуют аппарат Гольджи, эндоплазматическая сеть, митохондрии.

4. Роль митохондрий выполняют мезосомы – инвагинации цитоплазматической мембраны.

5. В бактериальной клетке много рибосом.

6. У бактерий могут быть специальные органеллы движения – жгутики.

7. Размеры бактерий колеблются от 0,3–0,5 до 5-10 мкм.

По форме клеток бактерии подразделяются на кокки, палочки и извитые.

В бактериальной клетке различают:

1) основные органеллы:

а) нуклеоид;

б) цитоплазму;

в) рибосомы;

г) цитоплазматическую мембрану;

д) клеточную стенку;

2) дополнительные органеллы:

а) споры;

б) капсулы;

в) ворсинки;

г) жгутики.

Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему, состоящую из воды (75 %), минеральных соединений, белков, РНК и ДНК, которые входят в состав органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.

Нуклеоид – ядерное вещество, распыленное в цитоплазме клетки. Не имеет ядерной мембраны, ядрышек. В нем локализуется ДНК, представленная двухцепочечной спиралью. Обычно замкнута в кольцо и прикреплена к цитоплазматической мембране. Содержит около 60 млн пар оснований. Это чистая ДНК, она не cодержит белков гистонов. Их защитную функцию выполняют метилированные азотистые основания. В нуклеоиде закодирована основная генетическая информация, т. е. геном клетки.

Наряду с нуклеоидом в цитоплазме могут находиться автономные кольцевые молекулы ДНК с меньшей молекулярной массой – плазмиды. В них также закодирована наследственная информация, но она не является жизненно необходимой для бактериальной клетки.

Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы размером 20 нм, состоящие из двух субъединиц – 30 S и 50 S. Рибосомы отвечают за синтез белка. Перед началом синтеза белка происходит объединение этих субъединиц в одну – 70 S. В отличие от клеток эукариотов рибосомы бактерий не объединены в эндоплазматическую сеть.

Мезосомы являются производными цитоплазматической мембраны. Мезосомы могут быть в виде концентрических мембран, пузырьков, трубочек, в форме петли. Мезосомы связаны с нуклеоидом. Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.

Включения являются продуктами метаболизма микроорганизмов, которые располагаются в их цитоплазме и используются в качестве запасных питательных веществ. К ним относятся включения гликогена, крахмала, серы, полифосфата (волютина) и др.

Современная наука достигла фантастического прогресса за последние столетия. Однако, некоторые загадки до сих пор будоражат умы выдающихся ученых.

В наши дни так и не найден ответ на актуальный вопрос – сколько же разновидностей бактерий существует на нашей огромной планете?

Бактерия – организм с уникальной внутренней организацией, которому свойственны все процессы, характерные живым организмам. Бактериальная клетка имеет множество удивительных особенностей, одна из которых – разнообразие форм.

Клетка бактерии может обладать сферической, палочковидной, кубической или звездчатой формой. Кроме того, бактерии бывают немного согнуты или формируют разнообразные завитки.

Форма клетки играет важную роль для правильного функционирования микроорганизма, так как она может влиять на возможность бактерии прикрепляться к другим поверхностям, получать необходимые вещества и передвигаться.

Минимальный клеточный размер обычно составляет 0,5 мкм, однако в исключительных случаях величина бактерии может достигать 5,0 мкм.

Строение клетки любой бактерии строго упорядочено. Ее структура значительно отличается от структуры остальных клеток, например растений и животных. Клетки всех видов бактерий не имеют такие элементы, как: дифференцированное ядро, внутриклеточные мембраны, митохондрии, лизосомы.

У бактерий имеются специфические структурные компоненты – постоянные и непостоянные.

К постоянным компонентам относятся: цитоплазматическая мембрана (плазмолемма), клеточная стенка, нуклеоид, цитоплазма. Непостоянными структурами являются: капсула, жгутики, плазмиды, пили, ворсинки, фимбрии, споры.

Цитоплазматическая мембрана

Любую бактерию обволакивает цитоплазматическая мембрана (плазмолемма), которая включает в себя 3 слоя. Мембрана содержит глобулины, отвечающие за выборочную транспортировку разнообразных субстанций в клетку.

Плазмолемма выполняет также следующие важные функции:

• механическая – обеспечивает автономное функционирование бактерии и всех структурных элементов;
• рецепторная – белки, находящиеся в плазмолемме, выступают в качестве рецепторов, то есть помогают клетке воспринимать различные сигналы;
• энергетическая – некоторые белки отвечают за функцию переноса энергии.

Нарушение функционирования плазмолеммы ведет к тому, что бактерия разрушается и погибает.

Клеточная стенка

Структурный компонент, присущий только бактериальным клеткам – клеточная стенка. Это жесткая проницаемая оболочка, которая выступает в роли важней составляющей структурного скелета клетки. Располагается она с внешней стороны от цитоплазматической мембраны.

Клеточная стенка реализует функцию защиты, а кроме того придает клетке постоянную форму. Ее поверхность покрывают многочисленные споры, которые пропускают внутрь необходимые вещества и выводят из микроорганизма продукты распада.

Защита внутренних составляющих от осмотического и механического воздействия – еще одна функция стенки. Она играет незаменимую роль в контроле деления клетки и распределении в ней наследственных признаков. В ее составе содержится пептидогликан, именно он наделяет клетку ценными иммунобиологическими характеристиками.

Толщина клеточной стенки колеблется от 0,01 до 0,04 мкм. С возрастом происходит рост бактерии и количество материала, из которого она построена, соответственно, увеличивается.

