8. Особенности организации прокариотной клетки

Бактерии	Археи
Организация генетического материала
Молекула ДНК не ограничена от цитоплазмы мембранными структурами, хромосома обычно 1	Молекула ограничена, хромосом больше одной
Локализация ДНК
В нуклеоиде, плазмидах	В ядре и др. органеллах
Внутриклеточные мембранные структуры
+	+
Вакуоли
+	+
Рибосомы
70 s-типа	80 s-типа
Основной компонент клеточных стенок
Пептидогликан (муреин)	Клетчатка, хитин
Внутриклеточные структуры, покрытые неунитарной мембраной
+	-
Истинная многоклеточность
-	+
Множественное деление (в нескольких плоскостях)
+	-
Эндоспоры
+	-
Движение цитоплазмы
-	довольно часто

9. Прокариотная клетка

Экстрацеллюлярные газовые баллоны – редко встречающиеся специализированные образования на поверхности клеток некоторых морских бактерий. Эти структуры представляют собой везикулы цилиндрической, игольчатой, реже - сферической формы. Их длина варьирует в значительных пределах - от десятка нанометров до нескольких десятков микрометров. Стенка баллонов белковой природы, это неунитарная мембрана толщиной около 2 нм. Функция данных структур – газонакопительная, в них запасается преимущественно кислород. Т.е. эти образования аналогичны кислородным вакуолям некоторых серобактерий.

Шипы – поверхностные структуры некоторых грамотрицательных бактерий (цианобактерий, псевдомонад, метилотрофных бактерий). Представляют собой полые образования, конусообразно-цилиндрические, с открытым концом, или конические, с закрытым окончанием. Ш. образованы белком спинином, крепятся к внешней мембране и ориентированы перпендикулярно поверхности клетки. Размеры шипов весьма различаются – как по диаметру (50-100 нм), так и по длине (0,5-3 мкм). Функции данных поверхностных структур не до конца выяснены, очевидно, Ш. обеспечивают повышенную плавучесть клетки, участвуют в образовании микроколоний, способствуют прикреплению к субстрату. Некоторые авторы предполагают, что бактерии, имеющие данные образования менее охотно поедаются беспозвоночными животными, Т.е. выполняют частично защитную функцию.

Трубчатые выросты – структуры на поверхности некоторых морских планктонных бактерий. Диаметр таких образований около 40 нм, а длина - порядка 0.3 мкм, насчитывают их от десятка до 350 штук. Это полые образования, достигающие ЦПМ и образующие канал; в их состав входят белки и полисахариды. В местах прикрепления трубчатых выростов обнаруживается повышенная активность окислительных ферментов, поэтому высказывается предположение, что выросты выполняют функцию выделения.

Блебинг-везикулы (от англ. bleb - пузырек) - производные внешней мембраны грамотрицательных бактерий. Данные структуры имеют диаметр 20-500 нм, образуются при несовпадении скорости роста внешней мембраны и муреинового слоя, или при нестабильных условиях внешней среды. При образовании везикул внутрь пузырька попадает часть содержимого периплазмы. Функция данных структур - доставка ферментов к нужным участкам внешней среды или к клеткам-мишеням с целью разрушения их клеточных покровов и «добычи» питательного субстрата. Причем, ферменты упакованы в мембранный компонент, что обеспечивает более сохранную их доставку и защиту от инактивации иммунными агентами макроорганизма (в случае патогенов). Так, при контакте с грамположительными бактериями, из везикул высвобождаются автолизины и повреждают муреиновый слой. При контакте с грамотрицательными бактериями, везикула сливается с внешней мембраной клетки-мишени, ее содержимое перетекает в периплазму и т.о. клеточная стенка «жертвы» разрушается сразу в нескольких местах. Однако следует отметить, что автолизины не действуют на клетки, находящиеся в фазе активного роста или деления, т.к. повреждения клеточных покровов быстро репарируются.

Контакты Байера (от фамилии ученого, их открывшего) зоны непосредственного контакта внешней и цитоплазматической мембран у грамотрицательных бактерий. Число таких контактов колеблется от 200 до 400 на одну клетку, ширина зоны контакта - около 25 нм. Также в этих зонах наблюдается образование крупного отверстия в клеточной стенке бактерий. Предположительно, через К.Б. выделяются некоторые вещества (н-р, гемолизин, гидрофобные антибактериальные вещества), по ним поставляются субъединицы для построения поверхностных структур, а также в них адсорбируются некоторые бактериофаги и через отверстие в муреиновом слое впрыскивают внутрь клетки свою нуклеиновую кислоту.

