ЛЕКЦИЯ №1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

ВВЕДЕНИЕ

 

Микробиология – это один из разделов биологии, изучающий наиболее мелких представителей живого мира. Ее формирование как науки происходило в течение нескольких веков, и долгое время продолжалось эмпирическим путем. В настоящее время микробиология имеет несколько отраслей и направлений развития, самые перспективные из которых связаны с молекулярными и генетическими методами.

В основу данного курса лекций положены классические учебники по общей микробиологии отечественных (М. В. Гусев, Л. А. Минеева) и зарубежных (Г. Г. Шлегель, Г. Готтшалк) авторов. В курсе лекций «Микробиология с основами вирусологии» рассматриваются следующие разделы:

– становление и развитие; где описывается возникновение микробиологии, формирование ее отраслей, а также вклад отечественных ученых в развитие микробиологии в нашей стране.

– морфология и функциональная структура прокариотической

клетки;  

– разнообразие и систематика микроорганизмов; где большое внимание уделяется многообразию представителей микробного мира: бактерий и грибов, а также неклеточных форм – вирусов, вироидов и прионов

– рост микроорганизмов и их культивирование; где подчеркивается многообразие способов существования прокариот, по сравнению с эукариотическими организмами, и описываются некоторые традиционные методы культивирования микроорганизмов;

– энергетические и конструктивные процессы, протекающие в бактериальных клетках; в том числе основные пути получения энергии – брожение, дыхание и фотосинтез, а также некоторые биосинтетические пути, ведущие к построению основных углерод- и азотсодержащих соединений клетки;

– экологическая роль микроорганизмов в биосфере, в том числе их значение в почвенных, водных и воздушных экосистемах, а также в процессах поддержания гомеостаза окружающей среды.

Курс состоит из 15 лекций, рассчитан на 36 часов, предназначен для студентов биологических специальностей вузов.

 

ЛЕКЦИЯ №1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

МИКРОБИОЛОГИИ

 

1.1. Открытие микроорганизмов

1.2. Развитие представлений о природе процессов брожения и гниения

1.3. Научная деятельность Л. Пастера

1.4. Развитие микробиологии в XIX веке

1.5. Микробиология в XX веке

1.6. Направления микробиологии (слайд 1.3)

 

1.1. Открытие микроорганизмов

 

Микробиология – наука о микроорганизмах. Объектом изучения микробиологии являются микроорганизмы – организмы, имеющие размеры в пределах 0, 1 мм. К ним относятся простейшие, одноклеточные водоросли, микроскопические грибы, бактерии, вирусы (слайд 1.4). Микроорганизмы распространены в природе повсеместно. Благодаря мелким размерам, их количество в 1 г вещества может составлять миллионы и миллиарды клеток.

На протяжении длительного времени человек жил в окружении микроорганизмов, не подозревая об их присутствии. Размеры этих микросуществ лежали ниже предела видимости, на который способен человеческий глаз. Первые оптические приборы появились очень давно: в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы из горного хрусталя.

Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир.

Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI– XVII вв. и связано с развитием астрономии. Микроскоп был создан в 1610 г. Г. Галилеем (1564-1642) (слайд 1.5). Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы. Р. Гук (слайд 1.6) (1635-1703) обнаружил ячеистое строение древесной ткани и ввел термин «клетка» («Микрография», 1665). Дальнейшие этапы изучения микромира связаны с совершенствованием оптических приборов.

А. ван Левенгук (1632-1723) – голландский мануфактурщик, первый человек, увидевший микроорганизмы (слайд 1.7). В 1676 г. ему впервые удалось увидеть бактерии в капле воды. Результаты своих наблюдений он посылал в Лондонское Королевское общество, членом которого впоследствии был избран. 

В то время ученых волновали три основные проблемы: природа процессов брожения и гниения, причины возникновения инфекционных болезней и проблема самозарождения организмов. Именно они послужили стимулом для исследований, приведших к возникновению микробиологии.

 

Развитие представленийо природе процессов брожения и гниения

 

1.2. Развитие представлений о природе процессов брожения и гниения

 

Я. Б. ван Гельмонт (1577-1644) – голландский алхимик, впервые употребил термин «брожение» (слайд 1.8). Г. Э. Шталь (1660-1734) – немецкий врач и химик, описал процессы брожения и гниения как чисто химические (слайд 1.9). 

