Строение клеточной стенки бактерий. Химический состав и функции

Введение

В царство прокариот, или  доядерных, объединяют самых древних  обитателей нашей планеты – бактерии, которых в обиходе часто называют микробами. Это очень древние  организмы, появившиеся, по-видимому, около 3 млрд. лет назад. Эти организмы  имеют клеточное строение, но их наследственный материал не отделен от плазматической оболочки, другими словами они лишены оформленного ядра. По размерам большинство из них значительно крупнее вирусов. Царство прокариот на основе важных особенностей жизнедеятельности, и прежде всего, обмена веществ ученые подразделяют на три подцарства: архибактерии, настоящие бактерии  оксифото бактерии.

Изучение строения и жизнедеятельности  микроорганизмов занимается наука  – микробиология.

Трудно найти место  на земном шаре, где не было бы мельчайших живых существ – бактерий. Их находили в струях гейзеров с температурой около 105, сверхсоленых озерах, например в знаменитом Мертвом море. Живые  бактерии были обнаружены в вечной мерзлоте Арктики, где они пробыли 2-3 млн. лет. В океане, на глубине 11км; на высоте 41км в атмосфере; в недрах земной коры на глубине нескольких километров – везде находили бактерии.

Бактерии прекрасно себя чувствуют в воде, охлаждающей  ядерные реакторы; остаются жизнеспособными, получив дозу радиации в 10 тыс. раз  превышающую смертельную для  человека. Они выдерживали двухнедельное  пребывание в глубоком вакууме; не погибали и в открытом космосе, помещенные туда на 18 часов, под смертоносным воздействием солнечной радиации.

Способы питания бактерий столь же разнообразны, как и условия  их жизни. Пожалуй, нет такого органического  вещества, которое не подошло бы в пищу тем или иным бактериям. Некоторые бактерии, как и зеленые  растения, сами производят органические вещества с помощью солнечных  лучей. Только кислород в отличие  от растений они при этом процессе (фотосинтезе) не выделяют.

Среди бактерий есть паразиты, которые, поселяясь в чужих организмах, могут стать причиной болезни. Есть и бактерии-хищники, которые из множества  своих тел «плетут» приспособления, чем-то напоминающие паутину, и ловят  туда свою добычу (например, простейших).

Некоторые бактерии питаются такими «малосъедобными» веществами, как аммиак, соединения железа, серы, сурьмы.

Размножаются бактерии простым  делением надвое. Каждые 20 минут в  благоприятных условиях количество некоторых бактерий может удваиваться. Если, например, в организм человека попала всего одна такая бактерия, то через 12 часов их может стать уже несколько миллиардов.

Долгое время люди жили, так сказать, «бок о бок» с бактериями, не подозревая об их существовании. Первым человеком, наблюдавшим бактерии в  микроскоп, был Антонии Ван Левенгук, и было это в 1676 году (см. ст. «Антонии Ван Левенгук»).

А можно ли увидеть бактерии невооруженным глазом? Есть среди  бактерий и настоящие гиганты, например, пурпурная серобактерия – длиной до 1/20мм. Пару таких бактерий вполне можно увидеть невооруженным  глазом.

Большинство бактерий в десятки  раз меньше. Но даже самые мелкие бактерии, когда они образуют большие  скопления, увидеть ничего не стоит. На месте одной-единственной бактерии, попавшей на поверхность питательной  среды, уже через несколько часов  образуется видимая невооруженным  глазом колония-бугорок. Взглянув на цвет и форму колонии, опытный специалист сразу определит, с бактериями какого вида он имеет дело.

1. Строение бактерий . Размеры, форма бактерий

Существуют три основные формы бактерий – шаровидная, палочковидная  и спиралевидная, большая группа нитчатых бактерий объединяет преимущественно  водные бактерии и не содержит патогенных видов.

Шаровидные бактерии –  кокки, подразделяются в зависимости  от положения клеток после деления  на несколько групп: 1) диплококки (делятся  в одной плоскости и располагаются  парами); 2) стрептококки (делятся в  одной плоскости, но при делении  не отделяются друг от друга и образуют цепочки); 3)тетракокки (делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы по четыре особи); 4)саруины (делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя группы кубической формы); 5) стафилококки (делятся в нескольких плоскостях без определенной системы, образуя скопления, напоминающие виноградные грозди). Средний размер кокков 1,5-1мкм.

Палочковидные бактерии имеют  строго цилиндрическую или оваловидную форму, концы палочек могут быть ровными, закругленными, заостренными. Палочки могут располагаться попарно в виде цепочек, но большинство видов располагается без определенной системы. Длина палочек варьирует от 1 до 8 мкм.

Спиралевидные формы бактерий подразделяют на виброны и спириллы. Изогнутость тел вибронов не превышает  одной четверти оборота спирали. Спириллы образуют изгибы из одного или  нескольких оборотов.

