10. Особенности морфоструктуры прокариот.

Ответ. Клетка прокариот, несмотря на относительно малые размеры, имеет все основные структурные компоненты, необходимые для осуществления обмена веществ. Среди структур бактериальной клетки различают: основные структуры – клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с различными включениями и нуклеоид; временные структуры, которые клетка несет лишь на определенных этапах жизненного цикла, - капсулу, жгутики, фимбрии, у некоторых представителей бактерий – эндоспоры. Клеточная стенка является обязательным структурным элементом бактериальной клетки, исключение составляют микоплазмы и L-формы бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ. Толщина данной структуры составляет 10-80 нм. Клеточная стенка выполняет следующие функции: механическая защита от факторов окружающей среды; поддержание формы бактериальной клетки; дает возможность клетке существовать в гипотонических условиях; осуществляет транспорт веществ и ионов (характерно грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану и цитоплазматическую мембрану); препятствует проникновению в клетку токсических веществ (характерно для грамотрицательных бактерий); на клеточной стенке находятся рецепторы, на которых адсорбируются бактериофаги и бактериоцины; в клеточной стенке находятся антигены (липолисахариды у грамотрицательных бактерий и тейховые кислоты у грамположительных бактерий); на клеточной стенке находятся рецепторы, ответственные за взаимодействие клеток донора и реципиента при конъюгации бактерий. По химическому составу клеточная стенка прокариот коренным образом отличается от оболочки клеток эукариот. Основным компонентом клеточной стенки бактерий является муреин, относящийся к классу пептидогликанов. Муреин – гетерополимер, образованный чередующимися остатками N-ацетил-N-глюкозамин и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенными β-1,4-гликозидными связями. N-ацетилмурамовая кислота соединена с пептидом, в состав которого входят 4-6 различных аминокислот. Основу пептидного компонента муреина составляют тетрапептиды, образованные обычно L-аланином, D-глутаминовой кислотой, специфической для прокариот мезодиаминопимелиновой кислотой. Благодаря пептидным связям гетерополимерные цепи связаны между собой и образуют мешкообразную гигантскую молекулу – муреиновый мешок, который выполняет функцию опорного каркаса клеточной стенки. Эти структурные элементы клеточной стенки составляют ахиллесову пяту бактерий, используемую врачами в борьбе с инфекцией. Для борьбы с инфекцией бактериальной этиологии применяют лекарственные препараты, специфически воздействующие на клеточные стенки бактерий или процесс их синтеза, но не на клетки растений, животных и человека. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные. В 1884 г. датский ученый Х. Грам предложил метод окраски бактерий, вошедший в практику микробиологии как один из диагностических признаков. Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба этого комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протопласте, но его удерживание клеткой или вымывание из нее при последующей обработке спиртом определяется особенностями строения клеточной стенки. Клеточные стенки этих групп эубактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре. Клеточная стенка грамположительных бактерий достаточно массивна, толщина ее достигает 20-80 нм. Муреин в клеточной стенке здесь составляет от 50 до 90% сухой массы. С муреином связаны тейхоевые кислоты – полимеры, образованные остатками спирта рибита или глицирина, связанные фософодиэфирными мостиками. существует мнение, что тейхоевые кислоты влияют на катионный обмен в клетках. Помимо вышеназванных компонентов, в составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольшом количестве обнаружены полисахариды, белки и липиды. Кроме того, у этого вида бактерий нет внешней или наружной мембраны. К грамположительным бактериям относятся: Bacillus subtilis, Staphyloccocus aureus и др. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, толщина ее составляет от 14 до 17 нм. По химическому составу она более разнообразна. Внутренний слой представлен пептидогликаном муреином, на долю которого приходится от 1 до 10% сухой массы. Внешний слой клеточной стенки – наружная мембрана имеет типичную организацию, характерную для элементарных мембран. Основную ее фракцию составляют липиды (22% сухой массы). Наружная мембрана выполняет не только механические, но и важные физиологические функции. В ней находятся трансмембранные белки, которые насквозь пронизывают мембрану. Они представляют собой заполненные водой каналы или гидрофильные поры в липофильной мембране, их называют поринами и через них происходит транспорт низкомолекулярных гидрофильных веществ. Одной из отличительных особенностей грамотрицательных бактерий является отсутствие