Тема 3. «Структура еукаріотичної клітини. Біологічні особливості протистів».

Домен Ядерні або Еукаріоти (Евкаріоти) (Eukaryota Whittaker&Margulis, 1978) — домен одно- та багатоклітинних організмів, що характеризуються переважно полігеномними клітинами, морфологічно сформованим ядром та наявністю мембранних субклітинних органел. Геноми еукаріотичної клітини представлені: а) ядерним геномом, зосередженим у ядрі і представленим ядерною ДНК; б) У більшості клітин мітохондріальним геномом, зосередженим у мітохондрії і представленим мітохондріальною ДНК; в) У деяких клітин пластидним (зокрема хлоропластним) геномом, що розташовується у пластиді, і представлений хлоропластною ДНК (генофором); г) геномом нуклеоморфу, який виявлений лише у кількох відділах водоростей у надзвичайно цікавій ядроподібній структурі, розташованій між оболонкою пластиди та особливою клітинною системою — хлоропластним ендоплазматичним ретикулумом. В нуклеоморфі виявлена власна, нуклеоморфна ДНК. Двогеномні клітини, в яких представлено ядерний та мітохондріальний геноми, характерні для грибів татварин; тригеномні — з ядерним, мітохондріальним та пластидним геномами — для майже всіх рослин; чотиригеномні — з ядерним, мітохондріальним, пластидним та нуклеоморфними геномами, виявлені у хлорарахніофітових та криптофітових водоростей, а також у деяких видів з відділу Dinophyta.

Клітини прокаріотів (бактерій та архей) та еукаріот нафенотипічному рівні схожі за наявністю ДНК та білок-синтезуючого апарату, представленого рибосомами; наявністю клітинних мембран; ферментних комплексів, що забезпечують процесиреплікації, транскрипції, трансляції та синтезу АТФ. До складу клітин прокаріотів та еукаріот входять білки, жири, вуглеводи,нуклеїнові кислоти, мінеральні речовини та вода.

Відміни у будові клітин прокаріотів та еукаріот пов'язані, в першу чергу, з тим, що майже вся ДНК прокаріотів складається з однієї хромосоми, і у випадку бактерій не пов'язана з білками-гістонами(хоча навіть бактерії мають гістоноподібні білки). Еукаріоти, на відміну від прокаріотів, зазвичай не містять генів, організованих у великі оперони, процес цитокінезу (поділу ДНК) проходить за участю веретена поділу. Рибосоми у еукаріот більші, ніж рибосоми прокаріотів (умовна вага прокаріотичних рибосом становить 70S, тоді як еукаріотичних — 80S). Багато клітин еукаріот здатні до фаго- та піноцитозу, мають морфологічно оформлене ядро, часто також мітохондрії, пластиди,ендоплазматичний ретикулум, комплекс Гольджі, лізосоми,пероксисоми, мають іншу структуру джгутиків і джгутикових моторів, мають клітинний центр з центріолями. Для багатьох клітин еукаріот характерні мітоз, мейоз, повноцінний статевий процес, проте набагато нижча ймовірність горизонтального переносу генів. Зазвичай еукаріотичні клітини більші за розмірами, ніж прокаріотичні — їх середній діаметр становить біля 5-20 мікрон, тоді як у бактерії та архей — 0,5-2 мікрона.

Тема 4. «Структура прокаріотичної клітини».

Донедавна більшість дослідників традиційно вважали, що клітини прокаріот досить одноманітні й у переважній більшості мають форму сфери, циліндра або спирали. Вони бувають одиночними, в інших випадках утворюють нитки або колонії. Прокаріоти сферичної форми, називані коками, можуть після поділу не розходитися. Якщо розподіл відбувається в одній площині, утворюються пари клітин (диплококи) або ланцюжка (стрептококи). У тому випадку, коли розподіл відбувається відносно рівномірно в три взаємно перпендикулярних напрямках і клітини після поділу залишаються з'єднаними один з одним, виникають пакети правильної форми (сарцини) або колонії сферичної форми. Якщо ж розподіл відбувається в декількох площинах нерівномірно, утворюються клітинні скупчення неправильної форми. Прокаріоти, що мають форму циліндра (паличкоподібні), сильно різняться по величині відношення довжини клітини до її поперечника. Прокаріоти спіралевидної форми характеризуються різним числом витків: у спірил — від одного до декількох витків, вібріони виглядають на зразок вигнутих паличок, так що їх можна розглядати як неповний виток спіралі.

За останній час серед прокаріот виявлені організми, що відрізняються від описаних вище основних форм. Деякі бактерії мають вигляд кільця, замкненого або розімкнутого залежно від сталі й росту. У прокаріот, в основному, що розмножуються брунькуванням, описаний утворення клітинних виростів (простек), число яких може коливатися від 1 до 8 і більш. Із природних субстратів виділені бактерії червоподібної форми, що й нагадують шестикутну зірку. Для деяких видів характерно слабке або досить добре виражене розгалуження. Описані прокаріоти, що володіють морфологічною мінливістю, залежно від умов, що мають вид паличок, коків або, що виявляють слабке розгалуження.

Форма багатоклітинних прокаріот також різноманітна: це скупчення різної конфігурації, частіше — нитки. Своєрідність бактеріальним клітинам надають джгутики, що мають різне розташування на клітинній поверхні, а також виділення позаклітинних речовин різної хімічної природи.

Клітина прокаріот має рядом принципових особливостей, що стосуються як її ультраструктурної, так і хімічної організації. Структури, розташовані зовні від ЦПМ (клітинна стінка, капсула, слизовий чохол, джгутики, ворсинки), називають звичайно поверхневими структурами. Терміном «клітинна оболонка» часто позначають усі шари, що розташовуються із зовнішньої сторони від ЦПМ (клітинна стінка, капсула, слизовий чохол). ЦПМ разом із цитоплазмою називається протопластом. Розглянемо спочатку будову, хімічний склад і функції поверхневих клітинних структур.

Клітинна стінка

Клітинна стінка — важливий і обов'язковий структурний елемент переважної більшості прокаріотних клітин, що розташовується під капсулою або слизовим чохлом або ж безпосередньо контактуючий з навколишнім середовищем (у клітин, що не містять цих шарів клітинної оболонки). На частку клітинної стінки доводиться від 5 до 50 % сухих речовин клітини. Клітинна стінка служить механічним бар'єром між протопластом і зовнішнім середовищем і надає клітинам певну, властиву їм форму. Концентрація солей у клітині, як правило, набагато вище, чим у навколишньому середовищі, і тому між ними існує велика відмінність в осмотичному тиску. Клітинна стінка чисто механічно захищає клітину від проникнення в неї надлишку води.

По будові й хімічному складу клітинна стінка прокаріот різко відрізняється від такий еукаріотних організмів. До її складу входять специфічні полімерні комплекси, які не містили в інших клітинних структурах. Хімічний склад і будова клітинної стінки постійні для певного виду і є важливою діагностичною ознакою. Залежно від будови клітинної стінки прокаріоти, що відносяться до еубактсрій, діляться на дві більші групи. Було виявлено, що якщо фіксовані клітини еубактерій обробити спочатку кристалічним фіолетовим, а потім йодом, утворюється пофарбований комплекс. При наступній обробці спиртом залежно від будови клітинної стінки доля комплексу різна: у так званих грампозитивних видів цей комплекс утримується клітиною, і останні залишаються пофарбованими, у грамнегативних видів, навпаки, пофарбований комплекс вимивається із клітин, і вони знебарвлюються. У деяких еубактерій позитивна реакція при фарбуванні описаним вище способом властива тільки клітинам, що перебувають у стадії активного росту. З'ясовано, що пофарбований комплекс утворюється на протопласті, але його втримання клітиною або вимивання з неї при наступній обробці спиртом визначаються особливостями будови клітинної стінки.

Клітинні стінки грампозитивних і грамнегативних еубактерій різко різняться як по хімічному складу, так і по ультраструктурі.