Капсула – слизистый слой, располагающийся над поверхностью клетки, служащий внешней границей между клеткой и окр. средой. Часто встречается у Б., реже – у А. Различают: по размерам: 1) микрокапсулы (толщина менее 0,2 мкм), 2) макрокапсулы (свыше 0,2 мкм); по стр-ре: 1)фибриллярные (с перпендикулярно, параллельно, сетчато расположенными фибриллами), 2) глобулярные.

Состав капсул: до 90% воды, сухое содержимое м.б. представлено экзополисахаридами (галактоза, манноза, рибоза, ксилоза и др., также могут состоять из левана, целлюлозы или декстрина); липополисахаридные капсулы – у энтеробактерий (группа E. coli); полипептидные – у бацилл (в том числе и возбудителя сибирской язвы); полифосфатная – уникальна, встречается у возбудителя менингита – Neisseria meningitides, из-за чего не может поглощаться бактериофагами иммунной системы. Ф-ции: 1) защитная (от высыхания, действия токсинов, защитных компонентов макроорганизма, хищных Б. и бемпозвоночных и т.п.), 2) концентрация катионов, 3) улучшает адгезивные свойства клетки, 4) радиорезистентность (УФ-, гамма-излучение), 5) служит для иммунологической мимикрии, 6) практическое использование капсульного в-ва.

Клеточная стенка — обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток, располагающийся под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирующий с окружающей средой. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки. КС служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную, присущую им форму. Концентрация солей в клетке, как правило, намного выше, чем в окружающей среде, и поэтому между ними существует большое различие в осмотическом давлении. КС чисто механически защищает клетку от проникновения в нее избытка воды. В состав клеточной стенки бактерий входят семь различных групп химических веществ, при этом пептидогликан присутствует только в клеточной стенке. У грамположительных эубактерий он составляет основную массу вещества клеточной стенки (от 40 до 90%), у грамотрицательных — содержание пептидогликана значительно меньше (1—10%). Клеточная стенка цианобактерий, сходная с таковой грамотрицательных эубактерий, содержит от 20 до 50% этого гетерополимера.

Клеточная стенка грамположительных эубактерий. Основную массу клеточной стенки грамположительных эубактерий составляет специфический гетерополимер — пептидогликан. Осн. компонентами КС грамположительных Б. являются три типа макромолекул: пептидогликаны, тейхоевые кислоты и полисахариды, которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с весьма упорядоченной пространственной организацией. В небольших количествах также найдены полисахариды, белки и липиды.

Клеточная стенка грамотрицательных эубактерий. У грамотрицательных Б. строение клеточной стенки намного сложнее. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру, характеризующуюся весьма редкими поперечными связями между гетерополимерными цепями. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30—40% ее поверхности и локализованный во внешнем слое.

Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки составляют почти 80% всех белков наружной мембраны. Одна из функций — формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1 нм, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул с массой до 600—900 Да. Это означает, что через такие поры могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов. Их основная функция — транспортная и рецепторная.

ЦПМ – обязательный элемент клетки, нарушение целостности к-рого приводит к её гибели. Устроена по принципу жидкостно-мозаичной стр-ры; является унитарной. Липидные компоненты представлены в основном фосфолипидами. Кроме них в состав входят моно- и полициклические производные полиизпреноидов (хеноны, стероиды, гопаноиды), окрашенные изопрегоиды, например каротиноиды. Редко – жирные к-ты, ассоциированные с глицерином или глицеролом. Липиды составляют гидрофобный матрикс, что позволяет задерживать гидрофильные молекулы. Белковые компоненты не образуют сплошного слоя; выделяют интегральные, полуинтегральные (амфипатические), периферические. Локализация белков в ЦПМ зависит от степени их гидрофобности. Ф-ции белков: архитектурные (интегральные белки), транспортные (белки-транспортёры), метаболические, регуляционные. Ф-ции ЦПМ: 1) барьерная (избирательный барьер между внутренним содержимым клетки и окр. средой), 2) защитная (защита от хим. агентов, чужеродных белков), 3)транспортная (активный и пассивный транспорт), 4) осморегуляционная, 5) рецепторная, 6) участвует в делении клетки, 7) биогенез КС, 8) ассимиляция энергии в виде электро-хим. потенциала (протондвижущая сила).

Периплазматический компартмент, или периплазматическое пространство, встречается только у Гр- бактерий. ПК составляет в среднем около 5% от объёма клетки (7-8 нм). Род Nitrospira имеет самый большой ПК: V=30-40%, d=30 нм. Внутреннее содержимое ПК – периплазма – представляет собой гелеобразный р-римый матрикс, содержащий белки (ферменты, транспортные белки, молекулярные шапероны, связывающие, или рецепторные, белки), уникальные олигосахариды (саморегулирующиеся периплазматические глюканы), транзисторные молекулы (молекулы чужеродной ДНК, транспортируемые компоненты двигательного аппарата и пр.). Ф-ции: 1) транспортная, 2) рецепторная, 3) осморегуляционная.