в их клеточной стенке тейхоевых кислот. Компоненты клеточной стенки у грамотрицательных бактерий разделены электронно-прозрачным промежутком, получившим название периплазматического пространства. К грамотрицательным бактериям относится: Escherichia coli и др. Структурную организацию клеточной стенки грамотрицательных бактерий следует рассматривать как более высокую ступень эволюционного развития прокариот. Наличие дополнительной наружной мембраны у них приводит к тому, что грамотрицательные бактерии оказываются более устойчивыми к действию различных химических веществ, ферментов, антибиотиков. Обнаружены прокариоты, клеточная стенка которых по структуре и хим. составу резко отличается от описанных выше типов. Они принадлежат к группе архебактерий. Клеточные стенки метанобразующих бактерий могут состоять из пептидогликана особого химического строения или из кислого гетерополисахарида, а у некоторых экстремально галофильных, метанобразующих и ацидотермофильных архебактерий — только из белка. Архебактерии с белковой стенкой не окрашиваются по Граму, а остальные типы архебактерий дают грамположительную реакцию. Действие некоторых антибиотиков (группы пенициллина циклосерина), подавляющих синтез клеточной стенки бактерий, а также литических ферментов, разрушающих муреин, приводит к образованию протопластов и сферопластов. Протопластами называются клетки округлой формы, полностью лишенные остатков клеточной стенки и окруженные только ЦПМ. Их образование чаще характерно для грамположительных бактерий. У сферопластов имеются остатки клеточной стенки и они характерны для грамотрицательных бактерий. Протопласты и сферопласты сохраняют обмен веществ, способность к росту, а иногда и к делению. При снятии действующего фактора они превращаются (реверсируют) в нормальные клетки, либо трансформируются в так называемые L-формы, либо погибают. L-формами называют бактерии, частично или полностью лишенные клеточной стенки, но сохранившие способность к развитию. Клетки L-форм имеют хорошо развитую систему внутриципоплазматических мембран, т.е. у них имеются мезосомы и часто содержат крупные вакуоли. Среди L-форм бактерий различают стабильные, которые почти никогда не реверсируют в исходный вид, и нестабильные, восстанавливающие клеточную стенку после прекращения действия трансформирующего агента. Образование L-форм патогенных бактерий в организме больного человека можно рассматривать как одну из причин хронических рецидивирующих заболеваний. При неправильном приеме антибиотиков, способствующих образованию L-форм бактерий, может наступить улучшение состояния больного. Однако после прекращения приема лечебного препарата наступает реверсия L-форм в бактерии исходного вида с восстановлением их вирулентности, что приводит к рецидиву болезни. ЦПМ составляет 8-15% сухой массы клетки. Химический состав представлен белково-липидным комплексом, в котором на долю белков приходится 50-75%, на долю липидов – 15-50%. Углеводы в основном входят в состав гликолипидов и гликопротеидов. Белковый состав ЦПМ бактерий весьма разнообразен и по своему аминокислотному составу не отличаются от других белков бактериальной клетки. По расположению и характеру связи с липидным бислоем белки ЦПМ подразделяются на поверхностные, периферические и интегральные. ЦПМ выполняет ряд существенных для клетки функций: поддержание гомеостаза клетки за счет ее полупроницаемости. Транспорт ионов из клетки и в нее осуществляется за счет специализированных транспортных систем, локализованных в мембране. Такие транспортные механизмы функционируют за счет механизмов активного транспорта и системы субстрат-специфических ферментов пермеаз. В ЦПМ находятся элементы ЭТЦ и ферменты окислительного фосфорилирования; ЦПМ связана с синтезом клеточной стенки и капсулы за счет наличия в ней специфических переносчиков; в ЦПМ закреплены жгутики, энергетическое обеспечение их также связано с ЦПМ. ЦПМ при росте клеток может образовывать впячивания (инвагинации) различной формы. Локальные инвагинации ЦПМ, описанные у разных групп бактерий, получили название мезосом. Мезосомы бактерий весьма разнообразны по форме, размерам и локализации в клетке. Выделяют три основных типа мезосом: везикулярные (имеющие форму пузырьков), ламеллярные (пластинчатые) и тубулярные (трубчатые). Часто в клетке бактерий формируются мезосомы смешанного типа, состоящие из пластинок, трубочек и пузырьков. У большинства грамположительных бактерий имеются сложноустроенные мезосомные структуры, а у грамотрицательных – относительно простоорганизованные. Функции мезосом далеко не выяснены. Предполагается, что мезосомы: служат для усиления функциональной активности ЦПМ, так в мембранах образующих мезосомы находятся ферменты, участвующие в энергетическом метаболизме растений; мезосомы играют роль в репликации ДНК и последующем расхождении ее копий по дочерним