До складу клітинної стінки еубактерій входять сім різних груп хімічних речовин, при цьому пептидоглікан є присутнім тільки в клітинній стінці. У грампозитивних еубактерій він становить основну масу речовини клітинної стінки (від 40 до 90 %), у грамнегативних — вміст пептидоглікана значно менше (1 —10 %). Клітинна стінка ціанобактерій, подібна з такою грамнегативних еубактерій, містить від 20 до 50 % цього гетерополімеру.

Під електронним мікроскопом клітинна стінка грампозитивних еубактерій виглядає як гомогенний електронно-щільний шар, товщина якого коливається для різних видів від 20 до 80 ім. У грамнегативних еубактерій виявлена багатошарова клітинна стінка. Внутрішній електронно-щільний шар товщиною порядка 2—3 нм складається із пептидоглікану. Зовні до нього прилягає, як правило, хвилястий шар (8—10 нм), що має характерну будову: дві електронно-щільні смуги, розділені електронно-прозорим проміжком. Такий вид характерний для елементарних мембран. Тому триконтурний зовнішній компонент клітинної стінки грамнегативних еубактерій одержав назву зовнішньої мембрани.

Клітинна стінка грампозитивних еубактерій щільно прилягає до ЦПМ на відміну від клітинної стінки грамнегативних видів, компоненти якої (пептидоглікановий шар і зовнішня мембрана) розділені електронно-прозорим проміжком і чітко відділені аналогічним образом від ЦПМ. Простір між цитоплазматичною й зовнішньою мембранами одержав назву периплазматичного. Воно, як можна бачити з будови клітинних стінок обох груп еубактерій, характерно тільки для грамнегативних форм.

Клітинна стінка грампозитивних еубактерій. Основну масу клітинної стінки грампозитивних еубактерій становить специфічний гетерополімер — пептидоглікан. Полісахаридний каркас молекули побудований із залишків, що чергуються, N-ацетилглюкозаміна й N-ацетилмурамовою кислоти, з'єднаних між собою за допомогою β-1, 4-глікозидних зв'язків. До N-ацетилмурамової кислоти приєднаний короткий пептидний хвіст, що складається з невеликого числа (звичайно 4—5) амінокислот. У грампозитивних еубактерій виявлене більш 100 різних хімічних типів пептидоглікана. Більшість відмінностей відноситься до пептидної частини його молекули.

Дві особливості пептидного хвоста заслуговують на увагу: наявність амінокислот у D-формі (неприродна конфігурація) і високий вміст амінокислот із двома аміногрупами. Це має принципове значення для просторової організації пептидоглікана. Обидві аміногрупи цих амінокислот можуть брати участь в утворі пептидних зв'язків, причому другі аміногрупи — у формуванні додаткових пептидних зв'язків між гетерополімерними ланцюжками. У більшості випадків в утворі пептидного зв'язку бере участь карбоксильна група L-аланіну одного тетрапептида й вільна аміногрупа діамінопімелінової кислоти іншого. Іноді зв'язок між тетрапептидам і різних гліканових ланцюгів здійснюється за допомогою інших амінокислот. Неважко собі уявити, що цим способом можна «зшити» між собою безліч гетерополимерних ланцюгів. Частота «зшивок» різна, оскільки не всі пептидні хвости беруть участь у формуванні міжланцюгових зв'язків. Деякі утворюють ковалентні зв'язки з іншими хімічними молекулами, що входять до складу клітинної стінки, і, нарешті, частина тетрапептидних хвостів перебуває у вільному стані.

Пептидоглікан протопласт, що оточує, грампозитивних еубактерій, — це по суті одна гігантська молекула, «зшита» за допомогою глікозидних і пептидних зв'язків. Саме останні забезпечують їй тривимірну просторову організацію.

Крім пептидоглікана до складу клітинних стінок грампозитивних еубактерій входить інший унікальний клас хімічних сполук — тейхоєві кислоти - полімери, що представляють собою побудовані на основі рибита (п’ятитомного спирту) або гліцерину (трьохатомного спирту), залишки яких з'єднані між собою фосфодиефірними зв'язками. Деякі вільні гідроксильні групи в молекулах спиртів можуть бути заміщені залишками -аланіна, глюкози, N-Ацетилглюкозаміну й деяких інших цукрів. Тейхоєві кислоти ковалентно можуть з'єднуватися з N-Ацетилмурамовою кислотою. Оскільки це довгі лінійні молекули, вони можуть пронизувати весь пептидоглікановий шар, досягаючи зовнішньої поверхні клітинної стінки. У цьому випадку, імовірно, вони є основними антигенами грампозитивних еубактерій. вільні гідроксили, що залишаються; фосфорні кислоти надають тейхоєвій кислоті властивості поліаніона. Як поліаніони тейхоєві кислоти визначають поверхневий заряд клітини. Цукрові компоненти тейхоєвих кислот входять до складу рецепторів для деяких бактеріофагів і визначають можливість адсорбції фага на клітинній поверхні.

У складі клітинної стінки грампозитивних еубактерій у невеликих кількостях також знайдені полісахариди, білки й ліпіди. Для полісахаридів і ліпідів показана можливість двовалентного зв'язування з макромолекулами клітинної стінки на відміну від білків, які (у тих видів, де є) формують на її зовнішній поверхні окремий шар.

Таким чином, основними компонентами клітинної стінки грампозитивних еубактерій є три типи макромолекул: пептидоглікани, тейхоєві кислоти й полісахариди, які за допомогою ковалентних зв'язків утворюють складну структуру з досить упорядкованою просторовою організацією.

Клітинна стінка бацил, наприклад Bacillus subtilis, приблизно відповідає товщині 40 молекул пептидоглікана. У цілому клітинну стінку грампозитивних еубактерій можна представити у вигляді губчатої структури з порами діаметром приблизно 1—6 нм. Можливість проходження молекул через таку клітинну стінку визначається її зарядом і розміром пор.

Клітинна стінка грамнегативних еубактерій. У фагів еубактерій будова клітинної стінки набагато складніше, чим у грампозитивних. До її складу входить набагато більше число макромолекул різного хімічного типу. Пептидоглікан утворює тільки внутрішній шар клітинної стінки, нещільно прилягаючи до ЦПМ. Для різних видів грамнегативних еубактерій вміст цього гетерополімера коливається в широких межах. У більшості видів він утворює одно- або двошарову структуру, що характеризується досить рідкими поперечними зв'язками між гетерополімерними ланцюгами.

Хімічна структура пептидоглікана грамнегативних еубактерій в основному подібна зі структурою типового пептидоглікана грампозитивних еубактерій. Зовні від пептидоглікана розташовується додатковий шар клітинної стінки — зовнішня мембрана.

Вона складається з фосфоліпідів, типових для елементарних мембран, білків, ліпопротеїну й ліпополісахариду. Специфічним компонентом зовнішньої мембрани є ліпополісахарид складної молекулярної будови, що займає близько 30—40% її поверхні й локалізований у зовнішньому шарі.

Білки зовнішньої мембрани можна розділити на основні й мінорні. Основні білки представлені невеликим числом різних видів, але становлять майже 80 % усіх білків зовнішньої мембрани. Одна з функцій цих білків — формування в мембрані гідрофільних пор діаметром приблизно 1 нм, через які здійснюється неспецифічна дифузія. Це означає, що через такі пори можуть проходити цукри, амінокислоти, невеликі олігосахариди й пептиди. Білки, що пронизують зовнішню мембрану наскрізь і утворюючі гідрофільні пори, називають поринами. Мінорні білки зовнішньої мембрани представлені набагато більшим числом видів. Їхня основна функція — транспортна й рецепторна. Прикладом мінорних білків можуть служити білки, відповідальні за специфічний транспорт у клітину залізовмісних сполук.

