Как сделать строение бактериальной клетки
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 05.10.2024
Бактериа́льная кле́тка обычно устроена наиболее просто по сравнению с клетками других живых организмов. Бактериальные клетки часто окружает капсула, которая служит защитой от внешней среды. Для многих свободноживущих бактерий характерно наличие жгутиков для передвижения, а также ворсинок.
Для выведения веществ, в том числе факторов патогенности, в окружающую среду используются системы секреции. Клеточная стенка бактерий обычно содержит пептидогликан. По химическому составу клеточные мембраны бактерий гораздо разнообразнее мембран эукариотических клеток. В отличие от эукариот, бактерии не имеют ограниченного оболочкой ядра и, в большинстве случаев, каких-либо мембранных органелл. Вместе с тем у ряда бактерий имеются клеточные структуры, не имеющие аналогов в двух других доменах.
Геном бактерий состоит из суперскрученных кольцевых хромосом, связанных с гистонподобными белками, и меньших по размерам молекул ДНК — плазмид. Элементы цитоскелета играют важные роли в делении клеток, защите, поддержании формы и определении полярности у различных прокариот. Бактериальные рибосомы меньше рибосом эукариотического типа, но имеют сходный план строения.
Одно из Царств животного мира – Царство бактерий. Как и вирусы, бактерии очень малы, и их мир мы можем разглядеть только под микроскопом. Но, как и вирусы, они оказывают огромное влияние на весь мир.
Что такое бактерии?
Бактерии – одноклеточные организмы, не имеющие ядра и образующие особое царство.
Бактерии – самые древние обитатели нашей планеты. Учёные рассчитали, что первые бактерии поселились на ней более трёх с половиной миллиардов лет назад и почти миллиард лет оставались единственными живыми существами на Земле.
Те древние бактерии были не очень похожи на известные сейчас, их строение было проще. Но и современные бактерии остаются наиболее простыми и самыми маленькими одноклеточными организмами.
Царство бактерий относят к прокариотам. Прокариоты – это одноклеточные живые организмы, у которых нет клеточного ядра. Все остальные клеточные организмы, у которых в клетках есть ядро, оружённое ядерной оболочкой, называются эукариотами. К эукариотам относятся и растения, и грибы, и животные. Люди – тоже эукариоты.
Общая характеристика бактерий
В отличие от вирусов, бактерии состоят из клеток, но клеток особенных.
Во-первых, бактерии – одноклеточные. То есть клетка бактерии – это и есть вся бактерия.
Во-вторых, у бактериальных клеток нет ядра.
Учёные делят бактерии на группы в зависимости от их внешнего вида. Посмотрите на рисунок 1 и познакомьтесь: круглые шарики называются кокки, а если эти шарики собираются в цепочку, то это уже стрептококки, те, что похожи на палочки – бациллы, на запятую – вибрионы, а спиралевидные бактерии, напоминающие червяков – это спириллы.
Чтобы разглядеть бактерии, можно воспользоваться световым микроскопом. Размер бактерий от 0.5 до 5 мкм. Они крупнее вирусов, но гораздо меньше, чем клетки растений или животных. Большинство бактерий полупрозрачные, но некоторые виды – зелёные или красные. Среди них есть подвижные, передвигающиеся за счёт сокращений или жгутиков, похожих на крошечные лапки или на хвостики.
Какое строение имеет бактериальная клетка?
Как мы уже говорили выше, бактерия – одноклеточный организм, то есть она состоит из одной-единственной клетки.
Основные части бактериальной клетки – это клеточная стенка, мембрана, цитоплазма и ядерное вещество.
Части бактериальной клетки и их функции:
Клеточная стенка. Она прочная и плотная, как скорлупа, но по составу отличается от оболочек растений. Клеточная стенка выполняет защитную функцию, также благодаря ей бактерия сохраняет постоянную форму.
Капсула. Часто поверх этой стенки клетки бактерий покрыты дополнительным защитным слоем слизи. Этот слой называют капсулой, и его толщина может превышать диаметр самой клетки во много раз, но у некоторых бактерий капсула, наоборот, очень тонкая и её можно разглядеть только в электронный микроскоп. Капсула есть не у всех бактерий, она не считается обязательной частью клетки. Капсула защищает бактерии от высыхания. Также благодаря слизистым капсула бактерии могут слипаться между собой.