Однако эта точка зрения принималась не всеми исследователями. О роли дрожжей в процессах брожения ученые писали уже в XVIII веке. 

Ж.-Л. Л. де Бюффон (1707-1788) – французский натуралист и химик (слайд 1.10), А. Лавуазье (1743-1794) и Ш. Каньяр де Латур (1777-1859) – французский ботаник (слайд 1.11, 1.12), пришли к выводу, что жизнедеятельность дрожжей является причиной брожения. Почти одновременно Ф. Кютцинг (1807-1893) и Т. Шванн (1810-1882) пришли к аналогичным выводам (слайд 1.13).

Однако идеи о биологической природе брожения не получили признания. Господствовавшей оставалась теория физико-химической природы процессов брожения и только в 1857 г. Луи Пастер установил, что это – результат жизнедеятельности дрожжей без доступа кислорода.

 

1.3. Научная деятельность Л. Пастера

 

Выдающийся французский ученый Луи Пастер (1822-1895) своими работами положил начало современной микробиологии (слайд 1.14). Научная деятельность Л. Пастера многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Труды Л.

Пастера:

1857 – Брожения. 

1860 – Самопроизвольное зарождение. 

1865 – Болезни вина и пива.

1868 – Болезни шелковичных червей. 

1881 – Зараза и вакцина. 

1885 – Предохранение от бешенства.

Л. Пастер обнаружил анаэробный способ существования, ввел термины «аэробный» и «анаэробный». Л. Пастер доказал невозможность самозарождения. Пастер разработал рекомендации по предупреждению попадания посторонних микробов из внешней среды (пастеризация).

Работы Л. Пастера в области изучения инфекционных болезней животных и человека позволили ему не только выяснить природу этих заболеваний, но и найти способ борьбы с ними, положив начало развитию медицинской микробиологии. Пастер предложил идею вакцинации. Применение вакцин дало блестящие результаты, и уже при жизни Пастера во многих странах были организованы Пастеровские станции, где готовили вакцины для прививок. В нашей стране – в 1886 в г. Одессе. Разработав

Микробиология в XX веке

notatum, назвал его пенициллином. А. Флеминг не смог получить пенициллин в пригодном для инъекций виде. Эту работу выполнили в Оксфорде Х. Флори (1898-1968) и Э. Чейн (1906-1979), лишь в 1938. Открытие пенициллина, а затем других антибиотиков произвело настоящую революцию в лечении инфекционных болезней. 

З. В. Ермольева (1898-1974), выдающийся ученый-микробиолог и биохимик, создатель ряда отечественных антибиотиков (слайд 1.34). Ее основные труды по изучению холеры и антибиотикам. Ею был разработан метод экспресс-диагностики холеры. В Ташкентском институте вакцин и сывороток был создан и применен комплексный препарат бактериофага, который был способен бороться с возбудителями таких опасных заболеваний, как холера, брюшной тиф и дифтерия. Производство этого препарата было организовано в Сталинграде во время войны. Ежедневно его принимали 50 тыс. человек.

Величайшей заслугой Ермольевой является то, что она не только первой в нашей стране получила пенициллин, но и активно участвовала в организации и налаживании его промышленного производства в годы Великой Отечественной войны.

 «Рождение» пенициллина послужило импульсом для создания других антибиотиков: стрептомицина, тетрациклина, левомицетина и др. Кроме того, Ермольева первой из отечественных ученых начала изучать интерферон как противовирусное средство. 

В годы Великой Отечественной войны возникла потребность в большом количестве продуктов микробного происхождения, что привело к развитию промышленных методов их получения. 

В. Н. Шапошников (1884-1968) – основатель промышленной микробиологии, заложил основы промышленного производства молочной и масляной кислот, ацетона, бутилового спирта и др. (слайд 1.35)

В. С. Буткевич (1872-1942) – разработал микробиологический способ получения лимонной кислоты. Широко известны его работы о роли микроорганизмов в образовании железомарганцевых руд. (слайд 1.36)

С. П. Костычев (1877-1931) изучал химизм дыхания и брожения и обнаружил генетическую связь между этими процессами. Совместно с В. С. Буткевичем С. П. Костычев разработал технологию промышленного получения лимонной кислоты с помощью гриба Aspergillus niger.

 

1.6. Направления микробиологии

 

С начала XX в. продолжается дальнейшая дифференциация микробиологии. 

Общая микробиология: изучает морфологию, физиологию, экологию, систематику, генетику микроорганизмов; участие микроорганизмов в круговороте веществ в природе (слайд 1.37).