Крім шарів клітинної стінки, типових для більшості грамнегативних еубактерій, у деяких представників цієї групи виявлені додаткові шари різної електронної щільності, що розташовуються із зовнішньої сторони від зовнішньої клітинної мембрани. Однак дотепер не ясно, чи відносяться вони до клітинної стінки, будучи результатом її наступного ускладнення, або ж являють собою структурні елементи багатошарового чохла.

Незвичайні клітинні стінки прокаріот. Деякі ковзні бактерії (міксобактерії, флексибактерії) здатні в процесі переміщення по твердому субстрату періодично змінюють форму клітин, наприклад шляхом згинання, що говорить про еластичність їх клітинної стінки й у першу чергу її пептидогліканового шару. Електронно-мікроскопічне вивчення, однак, виявило в них клітинну стінку, типову для грамнегативних еубактерій. Найбільш імовірне пояснення гнучкості клітинної стінки цих бактерій — надзвичайно низька зшитість її пептидогліканового компонента.

Нарешті, виявлені прокаріоти, клітинна стінка яких за структурою й хімічному складу різко відрізняється від описаних вище типів. Вони належать до групи архебактерій. Клітинні стінки метан утворюючих архебактерій містять пептидоглікан особливої хімічної будови. В інших представників цієї групи клітинна стінка складається винятково з кислого гетерополісахариду, а в деяких екстремально-галофільних, метаноутворюючих і ацидотермофільних архебактерій — тільки з білка. Архебактерії із клітинною стінкою білкової природи не офарблюються по Граму, інші типи архебактеріальної клітинної стінки дають грампозитивну реакцію.

Прокаріоти без клітинної стінки. При впливі певними хімічними речовинами виявилося можливим одержувати в лабораторії з різних видів еубактерій форми із частково (сферопласти) або повністю (протопласти) відсутньою клітинною стінкою. Уперше це виявили при дії на бактеріальні клітини лізоцимом, ферментом із групи глікозидаз, що є в яєчному білку, слізній рідині й виділюваному деякими бактеріями. Лізоцим розриває β-1,4-глікозидні зв'язки в гетерополісахаридному ланцюгу, що в остаточному підсумку може привести до повного видалення пептидоглікана із клітинної стінки. Отримані під дією лізоциму сферопласти (з грамнегативних еубактерій) або протопласти (з грампозитивних) набувають сферичної форми й дуже чутливі до зовнішнього осмотичного тиску. Існувати вони можуть тільки в умовах, коли осмотичний тиск живильного середовища збалансований з осмотичним тиском усередині клітини. У сприятливих умовах сферопласти й протопласти проявляють певну метаболічну активність, але втрачають здатність до розмноження.

Прокаріоти, що не містять клітинної стінки, виявлені й у природі. Це група мікоплазм, сапрофітів і внутрішньоклітинних паразитів рослин, тварин і людини. Форми, подібні з мікоплазмами, були отримані також дослідним шляхом за допомогою пеніциліну, лізоциму й інших факторів. Це так звані М-форми. У сприятливих умовах вони володіють метаболічною активністю й здатністю до розмноження. Припускають, що мікоплазми відбулися в результаті мутації, що порушила синтез речовин клітинної стінки, від звичайних бактеріальних форм аналогічно тому, як в експериментальних умовах одержують генетично стабільні М-форми.

Унікальність хімічного складу клітинної стінки прокаріот, її відмінність від таких у еукаріот уможливили створення й застосування лікарських препаратів, що специфічно діють тільки на прокаріотну клітинну стінку. На цьому заснована дія пеніциліну й деяких інших антибіотиків, що пригнічують різні етапи синтезу пептидоглікана. Пеніцилін, наприклад, інгібує утворення зв'язків між пептидними хвостами на етапі «зшивання» полімеру, що відбувається в клітинній стінці в процесі росту прокаріотної клітини.

Функції клітинної стінки прокаріот. Клітинна стінка прокаріот виконує різноманітні функції: механічно захищає клітину від впливів навколишнього середовища, забезпечує підтримка її зовнішньої форми, дає можливість клітині існувати в гіпотонічних розчинах. У першу чергу в цьому «заслуга» пептидоглікана.

Структурне диференціювання клітинної стінки в грамнегативних еубактерій, яке призвело до формування додаткового шару у вигляді зовнішньої мембрани, значно розширила коло функцій клітинної стінки. Насамперед це пов'язане із проблемами проникності й транспорту речовин у клітину. Зовнішня мембрана має специфічні й неспецифічні канали (пори) для пасивного транспорту речовин і іонів, необхідних клітині, тобто здійснює функції молекулярного «сита». Зовнішня мембрана також перешкоджає проникненню в клітину токсичних речовин, що знаходить висвітлення в більшій стійкості грамнегативних еубактерій (порівняно із грампозитивними) до дії деяких отрут, хімічних речовин, ферментів і антибіотиків.

Поява в грамнегативних еубактерій додаткової мембрани в складі клітинної стінки фактично привело до створення відособленої порожнини (периплазматичного простору), відмежованої від цитоплазми й зовнішнього середовища специфічними мембранами й несучої важливе функціональне навантаження.

Периплазматичний простір, куди занурений пептидоглікановий шар, заповнений розчином, до складу якого входять специфічні білки, олігосахариди й неорганічні молекули. Периплазматичні білки представлено двома типами: транспортними білками й гідролітичними ферментами. Транспортні білки — це переносники, що зв'язуються з відповідними субстратами зовнішнього середовища й транспортуючі їх від зовнішньої мембрани до цитоплазматичної.

Було виявлено також, що багато бактерій здатні в більших кількостях виробляти ферменти (глікозидази, протеази, ліпази й ін.), які гідролізують всі типи полімерних молекул. Останніми можуть бути як молекули, синтезовані самою клітиною, так і чужорідні, що потрапілі в клітину ззовні. Негативні наслідки гідролізу власних молекул (самопереварювання) очевидні. У той же час прокаріоти потребують гідролітичних ферментах, тому що це розширює коло використовуваних ними речовин, включаючи в нього полімери різного типу. Стає зрозумілою необхідність ізолювання цих ферментів від цитоплазматичного вмісту. Грампозитивні еубактерій виділяють гідролітичні ферменти в зовнішнє середовище, у грамнегативних вони локалізовані в периплазматичному просторі.

Різноманітні функції виконують макромолекули, локалізовані частково або повністю на зовнішній стороні клітинної стінки, що контактує з навколишнім середовищем; це специфічні рецептори для фагів і коліцинів; антигени ( ліпополісахарид грамнегативних еубактерій, тейхоєві кислоти грампозитивних); макромолекули, що забезпечують міжклітинні взаємодії при кон'югації, а також між патогенними бактеріями й тканинами вищих організмів.

Капсули, слизові шари й чохли

Зовні клітинна стінка прокаріот часто буває оточена слизовою речовиною. Такі утвори залежно від структурних особливостей одержали назву капсул, слизових шарів або чохлів. Усі вони є результатом біосинтезу прокаріотами органічних полімерів і відкладання їх навколо клітин.

Під капсулою розуміють слизові утворення, що обволікають клітину, аморфної будови, що зберігає зв'язок із клітинною стінкою. Якщо товщина утвору менше 0,2 мкм і, отже, воно може бути виявлене тільки за допомогою електронного мікроскопа, говорять про мікрокапсулу. Якщо більше 0,2 мкм, говорять про макрокапсулу. Останню можна бачити у звичайний світловий мікроскоп. Для цього препарат переглядають у краплі гаси, яка не в змозі проникнути в капсулу. На темнім полі виділяються клітини, оточені світлими зонами. Якщо ж слизова речовина має аморфний, безструктурний вид і легко відділяється від поверхні прокаріотної клітини, говорять про слизові шари, що оточують клітину.

На відміну від капсул чохли мають тонку структуру. Нерідко в них виявляють кілька шарів з різною будовою. Чохли ряду бактерій, метаболізм яких пов'язаний з окисненням відновлених сполук металів, часто інкрустовані їхніми окислами. Між цими структурами в прокаріот виявлене багато перехідних форм, так що іноді не можна чітко відмежовувати капсулу від слизових клітинних виділень або капсулу від чохла.

Наявність капсули залежить від штаму мікроорганізму й умов його культивування. Бактерії, що утворюють капсулу, можуть легко в результаті мутації перетворюватися в безкапсульні форми, що не приводить до якого-небудь порушення клітинної активності, тому капсули не можна розглядати як обов'язковий структурний компонент прокаріотної клітини.

Капсули, слизові утвори й чохли можуть містити компоненти, однакові із клітинною стінкою, однак їх хімічні склади не ідентичні. Як правило, хімічний склад капсул, утворених бактеріями, родо- або видоспецифічний. Основні хімічні компоненти більшості капсул прокаріот — полісахариди гомо- або гетерополімерної природи. Виключення становить капсула деяких видів Васіllиs, побудована з поліпептиду, що є полімером глутамінової кислоти. Для ряду бактерій показана здатність синтезувати й виділяти в навколишнє середовище волокна целюлози.

Чохли як більш складні структури мають звичайно й більш складний хімічний склад.

Хоча капсули, слизові речовини й чохли є необов'язковими структурами прокаріотної клітини, їм приписують певні корисні для клітини функції. В'язкість позаклітинного середовища, обумовлена наявністю слизових речовин, мабуть, сприятлива для клітини. Вони захищають клітину від механічних ушкоджень, висихання, створюють додатковий осмотичний бар'єр, є на перешкоді для проникнення фагів. Іноді слизові утвори можуть служити джерелом запасних живильних речовин. За допомогою слизу здійснюється зв'язок між сусідніми клітинами в колонії, а також прикріплення клітин до різних поверхонь. Здатність певних бактерій синтезувати ці своєрідні позаклітинні полімери знаходить практичне застосування: їх використовують як замінника плазми крові, а також для одержання синтетичних плівок.

Джгутики й механізми руху.

На клітинній поверхні багатьох прокаріот є структури, що визначають здатність клітини до руху в рідкім середовищі. Це — джгутики. Їхнє число, розміри, розташування, як правило, є ознаками, постійними для певного виду, і тому враховуються при систематику прокаріот. Однак накопичуються дані про те, що кількість і розташування джгутиків у того самого виду можуть у значній мірі визначатися умовами культивування й стадією життєвого циклу, і, отже, не варто переоцінювати таксономічне значення цієї ознаки.

Якщо джгутики перебувають у полюсів або в полярній області клітини, говорять про їхнє полярне або субполярне розташування, якщо уздовж бічної поверхні, говорять про латеральне розташування. Залежно від числа джгутиків і їх локалізації на поверхні клітини розрізняють монополярні монотрихи (один дджгутик прикріплений до одного полюсу клітини), монополярні політрихи (пучок джгутиків розташований на одному полюсі клітини), біполярні політрихи (на кожному полюсі — по пучкові джгутиків) і перитрихи (численні джгутики розташовані по всій поверхні клітини або уздовж її бічної поверхні). В останньому випадку число джгутиків може досягати 1000 на клітину.

Звичайна товщина джгутика — 10—20 нм, довжина — від 3 до 15 мкм. У деяких бактерій довжина джгутика може на порядок перевищувати діаметр клітини. Як правило, полярні джгутики більш товсті. Джгутик являє собою відносно тверду спіраль, звичайно закручену проти годинникової стрілки. Обертання джгутика також здійснюється проти годинникової стрілки із частотою від 40 до 60 про/з, що викликає обертання клітини, але в протилежному напрямку. Оскільки клітина набагато більше джгутика, вона обертається зі значно меншою швидкістю — порядку 12—14 об/хв. Обертовий рух джгутика перетвориться також у поступальний рух клітини, швидкість якого в рідкім середовищі для різних видів бактерій становить від 16 до 100 мкм/с.

Вивчення будови джгутика під електронним мікроскопом виявило, що він складається із трьох частин (мал. 11). Основну масу джгутика становить довга спіральна нитка (фібрила), у поверхні клітинної стінки перехідна в стовщену вигнуту структуру — гак. Нитка за допомогою гака прикріплена до базального тіла, вмонтованого в ЦПМ і клітинну стінку. У більшості прокаріот нитка полягає тільки з одного типу білка — флагеліна. Білкові субодиниці покладені у вигляді спирали, усередині якої проходить порожній канал. Нарощування джгутика відбувається з дистального кінця, куди субодиниці надходять по внутрішньому каналу. У деяких видів джгутик зовні додатково покритий чохлом особливої хімічної будови або, що ж є продовженням клітинної стінки й, імовірно, побудованим з того ж матеріалу.

Гак (товщина 20 — 45 нм) складається з білка, що відрізняється від флагеліну, і служить для забезпечення гнучкого з'єднання нитки з базальним тілом. Базальне тіло містить 9—12 різних білків і являє собою систему із двох або чотирьох кілець, нанизаних на стрижень, що є продовженням гака. Два внутрішні кільця - обов'язкові складові частини базального тіла, у той час як зовнішній кільця відсутні в грампозитивних еубактерій і, отже, не необхідні для руху. Особливості будови базального тіла визначаються, таким чином, будовою клітинної стінки. Інтактність останньої необхідна для руху джгутикових бактерій. Обробка клітин лізоцимом, що приводить до видалення пептидогліканового шару клітинної стінки, викликає й втрату здатності бактерій до руху, хоча джгутики залишаються при цьому неушкодженими.

Якщо в клітині багато джгутиків, усі вони при русі збираються в пучок, обертаючись в одному напрямку. Обертання джгутиків передається клітині, що починає обертатися в протилежному напрямку, і забезпечує ефективний рух (плавання) у рідкім середовищі й більш повільне переміщення по поверхні твердих середовищ.

Для роботи рухового апарата прокаріот необхідна енергія. Установлене, що рух джгутикових прокаріот забезпечується енергією трансмембранного електрохімічного потенціалу, причому обидві його складові — електрична і концентраційна — підтримують рух. Швидкість обертання джгутиків прямо залежить від величини мембранного потенціалу. Таким чином, прокаріотна клітина має механізм, що дозволяють перетворювати електрохімічну форму енергії безпосередньо в механічну. Молекулярне обладнання, що забезпечує це перетворення, до теперішнього часу не з'ясоване, але можна починати, що воно повинне бути досить ефективним, тому що, по проведених розрахунках, енергія, що витрачається на рух, становить десяті частки відсотка від загальної кількості енергетичних потреб клітини.

Незвичайна локалізація структур, відповідальних за рух, описана в спірохет. Тришарова структура, що оточує клітину й називана в спірохет зовнішнім чохлом, аналогічна зовнішній мембрані клітинної стінки грамнегативних бактерій. Цей чохол оточує так званий протоплазматичний циліндр, що полягає з пептидогліканового шару клітинної стінки, ЦПМ і цитоплазматичного вмісту. Протоплазматичний циліндр обвивається пучком ниткових структур — аксіальних фібрил. Число їх коливається від 2 до 100. Один кінець кожної аксіальної фібрили прикріплений поблизу полюса протоплазматичного циліндра, іншої — вільний. Клітина містить по два набори фібрил, прикріплених субполярно до кожного клітинного кінця. Тому що кожна аксіальна фібрила тягнеться майже уздовж усієї довжини клітини, пучки фібрил, прикріплених у різних полюсів, у центральній частині перекриваються.

Вивчення будови й хімічного складу аксіальних фібрил спірохет виявило їхню близьку подібність із бактеріальними джгутиками. Відмінність полягає в тому, що аксіальні фібрили спірохет — внутрішньоклітинні структури, але забезпечують рух як у рідкім середовищі, так і по твердому субстрату. Рух спірохет здійснюється за рахунок обертання фібрил у периплазматичному просторі між пептидоглікановим шаром і зовнішньою мембраною клітинної стінки, що викликає еластичну хвилю на поверхні клітинної стінки. Спірохети роблять рухи трьох типів: швидко обертаються навколо довгої осі спирали, здатні до згинання клітин і здійснюють пересування по гвинтовому або хвилеподібному шляху. Для спірохет (так само як для типових джгутикових бактерій) показане, що рух забезпечується енергією у формі АТФ.

Властива спірохетам локалізація рухового апарата цікава тим, що дозволяє зробити висновок про можливість його роботи в умовах знаходження в «закритому» клітинними структурами стані. Це може служити ключем до розуміння ще одного виду руху, властивого частини прокаріот, — ковзання.

Останнє визначають як здатність організму пересуватися але твердому або напіврідкому субстрату без допомоги зовнішніх локомоторних структур — джгутиків.

Здатність до ковзання виявлена в різних груп прокаріот, як одноклітинних, так і багатоклітинн, що мають ниткову будова; деяких мікоплазм, міксобактерій, цитофагів, ниткових сіркобактерій, ціанобактерій і ін. Швидкість цього типу руху невеликий: 2— 11 мкм/с. Загальним для всіх ковзних організмів є здатність до виділення слизу. Крім того, у ряду ковзних форм у складі клітинної стінки між пептидоглікановим шаром і зовнішньою мембраною виявлений тонкий шар, що полягає з білкових фібрил. Наприклад, у ниткової ціанобактерії Osillatoria до зовнішньої поверхні пептидогліканового шару примикають паралельні ряди фібрил діаметром 5—7 нм; на 1 мкм³ поверхні доводиться до 55 таких фібрил. У ниткових ціанобактерій фібрили формують єдину систему, безупинно у вигляді спирали обволікаючу весь трихом (нитка). Ковзання ниткових форм супроводжується й одночасним їхнім обертанням, так що будь-яка крапка на поверхні трихома описує при русі спіраль. Напрямок обертання є видоспецифічною ознакою й корелює з напрямком ходу спиралі білкових фібрил.

Механізм ковзного руху не ясний. Згідно з гіпотезою реактивного руху воно обумовлене виділенням слизу через численні слизові пори в клітинній стінці, у результаті чого клітина відштовхується від субстрату в напрямку, протилежному напрямку виділення слизи. Однак аналіз цієї моделі привів до висновку, що для забезпечення ковзання по «реактивному» механізму клітині необхідно протягом 1 з виділяти такий обсяг слизу, який у багато разів перевершує її цитоплазматичний уміст.

По іншій гіпотезі, що одержала поширення в останні роки, що сковзає рух пов'язане з особливостями будови клітинної стінки рухливих безджгутикових форм — наявністю білкового шару, що полягає з впорядковано розташованих фібрил, аналогічних ниткам джгутиків, з тою різницею, що перебувають фібрили «усередині» клітинної стінки. У деяких ковзних бактерій описані структури, що досить нагадують базальні тіла джгутикових форм. Обертовий рух фібрил, «що запускається» цими структурами, приводить до появи на поверхні клітини так званої, що біжить хвилі, тобто, що рухаються мікроскопічних опуклостей клітинної стінки, у результаті чого клітина відштовхується від твердого або грузлого субстрату. На ковзання витрачається близько 5 % енергії від загального об’єму клітинних енергетичних витрат. Ковзний рух у різних групах бактерій забезпечується енергією у формі АТФ або NAD⁺.

Необхідність для ковзання слизу поки не ясна. Ковзання може відбуватися в середовищі підходящої консистенції без якого-небудь виділення слизу. Більше того, виділення більших кількостей слизи, як правило, утрудняє рух клітини й приводить до втрати нею рухливості. Згідно з гіпотезою « хвилі, що біжить, » виділення слизи не є абсолютно необхідним для ковзання, але полегшує в певних умовах відштовхування клітини від субстрату.

Рухливі бактерії активно переміщаються в напрямку, обумовленому тими або іншими зовнішніми факторами. Такі спрямовані переміщення бактерій називають таксисами. Залежно від фактора розрізняють хемотаксис ( окремий випадок — аеротаксис), фототаксис, магнітотаксис, термотаксис і вискозитаксис. Найбільша увага залучає вивчення хемотаксису, тобто руху в певному напрямку щодо джерела хімічної речовини. Для кожного організму всі хімічні речовини в цьому плані можуть бути розділені на дві групи: інертні й зухвалі таксиси (ефектори). Серед останніх виділяють атрактанти (речовини, що залучають бактерій) і репеленти (речовини, які відлякують бактерій). Атрактантами можуть бути цукри, амінокислоти, вітаміни, нуклеотиди й інші хімічні молекули; репелентами — деякі амінокислоти, спирти, феноли, неорганічні іони. Атрактантом для аеробних і репелентом для анаеробних прокаріот є молекулярний кисень. Атрактанти часто представлені харчовими субстратами, хоча не всі речовини, необхідні для організму, виступають у якості атрактантів. Також не всі отруйні речовини служать репелентами й не всі репеленти шкідливі.

Фототаксис, тобто рух до світла або від нього, властивий насамперед фототрофним бактеріям. Здатність переміщатися по силових лініях магнітного поля Землі або магніту — магнітотаксис — виявлений у різних бактерій, що живуть у прісній і морській воді. У клітинах цих бактерій знайдені непрозорі частки певної геометричної форми — магнітосомы, заповнені залізом у формі магнетиту і виконуючі функцію магнітної стрілки. На частку магнетиту може доводитися до 4% сухої речовини бактерій. У північній півкулі такі магніточутливі бактерії пливуть у напрямку північного полюса Землі, у південному — у напрямку південного. У ряду бактерій виявлений вискозитаксис — здатність реагувати на зміну в'язкості розчину й переміщатися в напрямку її збільшення або зменшення.

За чутливість бактерій до градієнтів певних факторів відповідальні специфічні рецептори. Вивчення хемотаксису в Escherichia coti дозволило виявити понад 30 різні хеморецептори, що представляють собою білки, які синтезуються незалежно від присутності індуктора або тільки в результаті індукції. Рецептор реагує на ефектор і передає сигнал по певному шляхові, конкретний механізм якого невідомий, на «мотор» джгутика. У бактерій з перитрихіальним джгутикованням виявлено два види рухової поведінки: прямолінійний рух і коливання, тобто періодичні й випадкові зміни напряму руху. Якщо бактерія перемішається убік оптимальної концентрації атрактанта, її прямолінійний рух, орієнтоване стосовно хімічної речовини, стає більш тривалим, а частота перекидань більш низкою, що дозволяє їй в остаточному підсумку переміщатися в потрібному напрямку.

Ворсинки

До поверхневих структур бактеріальної клітини відносяться також ворсинки (фімбрії, пілі). Їх налічується від декількох одиниць до декількох тисяч на клітину. Ці структури не мають відносини до руху бактерій і виявлені в рухливих і нерухливих форм. Ворсинки побудовані з одного виду білка — піліна — і являють собою прямі білкові циліндри, що відходять від поверхні клітини. Вони, як правило, тонше джгутиків (діаметр — 5—10 нм, довжина 0,2—2,0 мкм), розташовані перитрихіально або полярно. Найбільше відомостей є про ворсинки Е. соli. У цієї бактерії описані ворсинки загального типу й статеві.

Ворсинки загального типу надають бактеріям властивість гідрофобності, забезпечують їхнє прикріплення до клітин рослин, грибів і неорганічним часткам, беруть участь у транспорті метаболітів. Через ворсинки в клітину можуть проникати віруси.

Найбільше добре вивчені статеві ворсинки, що беруть участь у статевому процесі бактерій, пілі необхідні клітині-донорові для забезпечення контакту між нею й реципієнтом і в якості коньюгативного тунелю, по якім відбувається передача ДНК. Ворсинки не можна вважати обов'язковою клітинною структурою, тому що й без них бактерії добре ростуть і розмножуються.

Мембрани

Вміст клітини відділяється від клітинної стінки цитоплазматичною мембраною (ЦПМ) — обов'язковим структурним елементом будь-якої клітини, порушення цілісності якого приводить до втрати клітиною життєздатності. На частку ЦПМ доводиться 8—15 % сухої речовини клітин. У більшості прокаріотних клітин ЦПМ — єдина мембрана. У клітинах фототрофних і ряду хемотрофних прокаріот утримуються також мембранні структури, що розташовуються в цитоплазмі, що й одержали назву внутрішньоцитоплазматичних мембран.

Хімічний склад мембран. ЦПМ — білково-ліпідний комплекс, у якому білки становлять 50—75 %, ліпіди — від 15 до 45 %. Крім того, у складі мембран виявлена невелика кількість вуглеводів. Як правило, ліпіди й білки становлять 95 % і більше речовини мембран. Головним ліпідним компонентом бактеріальних мембран є фосфоліпіди — похідні фосфогліцсрину. Хоча в прокаріот знайдена безліч різних фосфоліпідів, набір їх у значній мірі родо- і навіть видоспецифічний. Широко представлені в бактеріальних мембранах різні гліколіпіди. Стерини відсутні в переважної більшості прокаріот, за винятком представників групи мікоплазм і деяких бактерій. З інших груп ліпідів у мембранах прокаріот виявлені каротиноїди, хінони, вуглеводи.

Усі ліпіди еубактерій — похідні гліцерину — містять один або кілька залишків жирних кислот, склад яких досить своєрідний. В основному це насичені або мононенасичені жирні кислоти з 16—18 вуглецевими атомами. Поліненасичені жирні кислоти в еубактерій відсутні. Виключення становлять ціанобактерії, у різних видів яких знайдені поліненасичені жирні кислоти. Крім звичайних жирних кислот, тобто, що виявляються й у клітинах еукаріот, у складі мембранних ліпідів еубактерій знаходять і кислоти, що не зустрічаються, як правило, у мембранах еукаріот. Це циклопропанові жирні кислоти, що містять одне або більше тричленних кілець, приєднаних уздовж вуглеводневого ланцюга. Інші, що рідко зустрічаються й виявлені практично тільки в еубактерій кислоти — це розгалужені жирні кислоти з 15 — 17 вуглецевими атомами.

Набір жирних кислот у мембранних ліпідах також надзвичайно видоспецифічний. У деяких грампозитивних еубактерій жирна кислота з розгалуженим ланцюгом може становити до 90 % усіх жирних кислот ліпідів. Головна функція ліпідів — підтримка механічної стабільності мембрани й додання їй гідрофобних властивостей.

Особливий склад ліпідів виявлений у мембранах архебактерій. У них не знайдені типові для еубактерій ефіри гліцерину й жирних кислот, але присутні ефіри гліцерину й высокомолекулярних спиртів, а також нейтральні ізопреноїдні вуглеводні.

На частку білків доводиться більше половини сухої маси мембран. До мембран з найбільш високим змістом білка відносяться бактеріальні ЦПМ. При вивченні їх білкового складу не було виявлено якого-небудь універсального структурного білка. ЦПМ Escherichia colіt містить 27 основних і безліч мінорних білків, але жоден з основних білків не присутній у переважних кількостях. Оскільки ЦПМ прокаріот багатофункціональна й бере участь у здійсненні різноманітних ферментативних процесів, був зроблений висновок, що мембранні білки — це, як правило, ферменти. По амінокислотному складу мембранні білки не відрізняються від інших клітинних білків, за винятком того, що в них утримується мало (іноді сліди) цистеїна.

У деяких бактеріальних мембранах у значних кількостях виявлені вуглеводи. Очевидно, вони втримуються не у вільному стані, а входять до складу гліколіпідів і глікопротеїнів.

Структура мембран. Мембранні ліпіди всіх еубактерій і частини архебактерій утворюють бішари, у яких гідрофільні «голови» молекул звернені назовні, а гідрофобні «хвости» занурені в товщу мембрани. Вуглеводневі ланцюги, що прилягають до гідрофільних «голів», досить жорстко фіксовані, а більш вільні частини «хвостів» мають достатню гнучкість. У деяких архебактерій (ряд метаногенів, термоацидофіли) мембранні ліпіди, до складу яких входить спирт, формують моношарову мембрану, по товщині рівну бішаровій. Моношарові ліпідні мембрани мають більшу твердість порівняно з бішаровою. При «біологічних» температурах мембранні ліпіди перебувають у рідкокристалічному стані, що характеризується частковою впорядкованістю структури. При зниженні температури вони переходять у квазікристалічний стан. Чим більш ненасичені й розгалужені залишки жирних кислот або чому більше число циклічних угруповань вони містять, тем нижче температура переходу з рідинно-кристалічного стану у квазікристалічний.

«Рідка» структура мембран забезпечує певну волю молекул білків, що є необхідним для здійснення процесів транспорту електронів і речовин через мембрану. Це ж властивість обумовлює високу еластичність мембран: вони легко зливаються один з одним, розтягуються й стискуються.

На відміну від ліпідів у мембранних білків немає єдиного способу структурної організації. 30—50 % білка має конфігурацію кристалу, інша частина перебуває переважно у вигляді безладного клубка. Імовірно, частина білків позбавлена ферментативної активності й бере участь тільки в підтримці мембранної структури. У той же час доведене, що для здійснення білками деяких функцій необхідна їхній строго впорядкована взаємна організація в мембрані.

Залежно від розташування в мембрані й характеру зв'язки з ліпідним шаром мембранні білки умовно можна розділити на три групи: інтегральні, периферичні й поверхневі. Інтегральні білки повністю занурені в мембрану, а іноді пронизують її наскрізь. Зв'язок інтегральних білків з мембранними ліпідами дуже міцна й визначається головним чином гідрофобними взаємодіями. Периферичні білки частково занурені в гідрофобну область, а поверхневі перебувають поза нею. У першому випадку зв'язок з ліпідами в основному, а в другому — винятково визначається електростатичними взаємодіями. Крім цього деякі білки й ліпіди в мембрані можуть бути зв'язані ковалентно.

Запропоновано кілька моделей будови мембрани. Найбільше визнання одержала модель, що враховує більшість даних, відомих про мембрани, згідно з якою в ліпідну основу включені асиметрично розташовані білкові молекули. Деякі з них утворюють скупчення на поверхнях ліпідного бі- або моношару, інші частково або повністю занурені в нього, треті пронизують його наскрізь. У моделі підкреслена асиметрія будови мембрани, заснована на відмінностях у хімічній будові й розташуванні молекул білка.

Функції ЦПМ прокаріот. ЦПМ прокаріот виконує різноманітні функції, в основному забезпечувані локалізованими в ній відповідними ферментними білками. Спочатку була постульована бар'єрна функція клітинної мембрани, що одержала пізніше експериментальне підтвердження. За допомогою спеціальних переносників, називаних транслоказами, через мембрану здійснюється вибірковий перенос різних органічних і неорганічних молекул і іонів. У ній локалізовані ферменти, які каталізують кінцеві етапи синтезу мембранних ліпідів, компонентів клітинної стінки й деяких інших речовин.

Загальновизнана роль ЦПМ прокаріот у перетвореннях клітинної енергії. У бактерій, джерелом енергії для яких служать процеси дихання або фотосинтезу, у ЦПМ певним чином розташовані переносники ланцюга електронного транспорту, функціонування яких приводить до генерування електрохімічної енергії (NAD⁺). використовуваної потім у клітині по різних каналах, у тому числі й для утворення хімічної енергії (АТФ). ЦПМ є одним з компонентів апарата генерування НАД⁺. У мембрані розташовані також ферментні комплекси, що забезпечують перетворення: НАД⁺ → АТФ. ЦПМ бере участь у реплікації й наступному поділі хромосоми прокаріотної клітини.

Останнім часом виявляється ще одна функціональна грань клітинних мембран — їх інтегруюча роль в організмі, що цілком сполучається з давно встановленої, що роз'єднує (бар'єрної) функцією. Клітина — єдине ціле. У забезпеченні цього принципу клітинної організації важлива роль належить мембранам. Відбувається перенос електрохімічної енергії й електронів уздовж мембран. Останні розглядаються так само як можливі шляхи транспорту жиророзчинних субстратів і молекулярного кисню.

ЦПМ є основним бар'єром, що забезпечують вибірковий вхід у клітину й вихід з неї різноманітних речовин і іонів¹. Здійснюється це з використанням різних механізмів мембранного транспорту. Виділяють 4 типу транспортних систем, за участю яких відбувається проникнення молекул у бактеріальну клітину: пасивну дифузію, полегшену дифузію, активний транспорт і перенос хімічно модифікованих молекул.

Молекули води, деяких газів і вуглеводнів, концентрації яких у зовнішньому середовищі вище, чим у клітині, проходять через ЦПМ усередину клітини за допомогою пасивної дифузії. Рушійною силою цього процесу служить градієнт концентрації речовини по обидві сторони мембрани. Основним з'єднанням, що надходять у клітину, що й залишають її таким шляхом, є вода. Рух води через мембрану, що підкоряється законам пасивної дифузії, привело до висновку про існування в мембрані пор. Ці пори поки не вдалося побачити в електронний мікроскоп, але деякі дані про них були отримані непрямими методами. Розрахунковим шляхом установлене, що пори повинні бути дуже дрібними й займати невелику частину поверхні ЦПМ. Висловлюється припущення, що вони не є стабільними структурними утворами, а виникають у результаті тимчасових перебудов молекулярної організації мембрани. Більшість (якщо не все) гідрофільних речовин надходить у клітину за рахунок функціонування систем, до складу яких входять спеціальні переносники (транслокази, або пермеази), тому що швидкість фізичної дифузії цих речовин через гідрофобний шар мембрани дуже невелика. Переносники — речовини білкової природи, локалізовані в мембрані, що й характеризуються високою субстратною специфічністю, — зв'язуючись із субстратом, зазнають конформаційних змін і внаслідок цього здобувають здатність до переміщення субстрату з однієї сторони ЦПМ на іншу.

Відомий механізм транспорту, що одержав назва полегшеної дифузії, що вимагає для переносу речовин через мембрану участі транслоказ. Перенос речовин у цьому випадку відбувається по градієнту їх концентрації й не вимагає енергетичних витрат. Цей механізм транспорту не одержав широкого поширення в прокаріот. Основним механізмом виборчого переносу речовин через ЦПМ прокаріот є активний транспорт, що дозволяє «накачувати» у клітину молекули й іони проти їхніх концентраційних і електричних градієнтів. Цей процес, так само як і полегшена дифузія, протікає при участі локалізованих у ЦПМ переносники білкової природи з високою специфічністю до субстрату, але на відміну від полегшеної дифузії для руху проти електрохімічного градієнта вимагає витрат метаболічної енергії. Транспорт такого роду повинен бути тому сполучений з реакціями, які продукують енергію в хімічній або електрохімічній формі.

У всіх описаних вище шляхах переносу речовин через ЦПМ вони надходять у клітину в хімічно незміненому виді. У прокаріот відомі системи транспорту, за допомогою яких здійснюється вступ у клітину ряду Цукрів, при цьому процес їх переносу через мембрану супроводжується хімічною модифікацією молекул. Так відбувається, наприклад, вступ у клітини багатьох прокаріот молекул глюкози, у процесі якого вони фосфорилюються.

Внутрішньоцитоплазматичні мембрани прокаріот. Вище були відзначені відмінності між прокаріотною і еукаріотною клітинами у відношенні їх мембранних систем. Відсутність у прокаріот типових органел, тобто структур, повністю обмежених від цитоплазми елементарними мембранами, — принципова особливість їх клітинної організації.

У клітинах різних груп прокаріот виявлені мембрани, побудовані за принципом елементарної, інші, ніж ЦПМ. Будова, хімічний склад і функції зовнішньої мембрани грамнегативних еубактерій описані раніше. Наявні дані говорять про те, що зовнішню мембрану можна розглядати як мембрану іншого типу, відмінного від ЦПМ. Це стосується конкретних аспектів її будови й функціонування, але не основного принципу організації. Однак зовнішня мембрана ставиться до поверхневих структур клітини еубактерій. Серед внутрішньоцитоплазматичних мембран виділяють кілька видів. Розвинена система усередині цитоплазматичних мембран характерна для більшості фотосинтезуючих еубактерій. Оскільки було показано, що в цих мембранах локалізований фотосинтетичний апарат клітини, вони одержали загальну назву фотосинтетичних мембран. Усі фотосинтетичні мембрани ( як і всі внутрішньоклітинні) — похідні ЦПМ, що виникли в результаті її розростання й глибокого впя’чування (інвагінації) у цитоплазму. У деяких організмів (пурпурні бактерії) фотосинтетичні мембрани зберегли тісний зв'язок зі ЦПМ, що легко виявляється при електронно-мікроскопічнім вивченні ультратонких зрізів клітини. У ціанобактерій цей зв'язок менш очевидний. Одні автори вважають, що зв'язок фотосинтетичних мембран зі ЦПМ у ціанобактерій завжди існує, але важко виявляється, оскільки рідко попадає в площину зрізу препарату. На іншу думку, фотосинтетичні мембрани ціанобактерій — структури, що виникли спочатку зі ЦПМ, але, що згодом відділилися від неї, що і є в цей час автономними клітинними компонентами.

Внутрішньоцитоплазматичні мембрани фотосинтезуючих еубактерій можуть мати вигляд трубочок, пухирців (везикул, хроматофорів) або сплощених замкнених дисків (тилакоїдів), утворених двома тісно зближеними мембранними пластинами (ламелами). Система фотосинтетичних мембран дуже пластична. Її морфологія й ступінь розвитку в клітині визначаються багатьма факторами зовнішнього середовища (інтенсивністю світла, концентрацією кисню, постачанням клітини живильними речовинами), а також віковими характеристиками культури.

У прокаріот, що належать до різних груп, описані локальні інвагінації ЦПМ, що одержали назву мезосом. Добре розвинені й складно організовані мезосоми характерні для грампозитивних еубактерій. У грамнегативних видів вони зустрічаються значно рідше й відносно просто організовані. Мезосоми різняться розмірами, формою й локалізацією в клітині. Виділяють три основні типи мезосом: ламелярні (пластинчасті), везикулярні (що мають форму пухирців) і тубулярні (трубчасті). Часто можна спостерігати мезосоми змішаного типу:, що складаються із ламел, трубочок і пухирців. По розташуванню в клітині розрізняють мезосоми, що утворюються в зоні клітинного поділу й формування поперечної перегородки (септи), мезосоми, до яких прикріплений нуклеоїд, і мезосоми, сформовані в результаті інвагінації периферичних ділянок ЦПМ.

Існують різні точки зору щодо ролі мезосом у клітині. Відповідно одній з них мезосоми не є обов'язковою структурою, а служать тільки для посилення певних клітинних функцій, збільшуючи загальну «робочу» поверхню мембран. Отримані дані про те, що з мезосомами зв'язане посилення енергетичного метаболізму клітин. Мезосоми відіграють роль у реплікації хромосоми і її наступній розбіжності по дочірніх клітинах, беруть участь у процесі ініціації й формування поперечної перегородки при клітинному розподілі. Для деяких грампозитивних бактерій виявлена участь мезосом у секреторних процесах.

Висловлюється також припущення, що мезосоми не беруть активної участі в процесах клітинного метаболізму, але виконують структурну функцію, забезпечуючи компартменталізацію прокаріотної клітини, тобто просторове розмежування внутрішньоклітинного вмісту на відносно відособлені відсіки, що створює більш сприятливі умови для протікання певних послідовностей ферментативних реакцій. Одночасне існування різних гіпотез щодо ролі мезосом у прокаріотної клітині вже вказує на те, що їх функції продовжують залишатися неясними.

Сильно розвинена система внутрішньоцитоплазматичних мембран, що морфологічно відрізняються від мезосомальних, описано в представників трьох груп грамнегативних хемотрофних еубактерій (азотфіксуючих, що нітрифікують і метанокислюючих), для яких показані висока активність дихання, а також здатність метаболізувати розчинені в жилкою середовищу газоподібні з'єднання.

Цитозоль і рибосоми

Вміст клітини, оточений ЦПМ, називається цитоплазмою. Фракція цитоплазми, що має гомогенну консистенцію й утримуюча набір розчинних РНК, ферментних білків, продуктів і субстратів метаболічних реакцій, одержала назву цитозоля. Інша частина цитоплазми представлена різноманітними структурними елементами: внутрішньоцитоплазматичними мембранами (якщо вони є), генетичним апаратом, рибосомами й включеннями різної хімічної природи й функціонального призначення.

Рибосоми — місце синтезу білка — рибонуклеопротеїдні частки розміром 15—20 нм. Їхня кількість у клітині залежить від інтенсивності процесів білкового синтезу й коливається від 5000 до 90 000. Загальна кількість рибосомальної РНК (рРНК) — 80—85% усієї бактеріальної РНК. Відношення рРНК/білок у рибосомах Е. соli становить 2:1, в інших прокаріот воно може бути трохи зрушене убік переваги білка. Рибосоми прокаріот мають константу седиментації 70S, тому одержали назву 70Sсчасток. Вони побудовані із двох неоднакових субодиниць: 30S- і 50S-субодиниць. 30S-частка містить одну молекулу 16S-рРНК і в більшості випадків по одній молекулі білка більш 20 видів. 50S-субодиниця складається із двох молекул рРНК (23S і 5S). До її складу входять більш 30 різних білків, також представлених, як правило, однієї копією. Більша частина рибосомальних білків виконує структурну функцію.

Синтез білка здійснюється агрегатами, що складаються із рибосом, молекул інформаційної й транспортних РНК і називаними полірибосомами, або полісомами. Останні можуть перебувати в цитоплазмі або ж бути пов'язаними з мембранними структурами.

Генетичний апарат і реплікація хромосоми

Будова генетичного апарата прокаріот довгий час був предметом жарких дискусій, суть яких зводилася до того, є в них таке ж ядро, як в еукаріот, чи ні. Встановлено, що генетичний матеріал прокаріотних організмів, як і еукаріотних, представлений ДНК, але є істотні відмінності в його структурній організації. У прокаріот ДНК являє собою більш-менш компактний утворення, що займає певну область у цитоплазмі й не відділене від неї мембраною, як це має місце в еукаріот. Щоб підкреслити структурні відмінності в генетичному апарату прокаріотних і еукаріотних клітин, запропоновано в перших його називати нуклеоїдом на відміну від ядра в других.

При електронно-мікроскопічному спостереженні видно, що нуклеоїд прокаріот, незважаючи на відсутність ядерної мембрани, досить чітко відмежований від цитоплазми, займає в ній, як правило, центральну область і заповнений нитками ДНК діаметром близько 2 нм. Не виключено, що на організацію, що виявляється в електронному мікроскопі, прокаріотної хромосоми великий вплив виявляють умови фіксації препарату. За наявними спостереженнями, у живій клітині нуклеоїд займає більше місця в цитоплазмі.

Уся генетична інформація прокаріот утримується в одній молекулі ДНК, що має форму ковалентно замкненого кільця бактеріальної хромосоми. Довжина молекули в розгорнутому виді може становити більш 1 мм, тобто майже в 1000 раз перевищувати довжину бактеріальної клітини. Тривалий час уважали, що в розподілі ниток ДНК бактеріальної хромосоми не простежується ніякої закономірності. Однак якщо виходити з того, що молекула ДНК утворює безладний клубок, важко пояснити процес реплікації й наступний розподіл хромосом, що утворювалися, по дочірніх клітинах. Спеціальні дослідження показали, що хромосоми прокаріот являють собою високовпорядковану структуру, що має константу седиментації 1300—2000S для вільної й 3200—7000S для пов'язаної з мембраною форми. У тому й іншому випадку частина ДНК у цій структурі представлена системою з 20— 100 незалежно суперспіралізованних петель. У забезпеченні суперспіралізованної організації хромосом беруть участь молекули РНК.

Хромосоми більшості прокаріот мають молекулярну масу в межах (1—3)·10⁹ Так,у групі мікоплазм генетичний матеріал представлений молекулами, що мають найменшу для клітинних організмів кількість ДНК: (0,4—0,8)·10⁹, а найбільший вміст ДНК виявлений в ниткових ціанобактерій (8,5·10⁹). Хоча кожна прокаріотна клітина містить 1 хромосому, часто в експоненціально зростаючій культурі кількість ДНК на клітину може досягати маси 3, 4, 8 і більш хромосом. Нерідко в клітинах при дії на них певних факторів (температури, рН середовища, іонізуючого випромінювання, солей важких металів, деяких антибіотиків і ін.) відбувається утворення безлічі копій хромосоми. При усуненні впливу цих факторів, а також після переходу в стаціонарну фазу в клітинах, як правило, виявляється по одній копії хромосоми.

ДНК прокаріот побудована так само, як і еукаріот. Молекула ДНК несе безліч негативних зарядів, оскільки кожний фосфатний залишок містить іонізовану гідроксильну групу. В еукаріот негативні заряди нейтралізуються утворенням комплексу ДНК із основними білками — гістонами. У клітинах переважної більшості прокаріот не виявлене гістонів, тому нейтралізація зарядів здійснюється взаємодією ДНК із поліамінами (сперміном, спермідином), а також з іонами Мg²⁺. Останнім часом у деяких архебактерій і ціанобактерій виявлені гістони й гістоноподібні білки, пов'язані із ДНК. Вміст пар А+Т и Г + Ц у молекулі ДНК є постійним для даного виду організму й служить важливою діагностичною ознакою. У прокаріот молярна частка ГЦ у ДНК коливається в дуже широких межах: від 23 до 75 %.

Розподіл молекули ДНК (реплікація) відбувається по напівконсервативному механізму й у нормі завжди передує поділу клітини. За допомогою електронного мікроскопа встановлене, що реплікація ДНК починається в крапці прикріплення кільцевої хромосоми до ЦПМ, де локалізований ферментативний апарат, відповідальний за реплікацію. Часто можна виявити, що контакт ДНК зі ЦПМ здійснюється за допомогою мезосом. Реплікація, що почався в крапці прикріплення, іде потім у двох протилежних напрямках, утворюючи характерні для кільцевої хромосоми проміжні структури. Виникаючі дочірні хромосоми залишаються прикріпленими до мембрани. Реплікація молекул ДНК відбувається паралельно із синтезом мембрани в області контакту ДНК зі ЦПМ. Це приводить до поділу (сегрегації) дочірніх молекул ДНК і оформленню відособлених хромосом.

Модель будови бактеріальної хромосоми повинна пояснювати також проходження в клітині процесів транскрипції й трансляції. Згідно з існуючими уявленнями суперспірализовані петлі відповідають неактивним тепер ділянкам ДНК і перебувають у центрі нуклеоїда. По його периферії розташовуються деспіралізовані ділянки, на яких відбувається синтез інформаційної РНК (іРНК), при цьому, оскільки в бактерій процеси транскрипції й трансляції йдуть одночасно, та сама молекула іРНК може бути одночасно пов'язана із ДНК і рибосомами.