Паракристаллический поверхностный слой, или белковый S-слой, присутствует у бактерий приблизительно 100 родов и большинства архей. У Б. ППС редко является единственным ригидным (жёстким) слоем, а у А. – почти всегда, заменяя т.о. КС. Встречается как у Гр+, так и у Гр- бактерий. Химический состав: состоит из идентичных белковых субъединиц, образующих плотную стр-ру. Толщина слоя 5-15 нм, диаметр пор – около 6 нм. Ф-ции: 1) частично защитная, частично формообразующая; 2) фильтр для экзогенных молекул; 3) ловушка для катионов и секретируемых ферментов (т.к. ферменты и катионы для выполнения своих задач должны находиться вблизи клеточных покровов); 4) фактор адгезии к другим клеткам и к субстрату; 5) дополнительный рецептор для бактериофагов; 6) матрикс для биоминерализации; 7) фактор вирулентности у патогенов.

Нуклеоид – обязательная внутриклеточная стр-ра, аналог ядра эукариот. Представляет собой компактное тело, зачастую расположенное в центре клетки и содержащее нить ДНК, ковалентно замкнутую в кольцо (бактериальная хромосома). Молекула ДНК несёт много «-» зарядов, к-рые нейтрализуются полиаминами, ионами магния, гистоноподобными белками, а у архей – гистонами. Нерабочие участки молекулы находятся в суперспирализованном состоянии, они стабилизированы молекулами РНК. По периферии спирализованных участков находятся деспирализованные, с к-рых постоянно идёт считывание. На деспирализованных участках хранится самая важная для организма информация. Ф-ция: хранении и передача генетической информации. Нуклеоид нах. в нуклеарной области. Она отличается по коэффициенту преломления от остальной ЦП и под микроскопом выглядит более светлой, т.к. в ней не накапливаются запасные пит. в-ва. У Б. чаще всего встречаются кольцевые хромосомы, реже – кольцевые и линейные или только линейные. Обычно разные хромосомы несут в себе одинаковый набор генов, т.е. являются копиями. Только у отдельных представителей (например, у агробактерий) в хромосомах содержатся разные гены. Иногда у Б. наблюдается явление квазиэукариотизма, когда нить ДНК частично окружена ЦПМ. Встречается у планктомицетов в виде впячиваний ЦПМ («чаша», в к-рой лежит хромосома) и у цианобактерий (фрагменты тиллакоидов по периферии нуклеоида).

Нуклеоидосома – суперспирализованный участок ДНК, состоящий приблизительно из 70 пар оснований, к-рые образуют правозакрученный виток, закручивающийся вокруг тетрамера из 4-х гистонов, связывающих молекулу ДНК. Ф-ции: данная стр-ра обеспечивает компактизацию хромосомы. Имеет отношение непосредственное отношение к генетическому аппарату и нормальной его работе, но обнаруживается только у архей.

Рибосомы – внутриклеточные рибонуклеопротеиновые стр-ры размером 15—20 нм, выполняющие ф-цию универсальной белоксинтезирующей органеллы. Их количество в клетке зависит от интенсивности процессов белкового синтеза и колеблется от 5000 до 90 000. Общая масса рибосом может составлять примерно 1/4 клеточной массы, а количество рибосомальной РНК (рРНК) — 80–85% всей бактериальной РНК. У П. соотношение «рибосомы:др. внутриклеточные стр-ры» больше, чем у эукариот. Это обеспечивает высокую скорость размножения и высокий уровень метаболической активности. Рибосомы состоят из РНК и рибосомальных белков в соотношении 2:1 (как и у Э.). Рибосомы прокариот 70S. Они построены из двух неодинаковых субчастиц: 30S- и 50S-субъединиц. 30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка более 20 видов. 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК. В ее состав входят более 30 различных белков, также представленных, как правило, одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию. Рибосомы А. могут быть 80S и морфологически напоминать рибосомы Э., а именно иметь характерные выступы в виде клюва и лап. Более крупные размеры рибосом А. связаны с большим содержанием в них рибосомальных белков. Синтез белка осуществляется агрегатами, состоящими из рибосом, молекул информационной и транспортных РНК и называемыми полирибосомами, или полисомами. Последние могут находиться в цитоплазме или же быть связанными с мембранными структурами.