Нуклеоид

Нуклеоид – это прокариот, в котором хранится вся наследственная информация бактериальной клетки. Нуклеоид располагается в центральной части бактерии. По своим свойствам он эквивалентен ядру.

Нуклеоид – это одна, замкнутая в кольцо, молекула ДНК. Длина молекулы составляет 1 мм, а объем информации – около 1000 признаков.

Нуклеоид является главным носителем материала о свойствах бактерии и основным фактором передачи этих свойств потомству. Нуклеоид в клетках бактерий не имеет ядрышка, мембраны и основных белков.

Цитоплазма

Цитоплазма – водный раствор, включающий следующие компоненты: минеральные соединения, питательные вещества, белки, углеводы и липиды. Соотношение данных веществ зависит от возраста и типа бактерий.

В цитоплазму входят различные структурные компоненты : рибосомы, гранулы и мезосомы.

• Рибосомы отвечают за синтез белка. Их химический состав включает молекулы РНК и белок.
• Мезосомы участвуют в образовании спор и размножении клеток. Могут иметь форму пузырька, петли, трубочки.
• Гранулы служат дополнительным ресурсом энергии для бактериальных клеток. Эти элементы бывают разнообразных форм. В их составе представлены полисахариды, крахмал, капельки жира.

Капсула

Капсула – это слизистая структура, крепко связанная с клеточной стенкой. Исследуя ее под световым микроскопом, можно заметить, что капсула обволакивает клетку и ее внешние границы имеют четко очерченный контур. В бактериальной клетке капсула служит защитным барьером от фагов (вирусов).

Бактерии формируют капсулу, когда условия внешней среды становятся агрессивными. Капсула включает в свой состав в основном полисахариды, а также в определенных случаях в ней может содержаться клетчатка, гликопротеины, полипептиды.

Основные функции капсулы:

• • адгезия с клетками в организме человека. Например, стрептококки слипаются с эмалью зубов и в союзе с другими микробами провоцируют появление кариеса;
  • защита от негативных условий окружающей среды: токсических веществ, механических повреждений, повышенного уровня кислорода;
  • участие в водном обмене (защита клетки от высыхания);
  • создание дополнительной осмотической преграды.

Капсула формирует 2 слоя:

• внутренний – часть слоя цитоплазмы;
• наружный – результат выделительной функции бактерии.

В основу классификации легли особенности строения капсул. Они бывают:

• нормальные;
• сложные капсулы;
• с поперечно-полосатыми фибриллами;
• прерывистые капсулы.

Некоторые бактерии образуют также микрокапсулу, которая представляет собой слизистое образование. Выявить микрокапсулу можно только под электронным микроскопом, поскольку толщина этого элемента всего 0,2 мкм или даже меньше.

Жгутики

Большинство бактерий имеют поверхностные структуры клетки, которые обеспечивают ее подвижность и передвижение – жгутики. Это длинные отростки в форме левозакрученной спирали, построенные из флагеллина (сократительный белок).

Основная функция жгутиков заключается в том, что они позволяют бактерии передвигаться в жидкой среде в поисках более благоприятных условий. Количество жгутиков в одной клетке может варьироваться: от одного до нескольких жгутиков, жгутиков на всей поверхности клетки или только на одном из ее полюсов.

Существует несколько разновидностей бактерий в зависимости от количества в них жгутиков:

• Монотрихи – у них имеется только один жгутик.
• Лофотрихи – имеют определенное количество жгутиков на одном конце бактерии.
• Амфитрихи – характеризуются наличием жгутиков на полярно противоположных полюсах.
• Перитрихи – жгутики располагаются по всей поверхности бактерии, им характерно медленно и плавное движение.
• Атрихи – жгутики отсутствуют.

Жгутики совершают двигательную активность, совершая вращательные движения. Если у бактерий нет жгутиков – она все равно в состоянии перемещаться, а точнее скользить при помощи слизи на поверхности клетки.

Плазмиды

Плазмиды представляют собой небольшие мобильные молекулы ДНК, отдельные от хромосомных факторов наследственности. Эти компоненты обычно содержат генетический материал, повышающий невосприимчивость бактерии к антибиотикам.

Могут передавать свои свойства от одного микроорганизма к другим. Несмотря на все свои особенности, плазмиды не выступают в качестве важных элементов для жизнедеятельности бактериальной клетки.

Пили, ворсинки, фимбрии

Эти структуры локализуются на поверхностях бактерий. Насчитывают от двух единиц до нескольких тысяч на одну клетку. Эти структурные элементы имеет как бактериальная подвижная клетка, так и неподвижная, поскольку они не оказывают никакого влияния на способность передвигаться.

В количественном отношении, пили достигают несколько сотен на одну бактерию. Существуют пили, которые отвечают за питание, водно-солевой обмен, а также конъюгационные (половые) пили.

Ворсинкам характерна полая цилиндрическая форма. Именно через эти структуры в бактерию проникают вирусы.

Ворсинки не считаются обязательными компонентами бактерии, так как и без них может успешно совершаться процесс деления и роста.

Фимбрии располагаются, как правило, на одном конце клетки. Эти структуры позволяют микроорганизму фиксироваться в тканях организма. Некоторые фимбрии имеют особые белки, контактирующие с рецепторными окончаниями клеток.

Фимбрии отличаются от жгутиков тем, что они толще и короче, а также не реализуют функцию движения.

Споры

Споры образуются в случае негативных физических или химических манипуляций над бактерией (в результате высушивания или нехватки питательных веществ). Они разнообразны по размеру спор, так как у различных клеток они могут быть совершенно разным. Различается также и форма спор – они бывают овальными или шаровидными.