Направления микробиологии

Водная микробиология: изучает роль микробов в круговороте веществ в природе, разрабатывает микробиологические способы очистки промышленных и сточных вод.

Почвенная микробиология: изучает видовой состав различных групп микроорганизмов, населяющих почву, их численность и зависимость от внешних условий, биохимическую деятельность почвенных микроорганизмов, их роль в эволюции и плодородии почвы, а также взаимодействие друг с другом и с высшими растениями.

Медицинская и ветеринарная микробиология: изучает патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, их роль в развитии инфекционной патологии. Границы современной медицинской микробиологии значительно расширились. Из нее выделились вирусология, иммунология, санитарная микробиология.

Сельскохозяйственная микробиология: изучает роль микроорганизмов в почвообразовании и плодородии почвы. Изучает патогенные для растений микроорганизмы, способы защиты растений от болезней и вредителей. 

Космическая микробиология: изучает влияние на микроорганизмы космических условий, наличие микробов на других планетах и в метеоритах, способы предупреждения заноса земных микроорганизмов на другие планеты и заноса микробов из космоса на Землю. Важным вопросом является решение проблемы круговорота веществ в космических кораблях, для обеспечения жизнедеятельности человека в длительных космических полетах.

Геологическая микробиология: исследует роль микробов в круговороте элементов земной коры, в образовании полезных ископаемых, горных пород, разрабатывает микробиологические способы получения металлов из руд.

Промышленная микробиология (биотехнология) превратилась в мощную производительную силу. Задачей этой важной области является разработка и промышленное получение микробным синтезом различных соединений, микробных удобрений, БАВ (антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов, вакцин). 

Генетика микроорганизмов – одно из наиболее прогрессирующих направлений современной микробиологии. Предметом этой науки является молекулярная структура генов прокариотов, закономерности функционирования и репликации генов, процессы мутагенеза, конструирование методом генной инженерии новых штаммов с заданными способностями биосинтеза веществ.

 

 

Размеры микроорганизмов

 

Объекты, относимые к микроорганизмам, выделены по признаку их малых размеров и одноклеточных форм. Диапазон размеров микроорганизмов велик. Размеры одноклеточных зеленых водорослей и клеток дрожжей составляют десятки микрометров. Линейные размеры бактерий в среднем 0, 5-3 мкм, нитчатые формы могут достигать в длину до 1 мм (слайд 2.4).

Самые мелкие из известных прокариотных клеток – бактерии, принадлежащие к группе микоплазм – 0, 1-0, 15 мкм. Этот размер является теоретическим пределом клеточного уровня организации жизни, при котором в клетке еще может быть минимум молекул белка (порядка 1200) и минимум ферментных реакций, необходимых для поддержания клеточной структуры. Мельчайшие микоплазменные клетки равны или даже меньше частиц вирусов. 

Бактериальные клетки обычно можно увидеть в световой микроскоп. Размеры большинства вирусов находятся в диапазоне 16-200 нм (10-9) и лежат за пределами его разрешающей способности. Впервые наблюдать вирусы и выяснить их структуру удалось после изобретения электронного микроскопа. По своим размерам вирусы занимают место между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами.

 

Морфология клеток

 

Микроорганизмы по форме делятся на группы: сферические, цилиндрические, спиральные, необычной формы и нитчатые (слайд 2.5).

Сферические бактерии, или кокки, имеют округлую форму. В зависимости от расположения клеток после их деления подразделяются на группы (слайд 2.6). 

Микрококки – делятся в одной плоскости, и после деления клетки располагаются одиночно. Диплококки – делятся в одной плоскости, и после деления их клетки располагаются попарно. Стрептококки – делятся в одной плоскости, после деления между клетками сохраняется связь, и они располагаются в виде цепочек. Тетракокки – делятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и после деления образуют тетрады. Сарцины –делятся в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и после деления

Морфология клеток

располагаются в виде пакетов из 8, 16, 32, 64 клеток. Стафилококки – делятся в нескольких плоскостях, после деления клетки располагаются в виде виноградной грозди.

Кокки не всегда бывают правильной круглой формы, они могут быть ланцетовидными, удлиненными, чечевицеобразными, бобовидными и др. 

Цилиндрическая форма характерна для большинства бактерий.

Палочковидные формы бактерий различаются по длине, по поперечному диаметру, по форме концов клеток и характеру их расположения. 