Шаперонины – внутриклеточные тороидальные стр-ры белковой природы. Ф-ции: обеспечивают коррекцию конформации неправильно собранного белка. Существуют 2 группы Ш.: 1) Ш. бактерий, митохондрий и пластид (состоят из 2-х колец по 7 белковых субъединиц); 2) Ш. архей и эукариот (состоят из 2-х колец по 8-9 субъединиц). Элементарной единицей шаперонинов являются белки, называемые молекулярными шаперонами, к-рых известно около 50 видов. Отличаются по первичной последовательности аминокислот и третичной стр-ре.

Протеосомы – бочковидные стр-ры, состоящие из 2-4 колец с расширенной центральной полостью, внутри к-рой имеются каталитические центры. Ф-ции: служит для ликвидации белков путём протеолиза, но только тех белков, к-рые подлежат устранению. У П. чаще всего встречаются упрощённые протеосомы из 2-х колец, но существуют отдельные виды, у к-рых протеосомы не обнаружены вообще (определённые виды хламидий и микоплазм). Протеосомы из 4-х колец, т.н. протеосомы 20S, встречаются у А. и Э. Белки, к-рые расщепляются в протеосомах: белки, склонные к агрегации; для к-рых характерны высокая скорость обновления (участвующие в делении и др.); используемые как источник азота при его дефиците в окр. среде; субъединицы белковых комплексов с нарушенной конформацией. Протеолизу подвергаются только предварительно развёрнутые белки, т.е. белки линейной стр-ры.

Деградосомы – ферментный комплекс массой от 160 до 360 кДа. Остовом является т.н. центр активности – фермент экзорибонуклеаза. В состав Д. входят геликаза, эналаза и, вероятно, РНКаза III. С данным ферментным комплексом ассоциирован фермент полифосфаткиназа, к-рый катализирует реакции поставки для энергии для Д. Ф-ция: расщепление матричной РНК на поли- и мононуклеотиды (начинается с 3’-конца). Д. поддерживают в клетке относительно постоянный минимальны пул м-РНК (у прокариот она короткоживущая – до 20 мин, в отличие от эукариотической, к-рая существует до суток). Это необходимо для быстрого синтеза или сборки белковых молекул de novo в ответ на наступление неблагоприятных условий.

Рапидосомы появляются в процессе роста культуры. Имеет вид полого или неполого цилиндра, иногда – с небольшим отростком. Состоит из любой РНК, кроме матричной, и белков. Ф-ция (предположительная): выполняет роль якоря в расхождении дочерних хромосом при репликации. Одна из версий гласит, что Р. – это не лизированный клеткой чехлик мёртвого бактериофага.

Вакуоли являются производными ЦПМ, но всегда отделены от неё. Внутреннее содержимое В., как правило, гидрофильно. У П. встречаются очень редко. Примеры – нитратные В. морских бактерий родов Beggiatoa и Thioploca. Внутри них накапливаются нитрат-ионы, к-рые являются конечными акцепторами электронов. У нек-рых видов накапливается молекулярный кислород, выполняющий ту же ф-цию.

Магнитосомы – необязательные клеточные включения, окружённые ЦПМ. Имеют пулевидную, кубическую или гексагональную форму. Длина одной стороны 5-120 нм. Внутри содержаться ч-цы магнетита (Fe3O4) или грейтита (Fe3S4). Биогенез прост: инвагинация => отшнуровывается => наполняется полужидким магнетитом или грейтитом. В клетке содержится до 50 единиц. Ф-ция: ориентация клетки в магнитном поле Земли. Встречается преимущественно у обитателей иловых отложений. Данные стр-ры позволяют клетке находиться у дна водоёма, где больше пит. в-в. Косвенно её можно считать приспособлением для движения. В северном полушарии такие магниточувствительные бактерии плывут в направлении северного полюса Земли, в южном — в направлении южного. После смерти клетки содержимое магнитосомы становится источником биогенного железа. На долю магнетита может приходиться до 4% сухого вещества бактерий.

Анаммоксосомы встр. только у Б., способных к анаэробному окислению аммиака. Данные стр-ры являются производными ЦПМ, но в их состав входят особые липиды – модераны, или лестничные липиды, вследствие чего содержимое анаммоксосомы очень плотно упаковано – в рез-те более плотная оболочка вакуоли. Это необходимо для того, чтобы токсичные промежуточные продукты окисления аммиака не попадали в ЦП. В мембране анаммоксосомы активно работает АТФ-синтаза. Т.о. данная стр-ра является аналогом митохондрии эукариотной клетки, но только в ф-циональном плане.