клеткам; мезосомы участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при клеточном делении. В клетке фотосинтезирующих бактерий имеются внутрицитоплазматические мембранные образования, носящие название хроматофоров. В них локализованы фотосинтетические пигменты — бактериохлорофиллы, каратиноиды, ферменты транспорта электронов – убихиноны и цитохромы, а также компоненты системы фосфорилирования. Формирование внутрицитоплазматических мембранных систем в бактериальной клетке следует рассматривать как увеличение рабочей поверхности ЦПМ, обеспечивающее усиление разнообразных клеточных функций. Цитозоль – гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая растворимые компоненты РНК, ферментные белки, субстраты и продукты метаболических реакций. Вторая фракция цитоплазмы представлена структурными элементами: рибосомами, внутрицитоплазматическими включениями и нуклеоидом. Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они образованы двумя субъединицами: 30S и 50S. По величине и некоторым другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами митохондрий и хлоропластов. Бактериальная клетка содержит от 5 до 50 тыс. рибосом, число их тем больше, чем больше скорость роста клетки. Различия между рибосомами бактерий (70S) и эукариот (80S) имеют решающее значение для борьбы с инфекционными заболеваниями, так как некоторые антибиотики частично или полностью подавляют синтез белка, протекающий на рибосомах 70S типа, но не затрагивают функционирования рибосом 80S типа. Циполазматические включения бактериальной клетки принято подразделять на включения, окруженные белковой мембраной, и включения лишенные белковой мембраны. К первой группе относятся: аэросомы водных бактерий, хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. Аэросома – скопление газовых пузырьков (везикул). Аэросомы снижают удельную массу бактериальной клетки и благодаря этому поддерживают ее во взвешенном состоянии в водоеме. Хлоросомы м фикобилисомы – эллипсовидные образования, окруженные тонкой белковой оболочкой, содержащие бактериохлорофиллы или фикобилипротеиды соответственно. Карбоксисомы или полиэдрические тела. Имеют форму многогранника диаметром 90-100 нм, окруженного однослойной белковой мембраной. В них содержится фермент рибулозо-1,5 дифосфаткарбоксилаза – ключевой фермент, участвующий в фиксации СО2 в процессе хемо- и фотосинтеза. Магнитосомы содержат водные бактерии, способные ориентироваться и перемещаться в магнитном поле. Они содержат 0,4% железа (по сухому веществу). Они располагаются вблизи мест прикрепления жгутиков. К внутрицитоплазматическим включениям относятся и запасные вещества – полифосфаты, полисахариды, гликоген, крахмалоподобное вещество (гранулеза), поли-β-оксимаслянная кислота и отложения серы. Основным энергетическим запасом бактериальной клетки является валютин (впервые обнаружен у Spirillum volutans), представленный полифосфатами. Гранулы валютина оптически плотные, по размерам составляют 0,1-0,5 мкм. Цианофитиновые гранулы служат резервом азота, который используется цианобактериями при недостатке его в среде. Характер запасных веществ определяется видом микроорганизма и условиями культуры. Генетический материал прокариот представлен молекулой (молекулами) ДНК, уложенными в компактную структуру и локализованными в ограниченных участках цитоплазмы, не имеющей в отличие от эукариот, собственной ядерной мембраны. Учитывая эти особенности, генетический аппарат прокариот принято называть нуклеоидом. Полностью «уложенный» нуклеоид представляет собой достаточно компактное образование. Стабилизирующую роль в такой организации играют специфические белки, способствующие упаковке ДНК. Они сходны по аминокислотному составу с др. свойствам с гистоновыми белками эукариот. Наибольшее значение в «упаковке» ДНК играет белок HU. Связываясь с ДНК, он меняет конформацию ее витков. Важную роль как для сохранения целостности структуры, так и для функционирования генома бактерий играет прикрепление нуклеоида к ЦПМ. Помимо хромосом, в клетках многих бактерий обнаружены внехромосомные генетические элементы, получившие название плазмид. Последние представлены небольшими ковалентно-замкнутыми кольцевыми молекулами ДНК, содержащими 1 500-40 000 пар нуклеотидов, способными реплицироваться автономно от хромосомной ДНК. К настоящему времени описано большое разнообразие плазмид, обнаруженных у более чем ста видов бактерий, относящихся к 40 родам. Это плазмиды, контролирующие половой процесс у бактерий (F-фактор), множественную устойчивость к лекарственным препаратам (R-фактор), синтез бактериоцинов – веществ белковой природы, способных вызвать гибель близкородственных видов бактерий (Col-фактор) и др. Очевидно, плазмиды играют важную роль в эволюционном процессе прокариот, так как они нередко придают бактериальной клетке дополнительные свойства, способствующие ее выживанию.