По местоположению в клетке споры подразделяются на:

• центральные – их положение в самом центре, как например, у сибиреязвенной палочки;
• субтерминальные – располагаются на конце палочки, придавая форму булавы (у возбудителя газовой гангрены).

В благоприятной среде жизненный цикл спор включает следующие этапы:

• подготовительный этап;
• этап активации;
• этап инициации;
• этап прорастания.

Споры отличаются особой живучестью, которая достигается благодаря своей оболочке. Она многослойна и состоит преимущественно из белка. Повышенная невосприимчивость спор к негативным условиям и внешним воздействиям обеспечивается именно благодаря белкам.

Структура бактерий хорошо изучена с помощью электронной микроскопии целых клеток и их ультратонких срезов, а также других методов. Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Под оболочкой находится протоплазма, состоящая из цитоплазмы с включениями и наследственного аппарата - аналога ядра, называемого нуклеоидом (рис. 2.2). Имеются дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, пили. Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях способны образовывать споры.

Рис. 2.2. Структура бактериальной клетки: 1 - капсула; 2 - клеточная стенка; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 - мезосомы; 5 - нуклеоид; 6 - плазмида; 7 - рибосомы; 8 - включения; 9 - жгутик; 10 - пили (ворсинки)

Клеточная стенка - прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной сдерживающая высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов, имеет рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов и различных веществ. Наиболее толстая клеточная стенка у грамположительных бактерий (рис. 2.3). Так, если толщина клеточной стенки грамотрицательных бактерий около 15-20 нм, то у грамположительных она может достигать 50 нм и более.

Основу клеточной стенки бактерий составляет пептидогликан. Пептидогликан является полимером. Он представлен параллельными полисахаридными гликановыми цепями, состоящими из повторяющихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидной связью. Эту связь разрывает лизоцим, являющийся ацетилмурамидазой.

К N-ацетилмурамовой кислоте ковалентными связями присоединен тетрапептид. Тетрапептид состоит из L-аланина, который связан с N-ацетилмурамовой кислотой; D-глутамина, который у грамположительных бактерий соединен с L-лизином, а у грамотри-

Рис. 2.3. Схема архитектоники клеточной стенки бактерий

цательных бактерий - с диаминопимелиновой кислотой (ДАП), которая представляет собой предшественник лизина в процессе бактериального биосинтеза аминокислот и является уникальным соединением, присутствующим только у бактерий; 4-й аминокислотой является D-аланин (рис. 2.4).

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов и белков. Основным компонентом клеточной стенки этих бактерий является многослойный пептидогликан (муреин, мукопептид), составляющий 40-90% массы клеточной стенки. Тетрапептиды разных слоев пептидогликана у грамположительных бактерий соединены друг с другом полипептидными цепочками из 5 остатков глицина (пентаглицина), что придает пептидогликану жесткую геометрическую структуру (рис. 2.4, б). С пептидогликаном ктеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. tekhos - стенка), молекулы которых представляют собой цепи из 8-50 остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфатными мостиками. Форму и прочность бактериям придает жесткая волокнистая структура многослойного, с поперечными пептидными сшивками пептидогликана.

Рис. 2.4. Структура пептидогликана: а - грамотрицательные бактерии; б - грамположительные бактерии

Способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать генциановый фиолетовый в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий) связана со свойством многослойного пептидогликана взаимодействовать с красителем. Кроме этого последующая обработка мазка бактерий спиртом вызывает сужение пор в пептидогликане и тем самым задерживает краситель в клеточной стенке.

Грамотрицательные бактерии после воздействия спиртом утрачивают краситель, что обусловлено меньшим количеством пептидогликана (5-10% массы клеточной стенки); они обесцвечиваются спиртом, и при обработке фуксином или сафранином приобретают красный цвет. Это связано с особенностями строения клеточной стенки. Пептидогликан в клеточной стенке грамотрицательных бактерий представлен 1-2 слоями. Тетрапептиды слоев соединены между собой прямой пептидной связью между аминогруппой ДАП одного тетрапептида и карбоксильной группой D-аланина тетрапептида другого слоя (рис. 2.4, а). Кнаружи от пептидогликана расположен слой липопротеина, соединенный с пептидогликаном через ДАП. За ним следуетнаружная мембрана клеточной стенки.

Наружная мембрана является мозаичной структурой, представленной липополисахаридами (ЛПС), фосфолипидами и белками. Внутренний слой ее представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен ЛПС (рис. 2.5). Таким образом, наружная мем-

Рис. 2.5. Структура липополисахарида

брана асимметрична. ЛПС наружной мембраны состоит из трех фрагментов:

Липида А - консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий. Липид А состоит из фосфорилированных глюкозоаминовых дисахаридных единиц, к которым прикреплены длинные цепочки жирных кислот (см. рис. 2.5);

Ядра, или стержневой, коровой части (от лат. core - ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры;

Высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями.

ЛПС заякорен в наружной мембране липидом А, обусловливающим токсичность ЛПС и отождествляемым поэтому с эндотоксином. Разрушение бактерий антибиотиками приводит к освобождению большого количества эндотоксина, что может вызвать у больного эндотоксический шок. От липида А отходит ядро, или стержневая часть ЛПС. Наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота. О-специфическая полисахаридная цепь, отходящая от стержневой части молекулы ЛПС,

состоящая из повторяющихся олигосахаридных единиц, обусловливает серогруппу, серовар (разновидность бактерий, выявляемая с помощью иммунной сыворотки) определенного штамма бактерий. Таким образом, с понятием ЛПС связаны представления об О-антигене, по которому можно дифференцировать бактерии. Генетические изменения могут привести к дефектам, укорочению ЛПС бактерий и появлению в результате этого шероховатых колоний R-форм, теряющих О-антигенную специфичность.