Карбоксисомы, или полиэдральные тела, — структуры, имеющие форму многогранника с 4-6 сторонами и диаметром 90-500 нм — содержатся в клетках некоторых прокариот из групп фототрофных и хемолитотрофных эубактерий. Они заполнены гранулярным содержимым и окружены однослойной мембраной белковой природы толщиной примерно 3 нм. Карбоксисомы состоят из частиц рибулозодифосфаткарбоксилазы, фермента, катализирующего фиксацию СО2 на рибулозодифосфате в восстановительном пентозофосфатном цикле. До настоящего времени окончательно не выяснено, в какой форме находится фермент в карбоксисомах: в инертном или функционирующем состоянии. Имеются данные в пользу того, что в активно растущей культуре больше фермента находится в растворимой форме. При переходе в стационарную фазу увеличивается доля рибулозодифосфаткарбоксилазы в составе карбоксисом. Эти данные указывают на возможную роль карбоксисом как структур, обеспечивающих защиту фермента от воздействия внутриклеточными протеазами и, таким образом, его консервирование.

Аэросомы, или газовые вакуоли, найдены у представителей, относящихся к 15 таксономическим группам. Это сложно организованные структуры, напоминающие пчелиные соты. Состоят из множества регулярно расположенных газовых пузырьков, имеющих форму вытянутого цилиндра с заостренными концами (диаметр 65-115, длина 200-1200 нм). Каждый пузырек окружен однослойной белковой мембраной толщиной 2-3 нм, построенной из 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. Число газовых пузырьков, составляющих аэросому, у разных видов различно и зависит от внешних условий. Основная функция газовых вакуолей состоит в обеспечении плавучести водных организмов, которые с их помощью могут регулировать глубину, выбирая более благоприятные условия. При увеличении объема и числа газовых пузырьков плотность цитоплазмы уменьшается, и клетки перемещаются в верхние слои воды. Сжатие газовых пузырьков, наоборот, приводит к погружению клеток. За несколькими исключениями, газовые вакуоли присущи безжгутиковым видам. Их, вероятно, можно рассматривать как альтернативу жгутикам для движения в вертикальной плоскости.

К числу внутрицитоплазматических включений, выполняющих определенную функцию в фотосинтезе, относятся хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. В этих структурах локализованы пигменты, поглощающие кванты света и передающие их в реакционные центры, т. е. выполняющие роль антенны. Хлоросомы имеют форму продолговатых пузырьков длиной 90—150 и шириной 25—70 нм, окруженных однословной электронно-плотной мембраной толщиной 2—3 нм, построенной только из белка. Они располагаются в непосредственной близости от ЦПМ, плотно к ней примыкая. В хлоросомах локализованы бактериохлорофиллы с, d или е. Водорастворимые пигменты белковой природы (фикобилипротеины) цианобактерий содержатся в особых структурах — фикобилисомах, расположенных правильными рядами на внешних поверхностях фотосинтетических мембран и под электронным микроскопом имеющих вид гранул диаметром 28—55 нм.

Хроматофоры (от греч. chroma, род. падеж chromatos — цвет, краска и phoros — несущий) — мембранные внутриклеточные структуры в виде везикул; содержат бактерио-хлорофиллы, каротиноиды и ряд переносчиков электронов, а также ферменты, участвующие в синтезе пигментов; в них осуществляется фотосинтез. Образуются в результате разрастания и инвагинации цитоплазматической мембраны и, видимо, сохраняют часто с ней связь.

Тилакоиды — ограниченные мембраной компартменты внутри хлоропластов и цианобактерий. В тилакоидах происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Эти реакции идут при участии фотосинтетических пигментов, расположенных непосредственно на мембране в виде перемежающихся темных и светлых полос шириной около 1 нм. Просвет тилакоида — это компартмент, ограниченный тилакоидной мембраной. Он играет существенную роль в фотофосфорилировании в процессе фотосинтеза. Во время протекания светозависимых реакций протоны накачиваются через мембрану тилакоида в его люмен. pH просвета при этом может снижаться до 4. Тилакоиды хлоропластов часто имеют структуру, напоминающую стопку дисков. Эти стопки называют гранами (от латинского «Granum» стопка монет). Граны соединены межграновыми или строматическими тилакоидами в единое функциональное пространство.

Целлюлосома – поверхностаня стр-ра, присутствующая у целлюлозоразрушающих прокариот; образование сферической формы диаметром около 20 нм. Представляет собой совокупность полипетидных субъединиц и углеводных фибрилл. Полипептидный компонент представлен ферментами целлюлазами и целлобиазами. Ф-ции: 1) обеспечение адгезии клеток к растительному субстрату; 2) канализированное поступление компонентов гидролиза целлюлозы к поверхности клетки.

К внутриклеточным включениям микроргнаизмов принадлежат запасные вещества ( гликоген, гранулеза, волютин, белковые кристаллы, жиры, сера) и продукты метаболизма.