Клеточная мембрана. Её функция – поддерживать целостность клетки защищать её от вредных воздействий. Также через мембрану осуществляется взаимосвязь с внешней средой.
Внутри бактерии располагается цитоплазма. Цитоплазмой называют всё содержимое клетки, за исключением клеточной мембраны и ядерного вещества. Цитоплазма обладает сложной и интересной структурой, которую можно разглядеть только через электронный микроскоп. Но в цитоплазме бактерий нет ядра и вакуолей, есть только рибосомы.
Роль цитоплазмы в том, чтобы осуществлять обмен веществ, то есть она регулирует поступление веществ в клетку извне и выделение наружу продуктов обмена. Также в цитоплазме могут какое-то время храниться запасные питательные вещества.
У бактерий могут быть жгутики. Хотя они и похожи на отдельные органы, это части той же самой клетки. С их помощью бактерия может перемещаться.
У некоторых бактерий нет жгутиков, а у других – один-два, а встречаются и такие, у которых десятки, а то и сотни жгутиков.
Условия среды, в которых встречаются бактерии
На Земле бактерии встречаются повсеместно, то есть практически везде.
Чем можно объяснить широкое распространение бактерий на нашей планете?
Так как они очень выносливы и приспособлены к разным условиям, их можно встретить и в Антарктиде, где температура опускается ниже 80 градусов по Цельсию, и в горячих источниках, где она поднимается выше 80 градусов. Некоторым бактериям для жизнедеятельности нужен кислород, но другие могут обходиться и без него; одни виды погибают при высыхании, а другие продолжают существовать. Есть даже такие, которые способны выжит в растворе кислоты.
Особенно много бактерий в почве – в 1 грамме почвы их может быть сотни миллонов. Но есть бактерии и в воздухе, и в воде.
Бактерии существуют и внутри живых организмов. То есть и в нас тоже есть бактерии.
Питание бактерий
Бактерии способны потреблять самую различную пищу. Они привыкли перерабатывать разные вещества, и только некоторые, созданные людьми, для них пока в новинку (например, пластик и стиральный порошок).
Бактерии в большинстве своём питаются органическими веществами.
Для бактерий характерны следующие типы питания:
К гетеротрофам относятся сапротрофы и паразиты.
В чём отличие сапрофитов от паразитов? Какие бактерии называют сапрофитами, а какие — паразитами?
Сапрофиты получают органические вещества из отходов живых организмов, а также перерабатывают органические вещества после их смерти. Они не вредят живым организмам, напротив — если бы не сапротрофные бактерии, был бы невозможен круговорот веществ в природе, а значит, и жизнь на Земле. Что касается паразитов, они получают пищу из живых организмов, часто нанося им вред и иногда даже приводя их к гибели.
Организмы, способные образовывать органические вещества из неорганических, носят название автотрофы. К автотрофам относятся синезелёные бактерии. Они могут превращать неорганические вещества в органические. Именно благодаря им на Земле возможна кислородосодержащая атмосфера.
В клетках синезелёных бактерий содержится хлорофилл. Это вещество извлекает энергию из солнечного света. При помощи этой энергии бактерии перерабатывают простые неорганические вещества в более сложные органические. Этот процесс называется фотосинтез. В ходе фотосинтеза бактерии выделяют в атмосферу кислород.
Трудно переоценить роль цианобактерий. Они не только поставляют кислород в атмосферу Земли, но и являются производителями органических веществ для других живых организмов.
На рисунке 3 справа изображена не бактерия, а одноклеточная водоросль. Сравните растительную и бактериальную клетки. Что общего и какие различия есть в их строении?
И те, и другие клетки покрыты клеточной оболочкой, у них есть цитоплазма; и те, и другие могут обладать жгутиками.
Основное отличие – и бактерии, и цианобактерии не имеют ядра, а в растительных клетках ядро обязательно есть. Кроме того, бактерии отличаются от растительных клеток по строению и составу клеточной оболочки.
