3. Общая характеристика организмов – объектов биотехнологии

В качестве биологических объектов биотехнологи чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Структурную и функциональную организацию клеток, в первую очередь эукариотных организмов, мы рассмотрели. Необходимо дать общую характеристику организмов, нашедших практическое применение. К ним относятся не более 100 видов микроорганизмов: бактерии, грибы, дрожжи, водоросли, вирусы. Другие микроорганизмы мало изучены.

Прокариоты. Бактерии

Большинство прокариот – одноклеточные формы. Размеры клеток находятся в пределах 0,2 – 10 мкм. Формы клеток бактерий не отличаются большим разнообразием. Это чаще всего палочки разной длины, шаровидные клетки (кокки), а также извитые формы – вибрионы, спириллы и спирохеты. Клетки могут быть одиночными или объединяться в пары, короткие и длинные цепочки, образовывать пакеты.

Основными структурами бактериальной клетки являются: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма с включениями и ядро, называемое нуклеоидом. Бактерии могут иметь и дополнительные структуры: капсулу, слизь, фимбрии, пили (рис. 14).

Рис. 14. Схема строения бактериальной клетки

Важнейшие и самые характерные признаки, отличающие эукариотную клетку от прокариотной, - это строение генетического аппарата и способы его деления. Нуклеоид расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитчатой ДНК (бактериальная хромосома), замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. В отличие от эукариот ядро бактерий не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Кроме нуклеоида, представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности – плазмиды. Они представляют собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. Плазмиды несут гены, необязательные для клетки-хозяина, и придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными бактериями. Плазмида является одной из важных фигур в генной инженерной игре.

Для большинства прокариот характерно бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух дочерних одинаковых клеток.

Химическая основа клеточных стенок у живых организмов имеет различия. Клеточная стенка бактерий – прочная, упругая структура, придающая им определенную форму и сдерживающая высокое осмотическое давление в клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов. Состав и строение клеточной стенки – важный систематический признак, по которому прокариоты подразделяют на следующие группы: грамположительные, грамотрицательные и не имеющие клеточной стенки (микоплазмы).

В клеточной стенке (КС) грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов и белков.

Основную часть массы КС (40-90%) составляет пептидогликан (муреин), представляющий собой гетерополимер, который состоит из N-ацетил-D-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных ß-(1,4)-связью. Пептидогликан ковалентно связан с тейхоевыми кислотами – полимерами на основе рибита или глицерина и остатка фосфорной кислоты. Пептидогликан представляет собой своеобразный каркас («муреиновый мешок»), основной чертой которого является наличие сети параллельных полисахаридных цепей, связанных многочисленными пептидными поперечными связями (рис. 15).

Рис. 15. Схема строения пептидогликана: изображены остов из N–ацетилмурамовой кислоты (MypNAц) и N–ацетилглюкозамина (ГлюNAц); боковые пептиды, состоящие из L–аланина (L–Ала), D–глутамата (D–Глу), L–лизина (L–Лиз) и D–аланина (D–Ала); пептидные (Гли5) поперечные мостики.

 

В КС грамотрицательных бактерий пептидогликана содержится меньше (5-10%), однако она имеет более сложное строение. Ее отличительная особенность – наличие наружной мембраны. Наружная мембрана состоит из фосфолипидов, липополисахарида, липопротеина и белков. Липополисахариды – компонент только грамнегативных бактерий. Под наружной мембраной расположена периплазма (периплазматическое пространство). В этом пространстве находятся периплазматические ферменты. Небольшая часть ферментов предназначена для расщепления различных субстратов (белков, полисахаридов, липидов), но большинство является фосфатазами.

Таким образом, в клеточной стенке бактерий содержатся вещества, которые, с одной стороны, отсутствуют в КС животных и растений (пептидогликан), а с другой стороны – ее опорный каркас по структуре подобен целлюлозе, главному компоненту КС у высших растений.