Запасные полифосфаты( волютин, метахроматиновые зерна, тельца Бабеша-Эрнста( полифосфатные гранулы)) – это запасные веществаа микроорганизмов, имеющие вид округлых телец, которые состоят из конденсированных неорганических фосфатов. Полифосфаты используются клеткой для биосинтеза фосфолипидов и нукклеиновых кислот, а при дефиците АТФ- фосфотильная группа переносится на АДФ. Полифосфатные гранулы- макроэнергетическое вещество, которое ассимилирует энергию. В клетках полифосфаты определябтся благодаря способности к метахромазии ( изменение цвета) при окраске этих структур красителями дают черно- фиолетовый цвет. Полифосфатные гранулы встречаются у многих микроорганизмов- азотобактерий, сенной палочке, в клетках молочнокислых бактерий и дрожжей, а также у некоторых патогенов- возбудителей дифтирии, сибирки. Причем, у бактерий гранулы расположены в цитоплазме, а в клеткаках дрожжей- в ваакуолях.

Запасные полисахариды- источник энергии, в клетках микроорганизмов могут накапливаться в виде зерен крахмала ( цианобактерии), гранульозы- крахмалоподобного вещества ( анаэробные спорообразующие палочки) или гликогена ( бациллы, дрожжи)

Жироподобные вещества- источники углевода и энергии, образуются в клетках в результате жирового перерождения цитоплазмы при старении культуры или при выращивании культуры в условиях излишка углевода и дефицита азота. Откладывваются в форме гранул, которые представляют собой капли поли-B- оксимасляной кислоты, окруженные белковой мембраной и встречабтся исключительно у прокариотных микроорганизмов. Могут откладываться в виде воска ( сложные эфиры жирных кислот и спиртов) это свойственно дрожжам, и актинобактериям.

Белковые кристаллы- структуры, которые формируются отдельными видами спорообразующих бактерий рода Bacillus, имеют кубическую или тетрагональную форму, в клетке находятся около споры, и поэтому получили название параспоральные тельца.

Морфоскелет – структуры, отвечающие за целостность клетки, а именно оболочки, и за форму клетки.

Эндосклет – система цитоплазматических микрофиламентов, представленных актиноподобными белками.

Экзоскелет – разнообразные ригидные структуры, расположенные вне ЦПМ. Могут сообщать свою жёсткую конфигурацию клетке.

Дивискелет – система микрофиламентов, обеспечивающих цитокинез. Благодаря этой структуре обосабливаются сестринские хромосомы.

Энзоскелет (от «энзим») – филаментозные структуры, образованные растворимыми цитозольными ферментами. Такие структуры формируют метаболические пути внутри клетки. 10. Типы движения у бактерий Подвижность бактерий может обеспечиваться различным образом. У большинства активно передвигающихся, плавающих бактерий движение обусловлено вращением жгутиков. Двигаться без жгутиков спо-

собны скользящие бактерии (к которым относятся миксобактерии, циа-нобактерии и некоторые другие группы) и спирохеты. Многие бактерии подвижны. Обычно такие формы имеют длинные жгутики, состоящие из сократительного белка. Благодаря волнообразным и спиральным движениям жгутиков клетка бактерии перемещается. Виды с одним жгутиком на полюсе клетки наз. монотрихами, клетки, имеющие пучок жгутиков на конце, - лофотрихами, бактерии, у которых жгутики расположены по всей поверхности тела, - перитрихами. У миксобактерий, которые также подвижны, жгутиков нет, и они передвигаются в результате набухания в окружающей среде слизи, выделяемой клетками (реактивный способ движения). Свободно передвигающиеся бактерии способны к таксисам-направленным движениям, определяемым внешними стимулами. В зависимости от факторов среды, вызывающих направленное движение, говорят о хемотаксисе, аэротаксисе, фототаксисе и магнитотаксисе.