Некоторые бактерии обладают подвижность, что отчетливо видно  при наблюдении методом висячей  капли или другими методами. Подвижные  бактерии активно передвигаются  с помощью особых органелл – жгутиков либо за счет скользящих движений.

Капсула имеется у ряда бактерий  и является из внешним структурным компонентом. У ряда бактерий аналогом капсуле имеется образование в виде тонкого слизистого слоя на поверхности клетки. У некоторых бактерий капсула формируется в зависимости от условий их существования. Одни бактерии образуют капсулы только в микроорганизме, другие как в организме, так и вне его, в частности на питательных средах, содержащих повышенные концентрации углеводов. Некоторые бактерии образуют капсулы независимо от условий существования. В состав капсулы большинства бактерий полимиризованные полисахариды, состоящие из пентоз и аминосахаров, урановые кислоты, полипептиды и белки. Капсула не является аморфным образованием, а определенным образом структурирована. У некоторых белков, например, пневмококков, определяет их вирулентность, а также некоторые антигенные свойства бактериальной клетки.

2. Строение бактериальной  клетки

Клеточная стенка бактерий определяет их форму и обеспечивает сохранение внутреннего содержимого  клетки. По особенностям химического  состава и структуры клеточной  стенки бактерии дифференцируют с помощью  окрашивания по грамму.

Строение у клеточной  стенки различно у грамположительных  и грамотрицательных бактерий. Основным слоем клеточной стенки.

Цитоплазматическая мембрана бактерии прилипает к внутренней поверхности клеточной стенки, отделяет ее от цитоплазмы и я является очень  важным в функциональном отношении  компонентом клетки. В мембране локализованы окислительно-восстановительные ферменты, с системой мембран связаны такие  важнейшие функции клетки, как  деление клетки, биосинтез ряда компонентов, хемо и фотосинтез и др. Толщина  мембраны у большинства клеток составляет 7-10нм. Электрономикороскопическим метолом  обнаружено, что она состоит из трех слоев: двух электронно-плотных  и промежуточнно-электронно-прозрачного. В состав мембраны входят белки, фосфолипиды, микропротеины, небольшое количество углеводов и некоторых других соединений. Многие белки мембраны клетки являются ферментами, участвующие  в процессах дыхания, а также  в биосинтезе компонентов клетчатой  стенки и капсулы. В составе мембраны также определяются пермеазы, обеспечивающие перенос в клетку растворимых  веществ. Мембрана служит астрономическим  барьером, она обладает избирательной  полупроницаемостью и ответственна за поступление внутрь клетки питательных  веществ и отходов из нее продуктов  обмена.

Помимо цитоплазматической мембраны, в клетке бактерии имеются  система внутренних мембран, получивших название мезосом, которые, вероятно, являются производственными цитоплазматической мембраны; их строение варьирует у  разных видов бактерий. Наиболее развиты  мезосомы у грамположительных бактерий. Строение мезосом неоднотипно, их полиморфизм отмечаются даже у одного и того же вида бактерий. Внутренние мембран структуры могут быть представлены простыми инвагинациями цитоплазматической мембраны, образованиями в виде пузырьков или петель (чаще у грамотрицательных бактерий) в виде вакуялярных, ламелярных, тубулярных образований. Мезосомы чаще всего локализованы у клеточной перегородки, отмечается также их связь с нуклеоидом. Поскольку в мезосомах обнаружены дыхания и окислительного фосфорилирования, многие считают их аналогами митохондрий. Клеток высших. Предполагается, что мезосомы принимают участие в делении клетки, распределении дочерних хромосом в разделяющиеся клетки и спорообразовании. С мембранным аппаратом клетки связано также функции фиксации азота, хемо- и фотосинтеза. Следовательно можно полагать, что мембрана клетки играет своего рода координирующую роль в пространственной организации в пространственной координации ряда ферментных систем и органелл клетки.

Цитоплазма и включения. Внутреннее содержание клетки состоит  из цитоплазмы, представляющей собой  сложную смесь различных органических соединений, находящихся в коллоидном состоянии. На ультратонких срезах цитоплазмы можно обнаружить большое количество зерен, значительная часть которых  является рибосомами. В цитоплазме бактерии могут содержаться клеточные  включения в виде гранул гиксогена, крахмала, жировых веществ. У ряда бактерий в цитоплазме находятся  гранулы волютина, состоящих из  неорганических полифосфатов, метафосфатов и соединений близких к нуклеиновым кислотам. Роль волютина до конца не ясна. Некоторые авторы на основании его исчезновения при голодании клеток рассматривают валютин как запасные питательные вещества. Валютин обладает средством к основным красителям, проявляя хромофильность метохрамазию, легко вживляется в клетках в виде крупных гранул, особенно при специальных метолах окраски.

Рибосомы бактерии являются местом синтеза белков в клетке в  процессе которого образуются структуры, состоящие из большого числа рибосом, называемые полирибосомами или чаще пелисомами. В образовании полисом  принимает участие м-РНК. По окончании  синтеза данного белка полисомы вновь распадаются на одиночные  рибосомы, или субъединицы. Рибосомы могут располагаться свободно в  цитоплазме, но значительная их часть  связана с мембранами клетки. На ультратонких срезах большинства бактерий рибосомы обнаруживаются в цитоплазме в виде гранул диаметром около 20 нм.