Не все грамотрицательные бактерии имеют полноценную О-специфическую полисахаридную цепь, состоящую из повторяющихся олигосахаридных единиц. В частности, бактерии рода Neisseria имеют короткий гликолипид, который называется липоолигосахаридом (ЛОС). Он сравним с R-формой, потерявшей О-антигенную специфичность, наблюдаемой у мутантных шероховатых штаммов E. coli. Структура ЛОС напоминает структуру гликосфинголипида цитоплазматической мембраны человека, поэтому ЛОС мимикрирует микроб, позволяя ему избегать иммунного ответа хозяина.

Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемыепоринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы с относительной массой до 700 Д.

Между наружной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство, или периплазма, содержащая ферменты (протеазы, липазы, фосфатазы, нуклеазы, β-лактамазы), а также компоненты транспортных систем.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма и других соединений образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой: протопласты - бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты - бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. После удаления ингибитора клеточной стенки такие измененные бактерии могут реверсировать, т.е. приобретать полноценную клеточную стенку и восстанавливать исходную форму.

Бактерии сфероили протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана под влиянием антибиотиков или других факторов и способные размножаться, называются L-формами (от названия Института им. Д. Листера, где они впер-

вые были изучены). L-формы могут возникать и в результате мутаций. Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Некоторые L-формы (нестабильные) при удалении фактора, приведшего к изменениям бактерий, могут реверсировать, возвращаясь в исходную бактериальную клетку. L-формы могут образовывать многие возбудители инфекционных болезней.

Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм каждый разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмолемму клеток животных и состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов, с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ. В отличие от эукариотических клеток, в цитоплазматической мембране бактериальной клетки отсутствуют стеролы (за исключением микоплазм).

Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную текучую структуру. Она окружает наружную часть цитоплазмы бактерий и участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, аденозинтрифосфатазы - АТФазы и др.). При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Менее сложно закрученные структуры называются внутрицитоплазматическими мембранами. Роль мезосом и внутрицитоплазматических мембран до конца не выяснена. Предполагают даже, что они являются артефактом, возникающим после приготовления (фиксации) препарата для электронной микроскопии. Тем не менее считают, что производные цитоплазматической мембраны участвуют в делении клетки, обеспечивая энергией синтез клеточной стенки, принимают участие в секреции веществ, спорообразовании, т.е. в процессах с высокой затратой энергии. Цитоплазма занимает основной объем бактери-

альной клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений и многочисленных мелких гранул - рибосом, ответственных за синтез (трансляцию) белков.

Рибосомы бактерий имеют размер около 20 нм и коэффициент седиментации 70S, в отличие от 80S-рибосом, характерных для эукариотических клеток. Поэтому некоторые антибиотики, связываясь с рибосомами бактерий, подавляют синтез бактериального белка, не влияя на синтез белка эукариотических клеток. Рибосомы бактерий могут диссоциировать на две субъединицы: 50S и 30S. рРНК - консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S-рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, а 23S-рРНК - в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяя оценить степень родства организмов.

В цитоплазме имеются различные включения в виде гранул гликогена, полисахаридов, β-оксимасляной кислоты и полифосфатов (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей.

Волютин обладает сродством к основным красителям и легко выявляется с помощью специальных методов окраски (например, по Нейссеру) в виде метахроматических гранул. Толуидиновым синим или метиленовым голубым волютин окрашивается в краснофиолетовый цвет, а цитоплазма бактерии - в синий. Характерное расположение гранул волютина выявляется у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. Метахроматическое окрашивание волютина связано с высоким содержанием полимеризованного неорганического полифосфата. При электронной микроскопии они имеют вид электронноплотных гранул размером 0,1-1 мкм.

Нуклеоид - эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, плотно уложенной наподобие клубка. Нуклеоид бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). У большинства бактерий содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК. Но у некоторых бактерий имеются две хромосомы кольцевой формы (V. cholerae) и линейные хромосомы (см. раздел 5.1.1). Нуклеоид выявляется в световом микроскопе после окраски специфическими для ДНК

методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе. На электронограммах ультратонких срезов бактерий нуклеоид имеет вид светлых зон с фибриллярными, нитевидными структурами ДНК, связанной определенными участками с цитоплазматической мембраной или мезосомой, участвующими в репликации хромосомы.

Кроме нуклеоида, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды (см. раздел 5.1.2), представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.

Капсула, микрокапсула, слизь. Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках-отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка по Бурри- Гинсу, создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь создает темный фон вокруг капсулы. Капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда из полипептидов, например у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна, включает большое количество воды. Она препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела к капсуле вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).

Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии.

От капсулы следует отличать слизь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких внешних границ. Слизь растворима в воде.

Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палочки, часто встречающихся в мокроте больных кистозным фиброзом. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам); их еще называют гликокаликсом.

Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, так как, являясь гидрофильными, хорошо связывают воду, препятствуют действию защитных факторов макроорганизма и бактериофагов.

Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие на-

чало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят из трех частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (одна пара дисков у грамположительных и две пары у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем - ротором, вращающим жгутик. В качестве источника энергии используется разность протонных потенциалов на цитоплазматической мембране. Механизм вращения обеспечивает протонная АТФ-синтетаза. Скорость вращения жгутика может достигать 100 об/с. При наличии у бактерии нескольких жгутиков они начинают синхронно вращаться, сплетаясь в единый пучок, образующий своеобразный пропеллер.

Жгутики состоят из белка - флагеллина (flagellum - жгутик), являющегося антигеном - так называемый Н-антиген. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.

Число жгутиков у бактерий разных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен, отходящих по периметру бактерии (перитрих), у кишечной палочки, протея и др. Лофотрихи имеют пучок жгутиков на одном из концов клетки. Амфитрихи имеют по одному жгутику или пучку жгутиков на противоположных концах клетки.

Жгутики выявляют с помощью электронной микроскопии препаратов, напыленных тяжелыми металлами, или в световом микроскопе после обработки специальными методами, основанными на протравливании и адсорбции различных веществ, приводящих к увеличению толщины жгутиков (например, после серебрения).

Ворсинки, или пили (фимбрии) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10 нм * 0,3-10 мкм), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина. Известно несколько типов пилей. Пили общего типа отвечают за прикрепления к субстрату, питание и водно-солевой обмен. Они многочисленны - несколько сотен на клетку. Половые пили (1-3 на клетку) создают контакт между клетками, осуществляя между ними передачу генетической информации путем конъюгации (см. главу 5). Особый интерес представляют пили IV типа, у которых концы обладают гидрофобностью, в результате чего они закручиваются, эти пили называют еще кудряшками. Располага-

ются они по полюсам клетки. Эти пили встречаются у патогенных бактерий. Они обладают антигенными свойствами, осуществляют контакт бактерии с клеткой-хозяином, участвуют в образовании биопленки (см. главу 3). Многие пили являются рецепторами для бактериофагов.

Споры - своеобразная форма покоящихся бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Спорообразующие бактерии рода Bacillus, у которых размер споры не превышает диаметр клетки, называются бациллами. Спорообразующие бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, отчего они принимают форму веретена, называются клостридиями, например бактерии рода Clostridium (от лат.Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нельсена в красный, а вегетативная клетка - в синий цвет.

Спорообразование, форма и расположение спор в клетке (вегетативной) являются видовым свойством бактерий, что позволяет отличать их друг от друга. Форма спор бывает овальной и шаровидной, расположение в клетке - терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы).

Процесс спорообразования (споруляция) проходит ряд стадий, в течение которых часть цитоплазмы и хромосома бактериальной вегетативной клетки отделяются, окружаясь врастающей цитоплазматической мембраной, - образуется проспора.

В протопласте проспоры находятся нуклеоид, белоксинтезирующая система и система получения энергии, основанная на гликолизе. Цитохромы отсутствуют даже у аэробов. Не содержится АТФ, энергия для прорастания сохраняется в форме 3-глицеринфосфата.

Проспору окружают две цитоплазматические мембраны. Слой, окружающий внутреннюю мембрану споры, называется стенкой споры, он состоит из пептидогликана и является главным источником клеточной стенки при прорастании споры.

Между наружной мембраной и стенкой споры формируется толстый слой, состоящий из пептидогликана, имеющего много сшивок, - кортекс.

Кнаружи от внешней цитоплазматической мембраны расположена оболочка споры, состоящая из кератиноподобных белков, со-

держащих множественные внутримолекулярные дисульфидные связи. Эта оболочка обеспечивает резистентность к химическим агентам. Споры некоторых бактерий имеют дополнительный покров -экзоспориум липопротеиновой природы. Таким образом формируется многослойная плохо проницаемая оболочка.

Спорообразование сопровождается интенсивным потреблением проспорой, а затем и формирующейся оболочкой споры дипиколиновой кислоты и ионов кальция. Спора приобретает термоустойчивость, которую связывают с наличием в ней дипиколината кальция.

Спора долго может сохраняться из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизма. В почве, например, возбудители сибирской язвы и столбняка могут сохраняться десятки лет.

В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активации, инициации, вырастания. При этом из одной споры образуется одна бактерия. Активация - это готовность к прорастанию. При температуре 60-80 °С спора активируется для прорастания. Инициация прорастания длится несколько минут. Стадия вырастания характеризуется быстрым ростом, сопровождающимся разрушением оболочки и выходом проростка.

Бактерии, несмотря на их очевидную простоту, имеют хорошо развитую структуру клетки, которая отвечает за многие их уникальных биологических свойств. Многие конструктивных деталей уникальные для бактерий и не найдены среди архей или эукариот. Однако, несмотря на относительную простоту бактерий и легкость выращивания отдельных штаммов, много бактерий не удается вырастить в лабораторных условиях, а их структуры часто слишком малы для изучения. Поэтому, хотя некоторые принципы строения бактериальной клетки хорошо изучены и даже применяются для других организмов, большинство уникальных черт и структур бактерий все еще неизвестны.

морфология клетки

Большинство бактерий имеют или сферическую форму, так называемые коки (от греческого слова kókkos — зерно или ягода), или палочкообразную, так называемые бациллы (от латинского слова bacillus — палочка). Некоторые палочковидных бактерий (вибрионы) несколько согнуты, а другие формируют спиральные завитки (спирохеты). Все это разнообразие форм бактерий определяется структурой их клеточной стенки и цитоскелета. Эти формы важны для функционирования бактерий поскольку они могут влиять на способность бактерий получать питательные вещества, прикрепляться к поверхностям, двигаться и спасаться от хищников.

Размер бактерий

Бактерии могут иметь большой набор форм и размеров (или морфологи). По размеру бактериальные клетки обычно в 10 раз меньше, чем клетки эукариот, конечно имея только 0,5-5,0 мкм в своем крупнейшем размере, хотя гигантские бактерии, такие как Thiomargarita namibiensis и Epulopiscium fishelsoni, могут вырастать до 0,5 мм в размере и быть видимыми невооруженным глазом. Наименьшими свободно-живущими бактериями является микоплазмы, члены рода Mycoplasma, лишь 0,3 мкм в длину, примерно равные по размеру крупнейшим вирусам.