Подвижные бактерии реагируют на химические раздражители-скапливаются в одних местах, а других мест избегают. Такая реакция свободно передвигающихся организмов называется хемотаксисом. Скопления бактерий образуются под действием химических факторов следующим образом. У форм с перитрихальными жгутиками возможны только два типа двигательного поведения: прямолинейное движение и кувыркание. Последнее прерывает прямолинейную пробежку и изменяет направление пути. Когда бактерия оказывается в среде с градиентом концентрации «привлекающего» ее субстрата (аттрактан-та), ее прямолинейное движение длится многие секунды, если она плывет по направлению к оптимальной его концентрации; однако такое движение через несколько секунд прекратится, если бактерия плывет в противоположном направлении. Хотя направление прямолинейного движения после кувыркания оказывается совершенно случайным, тем не менее зависимость длительности такого движения от его направления приводит в конечном результате к накоплению бактерий в области оптимальной концентрации субстрата. За чувствительность к химическому стимулу и за реагирование на него ответственны хеморецепторы. В ряде случаев эти хеморецепторы действуют независимо от способности бактерий утилизировать данный субстрат. Например, некоторые мутанты продолжают совершенно нормально реагировать на определенное питательное вещество, хотя и потеряли способность его использовать. Аэротаксис. У подвижных бактерий можно определить тип метаболизма (аэробный или анаэробный) по их аэротаксическим движениям и скоплению на определенных расстояниях от края покровного стекла. В слое бактерий, помещенных между предметным и покровным стеклами, аэрофильные бактерии скапливаются у края покровного стекла или в непосредственной близости от оказавшихся в препарате пузырьков воздуха; это указывает на их потребность в аэробных условиях и на то, что необходимую энергию они получают за счет дыхания (рис. 2.40). Строго анаэробные бактерии будут скапливаться в центре. Микроаэрофильные бактерии, например некоторые псевдомонады и спириллы, будут держаться на определенном расстоянии от края. С помощью бактерий, проявляющих положительный аэротаксис, Энгельману удалось продемонстрировать выделение кислорода локально освещаемыми хлоропластами зеленой водоросли Spirogyra. Фототаксис. Фототрофным пурпурным бактериям для получения энергии необходим свет. Не удивительно поэтому, что в результате фототаксиса они скапливаются в освещенном месте. Если выдержать в темноте препарат, в котором плотная суспензия клеток Chromatium будет равномерно распределена под покровным стеклом, а затем направить на него сфокусированный пучок света, то бактерии сосредоточатся в области светового пятна. Клетки, попавшие в это пятно случайно в результате своего беспорядочного движения, уже не могут его покинуть. Как только они попадут в темную зону, направление движения жгутиков мгновенно меняется на обратное и клетки возвращаются в освещенное место. Изменение работы жгутиков происходит так быстро, что эта реакция получила название «реакция испуга» (фоботаксис). Впрочем, для того чтобы вызвать такой ответ, достаточно даже небольшого различия в освещенности двух участков. Мелкие клетки Chromatium скапливаются уже в таком месте, где освещенность всего на 0,7% выше, чем в окружающей области. Таким образом, по своей чувствительности к световому контрасту они приближаются к сетчатке человеческого глаза (для которой соответствующий порог равен 0,4%).

Магиитотаксис. Из поверхностных слоев донного ила пресноводных водоемов, а также морей были выделены бактерии (палочки, спириллы, кокки), способные ориентироваться в магнитном поле и перемещаться в направлении линий магнитного поля. Они содержат много железа (0,4% сухого вещества) в форме ферромагнитной окиси железа (магнетита), которая находится в гранулах (магнитосомах), расположенных около мест прикрепления жгутиков. Бактерии, выделенные в северном полушарии, «ищут» север; здесь линии магнитного поля проходят под углом около 70° к горизонту вниз, в глубь водоема. Магни-тотаксическоё поведение направляет бактерии в глубину ила, где очень мало или вовсе нет кислорода. Так как магнитотаксические бактерии-анаэробы или ми-кроаэрофилы, их реакция на магнитное поле понятна с точки зрения экологии. Такие клетки, завезенные в южное полушарие, в массе своей, конечно, погибнут; выживут лишь немногие «неправильно» поляризованные клетки, которые могут затем размножиться. Полярность, очевидно, генетически не зафиксирована. 11. Строение, функции, механизм движения поверхностных и периплазматических жгутков.

На клеточной поверхности многих прокариот имеются структуры, определяющие способность клетки к движению в жидкой среде. Это — жгутики. В зависимости от числа жгутиков и их локализации на поверхности клетки различают монополярные монотрихи (один жгутик прикреплен к одному полюсу клетки; см. рис. 3, 8), монополярные политрихи (пучок жгутиков расположен на одном полюсе клетки), биполярные политрихи (на каждом полюсе — по пучку жгутиков) и перитрихи (многочисленные жгутики расположены по всей поверхности клетки или вдоль ее боковой поверхности). В последнем случае число жгутиков может достигать 1000 на клетку.

