Строение и химический состав бактериальной клетки

            ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального                                  образования

                  Челябинский государственный педагогический университет

                                                   (ГОУВПО «ЧГПУ»)

      Професионально-педагогический институт 
 
 

                   

                     Контрольная работа по дисциплине

                            «Микробиология» 

                        

     

       «Строение и химический состав             бактериальной клетки»                                                                               
 
 

                                                      

                                                        
 
 

                                                        Выполнил: студентка группы ПОП-405

                                                                                                       Китова Настя

                                                          Проверил: Похлебаев С.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        Челябинск 2011

      Строение и химический  состав                     бактериальной клетки. 
 

     Общая схема строения бактериальной клетки показана на рисунке 1. Внутренняя организация бактериальной клетки сложна. Каждая систематическая группа микроорганизмов имеет свои специфические особенности строения.

 

     Рис. 1. Схематическое изображение строения бактериальной клетки (по Г. Шлегелю):

     1 — гранулы поли-β-оксимасляной  кислоты; 

     2 — жировые капельки;

     3 — включения серы;

      4 — трубчатые тилакоиды;

     5 — пластинчатые тилакоиды;

     6 — пузырьки;

     7 — хроматофоры;

      8 — ядро (нуклеоид);

     9 — рибосомы;

     10 — цитоплазма;

     11 — базальное тельце;  
12 — жгутики; 13 — капсула; 14 — клеточная стенка; 15 — цитоплазматическая мембрана; 16 — мезосома; 17 — газовые вакуоли; 18 — ламеллярные структуры; 19 — гранулы полисахарида; 20 — гранулы полифосфата. Основные структуры бактериальной клетки представлены в верхней части рисунка, дополнительные, мембранные структуры, имеющиеся у фототрофных и нефототрофных бактерий,- в средней части, а включения запасных веществ — в нижней части. 
 
 
 

            Клеточная стенка 
 
 

     Клетка бактерий одета плотной оболочкой. Этот поверхностный слой, расположенный снаружи от цитоплазматической мембраны, называют клеточной стенкой (рис. 1, 14). Стенка выполняет защитную и опорную функции, а также придает клетке постоянную, характерную для нее форму (например, форму палочки или кокка) и представляет собой наружный скелет клетки. Эта плотная оболочка роднит бактерии с растительными клетками, что отличает их от животных клеток, имеющих мягкие оболочки. Внутри бактериальной клетки осмотическое давление в несколько раз, а иногда и в десятки раз выше, чем во внешней среде. Поэтому клетка быстро разорвалась бы, если бы она не была защищена такой плотной, жесткой структурой, как клеточная стенка. 

     Толщина клеточной стенки 0,01-0,04 мкм. Она составляет от 10 до 50% сухой массы бактерий. Количество материала, из которого построена клеточная стенка, изменяется в течение роста бактерий и обычно увеличивается с возрастом. 

     Основным структурным компонентом стенок, основой их жесткой структуры почти у всех исследованных до настоящего времени бактерий является муреин (гликопептид, мукопептид). Это органическое соединение сложного строения, в состав которого входят сахара, несущие азот, — аминосахара и 4-5 аминокислот. Причем аминокислоты клеточных стенок имеют необычную форму (D-стереоизомеры), которая в природе редко встречается. 

     Составные части клеточной стенки, ее компоненты, образуют сложную прочную структуру (рис. 2, 3 и 4).

     С помощью способа окраски, впервые предложенного в 1884 г. Кристианом Грамом, бактерии могут быть разделены на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Грамположительные организмы способны связывать некоторые анилиновые красители, такие, как кристаллический фиолетовый, и после обработки иодом, а затем спиртом (или ацетоном) сохранять комплекс йод-краситель. Те же бактерии, у которых под влиянием этилового спирта этот комплекс разрушается (клетки обесцвечиваются), относятся к грамотрицательным. 

 
 
 
 

Рис. 2. Схематическое изображение структуры гликопептида клеточной стенки.

  

        К полисахаридным цепочкам, состоящим из N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, присоединены цепочки из аминокислотных единиц — пептиды. Пептиды, связанные друг с другом пентаглициновыми мостиками, образуют поперечные связи полисахаридных цепочек.

       
 

Рис. 3. Расположение макромолекул гликопептида клеточной стенки. 
 

      Химический состав клеточных стенок    грамположительных и грамотрицательных бактерий различен. 