Мелкий размер важен для бактерий, потому что он приводит к большому соотношение площади поверхности к объему, помогает быстрому транспорта питательных веществ и выделению отходов. Низкое соотношениях площади поверхности к объему, наоборот, ограничивает скорость метаболизма микроба. Причина для существования крупных клеток неизвестна, хотя кажется, что большой объем используется прежде всего для хранения дополнительных питательных веществ. Однако, существует и наименьший размер свободно-живущей бактерии. Согласно теоретическим подсчетам, сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве. Недавно были описаны нанобактерии (и подобные нанобы и ультрамикробактерии), имеющих размеры меньше «допустимых», хотя факт существования таких бактерий все еще ​​остается под вопросом. Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению, но требуют получения ряда питательных веществ, которые они не могут синтезировать, от клетки-хозяина.

Структура клеточной оболочки

Как в других организмах, бактериальная клеточная стенка обеспечивает структурную целостность клетки. У прокариот, первичная функция клеточной стенки — защита клетки от внутреннего тургора вызванного намного выше концентрациями белков и других молекул внутри клетки по сравнению с окружающими. Бактериальная клеточная стенка отличается от стенки всех других организмов наличием пептидогликана (роли-N-ацетилглюкозамина и N-ацетомурамиева кислота), который размещается непосредственно за пределами цитоплазмитичнои мембраны. Пептидогликан отвечает за жесткость бактериальной клеточной стенки и частично за определение формы клетки. Он относительно пористый и не противодействует проникленню малых молекул. Большинство бактерий имеют клеточные стенки (с несколькими исключениями, например микоплазма и родственные бактерии), но не все клеточные стенки имеют такую ​​же структуру. Существует два основных типа бактериальных клеточных стенок, в грамположительных и грамотрицательных бактерий, которые отличаются с помощью окрашивания по Граму.

Клеточная стенка грамположительных бактерий

Клеточная стенка грамположительных бактерий характеризуется присутствием очень толстого слоя пептидогликана, который отвечает за утримянни красителя генциановый фиолетового во время процедуры окрашивания по Граму. Такая стенка найдена исключительно в организмах, принадлежащих к типам Actinobacteria (или грамм-положительные бактерии с высоким содержанием% G + C) и Firmicutes (или грамм-положительные бактерии с низким содержанием% G + C). Бактерии в группе Deinococcus-Thermus также могут положительно краситься по Граму, но содержат некоторые структуры клеточной стенки, типичные для грамотрицательных организмов. В клеточную стенку грамположительных бактерий встроенные полиспирты, называемые техоевою кислотой, некоторые из которых связаны с липидами, формируя липотехоеви кислоты. Поскольку липотехоеви кислоты ковалентно связываются с липидами в пределах цитоплазматической мембраны, они отвечают за соединение пептидогликана с мембраной. Техоева кислота оказывает грамм-позитивным бактериям положительный электрический помогут благодаря фосфодиестерним связям между мономерами техоевои кислоты.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий

В отличие от грамположительных бактерий, грамотрицательные бактерии содержат очень тонкий слой пептидогликана, отвечающий за неспособность клеточных стенок содержать краситель кристал-виолет течение процедуры окрашивания по Граму. В дополнение к слою пептидогликанов, грам-отрицательные бактерии имеют вторую, так называемую внешнюю мембрану, находится кнаружи от клеточной стенки и компонует фосфолипиды и Липополисахарид на своей внешней стороне. Отрицательно заряженные Липополисахарид также предоставляют клетке отрицательный электрический заряд. Химическая структура Липополисахарид внешней мембраны часто уникальная для отдельных штаммов бактерий и часто отвечает за реакцию антигенов с представителями этих штаммов.

внешняя мембрана

Как любой двойной слой фосфолипидов, внешняя мембрана достаточно непроницаема для всех заряженных молекул. Однако, белковые каналы (окунитесь) присутствуют во внешней мембране, позволяют пассивный транспорт многих ионов, сахара и аминокислот через внешнюю мембрану. Таким образом, эти молекулы присутствуют в периплазматическое, слое между внешней и цитоплазматической мембранами. Периплазматическое содержит слой пептидогликана и много белков, шо отвечают за гидролиз и прием внеклеточных сигналов. Читается, что перивлазма гелеобразная, а не жидкая, из-за высокого содержания белка и пептидогликана. Сигналы и живильни вещества с периплазматическое попадают в цитоплазму клетки используя транспортные белки в цитоплизматичний мембране.

Бактериальная цитоплазматическая мембрана

Бактериальная циоплазматична мембрана составлена ​​из двойного слоя фосфолипидов, и поэтому имеет все общие функции цитоплазматической мембраны, действуя как барьер проницаемости для большинства молекул и заключая транспортные белки, регулирующие транспорт молекул в клетки. В дополнение к этим функциям, на бактериальных цитоплазматических мембранах также протекают реакции энергетического цикла. В отличие от эукариот, бактериальные мембраны (с некоторыми исключениями, например в микоплазм и метанотрофов) в целом не содержат стеролов. Однако, многие бактерии содержат структурно связаны соединения, так называемые хопаноиды, предположительно выполняют ту же функцию. В отличие от эукариот, бактерии могут иметь широкое разнообразие жирных кислот в своих мембран. Вместе с типичными насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами, бактерии могут содержать жирные кислоты с дополнительными метильными, гидрокси- или даже циклическими группами. Относительные пропорции этих жирных кислот бактерия может регулировать для поддержания оптимальной текучесть мембраны (например, при изменениях температуры).