Как бактерии размножаются
Бактерии размножаются делением клетки надвое. Содержимое клетки разделяется перетяжкой пополам, и из одной клетки получаются две. Некоторые бактерии размножаются очень быстро, например, кишечная палочка делится примерно каждые 20-30 минут. При таком стремительном размножении потомство одной-единственной бактерии через сутки могло бы весить около двух тонн, а через 5 суток могло бы заполнить все моря и океаны Земли.
Этого не происходит из-за того, что очень многие бактерии погибают. Да, при всей их выносливости бактерии могут погибнуть от действия солнечного света, недостатка питательных веществ, при высушивании, нагревании, действии дезинфицирующих веществ и из-за других факторов.
Что происходит с бактериями при наступлении неблагоприятных условий?
Сначала клетка проходит подготовительный этап. Она прекращает расти, завершается синтез ДНК, изменяется обмен веществ клетки.
Затем начинается деление клетки, но не такое, как при размножении. Мембрана клетки отходит от оболочки к центру и отделяет часть цитоплазмы с нуклеоидом внутри. Образуется предспора (или проспора), окружённая двумя мембранами.
Затем предспора создаёт на своей поверхности ещё одну оболочку, более плотную и прочную.
Какова роль спор в жизни бактерий? Как думаете?
В таком виде споры могут сохраняться очень долго, выдерживая и очень низкие, и очень высокие температуры, они не погибают даже в кипящей воде. Если же спора попадает в благопритные условия, спора снова становится жизнеспособной бактерией.
Превращение в спору – это не размножение клетки, так как в итоге из одной клетки получается также одна клетка. Важно знать, что не все бактерии способны образовывать споры.
Структура бактериальной клетки
Бактериальная клетка состоит из клеточной стенки, цитоплазматической мембраны, цитоплазмы с включениями и ядерного аппарата, называемого нуклеоидом. Имеются другие структуры: мезосома, хроматофоры, тилакоиды, вакуоли, включения полисахаридов, жировые капельки, капсула (микрокапсула, слизь), жгутики, пили. Некоторые бактерии способны образовывать споры.
Структуру и морфологию бактерий изучают с помощью различных методов микроскопии: световой, фазово-контрастной, интерференционной, темнопольной, люминесцентной и электронной.
Обозначения:
Клеточная стенка
Цитоплазматическая мембрана
Цитоплазматическая мембрана при электронной микроскопии ультратонких срезов представляет собой трехслойную мембрану (2 темных слоя толщиной по 2,5 нм разделены светлым - промежуточным). По структуре она похожа на плазмалемму клеток животных и состоит из двойного слоя фосфолипидов с внедренными поверхностными, а также интегральными белками, как бы пронизывающими насквозь структуру мембраны. 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.
Цитоплазма
Нуклеоид
Нуклеоид — эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Ядро бактерий, в отличие от эукариот, не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК.
Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности - плазмиды, представляющие собой ковалентно замкнутые кольца ДНК.
Капсула, микрокапсула, слизь
Капсула - слизистая структура толщиной более 0,2мкм, 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 (например, 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, препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна: антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы).
Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование толщиной менее 0,2мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слиэь - мукоидные экзополисахариды, не имеющие четких границ. Слизь растворима в воде.
Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам), их еще называют гликокаликсом. Кроме синтеза
экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны.
Жгутики
Жгутики бактерий определяют подвижность бактериальной клетки. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12-20 нм, длина 3-15 мкм. Они состоят из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков - у грамположительных и 2 пары дисков - у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-мотором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка - флагеллина (от flagellum - жгутик); является Н-антигеном. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали.
Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, 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.
Пили (фимбрии, ворсинки) - нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10нм х 0, 3-10мкм) , чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, то есть за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водносолевой обмен и половые (F-пили), или конъюгационные пили. Пили многочисленны - несколько сотен на клетку. Однако, половых пилей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми "мужскими" клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Col-плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми "мужскими" сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях.
Споры
Споры - своебразная форма покоящихся фирмикутных бактерий, т.е. бактерий
с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.. Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Спорообразующие бактерии рода Bacillus имеют споры, не превышающие диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, называются клостридиями, например, бактерии рода Clostridium (лат. Clostridium - веретено). Споры кислотоустойчивы, поэтому окрашиваются по методу Ауески или по методу Циля-Нильсена в красный, а вегетативная клетка в синий цвет.
Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке -терминальное, т.е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное - ближе к концу палочки (у возбудителей ботулиэма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция, низкого содержания воды и вялых процессов метаболизмов. В благоприятных условиях споры прорастают, проходя три последовательные стадии: активация, инициация, прорастание.
Обязательными органоидами являются: ядерный аппарат, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана.
Необязательными (второстепенными) структурными элементами являются: клеточная стенка, капсула, споры, пили, жгутики.
1.В центре бактериальной клетки находится нуклеоид- ядерное образование, представленное чаще всего одной хромосомой кольцевидной формы. Состоит из двухцепочечной нити ДНК. Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной.
2.Цитоплазма- сложная коллоидная система, содержащая различные включения метаболического происхождения (зерна волютина, гликогена, гранулезы и др.), рибосомы и другие элементы белоксинтезирующей системы, плазмиды (вненуклеоидное ДНК), мезосомы (образуются в результате инвагинации цитоплазматической мембраны в цитоплазму, участвуют в энергетическом обмене, спорообразовании, формировании межклеточной перегородки при делении).
3.Цитоплазматическая мембрана ограничивает с наружной стороны цитоплазму, имеет трехслойное строение и выполняет ряд важнейших функций- барьерную (создает и поддерживает осмотическое давление), энергетическую (содержит многие ферментные системы- дыхательные, окислительно- восстановительные, осуществляет перенос электронов), транспортную (перенос различных веществ в клетку и из клетки).
4.Клеточная стенка- присуща большинству бактерий (кроме микоплазм, ахолеплазм и некоторых других не имеющих истинной клеточной стенки микроорганизмов). Она обладает рядом функций, прежде всего обеспечивает механическую защиту и постоянную форму клеток, с ее наличием в значительной степени связаны антигенные свойства бактерий. В составе - два основных слоя, из которых наружный- более пластичный, внутренний- ригидный.
Основное химическое соединение клеточной стенки, которое специфично только для бактерий- пептидогликан (муреиновые кислоты). От структуры и химического состава клеточной стенки бактерий зависит важный для систематики признак бактерий- отношение к окраске по Граму. В соответствии с ним выделяют две большие группы- грамположительные (“грам+”) и грамотрицательные (“грам - “) бактерии. Стенка грамположительных бактерий после окраски по Граму сохраняет комплекс йода с генциановым фиолетовым (окрашены в сине- фиолетовый цвет), грамотрицательные бактерии теряют этот комплекс и соответствующий цвет после обработки и окрашены в розовый цвет за счет докрашивания фуксином.
Особенности клеточной стенки грамположительных бактерий.
Мощная, толстая, несложно организованная клеточная стенка, в составе которой преобладают пептидогликан и тейхоевые кислоты, нет липополисахаридов (ЛПС), часто нет диаминопимелиновой кислоты.
Особенности клеточной стенки грамотрицательных бактерий.
Клеточная стенка значительно тоньше, чем у грамположительных бактерий, содержит ЛПС, липопротеины, фосфолипиды, диаминопимелиновую кислоту. Устроена более сложно- имеется внешняя мембрана, поэтому клеточная стенка трехслойная.
При обработке грамположительных бактерий ферментами, разрушающими пептидогликан, возникают полностью лишенные клеточной стенки структуры- протопласты. Обработка грамотрицательных бактерий лизоцимом разрушает только слой пептидогликана, не разрушая полностью внешней мембраны; такие структуры называют сферопластами. Протопласты и сферопласты имеют сферическую форму (это свойство связано с осмотическим давлением и характерно для всех безклеточных форм бактерий).
L- формы бактерий.
