Малый практикум по микробиологии (стр. 6 )

ТЕМА 3. СТРОЕНИЕ ПРОКАРИОТНОЙ КЛЕТКИ

Занятие 3

Цель занятия: познакомиться со строением прокариотной клетки, изучить некоторые цитологические особенности бактерий.

Клетка прокариот представлена одной полостью, образуемой цитоплазматической мембраной (ЦПМ). ЦПМ у большинства прокариот единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В бактериальной клетке нет вторичных полостей. У прокариот отсутствуют органеллы, типичные для эукариот. В цитоплазме прокариотной клетки находятся функционально специализированные структуры, но они не изолированы от цитоплазмы посредством мембран (рис. 10). Прокариотная клетка состоит из трех компартаментов:

1. Поверхностные структуры – граничат с внешней средой, включают капсулы, слизистые слои, чехлы; клеточные придатки: жгутики, фимбрии, пили, адгезины.

2. Клеточная оболочка – включает клеточную стенку и ЦПМ.

3. Цитоплазма с внутриклеточными структурами.

Цитоплазматические клеточные структуры

Цитоплазма

Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, называется цитозолем.

Другая часть цитоплазмы представлена разнообразными структурами: генетическим аппаратом, рибосомами, включениями, внутрицитоплазматическими мембранами (если они есть).

Рис. 10. Схематическое изображение строения бактериальной клетки (по Г. Шлегелю): 1 – гранулы поли-β-оксимасляной кислоты; 2 – жировые капельки; 3 – включения серы; 4 –  трубчатые тилакоиды; 5 – пластинчатые тилакоиды; 6 – пузырьки; 7 – хроматофоры; 8 – ядро (нуклеоид): 9 – рибосомы; 10 – цитоплазма; 11 – базальное тельце; 12 – жгутики; 13 – капсула; 14 – клеточная стенка; 15 – цитоплазматическая мембрана; 16 – мезосома; 17 – газовые вакуоли; 18 – ламеллярные структуры; 19 – гранулы полисахарида; 20 – гранулы полифосфата.

Генетический аппарат

У большинства прокариот гены, необходимые для жизнедеятельности и определяющие их видовую специфичность расположены в единственной ковалентно замкнутой молекуле ДНК, которую называют бактериальной хромосомой. Кроме этого в клетках прокариот могут иметься внехромосомные ДНК (например, плазмиды) и бактериофаги, несущие определенную генетическую информацию. Поэтому термин бактериальная хромосома не эквивалентен по своему значению термину геном, который означает сумму всех генов клетки, находящихся не только в хромосоме, но и в плазмидах и (или) бактериофагах.

Бактериальная хромосома не отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, но компактно локализована в центральной области цитоплазмы. Чтобы подчеркнуть структурные различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток генетический аппарат прокариот называют нуклеоидом. На ультратонких срезах бактериальных клеток четко различима область нуклеоплазмы, не окруженная мембраной. Эта область имеет фибриллярную структуру и лишена рибосом. Хромосомная ДНК представляет собой ковалентно замкнутую кольцевую молекулу, in vivo связанную с гистоноподобными белками.

Нуклеоид имеет крупные размеры относительно бактериальной клетки, например, у E. coli 1,3 против 3 мкм, соответственно. ДНК плотно упакована, представлена системой из 20 – 100 независимо суперспирализованных петель, и мало доступна для действия ферментов, а также для рибосом. Поэтому транскрипция, по-видимому, возможна только на поверхности нуклеоида. Можно предположить, что сверхспирализованные петли проникают в области цитоплазмы, содержащие РНК-полимеразу и рибосомы, и вся структура нуклеоида весьма динамична. Поскольку нуклеоид не окружен мембраной новосинтезированная мРНК сразу доступна для взаимодействий и непосредственно по мере синтеза с ней связываются рибосомы, происходит образование полисом и осуществляется трансляция. Такое прямое сопряжение транскрипции и трансляции – важное отличие прокариотических клеток от эукариотических.

Бактериальная хромосома имеет молекулярную массу около 1010 Дальтон (5×106 пар оснований) (1Дальтон = 1,66033×10-27 кг). Составляет 2 – 3 % сухой массы клетки (более 10 % по объему). Хромосомная ДНК содержит до 4000 отдельных генов, необходимых для поддержания жизнедеятельности бактерий.

ДНК прокариот построена так же, как и эукариот. В состав ДНК входят 4 различных основания: два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин). Содержание пар А+Т и Г+Ц в молекуле ДНК является постоянным для каждого вида. У прокариот молярный процент ГЦ-пар в ДНК варьирует от 24 (например, у микоплазм) до 76 % (у некоторых актиномицетов).

Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы в норме сопровождается ее делением. Как правило, в клетках содержится одна хромосома. Но иногда обнаруживается 3, 4, 8 и более хромосом. Часто это наблюдается в быстро растущей клетке, а также при действии определенных факторов (t, рН, излучение, соли тяжелых металлов, антибиотики). После устранения этих факторов и переходе в стационарное состояние, как правило, в клетках обнаруживается по одной хромосоме.

Репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму.

Плазмиды – это фрагменты ДНК с молекулярной массой 106-108 Дальтон, несущие от 40 до 50 генов. В большинстве случаев – это кольцевые молекулы, у некоторых – линейные, например, у представителей р. Streptomyces, Borrelia, Rhodococcus. В свободном состоянии плазмиды локализуются в цитоплазме клетки, реплицируются автономно (самостоятельно). Эписомы – это плазмиды, способные встраиваться в хромосому бактерии.

В состав плазмид входят гены, кодирующие их воспроизведение, и факультативные свойства, обеспечивающие клетке-хозяину преимущества в тех или иных условиях. Плазмиды кодируют разнообразные функции: устойчивость к лекарственным препаратам и тяжелым металлам, деградацию труднодоступных неприродных соединений (ксилол, толуол, нафталин, пестициды и т. д.), продуцирование бактериоцинов, образование антибиотиков, определяют вирулентность и образование токсинов у патогенных бактерий. Конъюгативные плазмиды участвуют в горизонтальном переносе генов.

Транспозоны – это мобильные сегменты (участки ДНК), способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) из одного сайта в другой внутри хромосомы или во внехромосомную ДНК (плазмиду) в пределах одной клетки. Некоторые транспозоны (конъюгативные) могут перемещаться в другие клетки в процессе, сходном с конъюгацией. Инсерционные последовательности (IS-элементы) – простейшие мобильные элементы, содержат 800 – 1400 пар оснований. Содержат только гены, необходимые для собственного перемещения. Они кодируют синтез ферментов, необходимых для сайт-специфической рекомбинации, и ферментов, контролирующих частоту транспозиции. IS-элементы не реплицируются самостоятельно, так как в свободном состоянии не обнаружены. Распознаваемых фенотипических признаков они не кодируют, вызывают мутагенный эффект. Сложные транспозоны (Tn-элементы) включают 2000–25000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два IS-элемента, необходимых для перемещения. Не способны к самостоятельной репликации, размножаются только в составе бактериальной хромосомы. Фенотипически проявляются, так как несут те же гены, что и плазмиды – гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования и т. д.

Рибосомы

Это частицы размером 15-20 нм. Служат местом синтеза белков на мРНК. Прокариотические рибосомы относятся к 70-S типу (S – единица Сведберга, константа седиментации для ультрацентрифуг). Состоят из двух субъединиц: 30S и 50S субъединиц. Содержат 55 белков и рРНК: 5S-, 16S - и 23S-р РНК. 30S-субъединица содержит одну молекулу 16S-рРНК, по одной молекуле белка более 20 видов. 50S-субъединица – состоит из двух молекул рРНК – 23S - и 5S - и по одной копии белков более 30 видов. Синтез белка катализируют не белки, а рРНК, рибосомные белки лишь усиливают функцию рРНК, часть белков выполняет структурную функцию.

В большинстве случаев организованы в виде полисом, располагаются непосредственно в цитоплазме, иногда вблизи плазматической мембраны. Рибосомы прокариот и эукариот сходны по своей структуре и функционируют сходным образом.

Количество рибосом в клетке варьирует от 20 до 104 и строго регулируется. Количество зависит от интенсивности процессов синтеза белка. Например, в быстро растущих клетках E. coli содержится около 15000 рибосом.

Внутрицитоплазматические включения

Выделяют две группы включений в цитоплазме: активно функционирующие структуры и продукты клеточного метаболизма, не выделяющиеся наружу и откладывающиеся внутри клетки.

К активно функционирующим структурам относятся хлоросомы, фикобилисомы, карбоксисомы, аэросомы, магнетосомы.

Хлоросомы и фикобилисомы имеются у фотосинтезирующих бактерий. Хлоросомы – это продолговатые пузырьки длиной 90 – 150 и шириной 25 – 70 нм, окруженные однослойной белковой мембраной толщиной 2–3 нм, располагаются вблизи от ЦПМ, плотно к ней прилегая, содержат фотосинтезирующие пигменты – бактериохлорофиллы, характерны для зеленых бактерий. Фикобилисомы имеют вид гранул размером 28 – 55 нм, располагаются на фотосинтетических мембранах правильными рядами, в них содержатся фикобилипротеины. Характерны для цианобактерий.

Карбоксисомы имеются у фототрофных и хемолитотрофных бактерий, фиксирующих СО2. Имеют форму многогранника, состоят из рибулозо-1,5-бифосфат-карбоксилаза, катализирующего фиксацию СО2.

Аэросомы (газовые вакуоли) имеются у водных бактерий. Они состоят из множества регулярно расположенных газовых пузырьков. Каждый пузырек окружен однослойной белковой мембраной и заполнен газом, состав которого идентичен таковому окружающей среды. Мембрана пузырьков проницаема для газов, но не проницаема для воды. Аэросомы обеспечивают плавучесть.

Магнетосомы имеются у магнитных бактерий. Состоят из магнетита (Fe2O3), располагаются вдоль длинной оси клетки, определяют магнитотаксис – движение в соответствии с силовыми линиями магнитного поля Земли.