Поверхностные структуры бактерий

Ворсинки и фимбрии

Ворсинки и фимбрии (pili, fimbriae) — восточные по строению поверхностные структуры бактерий. Сначала эти сроки были введены отдельно, но сейчас подобные структуры классифицируются как ворсинки I, IV типов и половые ворсинки, но многие другие типы остаются неклассифицированными.

Половые ворсинки — очень длинные (5-20 микрон) и присутствующие на бактериальной клетке в небольшом количестве. Они используются для обмена ДНК при бактериальной конъюгации.

Ворсинки или фимбрии I типа — короткие (1-5 микрон), тянутся от внешней мембраны во многих направлениях, имеют трубчатую форму, присутствующие в багатох членах типа Proteobacteria. Эти ворсинки обычно используются для прикрепления к поверхности.

Ворсинки или фимбрии IV типа — средней длины (около 5 микрон), расположенные на полюсах бактерий. Ворсинки IV типа помогают прикрепляться к поверхностям (например, при формировании биофильмы), или к другим клеткам (например, животных клеток в течение патогенеза)). Некоторые бактерии (например, Myxococcus) используют ворсинки IV типа как механизм движения.

S-слой

На поверхности, вне слоем пептидигликану или внешней мембраной, часто располагается белковый S-слой. Хотя функция этого слоя до конца не известна, считается, что этот слой обеспечивает химический и физический защиту поверхности клетки и может служить макромолекулярным барьером. Считается также, что S-слои могут иметь и другие функции, например, они могут служить факторами патогенности в Campylobacter и содержат внешние ферменты в Bacillus stearothermophilus.

Капсулы и слизь

Многие бактерии выделяют внеклеточные полимеры за пределами своих клеточных стенок. Эти полимеры обычно составлены из полисахаридов и иногда белков. Капсулы — относительно непроницаемые структуры, которые не могут быть крашеные многими красителями. Они вообще используются для к прикреплению бактерий к другим клеткам или неживых поверхностей при формировании биофильмы. Они имеют различную структуру от неорганизованного слизистого слоя из клеточных полимеров в чрезвычайно структурированных мембранных капсул. Иногда эти структуры вовлечены в защиту клеток от поглощения клетками эукариот, например, макрофагами. Также выделение слизи имеет сигнальную финкции для медленно-подвижных бактерий и, возможно, используется непосредственно для движения бактерий.

жгутики

Возможно, наиболее легко розпознаваемимы внеклеточными структурами бактериальной клетки является жгутики. Бактериальные жгутики — это нитчатые структуры, активно вращаются вокруг своей оси с помощью жгутикового мотора и отвечают за движение многих бактерий в жидкой среде. Расположение жгутиков зависит от вида бактерий и бывает нескольких типов. Жгутики клетки — сложные структуры, состоящие из многих белков. Сам филамент составленный из включают флагеллина (FlaA), который формирует филамент трубчатой ​​формы. Базальное мотор — это большой белковый комплекс, который охватывает клеточную стенку и обе ее мембраны (если они есть), формируя вращательное мотор. Этот мотор движется за счет электрического потенциалу на цитоплазматической мембране.

системы секреции

Кроме того, в цитоплазматической мембране и клеточной оболочке расположены специализированные системы секреции, структура которых зависит от вида бактерии.

Внутренняя структура

По сравнению с эукариот внутриклеточная струкрира бактериальной клетки несколько проще. Бактерии почти не содержат мембранных органелл, как эукариоты Конечно, хромосома и рибосомы являются единственными легко заметными внутриклеточными структурами, найденными во всех бактерий. Хотя некоторые группы бактерий содержат сложные специализированные внутриклеточные структуры, ниже обшлворюються некоторые из них.

Цитоплазма и цитоскелет

Вся внутренняя часть бактериальной клетки в пределах внутренней мембраны называется цитоплазмой. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащей набор растворимых РНК, белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, назиаеться цитозолем. Другая часть цитоплазмы представлена ​​различными структурными элементами, включающих хромосому, рибосомы, цитоскелет бактерий и другие. До недавнего времени считалось, что бактерии не имеют цитоскелета, но сейчас в бактериях найдены ортологи или даже гомологи всех типов филаментов эукариот: микротрубочек (FtsZ), актина (MreB и ParM) и промежуточных филаментов (Кресцентин). Цитоскелет выполняет много функций, часто отвечая за форму клетки и за внутриклеточный транспорт.

Бактериальная хромосома и плазмиды

В отличие от эукариот, бактериальная хромосома не находится ли во внутренней части ограниченного мембраной ядра, но находится в цитоплазме. Это означает, что передача клеточной информации через процессы трансляции, трансклипции и репликации происходит в пределах того же компартмента и ее компоненты могут взаимодействовать с другими структурами цитоплазмы, в частности, рибосомами. Бактериальная хромосома без упаковки используя гистоны, как у эукариот, но вместо того существует в виде компактной суперзакрученои структуры, называемый нуклеоидом. Сами бактериальные хромосомы круговые, хотя существуют примеры линейных хромосом (например, в Borrelia burgdorferi). Вместе с хромосомной ДНК, большинство бактерий также содержат маленькие независимые куски ДНК, называемые плазмиды, которые часто кодируют отдельные белки, которые выгодны но не имеет большого значения для бактерии-хозяина. Плазмиды могут быть легко приобретенными или потерянными бактерией и могут переноситься между бактериями как форма горизонтального переноса генов.

Рибосомы и белковые комплексы

В большинстве бактерий, многочисленными внутриклеточными структурами рибосомы, место синтеза белков во всех живых организмах. Рибосомы бактерий также несколько отличаются от рибосом эукариот и архей и имеют константу седиментации 70S (в отличие от 80S у эукариот). Хотя рибосомы — наиболее Распространено внутриклеточный белковый комплекс в бактериях, иногда с помощью электронной микроскопии наблюдаются другие крупные комплексы, хотя в большинстве случаев их назначение неизвестно.