Наследственный материал. Бактерии обладают дискретной ядерной  структурой, в связи со своеобразием строения, получившей название нуклоида неклеоиды бактерии. Содержат основное количество ДНК клетки. Они окрашиваются методом Фейльгена. Хорошо видны  при окраске по романовскому-Шице, после кислотного гидролиза или  в живом состоянии при фазово-контрастной  микроскопии, а также на ультратонких срезах в электронном микроскопе. Нуклеоид определяется в виде компактного  одиночного или двойного образования. У растущих культур нуклеоиды  часто выглядят в виде раздвоенных  образований, что отражает их деление. Митотического деления ядерных  структур у бактерий не обнаружено. Форма нуклеоидов и их распределение  в клетке весьма изменчивы и зависят  от ряда причин, в том числе и  от возраста культуры. На электронных  микрофотографиях в местах расположения нуклеоидов видны светлые участки  меньшей оптической плотности. Ядерная  вакуоль не отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой. Форма вакуоли  не постоянна. Ядерные участки заполнены  пучками тонких нитей, образующих сложное  переплетение. В составе ядерных  структур бактерий не обнаружены гистоны, предполагают, что их роль у бактерий выполняют полиамины. Ядра бактерий не похожи на ядра других организмов. Это  послужило основой для выделения  бактерий в группу прокариотов, в  отличии от эукариотов, обладающих ядром, содержащим хромосомы, оболочку и делящиеся путем митоза. Нуклеоид бактерии соединен с мезосомой. Характер связи пока не известен. Хромосома  бактерии имеет циркулярно-замкнутую  структуру. Подсчитано, что длина  замкнутой в кольцо ДНК клетки составляет 1100-1400мкм, а молекулярный вес 2,8*10 .

Жгутики и ворсинки На поверхности  некоторых бактерий имеются органы движения – жгутики. Их можно обнаружить с помощью особых методов окраски, микрокопирования в темном поле или  в электронном микроскопе. Жгутики  имеют спиралевидную форму, причем шаг спирали специфичен для каждого  вида бактерий. На основании количества жгутиков и их расположения на поверхности  клетки различают следующие группы подвижных микробов: монотрихи, амфитрихи, лофотрихи и перетрихи. Монотрихи  имеют один жгутик, расположенный  на одном из полюсов клетки и реже субполярно или катерально. У амфитрихов на каждом полюсе клетки расположено  по одному жгутики. Лофотрихи имеют  пучок жгутиков на одном или двух полюсах клетки. У перетрихов жгутики расположены без определенного порядка по всему телу клетки.

На поверхности некоторых  бактерий (энтеробактерий), кроме жгутиков, имеются ворсинки (фимбрий, пили), видимые  только под электронным микроскопом. Различают несколько морфологических  типов ворсинок. Наиболее изучен первый тип (общий) и ворсинки существующие только при наличие в клетке половых  факторов. Ворсинки общего типа покрывают  всю поверхность клетки, состоят  из белка; половых ворсинок приходится 1-4 на клетку и те и другие обладают антигенной активностью.

Физиология. По химическому  составу бактерии не отличаются от других организмов.

В состав бактерии входят углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера, кальций, калий, магний, натрий, хлор и  железо. Их содержание зависит от вида бактерии и условий культивирования. Обязательным химическим компонентом  клеток бактерии, как и других организмов, является вода, представляющая собой  универсальную дисперсионную среду  живой материи. Основная часть воды находится в свободном состоянии; ее содержание различно у разных бактерий и составляет 70-85% влажного веса бактерии. Коме свободной, имеется ионная фракция  воды и вода, связанная с коллоидными  веществами. По составу органических компонентов клетки бактерий сходны с клетками других организмов, отличаясь  однако наличием некоторых соединений. В состав бактерий входят белки, нуклеиновые  кислоты, жиры, моно-, ди- и полисахариды, аминосахара и др. У бактерий имеются  необходимые аминокислоты: диалициопимелиновая (содержащая еще сине-зеленых водорослий и риккетсий); N-метиллизин, входящий в состав флагеллина некоторых бактерий; D-изомеры некоторых аминокислот. Содержание нуклеиновых кислот зависит  от условий культивирования, фаз  роста, физиологического и функционального  состояния клеток. Содержание ДНК  в клетке более постоянно, нежели РНК. Нуклеотидный состав ДНК не изменяется в процессе развития бактерии, видоспецифичен и используется как один из важнейших  таксономических признаков. Бактериальные  липиды разнообразны. Среди них встречаются  жирные кислоты, фосфолипиды, воски, стероиды. Некоторые бактерии образуют пигменты с интенсивностью, которая широко варьируется у одного и того же вида и зависит от условий выращивания.