АГРОИНФормация

Агропортал - все для специалистов агропромышленного комплекса

Ультраструктура бактериальной клетки

Бактериальная клетка, несмотря на внешнюю простоту строения, представляет собой весьма сложный организм, для которого характерны процессы, свойственные всем живым существам.

Ультраструктуру бактерий удалось детально изучить после создания электронных микроскопов с большой разрешающей способностью, разработки техники получения ультратонких срезов клеток, появления фазово-контрастной микроскопии, усовершенствования методов микрохимических анализов. Разнообразные методы исследований дали возможность определить различные поверхностные и внутренние структуры у бактерий, (рис. 5).

К внешним структурам обычно относят капсулы, жгутики, фимбрии и пили, а также клеточную стейку, под которой расположена цитоплазматическая мембрана. Внутреннее содержимое бактерий представлено цитоплазмой, в которой находятся нуклеоид, рибосомы и мембранные структуры, а также разнообразные включения. Бациллы и некоторые другие бактерии образуют споры.

Капсула. Большинство бактерий окружены слоем вещества, расположенного поверх клеточной стенки. Это слизистое образование — капсула (рис. 6). Бывают макрокапсулы (толщина слоя 0,2 мкм), микрокапсулы (менее 0,2 мкм), слизистый слой и растворимая слизь.

По химическому составу капсулы бактерий можно разделить на два типа. Одни представлены полисахаридами, другие — полипептидами. Однако встречаются капсулы, состоящие из липидов, (у туберкулезных бактерий), гетерополисахаридов и других веществ. Капсулы содержат до 98% воды. Поэтому они создают дополнительный осмотический барьер, а также защищают клетку от механических повреждений и высыхания. Капсулы защищают клетки и от других неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Замечено, что бактерии, имеющие капсулы, могут жить в такой среде, в которой рост бактерий без капсул ограничен.

Жгутики. Существуют два типа подвижных бактерий: скользящие и плавающие. Скольжение наблюдается у миксобактерий. и серных бактерий. Эти организмы могут совершать скольжение по поверхности в результате волнообразных сокращений, вызывающих периодическое изменение формы клетки.

Плавающие палочковидные бактерии передвигаются с помощью особых нитевидных придатков — жгутиков. За счет жгутиков передвигается большинство спирилл. Кокки, за исключением отдельных видов, не имеют жгутиков.

Бактерия с одним жгутиком называется монотрихом; бактерия с пучком жгутиков на одном конце клетки — лофотрихом; на обоих концах — амфитрихом; бактерия со жгутиками, расположенными по всей поверхности клетки, называется перитрихом (рис. 7).

Число жгутиков различно у разных видов бактерий. Например, спириллы (Spirillum) имеют от 5 до 30 жгутиков, вибрионы (Vibrio) — 1 или 2—3 жгутика на полюсе клетки, а у палочковидных бактерий Proteus vulgaris и Clostridium tetani обнаружено от 50 до 100 жгутиков. Толщина жгутиков колеблется от 10 до 20 нм, длина — от 3 до 15 .мкм, причем у одной и той же бактериальной клетки длина может изменяться в зависимости от состояния культуры и факторов внешней среды. В химическом отношении жгутики представляют собой белок флагеллин.

Белковые молекулы, из которых состоят жгутики, собраны в спиральные цепи, закругленные вокруг полой сердцевины.

Жгутики хорошо видны в электронном микроскопе, для наблюдения через оптический микроскоп требуется их специальная обработка. Жгутики не относятся к жизненно важным структурам бактериальной клетки. Так, бактерии, обладающие жгутиками, можно вырастить в условиях, при которых эти структуры у них не развиваются. У подвижных бактерий наблюдаются «фазовые вариации», то есть в течение одной фазы развития жгутики имеются, в другой — отсутствуют. Жгутики можно разрушить, а клетка останется жизнеспособной.

Жгутики прикрепляются к особой структуре — базальному тельцу, расположенному под цитоплазматической мембраной. Движение жгутику сообщает через его основание жгутиковый «мотор» — базальное тельце, состоящее из центрального стержня, вставленного в систему колец, которые вращаются относительно друг друга.

Бактериальные клетки со жгутиками двигаются со скоростью, которая зависит от особенностей их аппарата движения и свойств среды – вязкости, температуры рН, осмотического давления и др. Большинство бактерий за секунду проходят расстояние, равное размерам их клетки.

Однако некоторые бактерии при благоприятных условиях за то же время могут передвигаться на расстояние, превышающее размеры клетки в 50 раз и более.

Бактерии передвигаются беспорядочно, но способны и к направленным движениям, так называемым таксисам. В зависимости от внешних факторов, под воздействием которых происходит движение, различают хемотаксис, обусловленный разницей в концентрации химических веществ в среде, аэротаксис, связанный с разницей в содержании кислорода, и, наконец, фототаксис, когда условием направленного движения бактерий является различие в интенсивности освещения.

Фимбрии и пили. Кроме жгутиков, клетки бактерий могут иметь длинные, тонкие, прямые нити — фимбрии. Фимбрии значительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны. Обнаружены они как у подвижных, так и у неподвижных организмов. Размеры фимбрий 0,3—4 мкм в длину и 5—10 нм в ширину. Число их достигает 100—200 и более (до нескольких тысяч) на одну бактериальную клетку.

Фимбрии состоят из белка — пилина.

В настоящее время известно несколько типов фимбрий, которые отличаются своими функциями. Наиболее изучены функции фимбрий первого и второго типов. Фимбрии первого типа имеют многие бактерии,

Что дало возможность назвать их «фимбриями общего типа». Наличие фимбрий первого типа помогает бактериальной клетке прилипать к другим клеткам или инертному субстрату, или способствовать образованию пленок на поверхности жидкостей, и поэтому считают, что фимбрии этого типа — органы прикрепления (рис. 8).

Большой интерес представляют фимбрии второго типа, так называемые половые фимбрии, или пили, имеющие внутри канал, через который передается генетический материал от одной клетки к другой при конъюгации бактерий. Пили также могут служить для прикрепления патогенных бактерий к тканям животных и человека.

Клеточная стенка — один из главных элементов структуры бактериальной клетки. Клеточная стенка обладает определенной ригидностью (жесткостью), но вместе с тем эластичностью и может изгибаться. Ее можно разрушить ультразвуком, ферментом лизоцимом и другими способами. В результате разрушения клеточной стенки содержимое клетки — цитоплазма с ее включениями, окруженная цитоплазматической мембраной, приобретает шаровидную форму. Такая округлившаяся клетка, образовавшаяся после удаления клеточной стенки у бактерии, называется протопластом (сферопластом). Отсюда следует, что стенка придает ‘бактериальной клетке определенную форму.

Клеточная стенка имеет и другие функции. Она защищает внутреннее содержимое клетки от действия механических и осмотических сил внешней среды, ей принадлежит важная роль в регуляции роста и деления бактерий и распределении генетического материала.

Толщина клеточной стенки колеблется от 10 до 80 нм и составляет около 20% сухого вещества бактериальной клетки. Клеточная стенка относительно проницаема для крупных молекул. Она связана с цитоплазматической мембраной соединительными тяжами - «мостиками».

Считают, что клеточная стенка ответственна за окрашивание бактерий по Граму. Способность (или, наоборот, неспособность) окрашиваться по Грамму связана с различием в химическом составе клеточных стенок бактерий.

Главным структурным компонентом клеточных стенок большиства исследованных бактерий является пептидогликан (муреин), представляющий собой гетерополимер, который построен из чередующихся остатков N-ацетил-N-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных в-1,4-связями. Полисахаридные цепи связаны между собой короткими пептидными мостиками. Пептидогликан придает клеточной стенке ригидные свойства, благодаря чему бактериальная клетка способна сохранять свою форму.

У грамположительных бактерий клеточная стенка состоит главным образом из многослойного пептидогликана, в который сложным образом вплетены такие сопутствующие компоненты, как белки, полисахариды, а также так называемые тейхоевые кислоты (полимеры рибитфосфорной и глицеринфосфорной кислот).

У грамотрицательных бактерий пептидогликан однослойный. Сверху пептидогликана располагается структура, получившая название наружной мембраны. Она имеет мозаичное строение и состоит из фосфолипидов, липопротеидов, белков и сложного липополисахарида (ЛПС).

Содержание пептидогликана в клеточных стенках колеблется от 50 до 90% у грамположительных бактерий и от 1 до 10% у грамотрицательных.

Таким образом, неодинаковое отношение бактерий к окраске по Граму может быть объяснено различием в количестве пептидогликана и его локализацией в клеточной стенке.

В настоящее время выявлено, что поверхность клеточной стенки некоторых палочковидных форм бактерий покрыта выростами, шипами или буграми.

Клеточной стенки нет у микоплазм, а также у L-форм бактерий. Наименование L-форм (от названия Института имени Листера (Великобритания), где впервые изучены эти формы) получили бактерии, полностью или частично лишенные клеточной стенки (под влиянием антибиотиков или спонтанно без видимой причины) и сохранившие способность к размножению. Для L-форм разных бактерий характерно образование крупных и мелких шаровидных клеток. L-формы описаны у многих болезнетворных и сапрофитных бактерий.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ). К клеточной стенке бактериальной клетки тесно прилегает внешний слой цитоплазмы — цитоплазматическая мембрана, состоящая обычно из двойного слоя липидов, каждая из поверхностей которого покрыта мономолекулярным слоем белка. Мембрана составляет около 8—15% сухого вещества клетки и содержит до 70—90% липидов клетки. Общая толщина мембраны равняется приблизительно 9 нм.

Цитоплазматическая мембрана играет роль осмотического барьера, контролирующего транспорт веществ в бактериальную клетку и из нее. Нередко мембрана дает внутрицитоплазматические впячивания (инвагинации), приводящие к образованию особых телец—мезосом.

Цитоплазматическая мембрана и мезосомы выполняют функции, свойственные мембранам и митохондриям высших организмов, в которых или на которых локализованы ферментные системы-поставщики энергии. В отличие от митохондрий в цитоплазматической мембране и мезосомах бактерий наряду с дыхательными системами ферментов и механизмом регуляции проницаемости располагаются специфичные ферментные системы, участвующие в таких процессах, как азотфиксация, хемосинтез и др.

С цитоплазматической мембраной, мезосомами и близкими структурами бактерий связаны также многие другие функции — биосинтез клеточной стенки и капсулы, выделение экзоферментов, деление и спорообразование и т. д.

Цитоплазма. Под цитоплазматической мембраной у бактерий находится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды, белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других веществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бактерий и их возраста. Цитоплазма бактерий имеет различные структурные элементы — внутрицитоплазматические мембраны, генетический аппарат, рибосомы и включения, остальная часть ее представлена цитозолем.

Цитозоль - это фракция цитоплазмы, которая имеет гомогенную консистенцию и состоит главным образом из белковых макромолекул (растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов различных реакций) и служит поддерживающей средой для клеточных гранул. Изучение структуры цитоплазмы выявило ее мелкогранулярный характер, она представлена цитоплазматическими гранулами диаметром 10—20 нм. Многие из этих гранул являются рибосомами - частицами, состоящими из РНК (60%) и белка (40%). Каждая бактерия содержит от 5000 до 50 000 рибосом, которые служат центрами синтеза белков. Рибосомы совместно с молекулами информационной и транспортных РНК участвуют в синтезе белка в форме не изолированных частиц, а их агрегатов, называемых полирибосомами, или полисомами.

В цитоплазме цианобактерий имеются так называемые Тилакоиды (или Фикобилисомы) — мембранные фотосинтезирующие структуры, содержащие хлорофилл и каротиноиды, при помощи которых осуществляется фотосинтез. У пурпурных серобактерий фотосинтезирующие пигменты (бактериохлорофилл и каротиноиды) локализованы в хроматофорах, которые составляют от 40 до 50% массы клетки. Тилакоиды в основном состоят из белков и липидов. Предполагают, что тилакоиды связаны с цитоплазматической или внутренними мембранами. У зеленых бактерий пигменты, участвующие в фотосинтезе, содержатся в мембранных структурах, называемых хлоросомами. Клетки ряда водных бактерий содержат наполненные газом структуры — газовые вакуоли (аэросомы). Некоторые бактерии имеют структуры, называемые полиэдральными телами (в виде многоугольника), или карбоксисомами, где осуществляется процесс связывания С02 (у автотрофных бактерий).

Включения. В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Их присутствие нельзя рассматривать как постоянный признак микроорганизма, обычно они в значительной степени связаны с физическими и химическими условиями среды обитания.

Многие внутрицитоплазматические гранулы состоят из соединений, которые служат для микроорганизмов источником энергии и углерода. Такие соединения обычно образуются, когда микроорганизм снабжается достаточным количеством питательных веществ, и используются, когда он попадает в неблагоприятные в отношении питания условия. В качестве резервных питательных веществ в клетках бактерий могут накапливаться вещества, состоящие из углеводов — гранулы гликогена (крахмала) или гранулезы (близкого к крахмалу полисахарида). При недостаточном поступлении углеродсодержащих веществ в питательную среду гранулы гликогена или гранулезы постепенно исчезают из клеток бактерий.

Большая часть бактерий в качестве резервного вещества синтезирует полимер из в - оксимасляной кислоты (поли - в - оксимасляная кислота). У некоторых видов бактерий в клетках накапливаются гранулы жира и волютина. Волютиновые гранулы, называемые еще метахроматическими гранулами, состоят преимущественно из полифосфатов и служат запасным источником фосфора. Волютин обнаруживается в виде крупных, хорошо видимых гранул, образующихся в больших количествах на средах, богатых глицерином или углеводами. В клетках серных бактерий в качестве включений встречается сера, которая образуется в результате окисления сероводорода и видна в виде расположенных непосредственно в цитоплазме блестящих полужидких капелек. Включения серы для аэробных тионовых бактерий, окисляющих сероводород, служат источником энергии. Некоторые серные бактерии наряду с капельками серы имеют зернышки аморфного карбоната кальция, роль которого пока не выяснена.

В цитоплазматическом матриксе содержатся также растворимые белки, различные ферменты, РНК, пигменты и низкомолекулярные соединения — углеводы, аминокислоты и нуклеотиды. Наличие в цитоплазме низкомолекулярных соединений обусловливает разность в осмотическом давлении клеточного содержимого и внешней среды. Величина внутриклеточного осмотического давления значительно изменяется у разных микроорганизмов.

Нуклеоид. В цитоплазме бактериальных клеток расположен эквивалент ядра, называемый нуклеоидом. Нуклеоид бактериальной клетки находится в ее центральной части. Предполагают, что в зависимости от стадии развития клетки нуклеоид может быть либо дискретным (прерывистым, состоящим из отдельных форменных структур), либо в виде хроматиновой сети — ядерного вещества, дисперсно распределенного в цитоплазме.

Ядерные структуры, присутствующие в цитоплазме бактерий в дискретном состоянии, имеют палочковидную форму (рис. 9).

Нуклеоиды бактерий содержат ДНК с молекулярной массой 2--3-109. Установлено, что бактериальная ДНК имеет форму свернутой в кольцо нити длиной 1,1 — 1,4 мм, называемой также бактериальной хромосомой и генофорой.

В покоящейся бактериальной клетке обычно содержится один нуклеоид; клетки, находящиеся в фазе, предшествующей делению, имеют два нуклеоида; в фазе логарифмического роста — размножения — до четырех и более нуклеоидов. В условиях, которые отрицательно сказываются на росте бактерий, могут возникать нитевидные многоядерные клетки. Это объясняется нарушением синхронизации между скоростью роста клетки и скоростью деления клетки и нуклеоида.

Нуклеоид бактерий — основной носитель информации о свойствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству.

Кроме нуклеоида, в цитоплазме бактериальной клетки могут - находиться в сотни раз более короткие нити ДНК — так называемые внехромосомные факторы наследственности, получившие название плазмид. Как выяснено, плазмиды необязательно имеются у бактерий, но они придают организму дополнительные, полезные для него свойства, в частности связанные с размножением, устойчивостью к лекарственным препаратам, болезнетворностью и др.