внутренние мембраны

Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и, зачастую, отсутствие вообще мембран внутри цитоплизмы. Многие важных биохимических реакций, например, реакции энергетического цикла, происходят благодаря ионным градиентам через мембраны, создавая разность потенциалов подобно батареи. Отсутствие внутренних мембран в бактериях означает, что эти реакции, например, перенос электрона в реакциях электронно-транспортной цепочки, происходят через цитоплазматическую мембрану, между цитоплазмой и периплазматическое. Однако, в некоторых фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть производных от цитоплазматической фотоситетичних мембран. В пурпурных бактерий (например, Rhodobacter) они сохранили связь с цитоплазматической мембраной, легко обнаруживается на срезах под электронным микроскопом, но у цианобактерий эта связь или трудно оказывается, или потерянный в процессе эволюции.

гранулы

Некоторые бактерии формируют внутриклеточные гранулы для хранения питательных веществ, таких как гликоген, полифосфат, сера или полигидроксиалканоаты, что дают бактериям возможность хранить эти вещества для использования позже.

газовые везикулы

Газовые везикулы — веретенообразные структуры, найденные в некоторых плвнктонних бактериях, обеспечивающих плавучесть клеткам этих бактерий, уменьшая их полную плотность. Они состоят из белковой оболочки, очень непроницаемой к воде, но проникающих в большинстве газов. Налаживая количество наличии газа в своих газовых везикулах, бактерия может увеличивать или уменьшать свою полную плотность и таким образом двигаться вверх или вниз в пределах толщи воды, поддерживая себя в окружении, оптимальном для роста.

Карбоксисомы

Карбоксисомы — внутриклеточные структуры, найденные во многих автотрофных бактериях, например Cyanobacteria, нитрозных бактериях и Nitrobacteria. Это белковые структуры, напоминающие глав вирусные частицы по морфологии, и содержат ферменты фиксации углекислоты в этих организмах (особенно рибулозо-биcфосфат-карбоксиласа / оксигеназы, RuBisCO, и карбоангидразы). Считается, что высокая локальная концентрация ферментов вместе с быстрой конверсии бикарбоната до углекислоты карбоангидразы позволяет быструю и эффективную фиксацию углекислоты, чем возможно внутри цитоплазмы.

Известно, что подобные структуры содержат кофермент B12-содержа глицерин-дегидратазы, ключевой фермент ферментации глицерина до 1,3-пропанедиолу в некоторых представителях семейства Enterobacteriaceae (например Salmonella).

Магнетосомы

Известным классом мембранных органелл бактерий, которые больше напоминают эукариотические органеллы, но, возможно, тоже связаны с цитоплазматической мембраной, является магнетосомы, присутствующие в магнетотактичних бактерий.

Бактерии в хозяйстве

При участии бактерий получают кисломолочнi продукты (кефир сыры) оцотову кислоту. Определенные группы бактерий используют для изготовления антибиотиков и витаминов. Применяют для квашения капусты и дубления кожи. А в сельском хозяйстве бактерii используют для изготовления и хранения зеленых кормов для животных.

Жаль в хозяйстве

Бактерii могут портить продукты питания. Поселяясь в продуктах они производят ядовитые вещества как для человека так и для животного.Если своевременно НЕ применить сыворотку и препараты отравлена ​​человек может погибнуть! Поэтому перед употреблением обязательно мойте овощи и фрукты!

Споры и неактивные формы бактерий

Некоторые бактерии типа Firmicutes способные к формированию эндоспор, позволяющие им выдержать экстремальные экологические и химические условия (например, грамм-положительные Bacillus, Anaerobacter, Heliobacterium и Clostridium). Почти во всех случаях формируется одна ендоспрора, поэтому это не процесс воспроизводства, хотя Anaerobacter может формировать до семи эндоспор на клетку. Эндоспоры имеют центральное ядро, составленное из цитоплазмы содержащий ДНК и рибосомы, окруженное слоем пробки и защищено непроницаемой и жесткой оболочкой. Эндоспоры не показывают никакого метаболизма и могут выдержать экстремальный физико-химический давление, например высокие уровни ультрафиолетового излучения, гамма-излучения, детергентов, дезинфицирующих средств, нагрев, давления и висушивання. В таком неактивном состоянии эти организмы, в некоторых случаях, мужуть оставаться жизнеспособными в течение миллионов лет и выживать даже в космическом пространстве. Эндоспоры могут быть причиной заболеваний, например, при сибирская язва может быть вызвана вдыханием эндоспор Bacillus anthracis.

Метан-окисляющие бактерии в роду Methylosinus также формируют устойчивые к высушиванию споры, так называемые экзоспоры, потому что они формируются почкованием на конце клетки. Экзоспоры не содержат диаминопиколиновои кислоты, характерного компонента эндоспор. Цисты — это другие неактивные, окружены толстой стенкой структуры, образующиеся членами родов Azotobacter, Bdellovibrio (бделоцисты), и Myxococcus (миксоспоры). Они устойчивы к высушиванию и других вредностей, но в меньшей степени, чем ендопоры. При образовании цист представителями Azotobacter, деление клетки завершается образованием толстой многослойной стенки и оболочки, окружающей клетку. Нитчатые Actinobacteria формируют воспроизводительные споры двух категорий: кондициоспоры, которые являются цепочками спор, сформированных из мицелиеподибник нитей, и спорангиеспоры, которые формируются в специализированных мешочках, спорангиях.

Видео по теме