Цитоплазматическая мембрана прокариот по своему строению и функциям аналогична описанной ранее мембране эукариотных клеток. Однако нередко мембрана дает внутрицитоплазматические впячивания (инвагинации), приводящие к образованию особых структур – мезосом. Функционально мезосомы напоминают митохондрии у эукариот. Мезосомы одного типа (перегородчатые) участвуют в образовании перегородки в процессе деления клетки; боковые мезосомы связаны с клеточной мембраной. В них локализуются ферменты дыхательной цепи. Они являются главным местом синтеза мембранных липидов.

Цитоплазма бактерий содержит различные структурные элементы – внутрицитоплазматические мембраны, генетический аппарат, рибосомы и включения. Остальная ее часть представлена цитозолем – фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и состоящая из белковых макромолекул. Рибосомы бактерий имеют коэффициент седиментации 70 S в отличие от рибосом эукариот – 80 S.

Актиномицеты

Актиномицеты являются грамположительными бактериями, не образующими спор (рис.16). Однако, среди прокариот это единственные организмы, для которых характерен мицелиальный рост. Этим они напоминают грибы. Некоторые из актиномицетов развиваются исключительно в виде мицелия и размножаются путем образования одноклеточных спор, формирующихся по одной или цепочками на верхушках гиф.
Рис. 16. Актиномицеты

У других актиномицетов мицелиальный тип развития имеет временный характер или вообще отсутствует, а споры не образуются.

Обитают главным образом в почве, где участвуют в разложении органических соединений. Многие виды выделяют антибиотические вещества, которые используются для борьбы с бактериальными и вирусными заболеваниями человека, животных и растений.

Эукариоты. Грибы

Грибы – одноклеточные и мицелиальные гетеротрофные организмы. Их делят на макро- и микромицеты. Макромицеты образуют крупные плодовые тела, отсутствующие у микромицетов.

Тело гриба (мицелий) представляет собой разветвленные длинные нити (гифы). У некоторых грибов нити гиф не имеют поперечных перегородок (септ) – низшие грибы. Для большинства характерны гифы с септами – высшие грибы (рис. 17).

Рис.17. Мицелий высших грибов

Грибы значительно крупнее бактерий и актиномицетов. Диаметр их гиф колеблется от 5 до 50 мкм и более. Клеточная стенка большинства грибов содержит хитин или близкие к нему соединения. В цитоплазме содержатся рибосомы, митохондрии, а также включения волютина и жиров.

Ядро четко дифференцировано, окружено мембраной. Несептированный мицелий грибов содержит несколько ядер.

Отдельные участки мицелия грибов имеют специальные образования – спорангии, в которых формируются споры, служащие для сохранения или размножения вида. Способы размножения грибов разнообразны: вегетативное, бесполое и половое. Специфичность размножения лежит в основе систематики того или иного гриба.

Дрожжи

Дрожжи – это одноклеточные грибы, утратившие способность к образованию истинного мицелия. Они имеют овальную форму клеток, диаметр которых 3-15 мкм (рис. 18). Клеточная стенка (КС) дрожжей составляет примерно 15 % массы клетки.

Рис. 18. Клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Толщина КС достигает 400 нм. В состав ее входят белково-полисахаридные комплексы и липиды. Примерно 70 % сухой массы стенки составляют полисахариды маннан и глюкан, которые обусловливают в основном ее механическую прочность. Обычно в биотехнологических процессах используют дрожжи, относящиеся к классу

Ascomycetes. Они размножаются почкованием (рис. 19), бинарным делением или половым путем с образованием аскоспор.

Рис. 19. Почкующиеся клетки дрожжей

Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток.

Кроме того, дрожжи Saccharomyces cerevisiae представляют большой научный интерес. Они являются наиболее удобной моделью для исследования других эукариот, в т.ч. человека, поскольку многие гены, ответственные за регуляцию клеточного деления S. сerevisiae, сходны с таковыми у человека.