1.1. Структурно-функциональная характеристика микробной клетки
Форма прокариот. Форма клеток прокариот чрезвычайно разнообразна. Они бывают одиночными или образуют нити или колонии. Прокариоты сферической формы называются кокками. После деления они могут не расходиться. Если деление происходит в одной плоскости, образуются пары клеток (диплококки) или цепочки (стрептококки). В том случае, когда деление происходит относительно равномерно в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и клетки после деления остаются соединенными друг с другом, возникают пакеты правильной формы (сарцины) или колонии сферической формы. Если же деление происходит в нескольких плоскостях неравномерно, образуются клеточные скопления неправильной формы. Прокариоты, имеющие форму цилиндра (палочковидные), сильно различаются по величине отношения длины клетки к ее поперечнику. У коротких палочек длина лишь ненамного превышает поперечник клетки, так что иногда довольно трудно отличить их от кокков. Прокариоты спиралевидной формы характеризуются разным числом витков: у спирилл – от одного до нескольких витков, вибрионы выглядят наподобие изогнутых палочек, так что их можно рассматривать как неполный виток спирали.
В последние годы обнаружены организмы, отличающиеся от выше описанных форм. Некоторые бактерии имеют вид кольца, замкнутого или разомкнутого в зависимости от стадии роста. Клетки прокариот, размножающиеся в основном почкованием, имеют много выростов (простек), число которых может составлять от 1 и до 8 и больше. Из природных субстратов выделены бактерии червеобразной формы (длинные клетки с загнутыми, очень тонкими концами) и напоминающими шестиугольную звезду. Для некоторых групп прокариот характерно слабое или довольно хорошо выраженное ветвление. Некоторые прокариоты обладают морфологической изменчивостью (плеоморфизмом), и могут в зависимости от условий иметь вид палочек, кокков или слабоветвящихся форм. Своеобразие бактериальным клеткам придают жгутики, имеющие различное расположение на клеточной поверхности, а также выделения внеклеточных веществ разной химической природы.
Форма клетки прокариот определяется жесткой (ригидной) клеточной стенкой. Именно она придает клетке определенную, наследственно закрепленную внешнюю форму. У некоторых бактерий клеточная стенка довольно эластичная, поэтому они способны в определенных пределах менять форму клеток, например, путем периодического изгибания (рис. 2).
Известны также прокариоты, у которых клеточная стенка отсутствует совсем. Это микоплазмы и L-формы. Микоплазмы существуют в природе, и большинство из них являются патогенными для человека.
L-формы получены экспериментально под действием химических соединений, которые разрушают клеточную стенку бактерий или подавляют синтез веществ, являющихся ее необходимыми компонентами. Для этих микроорганизмов характерен ярко выраженный плеоморфизм.
Рис. 2. Разнообразие форм прокариот:
1 – кокк; 2 – диплококк; 3 – сарцина, 4 – стрептококк, 5 – колония сферической формы, 6 – палочковидные бактерии (одиночная клетка и цепочка клеток), 7 – спириллы, 8 – вибрион, 9 – бактерии, имеющие форму замкнутого или незамкнутого кольца, 10 – бактерии, образующие выросты (простеки); 11 – бактерия червеобразной формы, 12 – бактериальная клетка в форме шестиугольной звезды, 13 – представитель актиномицетов, 14 – плодовое тело миксобактерии, 15 – нитчатая бактерия рода Caryophanon с латерально расположенными жгутиками; 16 – нитчатая цианобактерия, образующая споры (акинеты) и гетероцисты; 8, 15, 17, 18 – бактерии с разными типами жгутикования; 19 – бактерия, образующая капсулу; 20 – нитчатые бактерии группы Sphaerotilus, заключенные в чехол, инкрустированный гидратом окиси железа; 21 – бактерия, образующая шипы;
22 – Gallionella sp.
Клеточная стенка и мембраны. Клетка прокариотных организмов обладает рядом принципиальных особенностей, касающихся как ее ультраструктурной, так и химической организации. Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки), называют обычно поверхностными структурами. Термином «клеточная оболочка» обозначают слои, располагающиеся с внешней стороны ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол). ЦПМ вместе с цитоплазмой называется протопластом.
Клеточная стенка располагается под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирует с окружающей средой (у клеток, не содержащих этих слоев клеточной оболочки). Клеточная стенка составляет от 10 до 50% веса сухой массы микроорганизма. Количество сухого вещества клеточной стенки изменяется в течение цикла роста и обычно увеличивается с возрастом организма.
Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой, и придает клеткам определенную, присущую им форму. Она выдерживает значительное осмотическое давление, обусловленное растворимыми веществами, содержащимися внутри хрупкой цитоплазматической мембраны.
Клеточная стенка микроорганизмов – один из наиболее важных органоидов, принимающих участие в обмене веществ. Она обеспечивает проникновение питательных веществ во внутрь клетки и экскрецию, т.е. удаление из нее неиспользуемых продуктов обмена, в том числе и многих гидролитических ферментов.
На границе между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной протекают начальные этапы окисления, так как здесь локализуются соответствующие ферменты. Тем самым клеточная стенка в какой-то мере регулирует проникновение питательных веществ в цитоплазму, хотя они при этом и не подвергаются существенным изменениям.
Химический состав клеточной оболочки неоднороден и резко отличается от оболочек высших растений. Если оболочка у растений состоит из целлюлозы, то в состав оболочки бактерий входят безазотистые и азотистые соединения. Из безазотистых веществ встречаются гемицеллюлозы, специфические полисахариды и липоиды (группа органических жироподобных соединений), из азотистых – хитин (органическое вещество типа полисахаридов, состоящее из ацетилированного глюкозамина).
Стенка клетки имеет слоистое строение. На поверхности ее расположен липоидный слой с выступами и бугорками, под ним – липополисахаридный слой, ниже неплотно упакованные молекулы белка и прилегающий к цитоплазматической мембране гликопептидный слой. Вся масса пронизана каналами, поэтому клеточная стенка проницаема для солей и других многочисленных молекулярных соединений.
Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной – обязательным структурным элементом любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю цитоплазматической мембраны приходится 8–15% сухого вещества клеток. У большинства прокариотных клеток имеется единственная цитоплазматическая мембрана.
В отличие от клеточной стенки цитоплазматическая мембрана является полупроницаемой и контролирует поступление питательных веществ в клетку. Цитоплазматическая мембрана имеет вид непрерывного тяжа толщиной, примерно, 7,5 ммк. Полагают, что внутренний слой ее состоит из липоида, а внешний – из белка. Величина промежутков между слоями равна удвоенной длине цепей жирных кислот. В составе мембран содержатся также небольшие количества углеводов, РНК и ДНК.
В клетках микроорганизмов цитоплазматическая мембрана выполняет четыре функции: 1) действует как осмотический барьер организма; 2) выступает как органелла, концентрирующая внутри клетки питательные вещества и способствующие выведению наружу продуктов обмена; 3) представляет собой место, где происходит биосинтез некоторых составных частей клетки, особенно компонентов клеточной стенки и капсулы; 4) является местом локализации некоторых ферментов и органелл, таких, как рибосомы.
В процессе жизнедеятельности оболочка некоторых бактерий может разбухать и ослизняться, особенно у культур на средах, богатых углеводами и белками. Наружные слои ее при этом превращаются в студенистую, клейкую массу и образуют так называемую капсулу. Часто капсула бывает значительно больших размеров, чем сама бактерия, и уродливой формы. Иногда ослизнение происходит одновременно у нескольких клеток, заключенных в одну большую капсулу. Такие слизистые колонии называются зооглеями.
На поверхности клеточной стенки микроорганизмов расположены макромолекулы, содержащие ионогенные группы, которые способствуют образованию на ней заряда. Поверхность микробной клетки заряжена отрицательно, так как среди компонентов, образующих эту поверхность, присутствуют соединения, изоэлектрическое состояние которых лежит в кислой среде. Отдельные организмы не поляризованы, так как заряд равномерно расположен на поверхности. Электрофоретическая подвижность микроорганизмов зависит от их вида, от ионной силы раствора и значения рН окружающей среды.
Цитоплазма бактерий. Содержимое клетки, окруженное клеточной стенкой и прилегающей к ней изнутри цитоплазматической мембраной, называется цитоплазмой. Цитоплазма бактерий является бесцветной, прозрачной, слегка вязкой.
По физико-химической структуре цитоплазма представляет собой коллоидное образование, в котором дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой – частицы различной химической природы. В состав цитоплазмы входят белки, сера, жиры и другие включения.
Среди включений интересны волютиновые зерна, представляющие собой нуклеопротеиды. Эти зерна чаще всего располагаются на концах бактериальных клеток. Многие более мелкие гранулы непосредственно связаны с ферментами и их активностью.