Споры и спорообразование. Бактерии рода Bacillus, Clostridium и Desulfotomaculum, так же как и отдельные кокки и спириллы, способны образовывать споры (эндоспоры) — тельца сферической или эллиптической формы, устойчивые к воздействию неблагоприятных факторов (рис.10).

Споры преломляют свет и четко видны в световом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки образуется только одна спора. Однако в последнее время у отдельных видов Clostridium обнаружены клетки с двумя и более спорами. Обычно спорообразование начинается, когда бактерии испытывают недостаток питательных веществ или когда в среде в большом количестве накапливаются продукты обмена веществ бактерий. Поэтому споры можно рассматривать как приспособление организма для выживания в неблагоприятных условиях среды.

Формирование спор зависит от условий роста. Споры могут оставаться живыми в условиях, когда вегетативные клетки, то есть клетки, не образовавшие споры, погибают. Большинство спор хорошо переносит высушивание, многие споры нельзя убить даже кипячением в течение нескольких часов. Для их уничтожения требуется температура пара 120° С при давлении его 1 атм. (1,01* 105 Па). При этих условиях споры погибают через 20 мин. В сухом состоянии они погибают лишь при сильном нагревании (до 150—160°С) в течение нескольких часов. Споры отдельных видов бактерий отличаются особенной термоустойчивостью.

В процессе образования спор осуществляется синтез особого соединения — дипиколиновой кислоты (пиридин-2,6-дикарбоновая кислота), обычно отсутствующей у вегетативных клеток бактерий. Дипиколиновая кислота может составлять 10—15% массы сухой споры. Показано, что это вещество накапливается в центральной части споры — ее цитоплазме, образуя с ионами кальция комплекс, который вместе с повышенным содержанием других катионов (магния, марганца и калия)

Обеспечивает пребывание спор в состоянии покоя и их термоустойчивость.

Общая схема спорообразования может быть представлена в следующем виде. В результате неравномерного деления бактериальной клетки, сопровождающегося впячиванием цитоплазматической мембраны, наблюдается обособление части нуклеоида с небольшой частью цитоплазмы. Образовавшаяся проспора затем покрывается цитоплазматической мембраной бактериальной клетки.

Таким образом, внутри клетки бактерии возникает новая клетка — проспора, окруженная двумя мембранами. Затем между мембранами образуется кортикальный слой, или кортекс, состоящий из особых молекул пептидогликана.

Дальнейшее развитие споры заключается в образовании нескольких слоев споровых покровов и ее созревании. Споровые покровы формируются в основном из вновь синтезированных особых белков, а также липидов и гликолипидов. Электронномикроскопическое изучение ультратонких срезов спор многих бактерий показало, что поверх покровов споры образуется еще одна структура — экзоспориум, часто состоящий из ряда слоев и имеющий подчас разнообразную «лепную» форму. Диаметр споры приблизительно равен диаметру клетки, в которой она образовалась, или несколько превышает его. У некоторых бактерий спора формируется на конце клетки, которая при этом несколько расширяется, приобретая вид барабанной палочки. У других бактерий спора образуется в центре клетки, и последняя либо не меняет формы (род Bacillus), либо расширяется в середине, принимая вид веретена (род Clostridium).

После созревания споры клеточная стенка вегетативной части клетки разрушается, и спора выходит в окружающую среду. При попадании в благоприятные условия спора начинает прорастать.

Прорастанию предшествует поглощение спорой воды и последующее набухание. Затем оболочка под влиянием давления, вызванного ростом, разрывается, возникает ростовая трубка. В дальнейшем происходит удлинение освободившегося бактериального организма и, наконец, деление уже удлиненной клетки.

Споры бактерий могут длительное время (десятки, сотни и даже тысячи лет) существовать в покоящемся состоянии.

Имеются микроорганизмы, образующие относительно устойчивые к неблагоприятным условиям среды (температура, кислотность, аэрация и др.) покоящиеся клетки — цисты, не являющиеся спорами. Например, азотобактер образует цисты, устойчивые к высушиванию и теплу.

Известны и другие группы покоящихся клеток (миксоспоры миксобактерий, акинеты цианобактерий, эндоспоры актиномицетов и др.).

You are here