Под действием ряда факторов, неблагоприятно действующих на бактериальную клетку (антибиотики, ферменты, антитела и др.), происходит L- трансформация бактерий, приводящая к постоянной или временной утрате клеточной стенки. L- трансформация является не только формой изменчивости, но и приспособления бактерий к неблагоприятным условиям существования. В результате изменения антигенных свойств (утрата О- и К- антигенов), снижения вирулентности и других факторов L- формы приобретают способность длительно находиться (персистировать) в организме хозяина, поддерживая вяло текущий инфекционный процесс. Утрата клеточной стенки делает L- формы нечувствительными к антибиотикам, антителам и различным химиопрепаратам, точкой приложения которых является бактериальная клеточная стенка. Нестабильные L- формы способны реверсировать в классические (исходные) формы бактерий, имеющие клеточную стенку. Имеются также стабильные L- формы бактерий, отсутствие клеточной стенки и неспособность реверстровать которых в классические формы бактерий закреплены генетически. Они по ряду признаков очень напоминают микоплазмы и другие молликуты- бактерии, у которых клеточная стенка отсутствует как таксономический признак. Микроорганизмы, относящиеся к микоплазмам- самые мелкие прокариоты, не имеют клеточной стенки и как все бактериальные бесстеночные структуры имеют сферическую форму.
К поверхностным структурам бактерий (необязательным, как и клеточная стенка), относятся капсула, жгутики, микроворсинки.
Капсула или слизистый слой окружает оболочку ряда бактерий. Выделяют микрокапсулу, выявляемую при электронной микроскопии в виде слоя микрофибрилл, и макрокапсулу, обнаруживаемую при световой микроскопии. Капсула является защитной структурой (прежде всего от высыхания), у ряда микробов- фактором патогенности, препятствует фагоцитозу, ингибирует первые этапы защитных реакций- распознавание и поглощение. У сапрофитов капсулы образуются во внешней среде, у патогенов- чаще в организме хозяина. Существут ряд методов окраски капсул в зависимости от их химического состава. Капсула чаще состоит из полисахаридов (наиболее распространенная окраска- по Гинсу), реже- из полипептидов.
Жгутики. Подвижные бактерии могут быть скользящие (передвигаются по твердой поверхности в результате волнообразных сокращений) или плавающие, передвигающиеся за счет нитевидных спирально изогнутых белковых (флагеллиновых по химическому составу) образований- жгутиков.
По расположению и количеству жгутиков выделяют ряд форм бактерий.
1.Монотрихи- имеют один полярный жгутик.
2.Лофотрихи- имеют полярно расположенный пучок жгутиков.
3.Амфитрихи- имеют жгутики по диаметрально противоположным полюсам.
4.Перитрихи- имеют жгутики по всему периметру бактериальной клетки.
Способность к целенаправленному движению (хемотаксис, аэротаксис, фототаксис) у бактерий генетически детерминирована.
Фимбрии или реснички - короткие нити, в большом количестве окружающую бактериальную клетку, с помощью которых бактерии прокрепляются к субстратам (например, к поверхности слизистых оболочек). Таким образом, фимбрии являются факторами адгезии и колонизации.
F- пили (фактор фертильности) - аппарат конъюгации бактерий, встречаются в небольшом количестве в виде тонких белковых ворсинок.
Эндоспоры и спорообразование.
Спорообразование- способ сохранения определенных видов бактерий в неблагоприятных условиях среды. Эндоспоры образуются в цитоплазме, представляют собой клетки с низкой метаболической активностью и высокой устойчивостью (резистентностью) к высушиванию, действию химических факторов, высокой температуры и других неблагоплиятных факторов окружающей среды. При световой микроскопии часто используют метод выявления спор по Ожешко. Высокая резистентность связана с большим содержанием кальциевой соли дипиколиновой кислоты в оболочке спор. Расположение и размеры спор у различных микроорганизмов отличается, что имеет дифференциально- диагностическое (таксономическое) значение. Основные фазы “жизненного цикла” спор- споруляция (включает подготовительную стадию, стадию предспоры, образования оболочки, созревания и покоя) и прорастание, заканчивающееся образованием вегетативной формы. Процесс спорообразования генетически обусловлен.
Некультивируемые формы бактерий.
У многих видов грамотрицательных бактерий, не образующих спор, существует особое приспособительное состояние- некультивируемые формы. Они обладают низкой метаболической активностью и активно не размножаются, т.е. не образуют колоний на плотных питательных средах, при посевах не выявляются. Обладают высокой устойчивостью и могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет. Не выявляются классическими бактериологическими методами, обнаруживаются только при помощи генетических методов ( полимеразной цепной реакции- ПЦР).
Читайте также: