Строение бактериальной клетки таблица: Зполните таблицу Строение бактериальной клетки Часть клетки …

Строение бактериальной клетки

Автор статьи Лукьянова А.А.

Бактериальная клетка в целом устроена достаточно просто. Она отделена от внешней среды цитоплазматической мембраной и заполнена цитоплазмой, в которой располагается зона нуклеоида, включающая кольцевую молекулу ДНК, с которой может «свисать» транскрибируемая мРНК, к которой, в свою очередь прикреплены рибосомы, синтезирующие на ее матрице белок одновременно с процессом синтеза самой матрицы. Одновременно ДНК может быть связана с белками, осуществляющими ее репликацию и репарацию. Рибосомы бактерий меньше эукариотических и имеют конэфициент седиментации 70S. Они, как и эукариотические образованы двумя субъединицами – малой (30S), в состав которой входит 16S рРНК и  большую – 50S, включающую молекулы 23S и 5S рРНК.

На фотографии, полученной с помощью трансмиссионной микроскопии (рис.1), отчетливо видна светлая зона, в которой находится генетический аппарат и происходят процессы транскрипции и трансляции. Рибосомы видны как мелкие зернистые включения.

Рисунок 1. Микрофотография бактериальной клетки

Чаще всего в бактериальной клетке геном представлен только одной молекулой ДНК, которая замкнута в кольцо, однако есть и исключения. У некоторых бактерий молекул ДНК может быть несколько. Например, Deinococus radiodurans, бактерия, известная своей феноменальной устойчивостью к радиации и способная спокойно выдерживать дозу радиации в 2 000 раз превышающую летальную дозу для человека, имеет две копии своей геномной ДНК. Известны бактерии, имеющие три или четыре копии. У некоторых видов ДНК может быть не замкнула в кольцо, а некоторые Agrobacterium содержат одну кольцевую и одну линейную ДНК.

Помимо нуклеоида, генетический материал может быть представлен в клетке в виде дополнительных маленьких кольцевых молекул ДНК – плазмид.  Плазмиды реплицируются независимо от нуклеоида и зачастую содержат полезные для клетки гены, дающие клетке, например, устойчивость к антибиотикам способность к усвоению новых субстратов[1], способность к конъюгации и многое другое. Плазмиды могут передаваться как от материнской клетке к дочерней, так и путем горизонтального переноса быть переданы от одной клетке другой.

Бактериальная клетка чаще всего окружена не только мембраной, но и клеточной стенкой, причем по типу устройства клеточной стенки бактерий делят на две группы – грамположительные и грамотрицательные[2].

Клеточная стенка бактерий образована пептидогликаном – муреином. На молекулярном уровне муреиновый слой представляет собой сеть, образованную молекулами N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитыех между собой в длинные цепи β-1-4-гликозидными связями, соседние цепи, в свою очередь соединяются поперечными пептидными мостиками (Рис.2). Так получается одна большая сеть, окружающая клетку.

Рисунок 2. Схема строения муреина

Грамположительные бактерии имеют толстую клеточную стенку, располагающуюся поверх мембраны. Муреин поперечно прошит еще одним типом молекул – тейхоевыми и липотейхоевыми (если они соединены с липидами мембраны) кислотами. Считается, что эти молекулы придают клеточной стенке эластичность при поперечном сжатии и растяжении, действуя как пружины. Поскольку слой муреина толстый, он легко окрашивается по методу Грама: клетки выглядят ярко-фиолетовыми, поскольку краситель (генциановый или метиловый фиолетовый) застревает в слое клеточной стенки.

Рисунок 3. Фиолетовые клетки — грамположительные, розовые — грамотрицательные

У грамотрицательных бактерий слой муреина очень тонкий (исключение составляют цианобактерии), поэтому при окрашивании по Граму фиолетовый краситель вымывается, а клетки окрашиваются в цвет второго красителя (рис. 3).

Рисунок 4. Схема строения бактериальной клетки. «Гр+» — грамположительные клетки, «Гр-» — грамотрицательные клетки.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий покрыта сверху еще одной, внешней, мембраной, прикрепленной к пептидокликану липопротеинами. Пространство между цитоплазматической мембраной и внешней мембраной называется периплазмой. Внешняя мембрана содержит липополипротеины, липополисахариды (ЛПС), а также белки, образующие гидрофильные поры. Компоненты внешней мембраны зачастую отвечают за взаимодействие клетки со внешней средой. Она содержит антигены, рецепторы фагов, молекулы, участвующие в конъюгации и др.

Поскольку у грамположительных и грамотрицательных клеток различается строение покровов (Рис. 4, сверху), отличается и аппарат, заякоривающий жгутик в клеточных покровах (Рис.4, снизу).

Жгутик грамположительных бактерий закрепляется в мембране двумя белковыми кольцами (S-кольцо и M-кольцо) и приводится в движение системой белков, которые, потребляя энергию, заставляют нить крутиться. У грамотрицательных бактерий в дополнение к этой конструкции есть еще два кольца, дополнительно фиксирующие жгутик во внешней мембране и клеточной стенке.

Сам по себе жгутик у бактерий состоит из белка флагеллина, субъединицы которого соединяются в спираль, имеющую внутри полость и формирующие нить. Нить гибко крепится к заякоривающему и придающему ей кручение аппарату, с помощью крючка.

Помимо жгутиков на поверхности клеток бактерий могут быть и другие выросты – пили. Это белковые ворсинки, позволяющие бактериям присоединяться к различным поверхностям (повышая гидрофобность клетки) либо принимающие участие в транспорте метаболитов и процессе конъюгации (F-пили).

Бактериальная клетка обычно не содержит никаких мембранных структур внутри, в том числе и везикул, но могут быть различного рода включения (запасные липиды, сера) и газовые пузырьки, окруженные белковой мембраной. Без мембраны клетка может запасать молекулы полисахаридов, цианофицин (как депо азота), а также может содержать карбоксисомы – пузырьки, содержащий фермент РуБисКО[3], необходимый для фиксации углекислого газа в Цикле Кальвина.


[1] В микробиологии этот термин означает питательное вещество, которое может быть усвоено микроорганизмом

[2] Такое название групп происходит от фамилии врача Г.К. Грама, разработавшего метод окраски клеточных стенок бактерий, позволяющий различать клетки с различным типом строения клеточной стенки.

[3] Рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа

Строение бактериальной клетки в форме таблицы. Особенности строения бактериальной клетки.Основные органеллы и их функции. Распространение бактерий и их роль в природе

1 / 5

Формы клеток бактерий не очень разнообразны. Чаще всего бактериальные клетки имеют сферическую (кокки) или палочковидную (бациллы) форму, некоторые имеют форму, промежуточную между сферической и палочковидной, и называются коккобациллами. Многие бактерии имеют нитевидную или извитую форму — в виде запятой (вибрионы), спирали (спириллы) или вытянутую, закрученную наподобие спирали ДНК (спирохеты) . Часто бактериальные клетки образуют устойчивые сочетания, такие как пары палочек (диплобациллы) или кокков (диплококки), цепочки палочек (стрептобациллы) или кокков (стрептококки), тетрады, пакеты из 4, 8 и более кокков (сарцины), гроздья (стафилококки). Некоторые бактерии образуют розетки, плоские таблички, сети, а также прямые или ветвящиеся трихомы — цепочки плотно примыкающих друг к другу клеток. Известны бактерии с клетками весьма необычной формы (например, звёздчатые), некоторые бактерии (

Corynebacterium , Mycobacterium , Nocardia ) меняют морфологию в течение жизненного цикла. Актинобактерии формируют мицелий, представители рода Hyphomicrobium образуют гифы с почками . Клетки некоторых бактерий (например, Caulobacter ) несут стебельки и прочие придатки .

Клеточная мембрана

Как любая живая клетка, бактериальная клетка окружена мембраной, которая представляет собой липидный бислой. Клеточная мембрана поддерживает осмотический баланс клетки, осуществляет разные виды транспорта, в том числе секрецию белков, задействована в образовании клеточной стенки и биосинтезе внеклеточных полимеров, а также получает регуляторные сигналы из внешней среды. Во многих случаях клеточная мембрана может участвовать в синтезе АТФ за счёт трансмемембранного электрохимического потенциала (протондвижущей силы). Мембрана бактериальной клетки участвует в репликации и разделении дочерних бактериальных хромосом при делении клетки, а также в передаче ДНК посредством трансдукции или конъюгации .

Помимо липидов, в состав бактериальных мембран входят различные белки. По химическому составу клеточные мембраны бактерий гораздо разнообразнее мембран эукариотических клеток. Мембранные липиды архей представлены ацил- и алкилсодержащими глицеролипидами (в том числе фосфолипидами), а также полиизопреноидами. В отличие от эукариот, меняющих свойства липидного остова мембраны за счёт изменения соотношения между фосфолипидами и холестерином, бактерии изменяют свойства мембраны, варьируя жирные кислоты, входящие в состав липидов. Стероиды обнаруживаются в бактериальных мембранах чрезвычайно редко, и вместо стероидов мембраны содержат гопаноиды, представляющие собой пентациклические углеводороды. Гопаноиды активно участвуют в регуляции физических свойств мембран бактериальных клеток .

Клеточная стенка

У грамположительных бактерий поверх мембраны залегает толстый слой пептидогликана, который и образует клеточную стенку. Кроме того, в клеточной стенке грамположительных бактерий имеются тейхоевые кислоты, которые закрепляются на поверхности клетки, образуя связи с пептидогликаном. Липотейхоевые кислоты взаимодействуют с остатками жирных кислот клеточной мембраны. Тейхоевые и липотейхоевые кислоты представляют собой полианионы, состоящие из повторяющихся звеньев в виде фосфорилированных сахаров или остатков глицерина. Фосфатные группы в составе тейхоевых кислот могут быть заменены на глюкоуронат, в результате чего образуются тейхуроновые кислоты. Блокировка синтеза тейхоевых кислот приводит к гибели бактерий, однако конкретные функции этих соединений точно не установлены.

Внеклеточные структуры

Внутриклеточные структуры

Покоящиеся формы

Примечания

  1. , с. 31.
  2. , с. 157-159.
  3. Young K. D. The selective value of bacterial shape. (англ.) // Microbiology And Molecular Biology Reviews: MMBR. — 2006. — September (vol. 70 , no. 3 ). — P. 660-703 . — DOI :10.1128/MMBR.00001-06 . — PMID 16959965 . [исправить ]
  4. , с. 35-36.
  5. Jiang C. , Brown P. J. , Ducret A. , Brun Y. V. Sequential evolution of bacterial morphology by co-option of a developmental regulator. (англ.) // Nature. — 2014. — 27 February (vol. 506 , no. 7489 ). — P. 489-493 . — DOI :10.1038/nature12900 . — PMID 24463524 . [исправить ]
  6. , с. 181-182.
  7. , с. 170-177.
  8. Joseleau-Petit D. , Liébart J. C. , Ayala J. A. , D»Ari R.

Мы даже не можем представить себе, сколько микроорганизмов постоянно окружают нас. Взявшись за поручень в автобусе, вы уже посадили себе на руку порядка ста тысяч бактерий, зайдя в общественный туалет, вы, опять-таки, наградили себя этими микроорганизмами. Бактерии всегда и везде сопровождают человека. Но не нужно на это слово реагировать негативно, ведь бактерии бывают не только патогенными, но также полезными для организма.

Ученые были очень удивлены, когда поняли, что некоторые бактерии сохранили свой внешний вид в течение приблизительно миллиарда лет. Такие микроорганизмы даже сравнивали с автомобилем марки «Фольксваген» — внешний вид одной их модели не менялся 40 лет, имея идеальную форму.

Бактерии появились на Земле одними из первых, поэтому их заслуженно можно назвать долгожителями. Интересным является тот факт, что эти клетки не имеют сформированного ядра, поэтому и по сей день привлекают много внимания к своему строению.

Что такое бактерии?

Бактерии — это микроскопические организмы растительного происхождения. Строение бактериальной клетки (таблица, схемы существуют для ясности понимания видов этих клеток) зависит от ее предназначения.

Эти клетки распространены везде, так как способны быстро размножаться. Существуют научные доказательства того, что буквально за шесть часов одна клетка может дать потомство в 250 тысяч бактерий. Эти одноклеточные организмы имеют множество разновидностей, которые различаются по форме.

Бактерии — очень живучие организмы, их споры могут сохранять способность к жизни на протяжении 30-40 лет. Переносятся эти споры с дуновением ветра, током воды и другими способами. Жизнеспособность сохраняется до температуры 100 градусов и при небольшом морозе. И все-таки, какое строение имеет бактериальная клетка? В таблице описаны основные составляющие бактерии, функции других органелл изложены ниже.

Шаровидные (кокки) бактерии

По своей природе они патогенные. Кокки делят на группы в зависимости от их расположения друг к другу:

  • Микрококки (маленькие). Деление происходит в одной плоскости. Расположение в хаотичном одиночном порядке. Питаются готовыми органическими соединениями, но при этом не зависят от других организмов (сапрофиты).
  • Диплококки (двойные). Делятся в такой же плоскости, что и микрококки, но образуют парные клетки. Внешне напоминают бобы или ланцетник.
  • Стрептококки (в виде цепочки). Деление такое же, но клетки соединены между собой и выглядят, как бусы.
  • Стафилококки (виноградная гроздь). Этот вид делится в нескольких плоскостях, при этом образуется скопление клеток, похожих на виноград.
  • Тетракокки (четверка). Клетки делятся в двух перпендикулярных плоскостях, образуя тетрады.
  • Сарцины (связка). Такие клетки делятся в трех плоскостях, которые взаимно перпендикулярны между собой. При этом внешне они похожи на пакеты или тюки, состоящие из множества особей четного количества.

Цилиндрические (палочки) бактерии

Палочки, которые образуют споры, подразделяют на клостридии и бациллы. По своим размерам эти бактерии бывают короткими и очень короткими. Конечные отделы палочек бывают закруглены, утолщены или обрезаны. В зависимости от расположения бактерий выделяют несколько групп: моно-, дипло- и стрептобактерии.

Спиралевидные (извитые) бактерии

Эти микроскопические клетки бывают двух видов:

  • Вибрионы (с одиночным изгибом или вообще прямые).
  • Спириллы (большие по размеру, но завитков мало).

Нитевидные бактерии. Существует две группы таких форм:

  • Временные нити.
  • Постоянные нити.

Особенности строения бактериальной клетки заключаются в том, что в процессе своего существования она способна изменять формы, но при этом полиморфизм не передается по наследству. Разные факторы действуют на клетку в процессе метаболизма в организме, вследствие этого наблюдаются количественные изменения в ее внешнем виде. Но как только действие извне прекратится, клетка примет прежний образ. Каковы особенности строения бактериальной клетки, можно выявить при ее рассмотрении с помощью микроскопа.

Строение бактериальной клетки, оболочка

Оболочка придает и поддерживает форму клетки, защищает внутренние составляющие от повреждений. Благодаря неполной проницаемости не все вещества могут попасть в клетку, что способствует обмену низко- и высокомолекулярных структур между внешней средой и самой клеткой. Также в стенке происходят различные химические реакции. С помощью электронного микроскопа нетрудно изучить, какое детализированное строение имеет бактериальная клетка.

Основа оболочки содержит полимер муреин. Грамположительные бактерии имеют однослойный скелет, состоящий из муреина. Здесь находятся полисахаридные и липопротеидные комплексы, фосфаты. У грамотрицатель-ных клеток муреиновый скелет имеет множество слоев. Наружный слой, прилегающий к клеточной стенке, является цитоплазматической мембра-ной. Она также имеет определенные слои, содержащие белки с липидами. Главная функция цитоплазматической мембраны — это контроль проникновения веществ внутрь клетки и выведения их (осмотический барьер). Это очень важная функция для клеток, так как с ее помощью происходит защита клеток.

Состав цитоплазмы

Живое полужидкое вещество, заполняющее клеточную полость, называется цитоплазмой. Большое количество белка, запас питательных веществ (жиры и жироподобные вещества) содержит в себе бактериальная клетка. Фото, сделанное во время исследования под микроскопом, хорошо показывает состав-ляющие части внутри цитоплазмы. В основной состав входят рибосомы, располагающиеся в хаотичном порядке и большом количестве. Также в составе имеются мезосомы, содержащие ферменты окислительно-вос-становительного характера. За счет них клетка черпает энергию. Ядро представлено в виде ядерного вещества, находящегося в тельцах хроматина.

Функции рибосом в клетках

Рибосомы состоят из субъединиц (2) и являются нуклеопротеидами. Соединяясь между собой, эти составляющие элементы образуют полисомы или полирибосомы. Главной задачей этих включений является белковый синтез, происходящий на основе генетической информации. Скорость седимента-ции 70S.

Особенности ядра бактерий

Генетический материал (ДНК) находится в неоформленном ядре (нуклеоид). Это ядро расположено в нескольких местах цитоплазмы, являясь неплотной оболочкой. Бактерии, име-ющие такое ядро, называются прокариотами. Аппарат ядра лишен мембраны, ядрышка и набора хромосом. А дезоксирибонуклеиновая кислота располагается в нем фибрильными пучками. Схема строения бактериальной клетки детально демонстрирует структуру ядерного аппарата.

При некоторых условиях у бактерий может возникнуть ослизнение оболочек. Вследствие этого проис-ходит образование капсулы. Если ослизнение очень сильное, то бактерии превращаются в зооглею (общая слизистая масса).

Капсула бактериальной клетки

Строение бактериальной клетки имеет особенность — это наличие защитной капсулы, состоящей из полисахаридов или гликопротеидов. Иногда эти капсулы состоят из полипептидов или клетчатки. Она располагается поверх клеточной оболочки. По толщине капсула может быть как толстой, так и тонкой. Ее образование происходит за счет условий, в которые попадает клетка. Основное свойство капсулы — это защита бактерии от высыхания.

Кроме защитной капсулы строение бактериальной клетки предусматривает ее двигательную ее способность.

Жгутики на бактериальных клетках

Жгутики являются дополнительными элементами, которые осуществляют движение клетки. Они представлены в виде нитей разной длины, которые состоят из флагеллина. Это белок, который обладает способностью сокращаться.

Состав жгутика трехкомпонентный (нить, крю-чок, базальное тельце). В зависимости от прикрепления и расположения выделили не-сколько групп подвижных бактерий:

  • Монотрихи (эти клетки имеют 1 жгутик, расположенный полярно).
  • Лофотрихи (жгутики в виде пучка на одном из концов клетки).
  • Амфитрихи (пучки с обоих концов).

Существует много интересных фактов о бактериях. Так, уже давно доказано, что на мобильном телефоне содержится огромное количество этих клеток, даже на сидении унитаза их меньше. Другие бактерии позволяют нам качественно жить — питаться, выполнять определенную деятельность, без проблем освобождать свой организм от продуктов распада питательных веществ. Бактерии поистине разнообразны, их функции многогранны, но не следует забывать об их патологическом влиянии на организм, поэтому важно следить за собственной гигиеной и чистотой вокруг нас.

Капсула — наружный защитный слой. Капсула расположена снаружи клеточной стенки бактерии. Ее толщина и химический состав неодинаковы у бактерий различных видов. Иногда капсула в несколько раз превышает по толщи¬не клетку. В некоторых случаях она очень тонкая. В зависи¬мости от толщины и консистенции различают макро- и микрокапсулы и слизистые чехлы. Обычно капсулы представлены полисахаридами. Капсулы выполняют ряд функций. Они защищают клетку от неблагоприятных внешних воздействий. С их помощью не-которые бактерии более прочно присоединяются к субстрату. Например, постоянный обитатель ротовой полости Streptococcus mutans приклеивается с помощью капсулы к поверхности зубов и образует «бляшки».

Клеточная стенка — поверхностная структура. Она пред-ставляет собой внешнюю оболочку, окружающую бактерии. Выполняет функции защиты от внешней среды, поддерживает и сохраняет форму клетки и участвует в транспорте питатель¬ных веществ и продуктов метаболизма.

Структура и химический состав клеточной стенки постоян¬ны для определенного вида и служат дифференциальными признаками.

По химическому составу клеточная стенка — сложный био-гетерополимер. Основной компонент в ней представлен пептидогликаном.

Цитоплазматическая мембрана прилегает к клеточной стен¬ке с внутренней стороны и отграничивает цитоплазму. Ее разрушение влечет за собой гибель клетки. У прокариотных мик¬роорганизмов мембрана выполняет защитную, метаболическую функции, участвует в процессе деления клеток и в спо-рообразовании.

Цитоплазма — коллоидная система, состоящая из белков, углеводов, жиров, минеральных веществ, ДНК и РНК.

Генетический материал бактериальной клетки представлен ДНК. Его называют также геномом клетки, ядерным аппара¬том, нуклеоидом.

Жгутики — органоиды движения. Они состоят из базально-го тела, локализованного в цитоплазматической мембране, крюка и нити. Жгутики проходят через клеточную стенку и располагаются снаружи клетки в виде нитей.

Спора образуется у бацилл, представляет стадию покоя. Одна клетка превращается в одну спору. Спорообразование не является способом размножения, это приспособление для сохранения вида в неблагоприятных условиях внешней среды.

9. Морфология и ультраструктура грибов. Систематика грибов. Культуральные свойства Патогенные представители.

Грибы относятся к царствуFungi(Mycetes,Mycota). Это мно­гоклеточные или одноклеточные нефотосинтезирующие (бесхлорофильные) эукариотические микроорганизмы с клеточной стенкой.

Грибы имеют ядро с ядерной оболочкой, цитоплазму с органеллами, цитоплазматическую мембрану и многослойную, ригидную клеточную стенку, состоящую из нескольких типов полисахаридов, а также белка, липидов и др. Некоторые грибы образуют капсу­лу. Цитоплазматическая мембрана содержит гликопротеины, фосфолипиды и эргостеролы. Грибы являются грамположительными микробами, вегетативные клетки — не­кислотоустойчивые.

Грибы состоят из длинных тонких нитей (гиф), спле­тающихся в грибницу, или мицелий. Гифы низших грибов — фикомицетов — не имеют перегородок. У высших грибов — эуми-цетов — гифы разделены перегородками; их мицелий многокле­точный.

Различают гифальные и дрожжевые формы грибов.

Гифальные (плесневые) грибы образуют ветвящиеся тонкие нити (гифы), сплетающиеся в грибницу, или мицелий (плесень). Гифы, врастающие в питательный субстрат, называются вегетатив­ными гифами (отвечают за питание гриба), а растущие над поверхностью субстрата — воздушными или репродуктив­ными гифами (отвечают за бесполое размножение).

Гифы низших грибов не имеют перегородок. Они пред­ставлены многоядерными клетками и называются ценоцитными.

Гифы высших грибов разделены перегородками, или сеп­тами с отверстиями.

Дрожжевые грибы (дрожжи), в основном, имеют вид от­дельных овальных клеток (одноклеточные грибы). По типу полового размножения они распределены среди высших грибов — аскомицет и базидиомицет. При бесполом размно­жении дрожжи образуют почки или делятся, что приводит к одноклеточному росту. Могут образовывать псевдогифы и ложный мицелий (псевдомицелий) в виде цепочек удлинен­ных клеток — «сарделек». Грибы, аналогичные дрожжам, но не имеющие полового способа размножения, называют дрожжеподобными. Они размножаются только бесполым способом — почкованием или делением.

Грибы размножаются спорами половым и бесполым спосо­бами, а также вегетативным путем (почкование или фрагмента­ция гиф). Грибы, размножающиеся половым и бесполым путем, относятся к совершенным. Несовершенными называют грибы, у которых отсутствует или еще не описан половой путь размно­жения. Бесполое размножение осуществляется у грибов с помо­щью эндогенных спор, созревающих внутри круглой структуры — спорангия, и экзогенных спор — конидий, форми­рующихся на кончиках плодоносящих гиф.

Типы грибов. Выделяют 3 типа грибов, имеющих половой способ размножения (так называ­емыесовершенные грибы): зигомицеты (Zygomycota), аскомицеты (Ascomycota) и базидиомицеты (Basidiomycota). Отдельно выделяют условный, формальный тип/группу грибов — дейтеромицеты (Deiteromycota), у которых имеется только бесполый способ размножения (так называемыенесовершенные грибы).

Патогенность. Грибы рода Trichophyton, Microsporum, Achorion вызывают поражения кожи, волос, ногтей. Серьезную угрозу для жизни и здоровья людей представляют возбудители глубоких микозов (роды Coccidioides, Hystoplasma)

Бактерии — самая древняя группа организмов из ныне существующих на Земле. Первые бактерии появились, вероятно, более 3,5 млрд лет назад и на протяжении почти миллиарда лет были единственными живыми существами на нашей планете. Поскольку это были первые представители живой природы, их тело имело примитивное строение.

Со временем их строение усложнилось, но и поныне бактерии считаются наиболее примитивными одноклеточными организмами. Интересно, что некоторые бактерии и сейчас ещё сохранили примитивные черты своих древних предков. Это наблюдается у бактерий, обитающих в горячих серных источниках и бескислородных илах на дне водоёмов.

Большинство бактерий бесцветно. Только немногие окрашены в пурпурный или в зелёный цвет. Но колонии многих бактерий имеют яркую окраску, которая обусловливается выделением окрашенного вещества в окружающую среду или пигментированием клеток.

Первооткрывателем мира бактерий был Антоний Левенгук — голландский естествоиспытатель 17 века, впервые создавший совершенную лупу-микроскоп, увеличивающую предметы в 160-270 раз.

Бактерии относят к прокариотам и выделяют в отдельное царство — Бактерии.

Форма тела

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии Форма бактерии Изображение бактерии
Кокки Шарообразная
Бацилла Палочковидная
Вибрион Изогнутая в виде запятой
Спирилла Спиралевидная
Стрептококки Цепочка из кокков
Стафилококки Грозди кокков
Диплококки Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

Способы передвижения

Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счёт волнообразных сокращений или при помощи жгутиков (скрученные винтообразные нити), которые состоят из особого белка флагеллина. Жгутиков может быть один или несколько. Располагаются они у одних бактерий на одном конце клетки, у других — на двух или по всей поверхности.

Но движение присуще и многим иным бактериям, у которых жгутики отсутствуют. Так, бактерии, покрытые снаружи слизью, способны к скользящему движению.

У некоторых лишённых жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. В клетке может быть 40-60 вакуолей. Каждая из них заполнена газом (предположительно — азотом). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные бактерии — передвигаться в капиллярах почвы.

Место обитания

В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.

Бактерии — самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.

Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.

В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.

Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.

В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.

В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.

Внешнее строение

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой — клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи — капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула — не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутреннее строение

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, — нуклеиновая кислота — ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество — ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра — нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Растения нуждаются в азоте, но сами усваивают азот воздуха не могут. Некоторые бактерии соединяют содержащиеся в воздухе молекулы азота с другими молекулами, в результате чего получаются вещества, доступные для растений.

Эти бактерии поселяются в клетках молодых корней, что приводит к образованию на корнях утолщений, называемых клубеньками. Такие клубеньки образуются на корнях растений семейства бобовых и некоторых других растений.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням — такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Корни растений выделяют много органических веществ (сахара, аминокислоты и другие), которыми питаются бактерии. Поэтому в слое почвы, окружающем корни, поселяется особенно много бактерий. Эти бактерии превращают отмершие остатки растений в доступные для растения вещества. Этот слой почвы называют ризосферой.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

  • через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
  • через корневые волоски;
  • только через молодую клеточную оболочку;
  • благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
  • благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

  • инфицирование корневых волосков;
  • процесс образования клубеньков.

В большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножается, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина.

Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные. К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других — без его участия.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами. Лишь некоторые из них (сине-зелёные, или цианобактерии), способны создавать органические вещества из неорганических. Они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Бактерии впитывают вещества извне, разрывают их молекулы на части, из этих частей собирают свою оболочку и пополняют своё содержимое (так они растут), а ненужные молекулы выбрасывают наружу. Оболочка и мембрана бактерии позволяет ей впитывать только нужные вещества.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой — раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные — нет.

Бактерия поглощает находящиеся близ неё питательные вещества. Что происходит потом? Если она может самостоятельно передвигаться (двигая жгутик или выталкивая назад слизь), то она перемещается, пока не найдёт необходимые вещества.

Если она двигаться не может, то ждёт, пока диффузия (способность молекул одного вещества проникать в гущу молекул другого вещества) не принесёт к ней необходимые молекулы.

Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют огромную химическую работу. Превращая различные соединения, они получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий разнообразны.

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют за счёт неорганических соединений. Они называются автотрофами. Автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

Хемосинтез

Использование лучистой энергии — важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений — сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих микроорганизмов составляют нитрифицирующие бактерии. Эти бактерии живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образовавшегося при гниении органических остатков, до азотной кислоты. Последняя, реагирует с минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного водорода, обеспечивая тем самым автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться на гетеротрофный образ жизни при обеспечении их органическими соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы являются типичными автотрофами, так как самостоятельно синтезируют из неорганических веществ необходимые органические соединения, а не берут их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Бактериальный фотосинтез

Некоторые пигментосодержащие серобактерии (пурпурные, зелёные), содержащие специфические пигменты — бактериохлорофиллы, способны поглощать солнечную энергию, с помощью которой сероводород в их организмах расщепляется и отдаёт атомы водорода для восстановления соответствующих соединений. Этот процесс имеет много общего с фотосинтезом и отличается только тем, что у пурпурных и зелёных бактерий донором водорода является сероводород (изредка — карбоновые кислоты), а у зелёных растений — вода. У тех и других отщепление и перенесение водорода осуществляется благодаря энергии поглощённых солнечных лучей.

Такой бактериальный фотосинтез, который происходит без выделения кислорода, называется фоторедукцией. Фоторедукция углекислого газа связана с перенесением водорода не от воды, а от сероводорода:

6СО 2 +12Н 2 S+hv → С6Н 12 О 6 +12S=6Н 2 О

Биологическое значение хемосинтеза и бактериального фотосинтеза в масштабах планеты относительно невелико. Только хемосинтезирующие бактерии играют существенную роль в процессе круговорота серы в природе. Поглощаясь зелёными растениями в форме солей серной кислоты, сера восстанавливается и входит в состав белковых молекул. Далее при разрушении отмерших растительных и животных остатков гнилостными бактериями сера выделяется в виде сероводорода, который окисляется серобактериями до свободной серы (или серной кислоты), образующий в почве доступные для растения сульфиты. Хемо- и фотоавтотрофные бактерии имеют существенное значение в круговороте азота и серы.

Спорообразование

Внутри бактериальной клетки образуются споры. В процессе спорообразования бактериальная клетка претерпевает ряд биохимических процессов. В ней уменьшается количество свободной воды, снижается ферментативная активность. Это обеспечивает устойчивость спор к неблагоприятным условиям внешней среды (высокой температуре, высокой концентрации солей, высушиванию и др.). Спорообразование свойственно только небольшой группе бактерий.

Споры — не обязательная стадия жизненного цикла бактерий. Спорообразование начинается лишь при недостатке питательных веществ или накоплении продуктов обмена. Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии покоя. Споры бактерий выдерживают продолжительное кипячение и очень длительное проммораживание. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнеспособной. Спора бактерий — это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях.

Размножение

Размножаются бактерии делением одной клетки на две. Достигнув определённого размера, бактерия делится на две одинаковые бактерии. Затем каждая из них начинает питаться, растёт, делится и так далее.

После удлинения клетки постепенно образуется поперечная перегородка, а затем дочерние клетки расходятся; у многих бактерий в определённых условиях клетки после деления остаются связанными в характерные группы. При этом в зависимости от направления плоскости деления и числа делений возникают разные формы. Размножение почкованием встречается у бактерий как исключение.

При благоприятных условиях деление клеток у многих бактерий происходит через каждые 20-30 минут. При таком быстром размножении потомство одной бактерии за 5 суток способно образовать массу, которой можно заполнить все моря и океаны. Простой подсчёт показывает, что за сутки может образоваться 72 поколения (720 000 000 000 000 000 000 клеток). Если перевести в вес — 4720 тонн. Однако в природе этого не происходит, так как большинство бактерий быстро погибают под действием солнечного света, при высушивании, недостатке пищи, нагревании до 65-100ºС, в результате борьбы между видами и т.д.

Бактерия (1), поглотившая достаточно пищи, увеличивается в размерах (2) и начинает готовиться к размножению (делению клетки). Её ДНК (у бактерии молекула ДНК замкнута в кольцо) удваивается (бактерия производит копию этой молекулы). Обе молекулы ДНК (3,4) оказываются, прикреплены к стенке бактерии и при удлинении бактерии расходятся в стороны (5,6). Сначала делится нуклеотид, затем цитоплазма.

После расхождения двух молекул ДНК на бактерии появляется перетяжка, которая постепенно разделяет тело бактерии на две части, в каждой из которых есть молекула ДНК (7).

Бывает (у сенной палочки), две бактерии слипаются, и между ними образуется перемычка (1,2).

По перемычке ДНК из одной бактерии переправляется в другую (3). Оказавшись в одной бактерии, молекулы ДНК сплетаются, слипаются в некоторых местах (4), после чего обмениваются участками (5).

Роль бактерий в природе

Круговорот

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе. Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Бактерии разрушают сложные органические вещества отмерших растений и трупов животных, выделения живых организмов и разные отбросы. Питаясь этими органическими веществами, сапрофитные бактерии гниения превращают их в перегной. Это своеобразные санитары нашей планеты. Таким образом, бактерии активно участвуют в круговороте веществ в природе.

Почвообразование

Поскольку бактерии распространены практически повсеместно и встречаются в огромном количестве, они во многом определяют различные процессы, происходящие в природе. Осенью опадают листья деревьев и кустарников, отмирают надземные побеги трав, опадают старые ветки, время от времени падают стволы старых деревьев. Всё это постепенно превращается в перегной. В 1 см 3 . поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапрофитных почвенных бактерий нескольких видов. Эти бактерии превращают перегной в различные минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление носит название симбиоза.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву азотом, способствуя повышению урожая.

Распространение в природе

Микроорганизмы распространены повсеместно. Исключение составляют лишь кратеры действующих вулканов и небольшие площадки в эпицентрах взорванных атомных бомб. Ни низкие температуры Антарктики, ни кипящие струи гейзеров, ни насыщенные растворы солей в соляных бассейнах, ни сильная инсоляция горных вершин, ни жёсткое облучение атомных реакторов не мешают существованию и развитию микрофлоры. Все живые существа постоянно взаимодействуют с микроорганизмами, являясь часто не только их хранилищами, но и распространителями. Микроорганизмы — аборигены нашей планеты, активно осваивающие самые невероятные природные субстраты.

Микрофлора почвы

Количество бактерий в почве чрезвычайно велико — сотни миллионов и миллиардов особей в 1 грамме. В почве их значительно больше, чем в воде и воздухе. Общее количество бактерий в почвах меняется. Количество бактерий зависит от типа почв, их состояния, глубины расположения слоёв.

На поверхности почвенных частиц микроорганизмы располагаются небольшими микроколониями (по 20-100 клеток в каждой). Часто они развиваются в толщах сгустков органического вещества, на живых и отмирающих корнях растений, в тонких капиллярах и внутри комочков.

Микрофлора почвы очень разнообразна. Здесь встречаются разные физиологические группы бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии и др. среди них есть аэробы и анаэробы, споровые и не споровые формы. Микрофлора — один из факторов образования почв.

Областью развития микроорганизмов в почве является зона, примыкающая к корням живых растений. Её называют ризосферой, а совокупность микроорганизмов, содержащихся в ней, — ризосферной микрофлорой.

Микрофлора водоёмов

Вода — природная среда, где в большом количестве развиваются микроорганизмы. Основная масса их попадает в воду из почвы. Фактор, определяющий количество бактерий в воде, наличие в ней питательных веществ. Наиболее чистыми являются воды артезианских скважин и родниковые. Очень богаты бактериями открытые водоёмы, реки. Наибольшее количество бактерий находится в поверхностных слоях воды, ближе к берегу. При удалении от берега и увеличении глубины количество бактерий уменьшается.

Чистая вода содержит 100-200 бактерий в 1 мл., а загрязнённая — 100-300 тыс. и более. Много бактерий в донном иле, особенно в поверхностном слое, где бактерии образуют плёнку. В этой плёнке много серо- и железобактерий, которые окисляют сероводород до серной кислоты и тем самым предотвращают замор рыбы. В иле больше спороносных форм, в то время как в воде преобладают неспороносные.

По видовому составу микрофлора воды сходна с микрофлорой почвы, но встречаются и специфические формы. Разрушая различные отбросы, попавшие в воду, микроорганизмы постепенно осуществляют так называемое биологическое очищение воды.

Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха менее многочисленна, чем микрофлора почвы и воды. Бактерии поднимаются в воздух с пылью, некоторое время могут находиться там, а затем оседают на поверхность земли и гибнут от недостатка питания или под действием ультрафиолетовых лучей. Количество микроорганизмов в воздухе зависит от географической зоны, местности, времени года, загрязнённостью пылью и др. каждая пылинка является носителем микроорганизмов. Больше всего бактерий в воздухе над промышленными предприятиями. Воздух сельской местности чище. Наиболее чистый воздух над лесами, горами, снежными пространствами. Верхние слои воздуха содержат меньше микробов. В микрофлоре воздуха много пигментированных и спороносных бактерий, которые более устойчивы, чем другие, к ультрафиолетовым лучам.

Микрофлора организма человека

Тело человека, даже полностью здорового, всегда является носителем микрофлоры. При соприкосновении тела человека с воздухом и почвой на одежде и коже оседают разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные (палочки столбняка, газовой гангрены и др.). Наиболее часто загрязняются открытые части человеческого тела. На руках обнаруживают кишечные палочки, стафилококки. В ротовой полости насчитывают свыше 100 видов микробов. Рот с его температурой, влажностью, питательными остатками — прекрасная среда для развития микроорганизмов.

Желудок имеет кислую реакцию, поэтому основная масса микроорганизмов в нём гибнет. Начиная с тонкого кишечника реакция становится щелочной, т.е. благоприятной для микробов. В толстых кишках микрофлора очень разнообразна. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий, т.е. больше особей, чем людей на земном шаре.

Внутренние органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, печень, мочевой пузырь и др.), обычно свободны от микробов. В эти органы микробы попадают только во время болезни.

Бактерии в круговороте веществ

Микроорганизмы вообще и бактерии в частности играют большую роль в биологически важных круговоротах веществ на Земле, осуществляя химические превращения, совершенно недоступные ни растениям, ни животным. Различные этапы круговорота элементов осуществляются организмами разного типа. Существование каждой отдельной группы организмов зависит от химического превращения элементов, осуществляемого другими группами.

Круговорот азота

Циклическое превращение азотистых соединений играет первостепенную роль в снабжении необходимыми формами азота различных по пищевым потребностям организмов биосферы. Свыше 90% общей фиксации азота обусловлено метаболической активностью определённых бактерий.

Круговорот углерода

Биологическое превращение органического углерода в углекислый газ, сопровождающееся восстановлением молекулярного кислорода, требует совместной метаболической активности разнообразных микроорганизмов. Многие аэробные бактерии осуществляют полное окисление органических веществ. В аэробных условиях органические соединения первоначально расщепляются путём сбраживания, а органические конечные продукты брожения окисляются далее в результате анаэробного дыхания, если имеются неорганические акцепторы водорода (нитрат, сульфат или СО 2).

Круговорот серы

Для живых организмов сера доступна в основном в форме растворимых сульфатов или восстановленных органических соединений серы.

Круговорот железа

В некоторых водоёмах с пресной водой содержатся в высоких концентрациях восстановленные соли железа. В таких местах развивается специфическая бактериальная микрофлора — железобактерии, окисляющие восстановленное железо. Они участвуют в образовании болотных железных руд и водных источников, богатых солями железа.

Бактерии являются самыми древними организмами, появившимися около 3,5 млрд. лет назад в архее. Около 2,5 млрд. лет они доминировали на Земле, формируя биосферу, участвовали в образовании кислородной атмосферы.

Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они — первые организмы, появившиеся на Земле.

особенности. Какое строение имеет бактериальная клетка? :: SYL.ru

Мы даже не можем представить себе, сколько микроорганизмов постоянно окружают нас. Взявшись за поручень в автобусе, вы уже посадили себе на руку порядка ста тысяч бактерий, зайдя в общественный туалет, вы, опять-таки, наградили себя этими микроорганизмами. Бактерии всегда и везде сопровождают человека. Но не нужно на это слово реагировать негативно, ведь бактерии бывают не только патогенными, но также полезными для организма.

Ученые были очень удивлены, когда поняли, что некоторые бактерии сохранили свой внешний вид в течение приблизительно миллиарда лет. Такие микроорганизмы даже сравнивали с автомобилем марки «Фольксваген» — внешний вид одной их модели не менялся 40 лет, имея идеальную форму.

Бактерии появились на Земле одними из первых, поэтому их заслуженно можно назвать долгожителями. Интересным является тот факт, что эти клетки не имеют сформированного ядра, поэтому и по сей день привлекают много внимания к своему строению.

Что такое бактерии?

Бактерии — это микроскопические организмы растительного происхождения. Строение бактериальной клетки (таблица, схемы существуют для ясности понимания видов этих клеток) зависит от ее предназначения.

Эти клетки распространены везде, так как способны быстро размножаться. Существуют научные доказательства того, что буквально за шесть часов одна клетка может дать потомство в 250 тысяч бактерий. Эти одноклеточные организмы имеют множество разновидностей, которые различаются по форме.

Бактерии — очень живучие организмы, их споры могут сохранять способность к жизни на протяжении 30-40 лет. Переносятся эти споры с дуновением ветра, током воды и другими способами. Жизнеспособность сохраняется до температуры 100 градусов и при небольшом морозе. И все-таки, какое строение имеет бактериальная клетка? В таблице описаны основные составляющие бактерии, функции других органелл изложены ниже.

Название составляющих клеткиФункции элементов бактерии
КапсулаЗащита и увлажнение клетки
ЦитоплазмаСохранение связи между клеточными органеллами
Ядерное веществоСохранение и передача наследственного материала
Клеточная стенкаОбеспечение защиты и сохранения формы бактерии
ЖгутикиПередвижение клетки

Шаровидные (кокки) бактерии

По своей природе они патогенные. Кокки делят на группы в зависимости от их расположения друг к другу:

  • Микрококки (маленькие). Деление происходит в одной плоскости. Расположение в хаотичном одиночном порядке. Питаются готовыми органическими соединениями, но при этом не зависят от других организмов (сапрофиты).
  • Диплококки (двойные). Делятся в такой же плоскости, что и микрококки, но образуют парные клетки. Внешне напоминают бобы или ланцетник.
  • Стрептококки (в виде цепочки). Деление такое же, но клетки соединены между собой и выглядят, как бусы.
  • Стафилококки (виноградная гроздь). Этот вид делится в нескольких плоскостях, при этом образуется скопление клеток, похожих на виноград.
  • Тетракокки (четверка). Клетки делятся в двух перпендикулярных плоскостях, образуя тетрады.
  • Сарцины (связка). Такие клетки делятся в трех плоскостях, которые взаимно перпендикулярны между собой. При этом внешне они похожи на пакеты или тюки, состоящие из множества особей четного количества.

Цилиндрические (палочки) бактерии

Палочки, которые образуют споры, подразделяют на клостридии и бациллы. По своим размерам эти бактерии бывают короткими и очень короткими. Конечные отделы палочек бывают закруглены, утолщены или обрезаны. В зависимости от расположения бактерий выделяют несколько групп: моно-, дипло- и стрептобактерии.

Спиралевидные (извитые) бактерии

Эти микроскопические клетки бывают двух видов:

  • Вибрионы (с одиночным изгибом или вообще прямые).
  • Спириллы (большие по размеру, но завитков мало).

Нитевидные бактерии. Существует две группы таких форм:

  • Временные нити.
  • Постоянные нити.

Особенности строения бактериальной клетки заключаются в том, что в процессе своего существования она способна изменять формы, но при этом полиморфизм не передается по наследству. Разные факторы действуют на клетку в процессе метаболизма в организме, вследствие этого наблюдаются количественные изменения в ее внешнем виде. Но как только действие извне прекратится, клетка примет прежний образ. Каковы особенности строения бактериальной клетки, можно выявить при ее рассмотрении с помощью микроскопа.

Строение бактериальной клетки, оболочка

Оболочка придает и поддерживает форму клетки, защищает внутренние составляющие от повреждений. Благодаря неполной проницаемости не все вещества могут попасть в клетку, что способствует обмену низко- и высокомолекулярных структур между внешней средой и самой клеткой. Также в стенке происходят различные химические реакции. С помощью электронного микроскопа нетрудно изучить, какое детализированное строение имеет бактериальная клетка.

Основа оболочки содержит полимер муреин. Грамположительные бактерии имеют однослойный скелет, состоящий из муреина. Здесь находятся полисахаридные и липопротеидные комплексы, фосфаты. У грамотрицатель­ных клеток муреиновый скелет имеет множество слоев. Наружный слой, прилегающий к клеточной стенке, является цитоплазматической мембра­ной. Она также имеет определенные слои, содержащие белки с липидами. Главная функция цитоплазматической мембраны – это контроль проникновения веществ внутрь клетки и выведения их (осмотический барьер). Это очень важная функция для клеток, так как с ее помощью происходит защита клеток.

Состав цитоплазмы

Живое полужидкое вещество, заполняющее клеточную полость, называется цитоплазмой. Большое количество белка, запас питательных веществ (жиры и жироподобные вещества) содержит в себе бактериальная клетка. Фото, сделанное во время исследования под микроскопом, хорошо показывает состав­ляющие части внутри цитоплазмы. В основной состав входят рибосомы, располагающиеся в хаотичном порядке и большом количестве. Также в составе имеются мезосомы, содержащие ферменты окислительно-вос­становительного характера. За счет них клетка черпает энергию. Ядро представлено в виде ядерного вещества, находящегося в тельцах хроматина.

Рибосомы состоят из субъединиц (2) и являются нуклеопротеидами. Соединяясь между собой, эти составляющие элементы образуют полисомы или полирибосомы. Главной задачей этих включений является белковый синтез, происходящий на основе генетической информации. Скорость седимента­ции 70S.

Особенности ядра бактерий

Генетический материал (ДНК) находится в неоформленном ядре (нуклеоид). Это ядро расположено в нескольких местах цитоплазмы, являясь неплотной оболочкой. Бактерии, име­ющие такое ядро, называются прокариотами. Аппарат ядра лишен мембраны, ядрышка и набора хромосом. А дезоксирибонуклеиновая кислота располагается в нем фибрильными пучками. Схема строения бактериальной клетки детально демонстрирует структуру ядерного аппарата.

При некоторых условиях у бактерий может возникнуть ослизнение оболочек. Вследствие этого проис­ходит образование капсулы. Если ослизнение очень сильное, то бактерии превращаются в зооглею (общая слизистая масса).

Капсула бактериальной клетки

Строение бактериальной клетки имеет особенность — это наличие защитной капсулы, состоящей из полисахаридов или гликопротеидов. Иногда эти капсулы состоят из полипептидов или клетчатки. Она располагается поверх клеточной оболочки. По толщине капсула может быть как толстой, так и тонкой. Ее образование происходит за счет условий, в которые попадает клетка. Основное свойство капсулы – это защита бактерии от высыхания.

Кроме защитной капсулы строение бактериальной клетки предусматривает ее двигательную ее способность.

Жгутики на бактериальных клетках

Жгутики являются дополнительными элементами, которые осуществляют движение клетки. Они представлены в виде нитей разной длины, которые состоят из флагеллина. Это белок, который обладает способностью сокращаться.

Состав жгутика трехкомпонентный (нить, крю­чок, базальное тельце). В зависимости от прикрепления и расположения выделили не­сколько групп подвижных бактерий:

  • Монотрихи (эти клетки имеют 1 жгутик, расположенный полярно).
  • Лофотрихи (жгутики в виде пучка на одном из концов клетки).
  • Амфитрихи (пучки с обоих концов).

Существует много интересных фактов о бактериях. Так, уже давно доказано, что на мобильном телефоне содержится огромное количество этих клеток, даже на сидении унитаза их меньше. Другие бактерии позволяют нам качественно жить — питаться, выполнять определенную деятельность, без проблем освобождать свой организм от продуктов распада питательных веществ. Бактерии поистине разнообразны, их функции многогранны, но не следует забывать об их патологическом влиянии на организм, поэтому важно следить за собственной гигиеной и чистотой вокруг нас.

Строение бактерий — урок. Биология, 5 класс.

Чаще всего бактерии имеют вид палочек, толщина которых составляет \(0,5\)–\(1\) мкм, а длина — \(2\)–\(3\) мкм. У самых больших бактерии длина достигает \(30\)–\(100\) мкм.

 

Рис. \(1\). Сенная палочка

(одна из самых крупных бактерий)

  

Снаружи клетки бактерий покрыты клеточной стенкой, образованной в основном из муреина. Клеточная стенка придаёт клетке бактерии форму, защищает её от внешних воздействий. Через клеточную стенку в бактериальную клетку попадают питательные вещества, а из клетки удаляются продукты обмена.

  

Рис. \(2\). Строение бактерии

 

У многих бактерий над клеточной стенкой есть ещё слизистая капсула, которая служит защитой от потери воды.

 

Бактерии бывают неподвижные и подвижные. У подвижных бактерий имеется один или несколько жгутиков. Жгутик — это тонкая нить, нижняя часть которой закреплена в цитоплазматической мембране. Выступающая из клетки часть длинная, она быстро вращается и приводит клетку бактерии в движение. У других бактерий на поверхности клетки имеются ворсинки.

 

Под оболочкой в бактериальной клетке находится цитоплазма, в которой содержатся  различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества.

 

Бактерии отличаются от всех клеточных организмов тем, что в их клетках нет оформленного ядра: ядерное вещество (хромосома) располагается в цитоплазме и не отделено от неё оболочкой.

 

Обрати внимание!

Клетки бактерий называют безъядерными. По этому признаку (и ряду других) бактерии относят к прокариотам (доядерным организмам) и отличают от организмов, имеющих оформленное ядро с ядерной оболочкой, — эукариотов.

Источники:

Рис. 1. Сенная палочка. https://image.shutterstock.com/image-illustration/bacillus-subtilis-600w-41650813

Рис. 2. Строение бактерии. © ЯКласс

«Строение растительной, животной и бактериальной клетки»

Тема урока: «Строение растительной, животной и бактериальной клетки».

Общая дидактическая цель: систематизация и углубление знаний об особенностях строения и жизнедеятельности растительных, животных и бактериальных клеток через формирование умений самостоятельного поиска знаний, навыков работы с учебной литературой.

Цели урока:

  1. Развитие УУД

  • Личностных – положительное отношение к учению, творческих способностей, художественного вкуса.

  • Метапредметных – умение конструировать модель клетки растений, животных и бактерий, умение применять теоретические знания на практике.

  1. Воспитательный аспект – воспитывать чувство ответственности, взаимовыручки и толерантности при работе в группе.

Ожидаемый результат:

  • Личностный – проявить творческие способности.

  • Метапредметный – уметь конструировать модели, уметь применять теоретические знания на практике.

  • Предметный – знать строение растительной, животной и бактериальной клетки.

Оборудование: на каждую группу заготовки структур всех клеток (ядро, хлоропласты, митохондрии, вакуоль, рибосомы, кольцевая ДНК и т. д.) из цветной бумаги. Клей, 3 половинок листа ватмана, фломастеры. Таблицы «Клетка» прокариот и эукариот. Мультимедиапроектор, экран, компьютер.

Тип урока: обобщение и систематизация знаний.

Форма урока: урок – практикум.

Методы: проблемный, частично-поисковый, иллюстративно-объяснительный, репродуктивный, творческий, самостоятельная учебная деятельность.

Ход урока:

I. Вступительное слово учителя:

— Кому принадлежат эти слова? Что вы можете сказать о деятельности этого ученого?

«Взяв кусочек, чистой светлой пробки, я отрезал от него… Острый как бритва перочинным ножом… Очень тонкую пластинку. Когда затем я поместил этот срез на черное предметное стекло,…стал разглядывать его под микроскопом, направив на него свет с помощью плоско-выпуклого зеркала, я очень ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами. Эти поры, или ячейки, были не слишком глубокими, а состояли из очень маленьких ячеек».

Ученики: Этими словами, написанными в 1665 г., выдающийся английский физик, математик и микроскопист Роберт Гук впервые сообщил о существовании клеток.

Учитель: Клетка от греческого «hitos»-полость. Во вторичной покровной ткани растения — пробке Гук наблюдал не клетки, а лишь пустые, мертвые клеточные стенки, лишенные некогда наполнявшего их живого содержимого. После открытия Гука клетки обнаруживали под микроскопом у всевозможных видов растений, и все они имели общий план строения.

— С момента открытия клетки до создания клеточной теории прошло 200 лет. Какие ученые имеют отношение к созданию клеточной теории, и какой вклад они внесли?

Ученики: В 19 веке одним из важнейших открытий была сформулирована «Клеточная теория». Немецкие ученые Т.Шванн и М.Шлейден в 1839 г., опираясь на многолетние исследования, пришли к выводу: все клетки растений и животных, несмотря на многообразие, сходны между собой. Затем немецкий врач Р.Вирхов в 1858 г. доказал образование клеток путем деления. Если ранее растения и животные рассматривались отдельно, то теперь клеточная теория стала основой для доказательства единства растительного и животного организмов.

Учитель: Клетка — это удивительный и загадочный мир, который существует в каждом организме. Сегодня мы будем конструкторами. Каждая группа будет создавать свою модель клетки.

II. Организационно-подготовительная часть:

Класс делится на три группы. Одна группа конструирует растительную клетку, одна группа конструирует животную клетку и одна группа конструирует бактериальную клетку.

III. Работа в группах

Каждая группа получает «Конструкторную» карточку.

«Конструкторная» карточка.

Задание:

1) Используя иллюстрацию учебника, рассмотрите особенности строения клетки (растительной, животной, бактериальной).
2) На листе ватмана очертите форму вашей будущей клетки. Для создания модели используйте и выберите готовые, необходимые органоиды клетки из цветной бумаги.
3) Определите местонахождение каждого органоида в клетке. Аккуратно наклейте.
4) Объясните функции органоидов в клетке.
5) Один из участников дает развернутый рассказ о вашей модели.

Работа в группе по принципу «Один за всех, все за одного». Если отвечающий дал неполную характеристику модели, то любой из членов группы может его дополнить. По ответу первого отвечающего оценку получают все члены группы, принявшие активное участие в обсуждении вопроса.

IV. Защита модели каждой группы

1. Конструкторная «Растительная клетка»

Мы взяли прямоугольную по форме растительную клетку. Клеточная оболочка является достаточно сложным образованием. Наружный слой растительной клетки образован мощным слоем клетчатки, получившим название клеточной стенки. Она служит каркасом клеткам, выполняя наряду с защитной функцией ещё и опорную. К цитоплазме прилегает плазматическая мембрана (показаны разными цветами два слоя оболочки).

Жидкое содержимое клетки — цитоплазма. В цитоплазме различают гиалоплазму, органоиды и включения. В ней протекают процессы жизнедеятельности.

В центре или около мембраны расположено ядро. В ядре содержится ядерный сок и меленькое ядрышко. В составе ядра находятся белки и хроматин. Каждый вид имеет определенное число хромосом (из цветной бумаги изготовлен органоид — коричневый по цвету).

Одномембранные органоиды:

1. ЭПС (гладкая и гранулярная) — сеть разветвленных канальцев около ядра и по всей клетке. Гладкая ЭПС преобладает (желтым цветом органоид выполнен)

2. Комплекс Гольджи — цистерны, пузырьки (тёмно зеленым цветом органоид выпол-нен).

3. Лизосомы — «пищеварительная система клетки» пузырек с ферментами (голубым цветом выполнен органоид).

4. Вакуоль — крупная полость с клеточным соком, поддерживает тургорное давление в клетке (серый по цвету, органоид выполнен).

Двумембранные органоиды:

1. Митохондрии — «энергетическая станция» клетки (черным по цвету выполнен органоид)

2. Хлоропласты — зеленые пластиды, в которых осуществляется синтез углеводов (ярко зеленые органоиды по цвету).

Немембранные органоиды:

1. Рибосомы — синтез белков (красные органоиды по цвету).

Таким образом, растительная клетка относится к эукариотическим. Она имеет главные части: оболочку, цитоплазму и ядро. Она не нуждается в готовых органических веществах, а создает их в процессе фотосинтеза сама. А также обеспечивает существование других организмов на Земле.

(Могут ответ дополнять учащиеся этой группы).

2. Конструкторная «Животная клетка»

Мы взяли овальную по форме животную клетку. Клеточная оболочка является достаточно сложным образованием. Наружный слой животной клетки образован тонким и эластичным слоем, получившим название гликокаликсом. Он защищает клетку от повреждений и придает форму. К цитоплазме прилегает плазматическая мембрана (как и у животных).

Жидкое содержимое клетки — цитоплазма. В цитоплазме различают гиалоплазму, органоиды и включения. В ней протекают процессы жизнедеятельности.

В центре расположено ядро. В ядре содержится ядерный сок и меленькое ядрышко. В составе ядра находятся белки и хроматин. Каждый вид имеет определенное число хромосом (из цветной бумаги изготовлен органоид — коричневый по цвету).

Одномембранные органоиды:

1. ЭПС (гладкая и гранулярная) — сеть разветвленных канальцев около ядра и по всей клетке. Гранулярная ЭПС преобладает (желтым цветом органоид выполнен)

3. Комплекс Гольджи — цистерны, пузырьки (зеленым темным цветом органоид выполнен).

4. Лизосомы — «пищеварительная система клетки» пузырек с ферментами (голубым цветом выполнен органоид).

Двумембранные органоиды:

5. Митохондрии — «энергетическая станция» клетки (черные органоиды по цвету).

Немембранные органоиды:

6. Рибосомы — синтез белков (красные органоиды по цвету).

7. Клеточный центр — два цилиндра (центриоли). Участие в делении клетки (коричневые по цвету органоиды).

Таким образом, животная клетка может иметь различную форму, но имеет сходство в строении с растительной клеткой. У неё различают главные части: оболочку, цитоплазму и ядро. Животная клетка не имеет настоящей вакуоли, пластид. Она нуждается в готовых органических веществах. У неё присутствует клеточный центр, а у растений его нет. Клетка животных относится к эукариотическим.

(Могут ответ дополнять учащиеся этой группы).

3. Конструкторная «Бактериальная клетка»

Мы взяли бактериальную клетку палочковидной формы (бациллу). Наружный слой оболочки — клеточная стенка (из полисахарида — муреина). Цитоплазма ограничена плазматической мембраной. Мембрана выполняет функцию скелета и механической защиты (оболочка выделяется двумя цветами)

В цитоплазме отсутствует ядро. Поэтому их наследственный аппарат представлен одной молекулой кольцевой ДНК. А место расположения в цитоплазме кольцевой ДНК называют нуклеотидом (учащиеся должны нарисовать ДНК сами, а. готовое ядро не использовать для модели).

Мембранные органоиды отсутствуют.

1. Лизосома — глубокие вдавливания плазматической мембраны в цитоплазму.

2. Рибосомы — мелкие и примитивные, синтезирующие белок (красные мелкие органоиды).

3. Жгутик — органоид передвижения (может быть несколько) дорисовывают сами.

Бактериальная клетка — это целостный организм. Большинство бактерий одноклеточные организмы. Их клетки относят к прокариотическим. Они не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. Большинство бактерий нуждаются в готовых органических веществах.

Есть и главные части клетки: оболочка и цитоплазма, а наследственный аппарат находится в цитоплазме.

V. Подведение итогов:

Модели получаются яркими, красочными и крупными.

Учитель награждает значком «Лучший конструктор» или «Лучшее конструкторская группа». Всех благодарит за участие в работе!

VI. Рефлексия:

Составление синквейна на тему: «Строение растительной, животной и бактериальной клетки»

Д/З.: Заполнить таблицу:

Части и органоиды клетки

Клетка растения

Клетка животного

Клетка бактерии

1.Оболочка

+

+

+

2.Цитоплазма

+

+

+

3.Ядро

+

+

4.Настоящая вакуоль

+

5.Хлоропласты

+

6.Мезосомы

+

7.ЭПС

+

+

8.Митохондрии

+

+

9.Комплекс Гольджи

+

+

10.Рибосомы

+

+

+

11.Клеточный центр

+

12.Лизосомы

+

+

13.Реснички, жгутики

+

+

14.Хромосомы

+

+

15 Кольцевая ДНК

+

Технологическая карта урока

организационный момент – 1 минута

коммуникативная (умение концентрировать внимание на главном)

организация внимания, создание положительной мотивации к уроку

словесный, наглядный

приветствие, проверка готовности к занятию

готовятся к работе на занятии

ПК, видеопроектор, мультимедийная презентация

Организационно-подготовительная часть – 3 минуты

коммуникативная (умение концентрировать внимание на главном)

показ практической значимости материала (готовность обучающихся к активной деятельности на уроке)

словесный, наглядный

обеспечивает актуализацию изучаемого материала. Задает вопросы и корректирует ответы обучающихся.

Класс делится на три группы. Две группыконструируют растительную клетку и животную клетку и одна группа конструирует бактериальную клетку.

на каждую группу заготовки структур всех клеток (ядро, хлоропласты, митохондрии, вакуоль, рибосомы, кольцевая ДНК и т. д.) из цветной бумаги. Клей, 6 половинок листа ватмана, фломастеры. Таблицы «Клетка» прокариот и эукариот.

Целеполагание — 3 минуты

учебно-познавательная (коллективное целеполагание)

формулирование цели урока

словесный, наглядный

совместная постановка цели урока

Работа в группах – 15 минут

учебно-познавательная и коммуникативная

Работа в группах.

Каждая группа получает «Конструкторную» карточку.

словесный, наглядный, практический

раздает карточки с полной инструкцией по сборке моделей, делает пояснения, если они необходимы

выполняют работу по карточке согласно инструкции

заготовки структур всех клеток (ядро, хлоропласты, митохондрии, вакуоль, рибосомы, кольцевая ДНК и т. д.) из цветной бумаги. Клей, 6 половинок листа ватмана, фломастеры.

Защита модели каждой группы – 12 минут

учебно-познавательная и коммуникативная

защита работ каждой группы

словесные, наглядные

организует представление и защиту моделей клеток каждой группы

обучающие представляют и защищают модель клетки своей группы

модели клеток изготовленные обучающимися

Подведение итогов – 4 минуты

коммуникативная (умение концентрировать внимание на главном)

организация внимания, создание положительной мотивации к уроку

словесные, наглядные

награждение обучающихся

принимают награждение

дипломы «Лучший конструктор» или «Лучшая конструкторская группа»

Рефлексия – 5 минут

коммуникативная

организация внимания, создание положительной мотивации к уроку

словесные, наглядные, практические

выдает тему для создания синквейна

составляют синквейн

листы бумаги формата А4

Домашнее задание – 2минуты

коммуникативная

организация внимания, создание положительной мотивации к уроку

словесные, практические

дает д\з заполнить таблицу «Сравнительная характеристика растительной, животной и бактериальной клетки»

выполняют д\з заполняя таблицу

таблица

Составление синквейна.

Синквейн – это творческая работа, которая имеет короткую форму стихотворения, состоящего из пяти нерифмованных строк.

Синквейн пишется по следующим правилам:

1 строка – одно существительное, выражающее главную тему синквейна.

2 строка – два прилагательных, выражающих главную мысль.

3 строка – три глагола, описывающие действия в рамках темы.

4 строка – фраза несущая определенный смысл.

5 строка — заключение в форме существительного (ассоциация с первым словом).

«Конструкторная» карточка.

Задание:

1) Используя иллюстрацию учебника, рассмотрите особенности строения клетки (растительной, животной, бактериальной).
2) На листе ватмана очертите форму вашей будущей клетки. Для создания модели используйте и выберите готовые, необходимые органоиды клетки из цветной бумаги.
3) Определите местонахождение каждого органоида в клетке. Аккуратно наклейте.
4) Объясните функции органоидов в клетке.
5) Один из участников дает развернутый рассказ о вашей модели.

Кроссворд «Строение растительной и животной клеток №2»

Начало формы

Конец формы

1. Прозрачные пузырьки, заполненные клеточным соком в растительной клетке

2. Аппарат, состоящий из сложной системы трубочек и пузырьков, где накапливается белки, жиры и углеводы

3. Органоид, где образуется и накапливается энергия

4. Сеть многочисленных мелких канальцев и полостей

5. Центр, принимающий участие в выделении клетки

6. Пигмент, придающий растениям зелёный цвет

7. Хромосомы одной пары

8. Самый крупный и важный органоид клетки

9. Органоиды, входящие в состав клеточного центра в клетках животных и низших растений

10. Органоиды, характерные только для клеток растений (существует 3 вида)

11. Процесс поглощения клеткой крупных молекул органических веществ и даже целых клеток

Кроссворд «Строение растительной и животной клеток №1»

Начало формы

Конец формы

1. Хранители наследственной информации.

2. Захват и поглощение клеткой жидкости и растворённых в ней веществ.

3. Мембрана, покрывающая снаружи клетку любого организма.

4. Отверстия в мембране, через которые осуществляется обмен веществ.

5. Зелёные пластиды.

6. Небольшие округлые тельца, функция которых — сборка сложных молекул белков.

7. Плотное образование у растений, состоящее из клетчатки.

8. Маленькие органоиды, обеспечивающие процесс внутриклеточного пищеварения.

9. Внутренняя среда клетки.

10. Неклеточная форма жизни.

11. Вирус бактерий.

Кроссворд «Химический состав клетки »

Начало формы

Конец формы

1. Элементы, находящиеся в клетке в виде химических соединений.

2. Одна из разновидностей углеводов.

3. Белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты – это вещества …

4. Вода, минеральные соли – это вещества …

5. Основная функция (работа) углеводов.

6. Соли, входящие в состав живых организмов в незначительных количествах.

7. Хороший природный растворитель.

8. Наиболее распространенный элемент в живой природе.

9. Кислоты, функция которых хранить и передавать наследственные признаки.

10. Основное вещество клетки.

Урок биологии в 5 классе. Строение бактериальной клетки.

Учитель биологии, высшей категории Муниципального бюджетного образовательного учреждения «Школа№12 г. Феодосии Республики Крым» Кашкина Елена Николаевна

Урок биологи в 5 классе.

Строение бактериальной клетки.

Цели:

Образовательные: актуализировать знания учащихся о самой древней группе живых существ – бактериях; показать особенности строения, питания, размножения и распространения бактерий; показать многообразие форм бактерий.

Развивающие:

— продолжить отработку навыков работы в группе;

 — продолжить формирование навыка работы с различными источниками информации.

Воспитательные:

 — привитие правил культуры поведения при групповой и индивидуальной работе;

 — способствовать формированию потребности соблюдения элементарных гигиенических норм в быту.

Универсальные учебные действия

Личностные УУД: проявлять познавательный интерес к изучению бактерий; понимать: учебные задачи и стремиться их выполнить, свою успешность при изучении темы.

Регулятивные УУД: самостоятельно определять цель учебной деятельности; осуществлять целенаправленный поиск ответов на поставленные вопросы; выполнять задания в соответствии с целью; самопроверку, взаимопроверку и корректировку учебного задания; выбирать тему проекта с помощью учителя; в ходе представления проекта учиться давать оценку его результатов.

Коммуникативные УУД: формулировать собственные высказывания в рамках учебного диалога, используя термины; организовывать учебное взаимодействие в группе.

Познавательные УУД: структурировать знания; анализировать текст и рисунки учебника; создавать модель бактериальной клетки; представлять информацию в виде схем, таблиц; использовать информацию в проектной деятельности под руководством учителя.

Тип урока: урок введения нового материала.

Формы работы учащихся: групповая и индивидуальная работа.

Основные понятия: бактерии, вибрионы, спириллы, ядерное вещество, капсула.

Ресурсы: учебник (автор Л.Н.Сухорукова), таблица “Бактерии”; текст “Общая характеристика бактерий”, текст с иллюстрациями “Общая характеристика бактерий”, иллюстрации “Разнообразие форм бактерий”, “Типы питания бактерий”, видеофрагмент “Многообразие бактерий”, анимации “Питание бактерий”, “Размножение бактерий”, “Приспособленность бактерий к неблагоприятным условиям”, интерактивные задания “Составление схемы строения бактериальной клетки”, “Формы бактериальных клеток”, презентация “Бактерии: строение и жизнедеятельность», компьютер, проектор.

Планируемые результаты:

Личностные: в процессе изучения материала о бактериальных инфекциях и их профилактике нацелить на реализацию установок здорового образа жизни

Метапредметные:

Познавательные:

— продолжить формирование умения работать с таблицами,

— формирование умения находить отличия, составлять опорные схемы, работать с информационными текстами, объяснять значения новых слов, сравнивать и выделять признаки.

Коммуникативные:

— продолжить формирование умения самостоятельно организовывать учебное взаимодействие при работе в группе (паре),

— продолжить формирование умения слушать и обосновывать свое мнение.

Регулятивные:

— продолжить формирование умения самостоятельно обнаруживать и формулировать учебную проблему, определять цель учебной деятельности (формулировка вопроса урока), выдвигать версии.

— продолжить формирование умения участвовать в коллективном обсуждении проблемы, интересоваться чужим мнением, высказывать свое.

— продолжить формирование умения определять критерии изучаемого объекта.

— продолжить обучение основам самоконтроля, самооценки и взаимооценки.

Предметные:

— выявление существенных признаков прокариот и эукариот;

— определение принадлежности бактерий к прокариотам;

 — определение на рисунках частей бактериальной клетки;

— выявление существенных признаков автотрофов и гетеротрофов, их роли в природе

I .Организационный этап:

Приветствие учащихся.

Проверка готовности обучающихся к уроку (взаимопроверка).

Физминутка.

II.Определение темы урока (учащиеся самостоятельно определяют тему урока отвечая на вопросы). Мозговой штурм.

— Самые древние живые организмы.

— Самые маленькие.

-Одноклеточные.

-Распространены повсеместно.

-Определяют различные процессы, происходящие в природе.

Ответ: Бактерии

IV.Актуализация и мотивация учебной деятельности

-Как вы думаете, почему сейчас уделяют много внимания изучению бактерий?

— Когда стало возможно изучить строение клетки бактерий?

— Что вы знаете о бактериях?

-Почему бактерии живут до сих пор и практически не изменились? (Проблемный вопрос).

— Составить первичный синквейн «Бактерии» (индивидуальное задание).

IV.Определение целей урока (формируют учащиеся, корректирует учитель):

— Изучить строение бактериальной клетки

— Рассмотреть формы и размеры бактерий

— Определить характерные особенности строения бактериальной клетки

— Значение бактерий в природе и жизни человека

— Написать синквейн на тему «Бактерии»

— Сформировать адресные вопросы по теме (ученик – ученик)

— Прочитать текст учебника, используя технологию критического мышления: чтение текста со значками (+ знаю, — не знаю, ? — интересно, v- хочу знать больше)

Работа будет проходить в группах (ученик напоминает правила работы в группе).

V.Изучение нового материала с поэтапным закреплением:

Работа в группах.

1. Строение бактериальной клетки:

— Что такое бактерии? Мозговой штурм. Проверка определения на стр.44 учебника.

— Параграф 16, рис.2.11 –рассмотреть, выявить характерные компоненты бактериальной клетки.

— Сделать рисунок бактериальной клетки, обозначить ее компоненты (или используя пластилин сделать макет бактериальной клетки). По выбору.

— Ответ у доски ученика о строении бактериальной клетки.

2.Изучение формы и размеров бактерий:

— Рассмотреть рисунок на стр. 44

— Сделать схему: «Формы бактерий» (прямые, извилистые палочки, шарики, спирали).

— Перечислить формы бактериальной клетки (ответ ученика по таблице, слайду презентации).

3.В чем заключается особенность строения бактериальной клетки?

— Найти ответ в параграфе учебника. Сделать соответствующее подтверждение при рассмотрении рисунка учебника, таблицы, презентации.

4.Какое значение имеют бактерии в природе и жизни человека?

— Работа в группе (составление таблицы «Положительное и отрицательное значение бактерий»)

5. Работа с самостоятельным поиском информации (на основе параграфа):

— Где обитают бактерии?

— Почему бактерий так много?

-Что позволяет бактериям пережить неблагоприятные условия окружающей среды

— Что такое спора? Зачем она нужна бактериям?

6. Прочитать текст учебника со значками.

7. Написать синквейн (второй) «Бактерии» (работа в группе, сравнить синквейны).

VI.Физминутка.

VII. Обобщение и систематизация учебного материала:

Работа в группах.

— Постановка адресных вопросов по теме урока: ученик – ученик.

— Анализ чтения текста параграфа со значками(+,—, ?,V).

VIII. Рефлексия:

— Учащиеся высказывают свое мнение о выполнении поставленных целей урока и их результативности.

— Учащиеся высказывают свое мнение о работе групп, класса в целом.

IX. Оценивание:

— По итогам работы групп

— По итогам постановки адресных вопросов.

— Самооценивание.

— Взаимооценивание.

X.Домашние задание:

— параграф 16 изучить, ответить на вопросы параграфа;

— подготовить сообщение: «Виды бактерий», «Значение бактерий», «Эти интересные бактерии» (по желанию, на выбор).

Значение мембранных фосфолипидов в реализации защитных стратегий бактерий | Андрюков

Введение

В процессе эволюции микроорганизмы (МО) выработали ряд механизмов, направленных на сохранение жизнеспособности и защиту популяции от неблагоприятных условий существования в диапазоне от адаптационных морфофункциональных изменений биологических свойств до формирования устойчивых (некультивируемых) клеточных фенотипов. Основное значение в обеспечении защитных стратегий бактерий имеет клеточная стенка (КС), представляющая собой сложную гетерогенную систему и определяющая биологические свойства, форму и структурную целостность МО. Она выполняет ряд важнейших физиологических функций, обеспечивающих регуляцию взаимодействия МО с окружающей средой, и является главной мишенью для большой группы антибиотиков [1][2].

В течение многих десятилетий КС бактерий является предметом научного интереса в связи с ее важностью для большинства прокариот и отсутствием у эукариотических клеток. Кроме того, молекулярные структурные компоненты КС патогенных бактерий играют важную роль в патогенезе инфекционных заболеваний, действуя как адгезины, рецепторы, антигены или эндотоксины [1][3][4]. Среди макромолекул бактерий особое значение для обеспечения жизнеспособности в различных условиях среды обитания имеют липиды — активные участники большинства биохимических процессов в клеточных мембранах, представленные в значительной степени фосфолипидами (ФЛ) [2, 3, 5].

Ключевое значение ФЛ для функционирования и выживания бактерий в экстремальных условиях определяет высокую актуальность их изучения. Кроме того, до настоящего времени остается неисследованной роль этих липидных структур КС в интеграции сигналов среды обитания, механизмов регуляции фосфолипидного гомеостаза [4][6][7].

В течение последнего десятилетия (2010– 2019 гг.), по данным информационных биомедицинских ресурсов MEDLINE, PubMed, PMC и Cochrane Library, наблюдался растущий научный интерес к исследованию КС бактерий и увеличение числа публикаций (14 810, ключевой запрос «bacterial cell wall»), из которых изучению ФЛ бактерий (ключевой запрос «bacteria phospholipids») было посвящено 10 397 (70,21%) статей. Значительный рост научных исследований был вызван эволюцией научных методов и появлением современных аналитических инструментов для изучения бактериальных ФЛ (твердотельного ядерно-магнитного резонанса, дифференциальной сканирующей калориметрии, масс-спектрометрии и др.) [2][4][5][6].

Начало ХХI в. ознаменовалось открытием доменной структуры клеточных мембран у прокариот, появлением сведений о значении ФЛ-доменов и липидных рафтов в физиологии бактерий и обеспечении их жизнеспособности в стрессовых условиях. Полученные за последние годы научные данные полностью изменили доминировавшую в конце прошлого века парадигму о преимущественной роли ФЛ как молекулярных строительных блоков мембранного бислоя. Установлено, что эти липидные компоненты КС при стрессорном воздействии среды обитания выступают в качестве вторичных мессенджеров, выполняющих важные сигнальные и регуляторные функции [6, 7].

Однако до настоящего времени истинное биологическое значение мембранных ФЛ в физиологии бактерий и адаптации к стрессу не выяснено [3][6]. В частности, лишь недавно были получены начальные данные о роли ФЛ в распознавании сигналов из окружающей среды и их влиянии на процессы ремоделирования КС, что может иметь большое значение для разработки новых антимикробных стратегий [6][8].

Целью данного обзора является обобщение современных представлений о структурной, метаболической и сигнальной роли мембранных ФЛ в реализации защитных механизмов бактерий и поддержании их жизнеспособности в неблагоприятных условиях среды обитания.

Бактериальные мембраны и клеточные стенки

Бактерии обладают широким спектром адаптационных стратегий, направленных на сохранение жизнеспособности в экстремальных условиях существования, таких как недостаток питательных веществ или воздействие антибиотиков. Следовательно, способность воспринимать сигналы окружающей среды и быстро реагировать на колебания параметров является ключевым фактором выживания бактерий [1][2][5]. Механизмы быстрого реагирования на стресс часто требуют значительных физиологических перестроек, включая согласованные трансформации клеточного метаболизма и ремоделирование как цитоплазматической, так и внешней мембраны (у грамотрицательных бактерий). Ключевую роль в реализации этих защитных стратегий играют ФЛ [3][4][6].

Раскрытие ведущей роли ФЛ в реакции бактерий на стресс следует начать с произошедшей за последние годы существенной трансформации классической модели строения их биологических мембран и КС [2][5][8]. Последние достижения в молекулярной биологии и микробиологической визуализации изменили взгляд на строение бактериальной клетки, а также на структурно-динамическую характеристику клеточной мембраны [4] (рисунок).


Классическая модель строения мембран грамотрицательных бактерий по S.J. Singer и G.L. Nicolson (а) и современная доменная концепция этой модели (б). КЛ — кардиолипин; ФГ — фосфатидилглицерин; ФЭ — фосфатидилэтаноламин.

The classical model of the structure of the membranes of gram-negative bacteria according to S.J. Singer and G.L. Nicolson (а) and the modern domain concept of this model (b). CL — cardiolipin; PE — phosphatidyl-ethanolamine; PG — phosphatidyl-glycerol.

В последние годы появилась новая фундаментальная концепция, благодаря которой модель «жидкой мозаики» была расширена и дополнена рядом принципиальных положений. Стало понятно, что сложная архитектоника КС и мембран основана на специфической локализации липидных паттернов и макромолекул, и это имеет ключевое значение для сохранения жизнеспособности бактерий. Например, в недавних экспериментальных исследованиях с применением флюоресцентных зондов были открыты области мембранных фосфолипидных доменов и липидных рафтов, отличающиеся по своим химическим структурам и функциям [6][8]. Эти открытия сначала были сделаны на клетках эукариот, а в дальнейшем — в мембранах грамотрицательных (Гр) и грамположительных (Гр+) бактерий.

В последующих исследованиях было установлено, что эти домены определяют гетерогенность и асимметрию клеточных мембран и имеют решающее значение для обеспечения различных жизненных процессов в бактериях [9]. Полученные за последние годы экспериментальные данные не только изменили и дополнили классическую модель Singer–Nicolson (рисунок, а), но и породили новые концепции [9][10].

Известно, что КС Гр-бактерий устроена более сложно, чем у Гр+-МО, и состоит из наружной и внутренней (цитоплазматической) мембран, а также периплазмы, состоящей из пептидогликана. Большая часть наружной мембраны представлена двойным слоем липидов, основным компонентом которых являются ФЛ [11][12]. Бимолекулярная природа и амфипатический характер позволяют клеточным мембранам формировать двуслойную структуру, защищающую бактерии от влияния антимикробных агентов, но не препятствующую поступлению необходимых для роста питательных веществ [8][13][14].

Другим отличием является то, что оба вида бактерий содержат разные липополисахариды (ЛПС) в своих мембранах. У Гр+-бактерий функциональным эквивалентом ЛПС служат липотейхоевые кислоты [2], встроенные в цитоплазматическую мембрану, в то время как у Гр-бактерий ЛПС является основным липидным компонентом внешнего слоя наружной мембраны.

Данное положение полностью соответствует модели Singer–Nicolson, однако экспериментальные данные ограничивают его обоснованность только для стационарных (точнее, стационарно-динамических) состояний клеточных мембран [10][13]. Проведенные за последние десятилетия исследования позволили установить, что их качественный и количественный состав не является статичным и может значительно трансформироваться в ответ на изменение условий среды обитания [3][6][8][14].

При некоторых состояниях бактериальной клетки, в том числе вызванных экстремальными условиями среды обитания, меняются пространственная организация и ремоделирование мембран с образованием (в результате так называемого мембранного синтеза) временных мембранных однослойных структур при активном мембранно-деформирующем участии ФЛ (наряду с белками) и формированием фосфолипидных доменов кардиолипина (КЛ), фосфатидилглицеринина (ФГ) и других липидных кластеров, наделенных специфическими функциями [7, 14, 15]. Например, домены КЛ у E. coli в бактериальных мембранах на полюсах клеток влияют на полярную локализацию многих белков [15]

Как установили L. Danne с коллегами (2017) на модели Гр-бактерий, при наступлении стрессовых условий культивирования согласованный мембранный синтез происходит внутри как цитоплазматической, так и наружной мембраны [14].

Трансформация пространственной архитектоники и реструктуризация бактериальных мембран стали новыми областями для исследований в молекулярной микробиологии [7][8][12][14]. Согласно современным представлениям, уникальная способность КС прокариот формировать неламинарные однослойные структуры в результате биохимических реакций мембранного синтеза, проходящих внутри клеточных мембран, имеет решающее значение для выживания и адаптации бактерий [3]. При этом ведущая роль в ремоделировании мембраны у бактерий принадлежит качественным и количественным изменениям спектра ФЛ, благодаря чему в последние годы появилось понятие фосфолипидного (липидного) гомеостаза бактерий [11][16][17].

Фосфолипидный гомеостаз бактерий

Способность бактерий контролировать и трансформировать гомеостаз ФЛ, как и других жизненно важных соединений, позволяет им обитать в широком диапазоне условий окружающей среды. ФЛ занимают основную и важную часть клеточных мембран, не только обеспечивая их вязкость, механическую прочность и кривизну, но и активно регулируя функции мембранных протеинов, входящих в состав многочисленных рецепторов, ферментов и транспортеров, а также межбелковых взаимодействий [16][17][18].

Несмотря на значительное разнообразие в клетках прокариот ФЛ-структур, большинство из них являются глицеролипидами, содержащими две цепи жирных кислот. Типичные молекулы ФЛ состоят из обращенной кнаружи отрицательно заряженной гидрофильной фосфатной головной группы, присоединенной к глицерину, и двух гидрофобных ацильных цепочек-хвостов — неполярных жирных кислот, обращенных внутрь клетки. Подобное расположение амфипатических ФЛ обеспечивает образование плотной физико-химической мембранной структуры, непроницаемой для водорастворимых веществ внеклеточной среды и требуемой для концентрации необходимых для жизнедеятельности молекул в цитоплазме [14, 16, 18]. Кроме того, длина цепи и степень насыщенности жирных кислот, входящих в структуру ФЛ, модулируют толщину и текучесть биомембран [1][14][18].

Синтезируемый бактериями спектр ФЛ мажорно представлен фосфатидилэтаноламином (ФЭ), ФГ и дифосфатидилглицерином (КЛ), отличающимися количеством и длиной ацильных цепей, числом, положением и геометрией ненасыщенных связей, а также структурой, полярностью и зарядом головных частей [2, 6, 14]. Кроме того, для ФЛ-гомеостаза и функционирования бактериальных мембран имеет значение лизофосфатидилэтаноламин (ЛФЭ) — метаболический интермедиат, который образуется при гидролизе ФЭ или деградации мембран и входит в состав минорных групп ФЛ [11]. При особых условиях (например, при бактериальном стрессе) относительное содержание ЛФЭ может увеличиваться в КС и превышать физиологические следовые концентрации (≤ 1%).

Кроме основных групп, бактерии синтезируют дополнительные, менее распространенные ФЛ, такие как фосфатидилхолин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозитол [1]. ФЛ-гомеостаз детерминирован мембранно-белковой архитектоникой. Относительное содержание ФЛ варьирует у разных типов (видов) бактерий, а их баланс жестко контролируется, в том числе регуляцией активности ферментов-синтаз, участвующих в биосинтезе. Изменение ФЛ гомеостаза приводит к нарушению проницаемости клеточных мембран, транспорта белков и электронов, нарушению деления клетки [11].

Для различных видов Гр-бактерий цвиттерионный ФЭ является преобладающим ФЛ, в то время как анионные ФГ и КЛ больше распространены у Гр+-МО [5]. Установлено (на модели E. coli), что мембраны Гр-бактерий состоят примерно из 70–75% ФЭ, 20–25% ФГ и 0–10% КЛ [13][19]. Это соотношение является относительно постоянным, за исключением периода перехода клеток в стационарную фазу роста, а также случаев, когда увеличивается содержание КЛ [10][12][15]. Перечисленные ФЛ совместно с ЛПС составляют липидный кластер, входящий в сложную макромолекулярную структуру, которая является барьером проницаемости и защитой бактериальной клетки от влияния экстремальных условий, а также создает избирательную проницаемость для веществ, необходимых для жизнеобеспечения бактерий [8][20].

В отличие от ЛПС, большая часть которых находится в составе внешней мембраны (основной компонент), ФЛ входят в состав как внешней, так и внутренней мембраны (вместе с α-спиральными белками). Здесь они составляют более 95% липидов, инициируя сигнальные каскады биохимических реакций при бактериальном стрессе [8][12][14].

Липидный гомеостаз мембран, который имеет важное значение для сохранения жизнеспособности бактерий, обеспечивается скоординированными процессами транспорта и синтеза. В отличие от ЛПС, синтез которых изучен достаточно хорошо, механизмы сборки ФЛ исследованы в меньшей степени [9][11][12]. При этом большая часть исследований проводилась на основной биологической модели — E. сoli, а полученные результаты интерполировались на все Гр-бактерии (у Гр+-МО синтез имеет некоторые отличия) [13].

У бактерий, как и у всех организмов, биосинтез ФЛ начинается с ацилирования глицерол-3-фосфата с образованием фосфатидной кислоты. Она является ключевым предшественником образования основных ФЛ у бактерий. В дальнейшем фосфатидная кислота превращается в цитидин-дифосфат-диацилглицерид (CDP-DAG) с участием фермента CDP-диглицерид-синтазы (CdsA). CDP-DAG является предшественником основного ион-биполярного фосфолипида — ФЭ и конечных анионных фосфолипидов — ФГ и КЛ. Дифосфатидилглицерин (КЛ) образуется в результате конденсации двух молекул ФГ [5][13][14]. Все реакции синтеза ФЛ происходят на цитоплазматической мембране, и все ключевые интермедиаты, такие как фосфатидная кислота и CDP-DAG, также связаны с мембраной [5][13][14][18].

Биосинтез ФЛ, имеющий важное значение не только для сохранения жизнеспособности бактерий, но и для поддержания их роста в период инфекции, в последние годы стал одним из перспективных направлений поиска новых антимикробных мишеней. Помимо ключевой структурной роли этих липидных доменов в клетке промежуточные метаболиты ФЛ могут выступать в качестве вторичных мессенджеров и выполнять важные регуляторные функции [8][21][22].

Двуслойная мембранная архитектоника не только обеспечивает механическую прочность и целостность бактериальных клеток, но и влияет на топологию мембранных белков, функция которых имеет выраженную ФЛ-зависимость [9][14]. Она опосредована, с одной стороны, связывающим действием ФЛ, играющих роль «гидрофобного клея» для белковых молекул (например, КЛ стабилизирует комплексы транслокационных белков SecYEG) [4][13][16], а с другой — наличием связанных ФЛ-компонентов в структуре многих мембранных белков [21][23].

Это связано не только с их особой ролью в белок-ФЛ-опосредовании ремоделирования клеточных мембран, но и с модуляцией функций мембранных белков, многие из которых имеют ФЛ в своей структуре [21][23]. Белок-ФЛ-связи обеспечиваются гидрофобными взаимодействиями (например, интегральная мембранно-натриевая антипортерная структура с молекулой ФЭ в составе) [14] или посредством зарядовых взаимодействий (например, мембранно-интегральный носитель митохондриального аденозинтрифосфата, имеющий в составе КЛ) [9][24].

Таким образом, за десятилетия изучения липидных доменов бактерий накопилось достаточно много информации о химических и физических свойствах, а также о структурном разнообразии клеточных ФЛ и механизмах, контролирующих динамическое постоянство состава клеточных мембран. Однако до последнего времени не было исследовано, каким образом эти свойства опосредуют биологические функции ФЛ. Кроме того, были неизвестны роль и значение каждого из них для физиологии, жизнеспособности или целостности бактериальной клетки. Эти исследования стали доступны после использования молекулярно-генетических подходов.

Молекулярно-генетические подходы, направленные на целевое модулирование биосинтеза фосфолипидов

Быстрое развитие молекулярной генетики с середины 1970-х гг. позволило разработать первые рекомбинантные штаммы E. coli, которая является наиболее распространенной модельной системой для изучения функции ФЛ. Трансформация спектра бактериальных фосфолипидов (ФЭ, ФГ, КЛ, фосфатидилсерина и фосфатидилхолина) достигалась путем создания нулевых мутантов соответствующих генов, кодирующих мембранные ферменты, катализирующие ключевые реакции биосинтеза ФЛ [20][23][25]. Целью этих исследований было решение вопроса о функциях или необходимости специфических ФЛ для сохранения жизнеспособности бактерий в неблагоприятных условиях среды обитания, в том числе в результате воздействия антибиотиков [20][22][24].

История изучения бактериального метаболизма ФЛ и роли отдельных липидных кластеров для жизнедеятельности клеток является удачным примером соединения энзимологии и генетики. Это сотрудничество наиболее плодотворно проявилось в конце ХХ в. в группах исследователей во главе с А. Kornberg и Е. Kennedy [20].

Систематическая генетическая трансформация спектров ФЛ бактериальных клеток путем нацеливания на гены, кодирующие ферменты биосинтеза ФЛ, позволила проверить их функцию in vivo и выявить новые роли в жизнеобеспечении бактерий на молекулярном уровне (таблица) [20][25][26].

Данные о функциях и участии ФЛ в жизнеобеспечении бактериальных клеток, полученные на основе молекулярногенетической трансформации генов, кодирующих биосинтез ФЛ
Information on the functions and participation of phospholipids in the life support of bacterial cells obtained on the basis of molecular genetic manipulation

Для исследования специфической реакции бактериальной клетки на стресс в условиях дефицита целевых ФЛ авторы применили анализ репортерных генов для дозозависимых характеристик, вестерн-блоты и измерения вторичных мессенджеров для выявления численности и активности ключевых регуляторов [20][24]. Полученные данные свидетельствуют о том, что ФЭ- и КЛ-дефицитные клетки активируют различные молекулярно-морфологические механизмы стрессового ответа [22][24][25].

Z.D. Dalebroux с коллегами, изучая реакцию на стресс E. coli в модельных условиях дефицита ФЭ, обнаружили значительные изменения в морфологии и структуре КС, сокращение длины цепи антигена О, снижение мембранного потенциала, метаболической активности и гиперспособности к формированию биопленки по сравнению с контрольным штаммом [7]. Установлено, что дефицит или удаление ФЭ вызывали плейотропное действие, выраженность которого зависела от экспрессии гена pssA, кодирующего синтез фосфатидилсеринсинтазы, катализирующей синтез этого ФЛ [7][20].

В последующих исследованиях установлено, что синтез КЛ у бактерий является сложным процессом, зависящим от трех изоформ КЛ-синтазы (ClsAВС), которые катализируют продукцию КЛ в стационарной фазе [11]. В условиях дефицита этого ФЛ у E. coli при реакции на стресс происходят морфофизиологические трансформации в клетке, однако у этих мутантов выявлена более длинная цепь антигена О, которая восстанавливалась после индукции гена clsA, кодирующего синтез КЛ-синтазы, а также (в отличие от дефицита ФЭ) снижение способности к формированию биопленки, устойчивости к воздействию перекиси водорода и щелочной рН, осмотическому стрессу и органическим растворителям [11][20]. Кроме того, дефицит КЛ приводил к нарушению организации и активности мембранных белков, участвующих в окислительном фосфорилировании у бактерий [12].

Появление новых сведений о специфических мембранных функциях ФЛ произошло благодаря формированию единого комплексного подхода к изучению их роли в физиологии бактерий [8]. Результаты использования молекулярно-генетических подходов и методов микробиологической визуализации, полученные в последние годы, позволили установить, что нарушение ФЛ-гомеостаза приводит к выраженным изменениям макромолекулярного состава бактериальных клеток, сопровождаемым эндогенным стрессом и выраженным плейотропным клеточным эффектом [20][26]. Кроме того, комплексное изучение ФЛ-зависимой бактериальной адаптации выявило важность липидного состава бактериальных мембран для поддержания формы и размера клеток, а также их связь с метаболизмом при экзогенном стрессе [8][20][27].

Эти ФЛ-зависимые эффекты включают не только изменения мембранных транспортно-синтетических путей, но и, как показало изучение генетически измененных штаммов, замедление скорости биосинтеза мембран, нарушение клеточной адгезии [20][26].

Например, экспериментальные исследования E. Mileykovskaya с коллегами на изолятах с нокаутированными генами Δ pssA и Δ clsA показали, что у бактериальных клеток, лишенных ФЭ или КЛ, происходило увеличение гетерогенности размеров и полиморфности в условиях сниженной доступности питательных веществ [24]. Кроме того, нарушение ФЛ-гомеостаза приводило к нарушению формирования биопленки, реализации множественных путей защитных стратегий против внешних стрессов окружающей среды, повышению чувствительности к антимикробным веществам [20][24].

В другом исследовании D.K. Giles с коллегами установили, что когда клетки Гр-возбудителя холеры Vibrio cholerae подвергались воздействию желчи, у них наблюдалось сопутствующее изменение уровней ФЭ (снижение) и КЛ (увеличение) с последующим ремоделированием клеточных мембран [26]. Аналогичные мембранные трансформации происходят и у других Гр-патогенов при взаимодействии с иммунной системой макроорганизма или при воздействии антимикробных веществ [20].

V.W. Rowlett с коллегами установили, что механизм, побуждающий к началу изменения ФЛ-гомеостаза у бактерий и последующей мембранной реструктуризации, связан с активацией двухкомпонентных систем PhoPQ и PmrAB, реагирующих на внешние стрессоры и запускающих экспрессию соответствующих генов [8]. В недавнем исследовании, проведенном авторами, было показано, что при нарушении синтеза мембранных ФЛ активация PhoPQ в стрессовых условиях не происходит, бактериальные клетки теряют способность к ремоделированию мембран и реализации многочисленных механизмов ответа на стресс [8].

Фосфолипидные домены клеточных мембран и классическая модель «жидкой мозаики»

В последние годы появилась новая фундаментальная концепция, уточняющая классическую молекулярную флюидно-мозаичную модель («жидкой мозаики») клеточных структур (Singer–Nicolson), которая была предложена около полувека назад [4]. Эта старая, но остающаяся в силе модель основана на постулате о диффузионной подвижности и равномерном распределении в однородной клеточной мембране двойного липидного слоя, являющегося «морем липидов» с плавающими в нем белками [2][4] (рисунок, а).

В начале XXI в. эта модель была расширена и дополнена рядом принципиальных положений. Установлено, что сложная архитектоника КС и мембран не является «морем липидов», а основана на специфической локализации высокоуровневых макромолекулярных доменов, обеспечивающих многие клеточные функции, имеющие ключевое значение для сохранения жизнеспособности бактерий [3][6][22] (рисунок, б).

Например, в экспериментальных исследованиях с применением флюоресцентных зондов были открыты области мембранных ФЛ-доменов, отличающихся по своему липидному составу (липидные домены) [6][20][25], и рафты (плоты) [28], различные по физическим характеристикам (отрицательной или положительной кривизне) [27] или электрическим потенциалом [26]. Эти исследования показали важнейшую роль ФЛ-доменов для клеток и поставили под сомнение флюидно-мозаичную модель Singer–Nicolson сначала для эукариотических [22][24], а позднее — для бактериальных клеток, где эти домены играют роль мишеней для специфической локализации белковых комплексов [11][15][29].

Современные исследования [15][18][22] с использованием масс-спектрометрии и тандемной масс-спектрометрии на моделях E. coli, Р. aeruginosa и B. subtilis показали, что ФЛ-состав бактериальных мембран может резко изменяться в процессе жизненного цикла бактерий. Как показали исследования, проведенные с помощью мембранных модельных систем и гидрофобного флюоресцентного красителя 10-N-ноналакридинового оранжевого, расположение в бактериальных мембранах КЛ-доменов неравномерно — преимущественно в полярных и перегородочных областях, что обеспечивает выполнение ими специфических функций [19][20][25].

При воздействии на бактерии аминогликозидов происходило перемещение и кластеризация КЛ-доменов без изменения текучести мембран. При этом реализовались функции, контролируемые КЛ: ингибирование дыхательной цепи и изменения формы бактерий (уменьшение длины и увеличение кривизны) [21][23][24]. Эти результаты представляют большой интерес для разработки новых перспективных антимикробных стратегий, нацеленных на ингибирование синтеза КЛ.

При исследовании доменов ФГ в основном использовались ФЛ-специфические катионные красители серии FM (FM4-64, FM1-43 и FM5-95), которые локализовались в спиральных липидных структурах клеточной мембраны в клетках B. subtilis, где индуцировалась экспрессия гена pgsA [6][11][20]. Выявлено, что преимущественная локализация ФГ в спиральных структурах B. subtilis сопровождалась увеличением концентрации в этих паттернах и ключевых белков клеточного деления FtsA и FtsZ [6].

Эти открытия побудили исследовать локализацию ФЭ с циклическим пептидным зондом Ro09- 0198, который специфически связывается с этими ФЛ [1][8][9]. Обработка биотинилированным Ro09- 0198 с последующим конъюгированным с тетраметил-родамином стрептавидином показала, что ФЭ-домены локализуются в перегородочных мембранах вегетативных клеток E. coli, а также в мембранах полярной перегородки и оболочечных мембранах спорулирующих клеток B. subtilis. В этих же клеточных паттернах локализовались и большинство фосфатидилсеринсинтаз, катализирующих синтез данных ФЛ [28][30].

Важной особенностью современной концепции строения клеточной мембраны стало открытие липидных рафтов (плотов) — микродоменов — локализации вокруг определенных сигнальных белков определенных видов липидов. Эти кластеры липидного бислоя, вкрапленные на поверхности ФЛ, были в начале XXI в. обнаружены в эукариотических клетках (что было расценено как эволюция клеточной сложности), где определены их сигнальные функции. В последующие годы эквивалентные микродомены выявлены и в бактериальных клетках [25][27].

Используя метод жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрическим анализом, исследователи обнаружили у B. subtilis функциональную скваленсинтазу YisP, кодируемую геном yisp. Дальнейшие исследования показали, что функциональные липидные рафты в бактериальных мембранах, как и в эукариотических, координируют клеточные сигнальные пути секреции белков и их транспорта, обеспечивая адаптационные реакции и жизнеспособность МО [25][29]. Кроме того, обнаружено, что некоторые патогенные бактерии выработали ряд механизмов использования липидных рафтов для проникновения в клетки макроорганизмов и индукции инфекционных заболеваний [27][28].

Открытие рафтов в составе мембран позволило по-новому взглянуть на известную проблему современной мембранологии — зависимость функционирования мембранных белков от липидного состава мембран, сбалансированного таким образом, чтобы создать необходимые условия для корректной и эффективной работы мембранных белков. Высокое содержание сигнальных белков в рафтовой зоне свидетельствует об их участии в регуляции мембранных процессов [27].

Таким образом, благодаря современным аналитическим технологиям было установлено, что многие макромолекулы в бактериальных клетках имеют специфическую локализацию. В частности, наличие определенных мембранных ФЛ-доменов является важным дополнением существующей классической модели «жидкой мозаики». Изучение значения этих кластеров для жизнеспособности бактериальных клеток еще не закончено, но уже установлено, что эти домены и рафты играют ведущую роль в обеспечении важнейших клеточных процессов, включая деление, передачу сигналов, споруляцию, включение адаптивных реакций на внешние стрессоры и др.

Фосфолипидные домены и современные антимикробные стратегии

Бактериальные мембраны представляют собой основной барьер, защищающий внутриклеточные структуры от антимикробных агентов, и поэтому являются главными мишенями в механизмах токсического действия многих антибиотиков [1][2][8]. Их воздействие направлено на повреждение или разрушение бактериальных мембран, что является следствием нарушения организации липидного бислоя [28][30].

Однако в последние десятилетия увеличивающаяся антибиотикорезистентность патогенных МО все чаще снижает эффективность проводимого этиологического лечения бактериальных инфекций и стимулирует разработку альтернативных антибактериальных технологий [23].

Недавно была предложена новая антимикробная стратегия, связанная с использованием антимикробных поликатионных агентов, специфический механизм действия которых направлен на разделение анионных липидных кластеров. Это приводит к образованию в мембране сквозных дефектов (пор) в результате замедления диффузных процессов и фазового перехода в области ФЛ-доменов и липидных рафтов, а также их последующей сегрегации [28][29].

Указанные трансформации вызывают, с одной стороны, повышение проницаемости мембран для антимикробных агентов и дестабилизациию структуры бислоя, а с другой стороны, разрушение липидных макромолекул, что снижает жизнеспособность бактерий [28]. В качестве перспективных поликатионных агентов в последние годы изучается использование некоторых антимикробных пептидов [29].

Заключение

Обобщая полученные данные, можно сделать вывод, что ФЛ-гомеостаз имеет ключевое значение для жизнеобеспечения сложной системы адаптации МО, управления механизмами ремоделирования клеточных мембран. В последние десятилетия одним из главных достижений в концепции модели биологических мембран на основе «жидкой мозаики» стало понимание их доменной структуры. В свете новой концепции все большее внимание уделяется изучению ФЛ-кластеров бактериальных мембран, что имеет фундаментальное и практическое значение.

Дальнейшие исследования механизмов обнаружения и интегрирования сигналов из окружающей среды определяются важностью эффективного функционирования ФЛ-доменов, и раскроют патогенетический механизм многих заболеваний: атеросклероза, рака, диабета, болезни Альцгеймера и др.

Новые представления о непосредственном и активном участии мембранных ФЛ в реализации защитных стратегий бактериальной клетки имеют важное значение для последующей разработки новых мишеней — ФЛ-доменов — для антимикробной терапии в условиях угрожающего роста резистентности МО к традиционным антибиотикам. Современные инновационные стратегии нацелены на анионные ФЛ-домены с помощью некоторых катионных антимикробных пептидов, которые нарушают их стабильность и снижают жизнеспособность бактерий.

1. Sohlenkamp C., Geiger O. Bacterial membrane lipids: diversity in structures and pathways. FEMS Microbiol. Rev. 2016; 40(1): 133–59. https://doi.org/10.1093/femsre/fuv008

2. Dörr T., Moynihan P.J., Mayer C. Editorial: bacterial cell wall structure and dynamics. Front. Microbiol. 2019; 10: 2051. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.02051

3. Abellón-Ruiz J., Kaptan S.S., Baslé A., Claudi B., Bumann D., Kleinekathöfer U., et al. Structural basis for maintenance of bacterial outer membrane lipid asymmetry. Nat. Microbiol. 2017; 2(12): 1616–23. https://doi.org/10.1038/s41564-017-0046-x

4. Nicolson G.L. The Fluid-Mosaic Model of Membrane Structure: still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years. Biochim. Biophys. Acta. 2014; 1838(6): 1451–66. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2013.10.019

5. Slavetinsky C., Kuhn S., Peschel A. Bacterial aminoacyl phospholipids – biosynthesis and role in basic cellular processes and pathogenicity. Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Biol. Lipids. 2017; 1862(11): 1310–8. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2016.11.013

6. Barák I., Muchová K. The role of lipid domains in bacterial cell processes. Int. J. Mol. Sci. 2013; 14(2): 4050–65. https://doi.org/10.3390/ijms14024050

7. Dalebroux Z.D. Cues from the membrane: bacterial glycerophospholipids. J. Bacteriol. 2017; 199(13): e00136-17. https://doi.org/10.1128/JB.00136-17

8. Rowlett V.W., Mallampalli V.K.P.S., Karlstaedt A., Dowhan W., Taegtmeyer H., Margolin W., et al. Impact of membrane phospholipid alterations in Escherichia coli on cellular function and bacterial stress adaptation. J. Bacteriol. 2017; 199(13): e00849-16. https://doi.org/10.1128/JB.00849-16

9. Vitrac H., Mallampalli V.K.P.S., Dowhan W. Importance of phosphorylation/dephosphorylation cycles on lipid-dependent modulation of membrane protein topology by posttranslational phosphorylation. J. Biol. Chem. 2019; 294(49): 18853–62. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.010785

10. Bishop R.E. Phospholipid middle management. Nat. Microbiol. 2019; 4(10): 1608–9. https://doi.org/10.1038/s41564-019-0570-y

11. Sastre D.E., Basso LG.M., Trastoy B., Cifuente J.O., Contreras X., Gueiros-Filho F., et al. Membrane fluidity adjusts the insertion of the transacylase PlsX to regulate phospholipid biosynthesis in Gram-positive bacteria. J. Biol. Chem. 2020; 295(7): 2136–47. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011122

12. Exterkate M., Caforio A., Stuart M.C.A., Driessen A.J.M. Growing membranes in vitro by continuous phospholipid biosynthesis from free fatty acids. ACS Synth. Biol. 2018; 7(1): 153–65. https://doi.org/10.1021/acssynbio.7b00265

13. Tang Y., Xia H., Li D. Membrane phospholipid biosynthesis in bacteria. In: Cao Y., eds. Advances in Membrane Proteins. Singapore: Springer; 2018: 77–119. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0532-0_4

14. Danne L., Aktas M., Unger A., Linke W.A., Erdmann R., Narberhaus F. Membrane remodeling by a bacterial phospholipid-methylating enzyme. mBio. 2017; 8(1): e02082-16. https://doi.org/10.1128/mBio.02082-16

15. Parsons J.B., Rock C.O. Bacterial lipids: metabolism and membrane homeostasis. Prog. Lipid Res. 2013; 52(3): 249–76. https://doi.org/10.1016/j.plipres.2013.02.002

16. Shrivastava R., Jiang X., Chng S.S. Outer membrane lipid homeostasis via retrograde phospholipid transport in Escherichia coli. Mol. Microbiol. 2017; 106(3): 395–408. https://doi.org/10.1111/mmi.13772

17. Coleman G.A., Pancost R.D., Williams T.A. Investigating the origins of membrane phospholipid biosynthesis genes using outgroup-free rooting. Genome Biol. Evol. 2019; 11(3): 883–98. https://doi.org/10.1093/gbe/evz034

18. Tan Z., Khakbaz P., Chen Y., Lombardo J., Yoon J.M., Shanks J.V., et al. Engineering Escherichia coli membrane phospholipid head distribution improves tolerance and production of biorenewables. Metab. Eng. 2017; 44: 1–12. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2017

19. Dowhan W. Understanding phospholipid function: why are there so many lipids? J. Biol. Chem. 2017; 292(26): 10755–66. https://doi.org/10.1074/jbc.X117.794891

20. Robertson R.M., Yao J., Gajewski S., Kumar G., Martin E.W., Rock C.O., et al. A two-helix motif positions the active site of lysophosphatidic acid acyltransferase for catalysis within the membrane bilayer. Nat. Struct. Mol. Biol. 2017; 24(8): 666–71. https://doi.org/10.1038/nsmb.3436

21. Lin T.Y., Gross W.S., Auer G.K., Weibel D.B. Cardiolipin alters Rhodobacter sphaeroides cell shape by affecting peptidoglycan precursor biosynthesis. mBio. 2019; 10(1): e02401-18. https://doi.org/10.1128/mBio.02401-18

22. Tan B.K., Bogdanov M., Zhao J., Dowhan W., Raetz C.R.H., Guan Z. Discovery of a novel cardiolipin synthase in Escherichia coli utilizing phosphatidylethanolamine and phosphatidylglycerol as substrates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109(41): 16504–9. https://doi.org/10.1073/pnas.1212797109

23. El Khoury M., Swain J., Sautrey G., Zimmermann L., Van Der Smissen P., Décout J.L., et al. Targeting bacterial cardiolipin enriched microdomains: an antimicrobial strategy used by amphiphilic aminoglycoside antibiotics. Sci. Rep. 2017; 7(1): 10697. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10543-3

24. Mileykovskaya E., Ryan A.C., Mo X., Lin C.C., Khalaf K.I., Dowhan W., et al. Phosphatidic acid and N-acylphosphatidylethanolamine form membrane domains in Escherichia coli mutant lacking cardiolipin and phosphatidylglycerol. J. Biol. Chem. 2009; 284(5): 2990–3000. https://doi.org/10.1074/jbc.M805189200

25. Pogmore A.R., Seistrup K.H., Strahl H. The Gram-positive model organism Bacillus subtilis does not form microscopically detectable cardiolipin-specific lipid domains. Microbiology. 2018; 164(4): 475–82. https://doi.org/10.1099/mic.0.000639

26. Giles D.K., Hankins J.V., Guan Z., Trent M.S. Remodelling of the Vibrio cholerae membrane by incorporation of exogenous fatty acids from host and aquatic environments. Mol. Microbiol. 2011; 79(3): 716–28. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2010.07476.x

27. Bramkamp M., Lopez D. Exploring the existence of lipid rafts in bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2015; 79(1): 81–100. https://doi.org/10.1128/MMBR.00036-14

28. Epand R.M., Epand R.F. Lipid domains in bacterial membranes and the action of antimicrobial agents. Biochim. Biophys. Acta. 2009; 1788(1): 289–94. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.08.023

29. Matsuzaki K., ed. Antimicrobial Peptides: Basics for Clinical Application. Kyoto: Springer; 2019.

30. Ursell T.S., Klug W.S., Phillips R. Morphology and interaction between lipid domains. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009; 106(32): 13301–6. https://doi.org/10.1073/pnas.0903825106


Молекулярные экспрессии Клеточная биология: Структура клеток бактерий



Структура клеток бактерий

Они настолько не связаны с людьми, насколько могут быть живые существа, но бактерии необходимы для жизни человека и жизни на планете Земля. Хотя они печально известны своей ролью в возникновении болезней человека, от кариеса до черной чумы, существуют полезные виды, которые необходимы для хорошего здоровья.

Например, один вид, живущий в симбиозе в толстой кишке, вырабатывает витамин К, важный фактор свертывания крови. Другие виды полезны косвенно. Бактерии придают йогурту острый вкус, а хлебу на закваске — кислый вкус. Они позволяют жвачным животным (коровам, овцам, козам) переваривать растительную клетчатку, а некоторым растениям (соя, горох, люцерна) преобразовывать азот в более полезную форму.

Бактерии — это прокариоты, у которых отсутствуют четко очерченные ядра и связанные с мембраной органеллы, а хромосомы состоят из одного замкнутого кольца ДНК.Они бывают разных форм и размеров, от крошечных сфер, цилиндров и спиральных нитей до жгутиковых стержней и нитевидных цепочек. Они встречаются практически повсюду на Земле и обитают в одних из самых необычных и, казалось бы, негостеприимных мест.

Данные показывают, что бактерии существовали 3,5 миллиарда лет назад, что делает их одним из древнейших живых организмов на Земле. Еще старше бактерий являются археи (также называемые архебактериями) крошечные прокариотические организмы, которые живут только в экстремальных условиях: кипящая вода, суперсоленые бассейны, извергающие серу вулканические жерла, кислая вода и глубоко во льду Антарктиды.Сейчас многие ученые считают, что археи и бактерии развились отдельно от общего предка почти четыре миллиарда лет назад. Миллионы лет спустя предки сегодняшних эукариот отделились от архей. Несмотря на внешнее сходство с бактериями, биохимически и генетически археи так же отличаются от бактерий, как бактерии от человека.

В конце 1600-х годов Антони ван Левенгук стал первым, кто начал изучать бактерии под микроскопом. В девятнадцатом веке французский ученый Луи Пастер и немецкий врач Роберт Кох продемонстрировали роль бактерий как патогенов (вызывающих болезни).Двадцатый век ознаменовался многочисленными достижениями в области бактериологии, что свидетельствует об их разнообразии, древнем происхождении и общем значении. В частности, ряд ученых со всего мира внесли свой вклад в область микробной экологии, показав, что бактерии необходимы для пищевых сетей и для общего состояния здоровья экосистем Земли. Открытие того, что некоторые бактерии производят соединения, смертельные для других бактерий, привело к разработке антибиотиков, которые произвели революцию в области медицины.

Существует два разных способа группировки бактерий. Их можно разделить на три типа в зависимости от их реакции на газообразный кислород. Аэробные бактерии нуждаются в кислороде для своего здоровья и существования и умрут без него. Анаэробные бактерии вообще не переносят газообразный кислород и погибают при его воздействии. Факультативные анераобы предпочитают кислород, но могут жить и без него.

Второй способ группировки — по тому, как они получают свою энергию. Бактерии, которым приходится потреблять и расщеплять сложные органические соединения, являются гетеротрофами.Сюда входят виды, которые встречаются в разлагающемся материале, а также те, которые используют ферментацию или дыхание. Бактерии, которые создают свою собственную энергию, подпитываемую светом или химическими реакциями, являются автотрофами.

  • Капсула — Некоторые виды бактерий имеют третье защитное покрытие, капсулу, состоящую из полисахаридов (сложных углеводов). Капсулы выполняют ряд функций, но наиболее важными являются предотвращение высыхания бактерий и защита их от фагоцитоза (поглощения) более крупными микроорганизмами.Капсула является основным фактором вирулентности основных болезнетворных бактерий, таких как Escherichia coli и Streptococcus pneumoniae . Неинкапсулированные мутанты этих организмов авирулентны, т. е. не вызывают заболевания.

  • Клеточная оболочка — Клеточная оболочка состоит из двух-трех слоев: внутренней цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и — у некоторых видов бактерий — внешней капсулы.

  • Клеточная стенка — Каждая бактерия окружена жесткой клеточной стенкой, состоящей из пептидогликана, белково-сахарной (полисахаридной) молекулы. Стенка придает клетке форму и окружает цитоплазматическую мембрану, защищая ее от внешней среды. Это также помогает закреплять придатки, такие как пили и жгутики, которые берут начало в цитоплазматической мембране и выступают наружу через стенку. Прочность стенки отвечает за сохранение клетки от разрыва, когда существуют большие различия в осмотическом давлении между цитоплазмой и окружающей средой.

    Состав клеточной стенки бактерий сильно различается и является одним из наиболее важных факторов при анализе и дифференциации видов бактерий. Например, относительно толстая сетчатая структура, позволяющая различать два основных типа бактерий. Техника, разработанная датским врачом Гансом Христианом Грамом в 1884 году, использует технику окрашивания и промывки, чтобы различать две формы. При окрашивании по Граму грамположительные бактерии сохраняют пурпурный цвет пятна, потому что структура их клеточных стенок улавливает краситель.У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тонкая и легко выделяет краситель при промывании раствором спирта или ацетона.

  • Цитоплазма — В цитоплазме или протоплазме бактериальных клеток выполняются функции роста, метаболизма и репликации клеток. Это гелеобразная матрица, состоящая из воды, ферментов, питательных веществ, отходов и газов и содержащая клеточные структуры, такие как рибосомы, хромосомы и плазмиды. Клеточная оболочка покрывает цитоплазму и все ее компоненты.В отличие от эукариотических (настоящих) клеток, бактерии не имеют ядра, заключенного в мембрану. Хромосома, единая непрерывная цепь ДНК, локализована, но не содержится в области клетки, называемой нуклеоидом. Все остальные клеточные компоненты рассеяны по всей цитоплазме.

  • Один из этих компонентов, плазмиды, представляют собой небольшие внехромосомные генетические структуры, переносимые многими штаммами бактерий. Подобно хромосоме, плазмиды состоят из кольцевого фрагмента ДНК.В отличие от хромосомы они не участвуют в размножении. Только хромосома имеет генетические инструкции для инициации и осуществления клеточного деления, или бинарного деления, основного средства размножения у бактерий. Плазмиды реплицируются независимо от хромосомы и, хотя и не являются необходимыми для выживания, по-видимому, дают бактериям избирательное преимущество.

    Плазмиды передаются другим бактериям двумя путями. Для большинства типов плазмид копии в цитоплазме передаются дочерним клеткам во время бинарного деления.Другие типы плазмид, однако, образуют трубчатую структуру на поверхности, называемую пилусом, который передает копии плазмиды другим бактериям во время конъюгации, процесса, посредством которого бактерии обмениваются генетической информацией. Было показано, что плазмиды играют важную роль в передаче особых свойств, таких как устойчивость к антибиотикам, устойчивость к тяжелым металлам и факторы вирулентности, необходимые для заражения животных или растений-хозяев. Возможность вставлять определенные гены в плазмиды сделала их чрезвычайно полезными инструментами в областях молекулярной биологии и генетики, особенно в области генной инженерии.

  • Цитоплазматическая мембрана — Слой фосфолипидов и белков, называемый цитоплазматической мембраной, покрывает внутреннюю часть бактерии, регулируя поток веществ внутрь и наружу клетки. Это структурная черта, которую бактерии разделяют со всеми другими живыми клетками; барьер, который позволяет им избирательно взаимодействовать с окружающей средой. Мембраны высокоорганизованы и асимметричны, имеют две стороны, каждая из которых имеет разную поверхность и разные функции.Мембраны также динамичны, постоянно адаптируясь к различным условиям.

  • Жгутики — Жгутики (в единственном числе, жгутики) представляют собой волосовидные структуры, обеспечивающие передвижение тем бактериям, у которых они есть. Их можно найти на одном или обоих концах бактерии или по всей ее поверхности. Жгутики двигаются подобно пропеллеру, помогая бактерии двигаться к питательным веществам; вдали от ядохимикатов; или, в случае фотосинтезирующих цианобактерий; к свету.

  • Нуклеоид — Нуклеоид представляет собой область цитоплазмы, где расположена хромосомная ДНК. Это не связанное с мембраной ядро, а просто область цитоплазмы, где находятся нити ДНК. Большинство бактерий имеют одну кольцевую хромосому, отвечающую за репликацию, хотя у некоторых видов их две или более. Меньшие кольцевые вспомогательные нити ДНК, называемые плазмидами, также находятся в цитоплазме.

  • Пили — Многие виды бактерий имеют пили (единственные, пилусы), небольшие волосовидные выступы, выходящие из внешней поверхности клетки.Эти выросты помогают бактериям прикрепляться к другим клеткам и поверхностям, таким как зубы, кишечник и камни. Без пили многие болезнетворные бактерии теряют способность заражать, потому что они не могут прикрепляться к ткани хозяина. Для конъюгации используются специализированные пили, в ходе которых две бактерии обмениваются фрагментами плазмидной ДНК.

  • Рибосомы — Рибосомы представляют собой микроскопические «фабрики», находящиеся во всех клетках, включая бактерии. Они переводят генетический код с молекулярного языка нуклеиновых кислот на язык аминокислот — строительных блоков белков.Белки – это молекулы, выполняющие все функции клеток и живых организмов. Бактериальные рибосомы аналогичны рибосомам эукариот, но меньше по размеру и имеют несколько иной состав и молекулярную структуру. Бактериальные рибосомы никогда не связаны с другими органеллами, как это иногда бывает (связано с эндоплазматическим ретикулумом) у эукариот, а представляют собой автономные структуры, распределенные по всей цитоплазме. Между бактериальными рибосомами и эукариотическими рибосомами существует достаточно различий, так что некоторые антибиотики будут подавлять функционирование бактериальных рибосом, но не эукариотических, таким образом убивая бактерии, но не эукариотические организмы, которые они заражают.

НАЗАД В КЛЕТОЧНУЮ СТРУКТУРУ ДОМАШНЯЯ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашим

Группа графического и веб-программирования
в сотрудничестве с Optical Microscopy в
Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Количество обращений с 1 октября 2000 г.: 3006635
Микроскопы предоставлены:

Структура и функция бактериальной клетки

Бактерии – одноклеточные прокариотические организмы.Бактериальная клетка имеет более простое внутреннее строение. В нем отсутствуют все связанные с мембраной клеточные органеллы, такие как митохондрии, лизосомы, Гольджи, эндоплазматический ретикулум, хлоропласты, пероксисомы, глиоксисомы и настоящие вакуоли. У бактерий также отсутствуют истинные связанные с мембраной ядро ​​и ядрышко. Бактериальное ядро ​​известно как нуклеоид.

Типичная бактериальная клетка имеет следующую структуру.

A. Структура Наружная клеточная стенка
  1. Капсула
  2. Жгутики
  3. Пили
  4. Оболочка
  5. Протез
  6. Стебли

Б.Структура Внутренняя клеточная стенка
  1. Клеточная стенка
  2. Цитоплазматическая мембрана
  3. Нуклеоид
  4. Мезосома
  5. Рибосома
  6. цитоплазма
  7. Спора

1. Капсула:
  • Капсула представляет собой вязкий слой толщиной 0,2 мкм, внешний слой к клеточной стенке.
  • Капсула
  • на 98 % состоит из воды и на 2 % из полисахарида или гликопротеина/полипептида, или того и другого.
  • Есть два типа капсул.

я. Макрокапсула: толщина 0,2 мкм или более, видимая под световым микроскопом

ii. Микрокапсула: толщина менее 0,2 мкм, видимая под электронным микроскопом

  • Капсула имеет очень нежную структуру. Его можно удалить энергичным промыванием. Капсула является наиболее важным фактором вирулентности бактерий.

Функция:

  • Помогает в прикреплении, а также предотвращает высыхание и высыхание клетки.
  • Капсула устойчива к фагоцитозу лейкоцитами

 2. Жгутики:
  • Представляет собой спиральную структуру размером 15-20 нм, выходящую из клеточной стенки.
  • Жгутики не прямые, а спиральные. Он состоит из белка флагеллина (глобулярного белка) и известен как Н-антиген.
  • Жгутик состоит из трех частей. Базальное тело, крючок и нить

Функция:

  • Способствует подвижности бактерий

3. Пили или фимбрии:
  • Пили представляют собой полые нитевидные и неспиралевидные структуры.
  • Они многочисленные и короче жгутиков
  • Пили — характерный признак грамотрицательных бактерий.
  • Пили состоит из белка пилина.
  • Бактерии, содержащие пили: Shigella, Proteus, Neisseria gonorrhoae, E. coli

Функция:

  • Прикрепление: пили помогают бактериям прикрепляться к поверхности клетки-хозяина. Большинство возбудителей болезней дыхательных путей, мочевыводящих путей человека прикрепляются с помощью пилей.
  • Пили (фимбры) обладают антигенным свойством
  • Специализированная функция: некоторые пили модифицированы для выполнения специализированной функции. Например. Половые ворсинки (F-пили) помогают в переносе ДНК от донора к клетке-реципиенту во время конъюгации.
  • F-пили также действуют как рецепторы для бактериофагов.

4. Оболочка:
  • Некоторые бактерии, образующие цепочки или трихомы, заключены в полую трубчатую структуру, известную как оболочка.
  • Водные бактерии в основном образуют оболочку
  • Некоторые бактерии с оболочкой; Сфаэротилус, лептотрикс, клонотрикс и др.

Функция:

  • Механическая опора
  • Иногда оболочку пропитывают гидроксидом железа или марганца, которые придают оболочке прочность.

5. Протезы:
  • Простеки представляют собой полужесткое продолжение клеточной стенки и клеточной мембраны
  • Одна бактерия может содержать один или несколько протезов.
  • У некоторых протезов на кончике развивается зачаток, что способствует размножению.
  • Некоторые простекатные бактерии: Caulibacter, Stella, Prosthecobacter, Hyphomicrobium

Функция:

  • Prosthecae увеличивает площадь поверхности для поглощения питательных веществ.Обычно он образуется у бактерий, живущих в очень разбавленной среде, где концентрация питательных веществ невелика.
  • Способствует склеиванию
  • Бесполое размножение почкованием

6. Стержень:
  • Это неживая лентовидная трубчатая структура.
  • Образуется экскреторным продуктом бактерий.
  • Некоторые стебельчатые бактерии: Gallionella, Planctomyces

Функция:

  • Помогает прикрепить к твердой поверхности.

7. Клеточная стенка:
  • Это важная структура бактерий.
  • Придает форму организму.
  • На основании состава клеточной стенки бактерии делятся на две основные группы, т.е. Грамположительные и грамотрицательные.

Грамположительная клеточная стенка

Состав клеточной стенки грамположительных бактерий.

  1. Пептидогликан
  2. Липид

Грамотрицательная клеточная стенка

Состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий

  1. Пептидогликан
  2. Наружная мембрана:
    • Липид
    • Белок
    • Липопописахарид (ЛПС)

Пептидогликан:

  • Он состоит из гликанового остова, образованного повторяющимся звеном NAG (н-ацетилглюкозамина) и NAM (N-ацетилмурамовой кислоты), а гликановый остов сшит пептидной связью.
  • Пептидогликановый слой присутствует в клеточной стенке как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Однако грамположительные имеют толстый слой пептидогликана.

Тейхоевая кислота:

  • Тейхоевая кислота представляет собой водорастворимый полимер глицерина или рибитола фосфата, присутствующий в грамположительных бактериях.
  • Составляет около 50% сухой массы клеточной стенки.
  • Является основным поверхностным антигеном грамположительных бактерий

Наружная мембрана:

  • Это дополнительный слой, присутствующий у грамотрицательных бактерий.
  • Он состоит из двойного липидного слоя, белка и липополисахарида (ЛПС)

ЛПС:

  • ЛПС состоит из липида-А и полисахарида.
  • Липид-А: это фосфорилированный дисахарид глюкозамина. Антигенен
  • Полисахарид: состоит из ядра-полисахарида и О-полисахарида.

8. Клеточная мембрана:
  • Клеточная мембрана представляет собой внутренний слой, лежащий внутри клеточной стенки и окружающий цитоплазму.
  • Он также известен как цитоплазматическая мембрана или плазматическая мембрана.
  • Толщина около 80 нм.
  • Клеточная мембрана бактерий состоит из фосфолипидов и белков.

Функция:

  • Обладает избирательной проницаемостью, поскольку позволяет пропускать через себя селективные вещества, такие как сахар, аминокислоты.

9. Ядро:
  • Ядро – важнейшая часть клетки.
  • Он контролирует и направляет всю клеточную деятельность и хранит наследственную информацию клетки
  • Бактериальное ядро ​​известно как нуклеоид; у него отсутствуют ядерная оболочка, нуклеоплазма и ядрышко.
  • Бактериальная ДНК является голой (отсутствует гистоновый белок)

Функция:

  • Содержит и хранит наследственную информацию клетки.
  • Он контролирует все действия ячеек.

10. Рибосома:
  • Бактериальная рибосома типа 70s.
  • Рибосомы представляют собой округлые гранулы, свободно плавающие в цитоплазме
  • Рибосомы известны как универсальные клеточные органеллы, поскольку они обнаружены как в бактериальной, так и в эукариотической клетке.
  • Химически рибосомы состоят из нуклеиновых кислот (особенно РНК и белков).

Функция:

  • Помогает в синтезе белка

 11. Мезосома:
  • Мезосома представляет собой сферическую или круглую мешкообразную структуру, обычно встречающуюся у грамположительных бактерий.
  • Функция: Это место дыхания в бактериальной клетке

12. Цитоплазма:
  • Бесцветная вязкая жидкость внутри клеточной мембраны.
  • Все клеточные органеллы и включения плавают в цитоплазматической жидкости.
  • Содержит белки, липиды, минералы, нуклеиновые кислоты, гликоген, воду и т. д.

Функция:

  • Помогает распределять воду, кислород и другие вещества по клетке.
  • Буквально все клеточное содержимое, включая ядро ​​и другие клеточные органеллы, плавает в цитоплазме.

13. Споры (эндоспоры):
  • Спора представляет собой метаболически спящую структуру, образующуюся в неблагоприятных условиях в результате процесса, называемого споруляцией
  • Спороношение происходит во время поздней логарифмической фазы или ранней стационарной фазы
  • При благоприятных условиях споры прорастают, образуя вегетативную клетку.

Структура и функция бактериальной клетки

Структура и функция бактериальной клетки

Бактерии (в единственном числе: бактерия) — это прокариотические, как правило, одноклеточные организмы, существующие в виде одиночных клеток или скоплений клеток. Они относятся к числу организмов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Таким образом, их можно увидеть только с помощью микроскопа. Исключением являются Thiomargarita и Epulopiscium , которые видны без микроскопа.

Присутствие бактерий можно считать повсеместным. Они, безусловно, самые распространенные микроорганизмы и присутствуют практически везде. Бактерии растут во множестве сред, от горячих серных источников (65°C) до морозильных камер (-20°C), от высокой (pH 1) до низкой (pH 13) кислотности и от высокой (0,7 мкм) до низкой осмолярности ( вода). Кроме того, они могут расти как в богатых питательными веществами (компост), так и в бедных (дистиллированная вода) условиях. Следовательно, хотя каждый организм уникально подходит для своей особой экологической ниши и редко вырастает из нее.

Большинство бактерий не вызывают заболеваний, но служат полезными падальщиками при расщеплении органических веществ и их ресинтезе в живых организмах; они необходимы в жизненном цикле. Способность проникать в ткани и вызывать заболевания у людей, других животных и растений рассматривается большинством бактериологов как форма отклонения, поскольку она обречена на провал; то есть хозяин уничтожен вторжением.

В этой статье кратко рассматриваются основные клеточные структуры, обычно встречающиеся у бактерий.Он даст ответы на следующие вопросы.

  1. Каково строение бактериальной клетки?
  2. Что находится в бактериальной клетке?
  3. Каковы общие характеристики бактерий?
  4. Каков типичный размер бактериальной клетки?
  5. Каковы функции слоев слизи и капсул?
  6. Чем отличаются капсулы и слои слизи?
  7. Каким образом бактериальная капсула или слизистый слой способствуют патогенности?
  8. Какова функция клеточной стенки?
  9. Какова функция жгутиков в бактериальной клетке?
  10. Каково различное расположение бактериальных жгутиков?
  11. Как классифицируют бактерии по количеству и расположению жгутиков?
  12. В чем функциональная разница между жгутиками и пили?
  13. Что такое фимбрии и какова их функция?
  14. Какова функция фимбрий в бактериальной клетке?
  15. Какова функция пилей?
  16. В чем разница между пилями и фимбриями?
  17. Из чего состоит цитоплазматическая мембрана?
  18. Где находится цитоплазматическая мембрана в клетке?
  19. Какова функция цитоплазматической мембраны?
  20. Что такое мезосома у прокариот?
  21. Какова функция мезосом у бактерий?
  22. Где находится цитоплазма?
  23. Какова функция цитоплазмы?
  24. Какова функция рибосомы в бактериальной клетке?
  25. Какие типы рибосом встречаются у бактерий?
  26. Какова функция нуклеоида?
  27. Чем отличается ядро ​​от нуклеоида?
  28. Какие бывают типы телец включения?
  29. Какова функция телец включения?
  30. Что такое плазмида и ее функция?

Типичная бактериальная клетка

Бактерии, будучи прокариотическими по своей природе, намного проще по сравнению с эукариотической клеткой.В дополнение к этому они имеют три отличительных характерных признака, а именно:

  1. обширный эндоплазматический ретикулум
  2. по существу не имеет связанного с мембраной ядра, а
  3. митохондрии

Большая часть структуры бактериальной клетки хорошо изучена благодаря успехам, зарегистрированным в специальных гистологических методах и электронной микроскопии.

Различные виды бактерий имеют разную форму и размер, но обычно бактерии имеют диапазон размеров 0.диаметром от 5 мкм до 0,3 мкм и длиной от 0,5 мкм до 10 мкм. На приведенной ниже диаграмме показаны структуры и особенности типичной бактериальной клетки.

Схема бактериальной клетки с указанием структурных частей

Структура и функция бактериальной клетки

1. Слои и капсулы слизи

Внешняя поверхность бактериальной клетки состоит из слоя экскретируемого полисахаридного материала. Этот вязкий материал, который по существу образует покрывающий слой или своего рода оболочку вокруг материала клеточной стенки, называется слизистым слоем, если он рыхлый и слизистый.У некоторых видов бактерий материал плотный и жесткий, и в этом случае его называют капсулой.

Слой/капсула слизи обеспечивает защиту организма от неблагоприятных условий окружающей среды. Таким образом, он защищает клетку от высыхания, химических противомикробных агентов и антибиотиков, а также от фагоцитоза иммунными клетками.

В дополнение к своей защитной функции внеклеточные полисахариды (EPS) могут неизменно способствовать прикреплению бактерий друг к другу и к субстрату в биопленках (например, Streptococcus mutans ).Он также может функционировать в вирулентности. Streptococcus pneumoniae представляет собой классический пример, поскольку его патогенность зависит от его полисахаридной капсулы.

2. Клеточная стенка

Непосредственно под слоем клеточной поверхности (слоем слизи/капсулой) находится клеточная стенка. Клеточная стенка является одной из наиболее важных структур бактериальной клетки и одной из особенностей, отличающих ее от клеток животных.

Стенка бактериальной клетки выполняет две основные функции:

  1. Защищает клетку от осмотического разрыва, особенно в разбавленных средах, а также от некоторых возможных механических повреждений.Любое нарушение или неправильное формирование структуры клеточной стенки может привести к потере цитоплазматического содержимого и, следовательно, к гибели клетки.
  2. Он отвечает за жесткость и форму клеток, их последующее основное деление на грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы и их антигенные свойства.

Хотя у некоторых видов бактерий клеточная стенка может быть гибкой, обычно она имеет жесткую природу.

Бактериальная клеточная стенка состоит из специфического чередующегося расположения молекул N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, образующих гликановую цепь.Тетрапептидная цепочка аминокислот присоединена к каждой молекуле N-ацетилмурамовой кислоты, а пентаглициновые мостики связывают тетрапептидные цепочки соседней гликановой цепи. Полученная полимерная структура называется пептидогликаном или мураном.

Клеточная стенка на основе пептидогликана уникальна для бактерий. Он отсутствует в эукариотических клетках. Это цель действия некоторых антибиотиков, которые могут избирательно убивать бактерии практически без вреда для хозяина.

Читайте также: Микроорганизмы, представляющие фармацевтический интерес

3.Жгутики

Жгутики (в единственном числе: жгутики) относятся к нитевидным структурам, прикрепленным к поверхности некоторых бактерий. Они позволяют бактериям двигаться, а клетки без жгутиков неподвижны. Жгутики имеют диаметр примерно 0,01 мкм и длину 15 мкм. Они состоят из повторяющихся единиц простого белка, называемого флагеллином.

Там, где филамент входит в поверхность бактерии, в жгутике имеется крючок, который прикрепляется к поверхности клетки серией сложных белков, называемых жгутиковым мотором.Это вращает жгутик, как пропеллер, со скоростью до 300 раз в секунду, заставляя бактерию перемещаться в окружающей среде в 200 раз больше их собственной длины в секунду.

Количество жгутиков на бактериальную клетку зависит от вида бактерий. Некоторые из них имеют один полярный жгутик и поэтому описываются как монотрихи, тогда как другие имеют жгутики по всей своей поверхности (перитрихи). Одиночный жгутик (или несколько жгутиков) может отходить от обоих концов клетки — в таком случае бактерия называется амфитрихом.Также существуют пучковые промежуточные формы (лофотрихи), которые простираются от одного или обоих концов клетки.

Расположение жгутиков на поверхности бактериальных клеток

4. Бахромки

Подобно жгутикам, фимбрии состоят из белковых субъединиц. Фимбрии, однако, короче (3 мкм), тоньше и жестче, чем жгутики. Они не участвуют в подвижности, а служат инструментами прикрепления бактерий к поверхностям и тканям, особенно в процессе инфекции.Фимбрии также ответственны за гемагглютинацию и слипание клеток у бактерий. Среди наиболее охарактеризованных фимбрий — фимбрии I типа кишечных (кишечных) бактерий.

Чтобы продолжить чтение, нажмите на кнопки страницы ниже…

Интерактивная модель клетки бактерий

Бактерии (прокариоты) имеют простую структуру без узнаваемых органелл. У них есть внешняя клеточная стенка, которая придает им форму.Прямо под жесткой клеточной стенкой находится более жидкая клеточная мембрана. Цитоплазма, заключенная в клеточную мембрану, не имеет особой структуры при просмотре под электронным микроскопом. Используйте следующую анимацию, чтобы исследовать структуру бактерий.

Соединения

 

Нуклеоид : ДНК в бактериальной клетке обычно ограничена этой центральной областью. Хотя он не ограничен мембраной, он заметно отличается (с помощью трансмиссионной микроскопии) от остальной части внутренней части клетки.

Генофор : Генофор, иногда называемый бактериальной хромосомой, представляет собой длинную двойную цепь ДНК, обычно расположенную в одном большом круге. В него входит большая часть генетического материала организма (см. Плазмида).

Плазмида : Плазмиды представляют собой небольшие кольцевые фрагменты ДНК, обнаруженные в цитоплазме, которые содержат код, отвечающий за устойчивость к антибиотикам и другие характеристики. Плазмиды и связанные с ними признаки могут передаваться между бактериями, даже от одного вида бактерий к другому.

Цитоплазма : Этот внутренний «суп» бактериальной клетки ограничен снаружи клеточной оболочкой. Цитоплазма в основном состоит из воды, но внутри нее находятся бактериальные включения — нуклеоиды, плазмиды, рибосомы и запасающие гранулы, а также компоненты, необходимые для бактериального метаболизма.

Эндоспора : Некоторые бактерии могут выживать во враждебной среде, часто в течение длительного периода времени, благодаря объединению своего генетического материала в прочную внутреннюю структуру.Эндоспоры могут противостоять жаре, холоду, радиации и недостатку питания.

Рибосомы : Рибосомы придают цитоплазме бактерий зернистый вид на электронных микрофотографиях. Хотя эти включения меньше, чем рибосомы в эукариотических клетках, они имеют аналогичную функцию в переводе генетического сообщения в матричной РНК в производство пептидных последовательностей (белков).

Гранулы для хранения : Питательные вещества и запасы могут храниться в цитоплазме в форме гликогена, липидов, полифосфатов или, в некоторых случаях, серы или азота.

 

Начиная с самой внутренней структуры и продвигаясь наружу, бактерии имеют некоторые или все из следующих структур:

Плазменная мембрана : Это двойной липидный слой, очень похожий на цитоплазматическую (плазматическую) мембрану других клеток. Существует множество белков, движущихся внутри или над этим слоем, которые в первую очередь отвечают за перенос ионов, питательных веществ и отходов через мембрану.

Периплазматическое пространство : Этот клеточный компартмент встречается только у тех бактерий, которые имеют как наружную мембрану, так и плазматическую мембрану (например,грамм. грамотрицательные бактерии). В космосе находятся ферменты и другие белки, которые помогают переваривать и перемещать питательные вещества в клетку.

Клеточная стенка : Состоящая из пептидогликана (полисахариды + белок), клеточная стенка поддерживает общую форму бактериальной клетки. Три основные формы бактерий — это кокки (сферические), бациллы (палочковидные) и спириллы (спиральные). Микоплазмы — это бактерии, не имеющие клеточной стенки и, следовательно, не имеющие определенной формы.

Наружная мембрана : Этот двойной липидный слой встречается у грамотрицательных бактерий и является местонахождением липополисахарида (ЛПС) в этих бактериях.У грамположительных бактерий этот слой отсутствует. ЛПС может быть токсичным для хозяина и может стимулировать иммунную систему хозяина.

Капсула : Этот слой полисахарида (иногда белков) защищает бактериальную клетку и часто ассоциируется с патогенными бактериями, поскольку служит барьером против фагоцитоза лейкоцитами. Капсулы можно увидеть, рассматривая бактерии в чернилах.

 

Бактерии могут иметь следующие придатки.

Пили, Fimbriae : Эти полые волосовидные структуры, состоящие из белка, позволяют бактериям прикрепляться к другим клеткам. Специализированный пилус, половой пилус, позволяет переносить плазмидную ДНК из одной бактериальной клетки в другую. Пили (пес., pilus) также называют фимбриями (sing., fimbria).

Жгутики : Целью жгутиков (песн., жгутик) является подвижность. Жгутики представляют собой длинные придатки, которые вращаются с помощью «мотора» в клеточной оболочке. Бактерии могут иметь один, несколько или множество жгутиков в разных местах клетки.

 

4: Клетки: структура и функции (в основном бактериальные)

Био 440: Структура прокариотических/бактериальных клеток: Глава 4 Тортора

См. схемы раздаточных материалов к лекциям


деление

  • -метаболизм
  • -ДНК и РНК
  • -рибосомы для синтеза белка
  • -синтез цитоплазматических мембран
  • -подробнее…

  • II.Вирусы НЕ являются клетками

    • Вирусы являются «бесклеточными»: Вирусы не обладают клеточными характеристиками (нарушают все перечисленные выше характеристики) и поэтому не считаются клеточными. Вирусы считаются бесклеточными микробными агентами.
    • Вирусы являются облигатными внутриклеточными паразитами: Вирусы являются облигатными внутриклеточными паразитами, поскольку они могут размножаться только внутри клетки-хозяина. (обратите внимание, что некоторые клеточные бактерии также являются облигатными внутриклеточными паразитами, например Rickettsia и Chlamydia)


    III.Структура прокариотической клетки: см. диаграммы из лекции

    • — «про» — перед карионом; орех/ядро ~ядро
    • -прокариоты лишены мембраносвязанного ядра и других мембраносвязанных органелл
    • -одноклеточные
    • -первые эволюционировавшие клетки ~3,8 млрд лет назад (bya = миллиард лет назад)
    • -размер: «Необычные гиганты»
    • E. Coli ~ 1,0 мкм х 2,0 мкм
    • 1985: EuupulopiScium Fishelsoni ~ 600 мкм
    • 1997: Thiomargarita Namibiensis ~ 750 мкм
    • — Прокариот находятся в домене Бактерии и домены Archaea
    • — Наша обсуждение будет сосредоточиться на бактериях домена

    IV.Цитоплазматическая мембрана: ВСЕ КЛЕТКИ ИМЕЮТ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКУЮ МЕМБРАНУ (она же КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА/ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА)

    см. раздаточный материал в учебнике.


    A. Структура: фосфолипидный бислой и белки на основе жидкостно-мозаичной модели. Гидрофобное ядро ​​
    выполнено из хвостов углеводородов жирнокислотных остатков фосфолипидов (обзор). Гидрофильные головки связывают
    с молекулами воды рис.


    B. Функции: полу- или избирательно проницаемая мембрана,
    регулирует перемещение веществ в клетку и из нее.Участок цепи переноса электронов и фотосистем у некоторых
    бактерий и основания жгутиков у жгутиковых бактерий и других
    — расположение мембранных транспортных белков, необходимых для перемещения больших полярных или
    заряженных веществ через мембрану


    C. Подробнее о транспорте позже…


    D. Повреждение цитоплазматической мембраны может привести к гибели бактерий


    E. Цитоплазматические мембраны относительно слабы и уязвимы для осмотического лизиса
    Уязвимость цитоплазматических мембран: осмос и осмотический лизис
    -осмос: диффузия воды из области высокой концентрации воды в область низкой концентрации воды
    через селективно проницаемую мембрану (т.грамм. цитоплазматическая мембрана)
    -воздействие изотонических, гипертонических и гипотонических растворов на клетки (изоосмотическое, гиперосмотическое, гипоосмотическое):
    -осмотический лизис:
    -большинство бактерий живут в гипотонической среде

    -концентрация растворенных веществ внутри клетки выше, чем концентрация растворенные вещества
    вне клетки, следовательно, концентрация воды вне клетки больше, чем
    концентрация воды внутри клетки, следовательно…
    -чистый поток воды будет извне клетки в клетку через цитоплазматическую
    мембрану, следовательно

    > давление воды внутри клетки продолжает увеличивайте
    до тех пор, пока цитоплазматическая мембрана не лопнет, клетка не подвергнется «лизису».Этот процесс называется
    «осмотический лизис» и убивает бактерии.


    F. Как бактерии предотвращают осмотический лизис? Наиболее распространенным решением является формирование «клеточной стенки» (см. следующий раздел
    )

    V. Клеточные стенки доменных бактерий


    A. Компоненты бактериальной клеточной стенки: пептидогликан («pg»)


    1. только члены домена Bacteria синтезируют пептидогликан

    2. функция: предотвращение осмотического лизиса; форма бактерии

    3.Структура пептидогликана: чередование ковалентно связанных
    -N-ацетилглюкозамина (NAG или G) и
    -N-ацетилмурамовой кислоты (NAM или M; встречается только в доменных бактериях!) с
    -тетрапептидными «хвостами»

    4. пептидные поперечные связи необходим для силы pg; поперечные связи, образованные бактериальными ферментами, «транспептидазами» (также известными как бактериальные пенициллин-связывающие белки PBP)

    a. бета-лактамные антибиотики (например, пенициллин, ампициллин, амоксициллин) необратимо связывают бактериальные транспептидазы, поэтому они не могут образовывать пептидные поперечные связи в pg, что ослабляет pg и приводит к осмотическому лизису
    растущих бактерий.Бета-лактамы не эффективны для уничтожения бактерий на «стационарной стадии», то есть бактерий, которые активно не растут, а также они не активны против бактерий, лишенных клеточных стенок, например Mycoplasma.

    б. Пенициллин был открыт сэром Александром Флемингом

    c. Ванкомицин также препятствует сшиванию pg, что приводит к осмотическому лизису бактерий (однако механизм отличается от действия бета-лактамных антибиотиков)


    5. Лизоцим (также открытый Александром Флемингом) представляет собой фермент, обнаруживаемый в слезах, слюне, поте.Лизоцим расщепляет ковалентные гликозидные связи между НАМ и НАГ, ослабляя клеточную стенку, что приводит к осмотическому лизису некоторых бактерий.


    B. Различные типы клеточных стенок бактерий


    1. Грамположительные клеточные стенки: толстый слой пептидогликана; тейхоевая и липотейхоевая кислоты; некоторые имеют дополнительные углеводы; некоторые имеют белки клеточной стенки (например, белок М Streptococcus pyogenes)

    2. Грамотрицательные клеточные стенки: тонкий слой пептидогликана, соединенный липопротеинами с наружной мембраной.Пространство между клеточной мембраной и наружной мембраной называется «периплазматическим пространством»

    а. компоненты внешней мембраны:
    i. липополисахарид, также известный как «ЛПС», «эндотоксин»; при высвобождении из умирающих грамотрицательных бактерий вызывает массивное высвобождение цитокинов, приводящее к вазодилатации и повышению проницаемости капилляров, а также ДВС-синдрому, диссеминированному внутрисосудистому свертыванию крови (формирование тромбов). В результате могут возникнуть гипотензия, снижение тканевой перфузии, полиорганная недостаточность, шок (эндотоксический шок) и смерть («эндотоксемия»).ЛПС связывается с Toll-подобными рецепторами лейкоцитов клетки-хозяина, чтобы вызвать поток цитокинов (подробнее позже). ЛПС также используется для «серотипирования» грамотрицательных бактерий («О» соматических антигенов; подробнее позже). ЛПС обнаружен только у грамотрицательных бактерий.
    ii. фосфолипиды
    iii. порины: белковые каналы, через которые гидрофильные вещества могут
    пересекать внешнюю мембрану


    b. функции наружной мембраны: препятствует диффузии секретируемых ферментов; защищает
    бактерию от токсических веществ (например, некоторых антибиотиков, таких как пенициллин,
    лизоцим, желчь)


    3.Кислотоустойчивая клеточная стенка: например, Mycobacterium tuberculosis, лепры: пептидогликан, покрытый двойным слоем миколовой кислоты и липидов
    . Создает гидрофобный барьер против антибиотиков, химикатов, пятен,
    высыхания. Питательные вещества медленно проходят через барьер, поэтому эти бактерии очень медленно растут (трудно получить культуру
    и провести тест на чувствительность к антибиотикам). Больные, инфицированные микобактериями, часто находятся на длительной антимикробной терапии (месяцы, годы!) Белковые порины в миколово-кислотно-липидном слое
    пропускают некоторые гидрофильные вещества.Описывается как «воскообразная или богатая липидами» клеточная стенка.
    Требуется специальная процедура окрашивания (кислотостойкое окрашивание см. стр. 109 учебника).


    4. У некоторых бактерий отсутствуют клеточные стенки, например, у микоплазм, хламидий и «L-форм». Если пациент страдает
    инфекцией такими бактериями, лечение бета-лактамными антибиотиками не будет иметь никакого эффекта, так как
    эти бактерии не являются мишенью для антибиотиков. (вспомните, что микоплазмы «воруют» холестерин у своих
    животных-хозяев, чтобы включить их в клеточные мембраны для укрепления мембран в отсутствие
    клеточной стенки)


    5.Домен Археи: Археи не синтезируют настоящий пептидогликан-
    Внешние структуры прокариотических клеток


    VI. Гликокаликс = «сахарная чаша», «липкое» покрытие, обнаруженное у некоторых прокариот


    Два типа гликокалисов: капсулы (плотно прикрепленные) и слои слизи (свободно прикрепленные).
    Слои капсулы/слизи: внешний слой, покрывающий клеточную стенку, вырабатываемый многими, но не всеми бактериями.
    Структура: Обычно полисахариды, за некоторыми исключениями (Bacillus anthracis продуцирует
    капсулы поли-D-глутаминовой кислоты)
    -слабоантигенные, «К» антигены Enterobacteriaceae


    Функция:
    • предотвращает высыхание/высыхание
    • прилипание к поверхностях (оральные стрептококки образуют
    липкий слой капсулы/слизи, который позволяет прикрепляться к поверхности зубов),
    • антифагоцитарный: ингибирует фагоцитоз
    лейкоцитов, необходим для
    патогенности многих бактерий


    VII.Жгутики (множественное число; единственное число = жгутик) Читать как домашнее задание

    • Функция: подвижность.
    • структура = белковые субъединицы флагеллина составляют филамент диаметром 20 нм, прикрепленный к крючку и базальному
    • телу. Базальное тело состоит из белковых колец и стержня, встроенного в клеточную стенку/клеточную мембрану (подробнее
    • в лаборатории). Жгутиковые белки действуют как антигены (запускают выработку антител). Антигены «H» или «Hauch»
    • Enterobacteriaceae представляют собой жгутиковые антигены, используемые при серотипировании (например,Э . coli O157:H7).
    • Расположение жгутиков: монотрихи (один полярный жгутик), амфитрихи (оба конца),
    • лофотрихи (пучок), перитрихи (жгутики повсюду) — Жгутики вращаются подобно лодочному винту
    • Хеморецепторы, расположенные в клеточной мембране, позволяют бактериям определять концентрацию градиенты
    • химических веществ в окружающей среде. Хемотаксис — движение в ответ на химические градиенты. Положительный
    • хемотаксис: движение в направлении увеличения градиента концентрации молекул питательных веществ.
    • Отрицательный хемотаксис: движение вниз по градиенту концентрации экстоксиновых молекул
    • Осевые филаменты или эндофлагеллы: спирохеты представляют собой спиралевидные бактерии. Примерами являются Treponema
    • pallidum (вызывает сифилис) и Borrelia burgdorferi (вызывает болезнь Лайма). Эти бактерии имеют
    • пучков эндофлагелл, прикрепленных к обоим концам их клеток, покрытых внешней оболочкой, образующей
    • осевой филамент. Вращение эндофлагеллы заставляет осевую нить вращаться вокруг спирохеты,
    • позволяя бактериям «штопором» проходить через окружающую их среду, часто через толстые слизистые покровы,
    • возможно, даже через ткани.

    VIII. Пили и фимбрии

    • функция: прикрепление.
    • структура = белковые субъединицы пилина образуют полые трубки, выступающие из поверхности клетки.
    • адгезины: специфические белки в пилях, называемые адгезинами, позволяют прикрепляться к поверхностям в окружающей среде, включая клетки-хозяева. Адгезины часто связываются со специфическими рецепторами на поверхности клетки-хозяина
    • фимбрии: обычно многочисленные, относительно короткие, используются для прикрепления к поверхностям в окружающей среде, включая
    • другие клетки ex Neisseria gonorrhoeae используют фимбрии для прикрепления к клеткам слизистых оболочек хозяина.
    • В сообщениях предполагается, что Neisseria может изменять типы адгезинов, экспрессируемых на ее фимбриях, поэтому она
    • может сначала прикрепляться к клеткам слизистой оболочки половых путей, затем к клеткам полости рта, а затем к клеткам глаза. Что произойдет, если мутация ингибирует производство фимбрий Neisseria?
    • Роль фимбрий в биопленках
    • половой ворсинок (грамотрицательные бактерии, также известные как конъюгационные ворсинки, «F» пилусы): прикрепляет одну
    • бактерию к другой, облегчает обмен генетической информацией/ДНК.пример.
    • Участвует в переносе генов устойчивости к антибиотикам между бактериями.
    • Внутри бактериальной клетки


    IX. Цитоплазма и внутренние структуры: 90% воды. Содержит хромосомы, плазмиды, рибосомы, ферменты, питательные вещества, продукты жизнедеятельности, тельца включения


    X. Хромосомы

    Большинство бактерий имеют одну кольцевую двухцепочечную ДНК-хромосому (некоторые имеют линейные хромосомы). ДНК несет генетическую информацию.Последовательность оснований ДНК определяет аминокислотную последовательность белков. (более позднее — антибиотики фторхинолоны, такие как ципрофлоксацин, используемые для лечения жертв сибирской язвы, являются ингибиторами бактериальной ДНК-гиразы; эти антибиотики предотвращают «расслабление» сверхскрученной бактериальной ДНК, необходимой для репликации и транскрипции ДНК (другие ингибиторы ДНК-гиразы включают налидиксовую кислоту и новобиоцин)


    XI Плазмиды

    внехромосомная, кольцевая, самовоспроизводящаяся ДНК Часто несут «дополнительную» генетическую
    информацию например гены устойчивости к антибиотикам («R» или плазмиды устойчивости).Может передаваться
    от одной бактерии к другой, что приводит к распространению устойчивости к антибиотикам. Конъюгативные плазмиды
    несут гены синтеза половых пилей и белков, участвующих в переносе бактериальной ДНК от
    донора к реципиенту (подробнее в генетике позже)


    XII. Рибосомы

    70S рибосомы (по сравнению с более крупными 80s цитоплазматическими рибосомами эукариот)

    • -структура: 2 субъединицы, 50S и 30S; изготовлен из рибосомной РНК/рРНК и рибосомных белков
    • -сайт синтеза белка
    • -S-единица Сведберга, используется для выражения скоростей седиментации с использованием ультрацентрифуг.
    • -70S бактериальные рибосомы являются мишенью многих антибиотиков, например, тетрациклина,
    • хлорамфеникола, макролидов (эритромицина, азитромицина), аминогликозидов, например гентамицина,
    • канамицина. Эти антибиотики ингибируют синтез белка бактериями

    XIII. Эндоспоры

    устойчивые, покоящиеся структуры, защищающие ДНК бактерий в суровых условиях
    . Слои белка, пептидогликан, высокое содержание ионов кальция и дипиколиновой кислоты, низкое содержание воды
    ..Bacillus и Clostridium являются эндоспорообразующими. Эндоспоры могут прорастать, чтобы произвести
    новых метаболически активных, реплицирующихся вегетативных клеток. При вдыхании эндоспоры Bacillus anthracis
    прорастают в легких, вызывая пневмонию, и могут распространяться по всему телу (обычно летально). Неблагоприятные условия вызывают спорообразование вегетативных клеток и образование эндоспор. Содержат очень мало воды и дипиколиновой кислоты (термостойкость)
    См.: сибирская язва и клостридиозы


    XIV.Включения (не на экзамене 1)


    XV. Цитоскелет читать (не на экзамене 1)


    Дополнение: Домашнее задание Транспорт веществ через мембраны и эукариотические клетки-прочитать разделы в учебнике

    Транспорт веществ через клеточные мембраны представлен после обсуждения эукариотических клеток в лекции
    PowerPoint, однако несколько заметок относительно специализированного транспорта у бактерий: негативные бактериальные патогены: эти системы
    позволяют вводить факторы вирулентности (экстоксины) в клетки-мишени хозяина.Конструктивно сложный,
    аналогичен шприцу/игле для подкожных инъекций; мутация в генах секреции Типа III могла способствовать эволюции бактериальных жгутиков.
    Системы секреции типа IV: используются для транспорта белков И для переноса ДНК во время конъюгации;
    компонента образуют шприцеподобную структуру, аналогичную системе типа III


    Bio 440 Эукариотические клетки: Ch 4 Tortora


    I. Эукариотические микроорганизмы: организмы с мембраносвязанным ядром.
    Домен Eukarya
    Царства: (устаревшие «Protista» «водоросли», «простейшие»), Fungi, Plantae, Animalia


    II. Эволюция эндомембранной системы
    Примитивная прокариотическая клетка: укладка клеточной мембраны -> ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум, тельца Гольджи, везикулы, лизосомы. Разделение функций.


    III. Ядро

    A. Ядерная мембрана с порами
    B. Хромосомы и размножение: множественные линейные хромосомы двухцепочечной ДНК, разделенные на
    кодирующих экзона и некодирующих интронов.ДНК, связанная с гистоновыми белками.
    Эукариоты, которые нормально размножаются половым путем, являются «диплоидными», т. е. клетки содержат 2 копии каждой хромосомы
    (по одной копии каждой хромосомы, переданной каждым родителем). Поэтому обычно существует 2 копии
    каждого гена, и гены могут не быть идентичными. Гаплоидные гаметы образуются при половом размножении,
    содержат по одной копии каждой хромосомы. 2 гаплоидные гаметы сливаются, образуя диплоидную зиготу (слияние
    ядер гамет образует ядро ​​зиготы).Некоторые эукариотические микробы могут размножаться бесполым путем и имеют гаплоидные клетки
    . Некоторые организмы могут размножаться половым или бесполым путем (бывшие грибы) и, следовательно, могут иметь
    диплоидных или гаплоидных клеток. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ прочитать митоз и мейоз в учебнике

    IV. Эндоплазматический ретикулум

    A. Непрерывный с ядерной мембраной
    B. 2 типа

    1. RER = шероховатый эндоплазматический ретикулум: «усеянный» рибосомами – синтез белков, предназначенных для экспорта, включения в мембраны или доставки в другие органеллы
    2 .SER= гладкий эндоплазматический ретикулум — синтез липидов, детоксикация


    V. Golgi Body

    получают белки/липиды из ER через транспортные везикулы; обработка и отправка в конечный пункт
    (секрет, мембраны, другие органеллы)


    VI. Лизосомы и пероксисомы

    Лизосомы (животные клетки): пузырьки, заполненные гидролитическими ферментами. Может сливаться с фагосомами для гидролиза молекул питательных веществ или уничтожения вторгшихся микроорганизмов (фагоцитоз).Пероксисомы: везикулы, содержащие пероксидазу/каталазу и другие ферменты. Растения: окисляют жиры. Животные: окисляют аминокислоты.


    VII. Рибосомы

    80S цитоплазматические рибосомы; места синтеза белка. Свободен в цитоплазме или фиксирован на RER. В митохондриях и хлоропластах 70S-подобные рибосомы.


    VIII. Митохондрии

    все аэробные дышащие эукариоты (исключение: у Giardia отсутствуют митохондрии)
    A. «Электростанция» клетки, место образования АТФ посредством аэробного дыхания
    C6h22O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6h3O + Энергия (тепло + АТФ)
    Б.Произошла из примитивной прокариотической клетки? см. Теория эндосимбиоза/Эндосимбиотическая теория


    IX. Хлоропласты: фотосинтезирующие растения и водоросли

    A. Места оксигенного фотосинтеза: 6CO2 + 6h3O—световая энергия—> C6h22O6 + 6O2
    B. Произошли от примитивных цианобактерий? Теория эндосимбиоза/эндосимбиотическая теория

    X. Теория эндосимбиоза/эндосимбиотическая

    примитивная ядросодержащая клетка фагоцитирует («поедает»)
    примитивная аэробная дышащая бактерия.Бактерия становится эндосимбионтом, живущим внутри клетки-хозяина,
    генерирует АТФ для хозяина, хозяин обеспечивает защиту бактерии. Бактерия в конечном итоге эволюционирует в
    митохондрии. Аналогичная история с эволюцией хлоропластов. Примитивная ядросодержащая клетка с митохондриями
    фагоцитирует примитивную фотосинтетическую цианобактерию. Бактерия становится эндосимбионтом, эволюционирует в
    хлоропласта.


    Доказательства в поддержку теории эндосимбиоза:
    1. Митохондрии (мито) и хлоропласты (хлоро) самореплицируются — делятся независимо от клетки-хозяина

    2.мито. и хлор. имеют собственные самовоспроизводящиеся кольцевые хромосомы, подобные прокариотическим
    хромосомам
    3. мито/хлор. размер сходен с бактериями
    4. расположение мембран мито./хлор. соответствует теории поглощения бактерии фагосомой
    5. мито./хлор. имеют рибосомы, сходные с прокариотическими 70S рибосомами, и ингибируются
    антибиотиками, воздействующими на 70S рибосомы
    6. мито/хлор. последовательности рибосомных РНК, сходные с последовательностями рРНК бактерий.


    XI. Цитоскелет

    А.Микротрубочки субъединиц тубулина: митотические веретена, жгутики и реснички (белок, динеин, связанный с w/fl и ресничками).
    B. Микрофиламенты актиновых субъединиц: цитоплазматический поток; образование псевдоподий f амебы и слизевики
    C. Промежуточные волокна: различные экс-кератин: жесткость


    XII. Придатки


    A. Жгутики: подвижность. Структурно сильно отличается от бактериальных жгутиков. Микротрубочки (9 дуплетов + 2
    центральных) покрыты клеточной мембраной, изгибаются/бьются (не вращаются/поворачиваются, как бактериальные жгутики).ex Protozoa
    B. Реснички: очень похожи на жгутики, но короче и многочисленнее. Простейшие инфузории
    Реснитчатый эпителий дыхательных путей важная часть мукоцилиарного эскалатора; разрушается вирусами, курение
    , предрасполагает к бактериальным инфекциям дыхательных путей. Мерцательный эпителий яйцеводов важен для продвижения яйцеклетки к матке. Такие возбудители, как Chlamydia и Neiserria gonorrhoeae, вызывают разрушение ресничек
    , что приводит к внематочной беременности, бесплодию.


    XIII.Клеточная стенка: придает форму, сопротивляется тургорному давлению/предотвращает осмотический лизис

    A. У животных отсутствует клеточная стенка; некоторые простейшие имеют белковый слой, называемый пелликулой
    B. Грибы и водоросли имеют клеточную стенку
    1. клеточная стенка грибов: может содержать хитин, полимер N-ацетилглюкозамина (НАГ) азотсодержащий
    полисахарид
    2. клеточные стенки некоторых водорослей и стенки некоторых грибов содержат целлюлоза


    XIV. Клеточная мембрана фосфолипидного бислоя с белками на основе модели жидкостной мозаики.Белки могут двигаться
    латерально. Консистенция мембраны как тонкий слой масла. Основная функция заключается в контроле движения
    веществ в клетку и из клетки


    A. Домашнее задание: Движение веществ через мембраны текст

    1. Неполярные вещества могут пересекаться: диффузия, пассивный процесс
    -Кислород, углекислый газ, этанол и среда -длинные жирные кислоты могут диффундировать через мембрану
    . (Небольшое количество воды может также диффундировать через бислой фосфолипидов)
    2.вода может быстро проходить через поры, пропускающие воду (аквапорины)
    -осмос, пассивный. Знать лизис, плазмолиз и когда происходит каждый из них
    — «осмос» и «тоничность» (знать)
    3. Гидрофильные вещества, т.е. заряженные или полярные вещества, не могут пересекать мембрану без помощи
    транспортных белков, например, белковых пор/белков-носителей/«пермеаз».
    4. Примечание: всякий раз, когда вещества перемещаются против градиента их концентрации (то есть из области
    с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией), необходимо расходовать энергию.

    пассивный транспорт: вещество, перемещаемое из зоны / транспорт, требующий энергии/активный транспорт
    от высокой концентрации до низкой. NRG не требуется. / (энергия = АТФ, протон/химический градиент)
    1. Простая диффузия / 4. Активный транспорт: Вещество перемещается от низкой к
    2. Осмос / высокая концентрация. Специфические переносчики белков. сахара, аминокислоты
    , витамины
    3. Облегченная диффузия: /
    — белок опосредует диффузию. / 5. групповая транслокация: (преимущественно у бактерий;) —
    Специфические каналы/поры или / — транспортируемое вещество модифицировано
    белками-переносчиками./ при пересечении мембраны. ex глюкоза

    B. Специализированный транспорт: Животные клетки/простейшие без клеточных стенок: эндоцитоз (пиноцитоз и
    фагоцитоз) и экзоцитоз; требуют перестройки цитоскелета и расхода энергии
    эндоцитоз :захват материала в складках мембраны ->везикулы


    -: поглощение клеток/твердое= фагоцитоз поглощение жидкости =пиноцитоз
    эксфагоцитарные клетки иммунной системы: моноциты-макрофаги и
    нейтрофилы: распознавать «чужеродные» бактериальные захватчики, прикрепляться, фагоцитировать
    и разрушать через фагосомы и лизосомы
    — также рецептор-опосредованный эндоцитоз
    -экзоцитоз: вытеснять/секретировать вещества из клетки через везикулы

    3: Структура клетки I — Biology LibreTexts

    Традиционно клеточные организмы подразделяются на две широкие категории в зависимости от типа их клеток.Они либо прокариотические , либо эукариотические . В общем, прокариоты меньше, проще, с гораздо меньшим количеством вещей, что сделало бы эукариот больше, сложнее и загроможденнее. Суть их ключевого различия может быть выведена из их названий: «кариоза» — это греческое слово, означающее «орех» или «центр», относящееся к ядру клетки. «Pro» означает «до», а «Eu» означает «истинно», указывая на то, что у прокариот отсутствует ядро ​​(«до ядра»), в то время как у эукариот есть истинное ядро.Совсем недавно микробиологи восстали против термина прокариоты, потому что он объединяет бактерии и недавно открытые археи в одну категорию. Обе клетки являются прокариотическими, потому что у них нет ядра и других органелл (таких как митохондрии, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум и т. д.), но они не являются тесно связанными генетически. Таким образом, чтобы учесть эти различия, в этом тексте мы будем ссылаться на такие группы, как археи, бактерии и эукариоты, и попытаемся исключить из него ссылку на прокариотов.

    Морфология клеток

    Морфология клетки — это ссылка на форму клетки. Это может показаться тривиальной концепцией, но для клетки это не так. Форма определяет, как эта клетка будет расти, размножаться, получать питательные вещества, двигаться, и для клетки важно поддерживать эту форму, чтобы функционировать должным образом. Морфологию клеток можно использовать в качестве характеристики для идентификации конкретных микробов, но важно отметить, что клетки с одинаковой морфологией не обязательно связаны между собой.Бактерии, как правило, демонстрируют наиболее репрезентативную клеточную морфологию, наиболее распространенные примеры которых перечислены здесь:

    Морфология бактериальных клеток.

    • Кокк (мн. кокки) – a кокк представляет собой клетку шаровидной формы.
    • Бацилла (pl. bacilli) бацилла представляет собой палочковидную клетку.
    • Изогнутые стержни – очевидно, это стержень с некоторой кривизной. Существует три подкатегории: вибрион , которые представляют собой палочки с одной кривой, и спириллы / спирохеты , которые представляют собой палочки, образующие спиралевидные формы.Спириллы и спирохеты различаются по типу подвижности, которую они демонстрируют, а это означает, что их трудно разделить, если вы не смотрите на влажный препарат.
    • Плеоморфные плеоморфные организмы проявляют изменчивость в своей форме.

    Существуют дополнительные формы бактерий и еще более широкий спектр архей, которые даже были обнаружены в форме звезды или квадрата. Эукариотические микробы также склонны проявлять широкий спектр форм, особенно те, у которых отсутствует клеточная стенка, такие как простейшие.

    Размер ячейки

    Размер клетки, как и клеточная морфология, для клетки не является тривиальным вопросом. Есть причины, по которым большинство клеток архей/бактерий намного меньше клеток эукариот. Во многом это связано с преимуществами, получаемыми от того, что они маленькие. Эти преимущества связаны с отношением поверхности к объему клетки, соотношением внешнего клеточного слоя, контактирующего с окружающей средой, по сравнению с жидкостью внутри. Это соотношение меняется по мере увеличения размера клетки.Давайте посмотрим на ячейку размером 2 мкм в сравнении с клеткой вдвое большего размера, равной 4 мкм.

    r = 1 мкм
    площадь поверхности = 12,6 мкм2
    объем = 4,2 мкм3

    r = 2 мкм
    площадь поверхности = 50,3 мкм2
    объем = 33,5 мкм3

    Отношение поверхности к объему меньшей ячейки равно 3, тогда как отношение поверхности к объему большей ячейки уменьшается до 1,5. Подумайте о клеточной поверхности как о способности клетки вводить питательные вещества и выделять отходы.Чем больше площадь поверхности, тем больше возможностей для участия в этих мероприятиях. Исходя из этого, более крупная ячейка будет иметь преимущество. Теперь подумайте об объеме как о том, что ячейка должна поддерживать. По мере того, как отношение поверхности к объему снижается, это указывает на то, что у клетки меньше возможностей поставлять питательные вещества, необходимые для поддержания деятельности клетки — такой деятельности, как рост и размножение. Так, маленькие клетки растут и размножаются быстрее. Это также означает, что со временем они развиваются быстрее, что дает им больше возможностей адаптироваться к окружающей среде.

    Имейте в виду, что разница в размерах (бактериальные/архейные клетки = меньше, эукариотические клетки = больше) является средней. Типичная бактериальная/архейная клетка имеет размер несколько микрометров, тогда как типичная эукариотическая клетка примерно в 10 раз больше. Есть несколько бактерий-монстров, которые выходят за пределы нормы по размеру, но при этом очень быстро растут и размножаются. Одним из таких примеров является Thiomargarita namibiensis , длина которого может составлять 100-750 мкм, по сравнению с более типичной длиной 4 мкм E.палочка . T. namibiensis удается поддерживать высокую скорость размножения за счет образования очень больших вакуолей или пузырьков, занимающих большую часть клетки. Эти вакуоли уменьшают объем клетки, увеличивая отношение поверхности к объему. Другие очень крупные бактерии используют гофрированную мембрану в качестве внешнего поверхностного слоя. Это увеличивает площадь поверхности, что также увеличивает отношение поверхности к объему, позволяя клетке поддерживать высокую скорость размножения.

    Компоненты ячейки

    Все клетки (бактериальные, архейные, эукариотические) имеют четыре общих компонента:

    • Цитоплазма Цитоплазма представляет собой гелеобразную жидкость, которая заполняет каждую клетку, обеспечивая водную среду для химических реакций, происходящих в клетке.Он состоит в основном из воды с небольшим количеством солей и белков.
    • ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК – генетический материал клетки, инструкция по способностям и характеристикам клетки. Этот полный набор генов, обозначаемый как геном , локализован в области неправильной формы, известной как нуклеоид в бактериальных и архейных клетках, и заключен в мембраносвязанное ядро ​​ в эукариотических клетках.
    • Рибосомы – белковые фабрики клетки представляют собой рибосомы . Состоящие как из РНК, так и из белка, есть некоторые явные различия между теми, которые обнаружены у бактерий/архей, и теми, которые есть у эукариот, особенно в отношении размера и местоположения. Рибосомы бактерий и архей плавают в цитоплазме, в то время как многие эукариотические рибосомы организованы вдоль эндоплазматического ретикулума, эукариотической органеллы. Рибосомы измеряют с помощью прибора Сведберга , что соответствует скорости седиментации при центрифугировании.Бактериальные / архейные рибосомы имеют измерение 70S в качестве значения седиментации, в то время как эукариотические рибосомы имеют измерение 80S, что указывает как на их больший размер, так и на массу.
    • Плазматическая мембрана – одной из внешних границ каждой клетки является плазматическая мембрана или клеточная мембрана . (Плазматическую мембрану можно найти и в другом месте, например, в мембране, ограничивающей эукариотическое ядро, тогда как термин «клеточная мембрана» относится именно к этой границе собственно клетки).Плазматическая мембрана отделяет внутреннее содержимое клетки от окружающей среды. Хотя плазматическая мембрана не является прочным слоем, она участвует в нескольких важных процессах для клетки, особенно для бактерий и архей, которые обычно имеют только одну мембрану:
      • Действует как полупроницаемый барьер для входа и выхода избранных молекул. Он функционирует, чтобы впускать питательные вещества, выделять отходы и, возможно, не допускать попадания опасных веществ, таких как токсины или антибиотики.
      • Выполняет метаболические процессы, участвуя в преобразовании света или химической энергии в удобную для использования форму, известную как АТФ. Эта экономия энергии включает развитие протонной движущей силы (PMF) , основанной на разделении зарядов через мембрану, как в батарее.
      • «Общается» с окружающей средой путем связывания или приема небольших молекул, которые действуют как сигналы и передают важную для клетки информацию. Информация может относиться к питательным веществам или токсинам в этом районе, а также к информации о других организмах.

    Типичная прокариотическая клетка.

    Типичная эукариотическая клетка. Автор Mediran (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons

    .

    Эукариоты имеют множество дополнительных компонентов, называемых органеллами, таких как ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и т. д. Все они представляют собой связанные с мембраной компартменты, в которых содержится различная активность клетки. Поскольку каждая структура ограничена собственной плазматической мембраной, она предоставляет клетке несколько мест для осуществления мембранных функций.

    Структура плазменной мембраны

    Когда речь идет о деталях плазматической мембраны, все становится немного сложнее, поскольку бактерии и эукариоты имеют одинаковую базовую структуру, тогда как археи имеют заметные различия. А пока давайте рассмотрим основную структуру, а модификации и вариации архей будут рассмотрены в главе, посвященной археям.

    Плазматическую мембрану часто описывают жидкостно-мозаичной моделью , которая объясняет движение различных компонентов внутри самой мембраны.Общая структура объясняется разделением отдельных веществ на основе их притяжения или отталкивания воды. Мембрана обычно состоит из двух слоев (бислой) фосфолипидов, которые образуют основную структуру. Каждый фосфолипид состоит из полярной области, которая является гидрофильной («водолюбивой»), и неполярной области, которая является гидрофобной («водобоязненной»). Фосфолипиды будут спонтанно собираться таким образом, что полярные области будут находиться в контакте с водной средой снаружи клетки и с цитоплазмой внутри, в то время как неполярные области изолированы в середине, как желе в бутерброде.

    Сами фосфолипиды состоят из отрицательно заряженной полярной головки , которая представляет собой фосфатную группу , соединенную глицериновой связью с двумя хвостами жирных кислот . Фосфатная группа гидрофильна, а хвосты жирных кислот гидрофобны. Хотя мембрана не считается особенно прочной, она несколько укрепляется за счет присутствия дополнительных липидных компонентов, таких как стероиды у эукариот и стеролоподобные гопаноиды у бактерий.Встроенные и связанные с фосфолипидным бислоем различные белки с множеством функций. Белки, встроенные в сам бислой, называются интегральными белками , а белки, которые связаны снаружи мембраны, называются периферическими белками . Некоторые периферические белки прикрепляются к мембране через липидный хвост, а многие связываются со специфическими интегральными белками для выполнения клеточных функций. Интегральные белки являются доминирующим типом, представляя около 70-80% белков, связанных с плазматической мембраной, в то время как периферические белки составляют оставшиеся 20-30%.

    Структура плазменной мембраны.

    Количество белков, составляющих плазматическую мембрану, по сравнению с фосфолипидами различается в зависимости от организма. Бактерии имеют очень высокое соотношение белка к фосфолипидам, около 2,5: 1, в то время как эукариоты демонстрируют соотношение 1: 1, по крайней мере, в их клеточной мембране. Но помните, что у эукариот несколько плазматических мембран, по одной на каждую органеллу. Соотношение белков и фосфолипидов в их митохондриальной мембране составляет 2,5:1, как и в бактериальной плазматической мембране, что является дополнительным доказательством идеи о том, что эукариоты произошли от бактериального предка.

    Ключевые слова

    прокариоты, эукариоты, морфология, кокки, палочки, вибрионы, спириллы, спирохеты, плеоморфные, отношение поверхности к объему (S/V), цитоплазма, ДНК, геном, нуклеоид, ядро, рибосома, единица Сведберга, плазматическая мембрана, клетка мембрана, протондвижущая сила (PMF), жидкостно-мозаичная модель, фосфолипид, гидрофильный, гидрофобный, полярная головка, фосфатная группа, глицериновая связь, жирнокислотный хвост, стероиды, гопаноиды, фосфолипидный бислой, интегральный белок, периферический белок.

    Основные вопросы/цели

    1. Почему микробиологи ставят под сомнение традиционные представления о «прокариотах»?
    2. Каковы 3 основные формы бактерий ?
    3. Как микробы, принадлежащие к категориям эукариот vs. Бактерии/Археи обычно различаются по размеру? Как размер влияет на ячейку? Какую роль играет соотношение поверхность:объем? Как клетки могут обойти ограничения, налагаемые соотношением поверхность:объем?
    4. Какими двумя способами бактерии могут приспособиться к своему размеру? Приведите конкретные примеры.
    5. Из каких основных компонентов состоит любая клетка?
    6. Какова роль плазматической мембраны?
    7. Что такое жидкостно-мозаичная модель?
    8. Понимать основную структуру фосфолипидов плазматической мембраны и роль, которую она играет в конструкции мембраны.
    9. Какие другие липиды обнаружены в плазматической мембране?
    10. Какие 2 категории белков находятся в плазматической мембране и чем они отличаются?
    11. Как фосфолипиды и белок объединяются, образуя работающую плазматическую мембрану?
    12. Каково значение соотношения белков и фосфолипидов с точки зрения эволюции?
    Исследовательские вопросы (НЕОБЯЗАТЕЛЬНО)
    1. Какая самая большая бактерия или архея из когда-либо обнаруженных? Какой самый маленький из когда-либо обнаруженных эукариот?

    Бактериальные клетки — Структура клетки — Edexcel — GCSE Combined Science Revision — Edexcel

    Все бактерии одноклеточные.Все клетки прокариотические. Это означает, что у них нет ядра или каких-либо других структур, окруженных мембранами. Более крупные бактериальные клетки можно увидеть с помощью светового микроскопа, однако потребуется электронный микроскоп, чтобы увидеть детали клеточных органелл.

    Обобщенная бактериальная клетка и ее компоненты

    Растительные и животные клетки имеют некоторые общие компоненты с бактериальными клетками. К ним относятся цитоплазма и клеточная мембрана. У бактерий есть и другие уникальные компоненты:

    Структура Как это связано с функцией
    Хромосомная ДНК ДНК бактериальных клеток находится в цитоплазме.Она называется хромосомной ДНК и не содержится в ядре.
    Плазмидная ДНК Бактерии также имеют небольшие замкнутые кольца ДНК, называемые плазмидами, присутствующие в их цитоплазме. В отличие от хромосомной ДНК, плазмидная ДНК может перемещаться от одной бактерии к другой, создавая вариации.
    Жгутики Бактерии могут иметь один или несколько жгутиков (в единственном числе: жгутик). Они могут вращаться или двигаться как хлыст, чтобы переместить бактерию.
    Клеточная стенка Стенки клеток растений и бактерий обеспечивают структуру и защиту.Только клеточные стенки растений состоят из целлюлозы.

    Бактерии относятся к простейшим организмам. Их клетки не делятся митозом. Вместо этого они копируют себя путем бинарного деления. Процесс похож, но мы используем для него другое название, потому что прокариотические бактерии сильно отличаются от других эукариотических клеток растений и животных.

    Эукариотические и прокариотические клетки можно сравнить:

    Характеристики Эукариотическая клетка (ячейка растений и животных) прокариотическая клетка (бактериальная ячейка)
    Размер Большинство из 5 мкм — 100 мкм Большинство 0.2 мкм – 2,0 мкм
    Наружные слои клетки Клеточная мембрана. Окружена клеточной стенкой у растений и грибов. Клеточная мембрана. Окружена клеточной стенкой.
    Содержимое клеток Цитоплазма. К клеточным органеллам относятся митохондрии, хлоропласты растений и рибосомы. Цитоплазма. Наличие рибосом. Митохондрий и хлоропластов нет.
    Генетический материал ДНК в ядре. Плазмиды обнаружены у нескольких простых эукариотических организмов.

    0 comments on “Строение бактериальной клетки таблица: Зполните таблицу Строение бактериальной клетки Часть клетки …

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.