Примерно около 1/5 части внутреннего объема клетки занята ДНК. Вокруг нее располагаются от 20000 до 30000 рибосом, которые состоят примерно из 40% белка и 60% РНК. Остальное пространство в клетке занимает вода (дисперсионная среда) с растворенными в ней ферментами, органическими и неорганическими мономерными молекулами.
В цитоплазме содержатся и другие биологически важные гранулы или органеллы: митохондрии, рибосомы и лизосомы. В ней с ее органоидами, микроскопическими и субмикроскопическими включениями протекают важнейшие ферментативные реакции. Цитоплазма непрерывно изменяется, поглощая новые вещества, подвергает их разнообразным химическим изменениям. В этом процессе происходит превращение потенциальной энергии крупных молекул (белков, жиров и углеводов) в кинетическую энергию при расщеплении их в более простые соединения. Цитоплазма бактериальных клеток отличается высокой интенсивностью обмена.
Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами, липидами, полифосфатами, отложениями серы.
Цитоплазма обладает характерными свойствами живого вещества и относительным видовым постоянством. Она способна беспрерывно обновлять свою внутреннюю структуру, переводя питательные вещества в сложную структуру живого вещества.
Жир встречается у бактерий иногда в значительных количествах. В зависимости от состава питательной среды может накапливаться жира до 35–50% от веса сухой микробной массы, если в среде много углерода и мало азота.
В цитоплазме многих водных прокариот присутствуют газовые вакуоли, или аэросомы. Это сложноорганизованные структуры, напо-минающие пчелиные соты. Состоят из множества симметрично распо-ложенных газовых пузырьков, имеющих форму вытянутого цилиндра с заостренными концами (диаметр 65–115 нм, длина 200–1200 нм). Каждый пузырек окружен однослойной белковой мембраной толщиной 2–3 нм, построенной их одного или двух видов белковых молекул, и заполнен газом, состав которого идентичен таковому окружающей среды. Мембрана газовых пузырьков проницаема для газов, но не проницаема для воды. Основная функция газовых вакуолей состоит в обеспечении плавучести водных организмов, которые с их помощью могут регулировать глубину, выбирая наиболее благоприятные условия.
Плазмолиз и тургор. В живой микробной клетке всегда наблюдается более высокая концентрация солей, чем в окружающей среде, поэтому микробы могут существовать в слабых водных растворах. На основании осмотических законов в клетку поступают вода и растворенные в ней питательные вещества. Внутреннее осмотическое давление создает напряженное состояние клетки, которое называется тургором. Если микробная клетка попадает в концентрированный раствор, осмотическое давление которого больше, чем в клетке, то вода уходит из нее, протоплазма сжимается и отстает от верхней оболочки. Это явление называется плазмолизом. Такую клетку легко возвратить к нормальному состоянию тургора, если перенести ее в раствор более слабой солевой концентрации.
Генетический аппарат бактериальной клетки. Примерно 1–2% веса сухой массы микроорганизмов приходится на ДНК, в которой заложена генетическая информация. У большинства микроорганизмов имеются области (или несколько областей), в которой сконцентрировано основное количество ДНК.
У прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной, как это имеет место у эукариот. Это образование называют нуклеоидом, в отличие от ядра эукариот.
Нуклеоид прокариот, несмотря на отсутствие ядерной мембраны, довольно четко ограничен от цитоплазмы, занимает в ней, как правило, центральную область и заполнен нитями ДНК диаметром около 2 нм. Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1мм, т.е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. Хромосомы прокариот представляют собой высокоупорядоченную структуру и имеют молекулярную массу в пределах 1 – 3∙1010 Дальтон в шестой (Д – дальтон, или единица атомной массы, равен 1,66033∙10-27). Наибольшее содержание ДНК обнаружено у нитчатых цианобактерий (8,5∙109), а наименьшее у микоплазм (0,5∙109).
ДНК прокариот построена так же, как и у эукариот. Ее молекула несет множество отрицательных зарядов, так как каждый фосфатный остаток содержит ионизированную гидроксильную группу. У эукариот отрицательные заряды нейтрализуются образованием комплекса ДНК с основными белками – гистонами. У большинства прокариот в клетках гистонов нет, поэтому нейтрализация зарядов осуществляется взаимодействием ДНК с полиамидами (спермином и спермидином), а также с ионами магния.