Основную массу жгутика составляет длинная спиральная нить (фибрилла), у поверхности клеточной стенки переходящая в утолщенную изогнутую структуру—крюк. Нить с помощью крюка прикреплена к базальному телу, вмонтированному в ЦПМ и клеточную стенку. У большинства прокариот нить состоит только из одного типа белка — флагеллина. Белковые субъединицы уложены в виде спирали, внутри которой проходит полый канал. Наращивание жгутика происходит с дистального конца, куда субъединицы поступают по внутреннему каналу. У некоторых видов жгутик снаружи дополнительно покрыт чехлом особого химического строения или же являющимся продолжением клеточной стенки и, вероятно, построенным из того же материала. Крюк (толщина 20—45 нм) состоит из белка, отличающегося от флагеллина, и служит для обеспечения гибкого соединения нити с базальным телом. Базальное тело содержит 9—12 различных белков и представляет собой систему из двух или четырех колец, нанизанных на стержень, являющийся продолжением крюка. Два внутренних кольца (M и S) — обязательные составные части базального тела, в то время как наружные кольца (Р и L) отсутствуют у грамположительных эубактерий и, следовательно, не необходимы для движения. M-кольцо локализовано в ЦПМ, S-кольцо располагается в периплазматическом пространстве грамотрицательных или в пептидогликановом мешке грамположительных эубактерий.

Кольца Р и L, имеющиеся только у грамотрицательных эубактерий, локализованы соответственно в пептидогликановом слое и в наружной мембране. Особенности строения базального тела определяются, таким образом, строением клеточной стенки. Интактность последней необходима для движения жгутиковых бактерий. Обработка клеток лизоцимом, приводящая к удалению пептидогликанового слоя клеточной стенки, вызывает и потерю способности бактерий к движению, хотя жгутики остаются при этом неповрежденными.

Предполагают, что вращение жгутика определяется вращением M-кольца. Другие кольца базального тела неподвижны и служат для крепления стержня, проходящего через клеточную стенку грамотрицательных эубактерий. У грамположительных эубактерий эту функцию в основном выполняет многослойный жесткий пептидогликановый мешок.

Большие успехи достигнуты в расшифровке механизма движения прокариот, имеющих жгутики. Если в клетке много жгутиков. все они при движении собираются в пучок, вращаясь в одном направлении. Вращение жгутиков передается клетке, начинающей вращаться в противоположном направлении, и обеспечивает эффективное движение (плавание) в жидкой среде и более медленное перемещение по поверхности твердых сред.

Установлено, что движение жгутиковых прокариот обеспечивается энергией трансмембранного электрохимического потенциала (протондвижущей силой) (DmH+), причем обе его составляющие — электрическая (Dy) и концентрационная (DpH) — поддерживают движение. Скорость вращения жгутиков прямо зависит от величины мембранного потенциала. Таким образом, прокариотная клетка обладает механизмом, позволяющим превращать электрохимическую форму энергии непосредственно в механическую. Энергия, расходуемая на движение, составляет десятые доли процента от общего количества энергетических потребностей клетки.

Необычная локализация структур, ответственных за движение, описана у спирохет. Трехслойная структура, окружающая клетку и называемая у спирохет наружным чехлом, аналогична наружной мембране клеточной стенки грамотрицательных эубактерий. Этот чехол окружает так называемый протоплазматический цилиндр, состоящий из пептидогликанового слоя клеточной стенки, ЦПМ и цитоплазматического содержимого. Протоплазматический цилиндр обвивается пучком нитчатых структур — аксиальных фибрилл. Число их колеблется от 2 до 100. Один конец каждой аксиальной фибриллы прикреплен вблизи полюса протоплазматического цилиндра, другой— свободный. Клетка содержит по два набора фибрилл, прикрепленных субполярно у каждого клеточного конца. Так как каждая аксиальная фибрилла тянется почти вдоль всей длины клетки, пучки фибрилл, прикрепленных у разных полюсов, в центральной части перекрываются.

Изучение строения и химического состава аксиальных фибрилл спирохет обнаружило их близкое сходство с бактериальными жгутиками. Отличие заключается в том, что аксиальные фибриллы спирохет — внутриклеточные структуры, но обеспечивают движение как в жидкой среде, так и по твердому субстрату. Движение спирохет осуществляется за счет вращения фибрилл в периплазматическом пространстве между пептидогликановым слоем и наружной мембраной клеточной стенки, вызывающего эластичную волну на поверхности клеточной стенки. Спирохеты совершают движения трех типов: быстро вращаются вокруг длинной оси спирали, способны к изгибанию клеток и осуществляют передвижение по винтовому или волнообразному пути. Присущая спирохетам локализация двигательного аппарата интересна тем, что позволяет сделать вывод о возможности его работы в условиях нахождения в "закрытом" клеточными структурами состоянии. Это может служить ключом к пониманию еще одного вида движения, присущего части прокариот, — скольжения. Последнее определяют как способность организма передвигаться по твердому или полужидкому субстрату без помощи наружных локомоторных структур — жгутиков.