     У грамположительных бактерий в состав клеточных стенок входят, кроме мукопептидов, полисахариды (сложные, высокомолекулярные сахара), тейхоевые кислоты (сложные по составу и структуре соединения, состоящие из сахаров, спиртов, аминокислот и фосфорной кислоты). Полисахариды и тейхоевые кислоты связаны с каркасом стенок — муреином. Какую структуру образуют эти составные части клеточной стенки грамположительных бактерий, мы пока еще не знаем. С помощью электронных фотографий тонких срезов (слоистости) в стенках грамположительных бактерий не обнаружено. Вероятно, все эти вещества очень плотно связаны между собой. 

     Стенки грамотрицательных бактерий более сложные по химическому составу, в них содержится значительное количество липидов (жиров), связанных с белками и сахарами в сложные комплексы — липопротеиды и липополисахариды. Муреина в клеточных стенках грамотрицательных бактерий в целом меньше, чем у грамположительных бактерий. Структура стенки грамотрицательных бактерий также более сложная. С помощью электронного микроскопа было установлено, что стенки этих бактерий многослойные (рис. 5). 

     Внутренний слой состоит из муреина. Над ним находится более широкий слой из неплотно упакованных молекул белка. Этот слой в свою очередь покрыт слоем липополисахарида. Самый верхний слой состоит из липопротеидов. 

     Клеточная стенка проницаема: через нее питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена выходят в окружающую среду. Крупные молекулы с большим молекулярным весом не проходят через оболочку. 
 
 
 
 
 
 

       Жирными линиями показаны скелеты полисахаридных цепей, расположенные ближе к поверхности; более тонкими — подстилающие их полисахаридные цепи. Линии с поперечными штрихами изображают пептидные цепочки, связывающие эти полисахаридные цепи. Межпептидные мостики, состоящие из пяти остатков глицина, обозначены пунктирными линиями. 
 

Рис. 4. Тонкое строение клеток грамположительных кокков — Micrococcus aurantiacus.

кс — клеточная стенка; п — перегородка; ВМС-внутрицитоплазматическиемембранные структуры;   н — нуклеоид.

 

 

Рис. 5. Схематическое изображение клеточной стенки грамотрицательных бактерий — Bacterium coli (по Роузу):

1 — липопротеидный  слой с выступами и бугорками; 2 — липополисахаридный слой; 3 — каналы; 4 — рыхлоупакованные молекулы белка; 5 — гликопептидный слой; 6 — цитоплазматическая мембрана. 

      
 

       
 

     Таблица 1. Тонкое строение клеток грамотрицательных фотосинтезирующих бактерий Ectothiorodospira shaposhnikovii:

     кс  — клеточная стенка; цпм — цитоплазматическая мембрана; фмс — фотосинтетические мембранные структуры. 
 
 

                                           Капсула  
 

     Клеточная стенка многих бактерий сверху окружена слоем слизистого материала — капсулой (рис. 6). Толщина капсулы может во много раз превосходить диаметр самой клетки, а иногда она настолько тонкая, что ее можно увидеть лишь через электронный микроскоп, — микрокапсула. 

     Капсула не является обязательной частью клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она служит защитным покровом клетки и участвует в водном обмене, предохраняя клетку от высыхания. 

     По химическому составу капсулы чаще всего представляют собой полисахариды. Иногда они состоят из гликопротеидов (сложные комплексы сахаров и белков) и полипептидов (род Bacillus), в редких случаях — из клетчатки (род Acetobacter). 

      Слизистые вещества, выделяемые в субстрат некоторыми бактериями, обусловливают, например, слизисто-тягучую консистенцию испорченного молока и пива. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                  
 
 

Рис. 6. Капсула клеток Azotobacter chroococcum. 
 
 
 
 
 

                                Цитоплазма  
 

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

      Внешний липопротеидный слой протопласта бактерий, обладающий особыми физическими и химическими свойствами, называется цитоплазматической мембраной (рис. 1, 15). 

     Внутри цитоплазмы находятся все жизненно важные структуры и органеллы. 

     Цитоплазматическая мембрана выполняет очень важную роль — регулирует поступление веществ в клетку и выделение наружу продуктов обмена. 

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

      На электронных фотографиях тонких срезов бактерий цитоплазматическая мембрана представляется в виде непрерывного тяжа толщиной около 75 Å, состоящего из светлого слоя (липиды), заключенного между двумя более темными (белки). Каждый слой имеет ширину 20-30 Å. Такая мембрана называется элементарной (табл. 1, рис. 6).