Спиральной формы бактерии различаются количеством и характером завитков, длиной и толщиной клеток. Их подразделяют на негнущиеся (вибрионы, спириллы) и изгибающиеся (спирохеты) формы.

Необычные формы бактерий морфологически разнообразны. Тороидальные – замкнутые или незамкнутые кольца. Звездообразные клетки напоминают шестиугольную звезду. Тубероидальные клетки – это палочковидные бактерии со сферическими вздутиями. Форма плоских квадратных пластинок и коробочковидных плоских клеток геометрически разнообразной формы характерна архебактериям. Встречаются червеобразные клетки с заостренными тонкими концами и др. 

Нитчатые формы бактерий – это палочковидные клетки, которые соединяются в длинные цепочки, объединяемые слизью, чехлами, плазмодесмами (мостиками) или общей оболочкой. Нити трихомных бактерий могут быть свободноплавающими или прикрепленными к субстрату. 

Большинство бактерий одноклеточны, но имеются формы, состоящие из многих клеток. Примером истинно многоклеточных прокариотов с функциональной дифференциацией являются азотфиксирующие цианобактерии, у которых фиксация азота осуществляется гетероцистами – специализированными неделящимися клетками. Как правило, трихомные бактерии, стафилококки и др. образуют скопления клеток, не имеющих функциональной дифференциации – многоклеточные комплексы. 

Все перечисленные формы бактерий характеризуются постоянством формы клетки. Однако имеются полиморфные бактерии. К ним относятся бактерии, которые лишены клеточной стенки; бактерии, у которых в цикле развития наблюдается смена форм клеток кокк-палочка-кокк; это могут быть и слабоветвящиеся формы. У ряда бактерий клетки могут образовывать различной формы выросты – простеки.

 

Покоящиеся формы

 

Эндоспоры – это особый тип покоящихся клеток грамположительных бактерий, формирующихся внутри цитоплазмы материнской клетки (слайд

2. 9). В каждой бактериальной клетке формируется одна эндоспора (слайд 2.10). Эндоспоры обладают многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом. Кроме того, они устойчивы к высоким температурам и радиации, летальным в норме для вегетативных клеток (слайд 2.11). 

Образование эндоспор – процесс, происходящий только в мире прокариотов. Этапы формирования эндоспоры на примере бактерий родов Bacillus и Clostridium (слайд 2.12). 

1. У одного из полюсов клетки часть цитоплазмы вместе с генетическим материалом уплотняется и обособляется с помощью перегородки. Перегородка формируется впячиванием внутрь клетки ЦПМ. Эта стадия формирования споры напоминает клеточное деление. 

2. Образование проспоры – «обрастание» отсеченного участка мембраной вегетативной клетки. Проспора расположена внутри материнской клетки и полностью отделенная от нее двумя элементарными мембранами: наружной и внутренней.

Описанные этапы формирования споры обратимы. Если к спорулирующей культуре добавить хлорамфеникол (ингибитор белкового синтеза), то можно остановить «обрастание» и процесс спорообразования превратится в процесс клеточного деления. После образования проспоры дальнейшие этапы спорообразования уже необратимы. 

3. Формирование кортекса между наружным и внутренним мембранными слоями проспоры.

4. Синтез споровых покровов поверх наружной мембраны. Число, толщина и строение покровов различаются у разных видов бактерий. В формировании слоев споровых покровов принимает участие как наружная мембрана споры, так и протопласт материнской клетки.

5. Формирование многослойного экзоспориума поверх покровов споры. 

Покоящиеся формы

Все слои, окружающие протопласт эндоспоры, находятся внутри материнской клетки. На их долю приходится примерно половина сухого вещества споры. После сформирования споры происходит разрушение (лизис) «материнской» клеточной стенки, и спора выходит в среду. Отличия споры от вегетативной клетки (слайд 2.13):

1. Белки эндоспор богаты цистеином и гидрофобными аминокислотами, с чем связывают устойчивость к действию неблагоприятных факторов.  

2. Содержание ДНК и РНК в споре ниже, чем в исходной вегетативной клетке.

4. Накопление в спорах дипиколиновой кислоты и ионов кальция в эквимолярных количествах. Эти соединения образуют комплекс, локализованный в сердцевине споры. Обеспечивает термоустойчивоть споры.

5. Повышенное содержание других катионов (Mg2+, Mn2+, K+), с которыми связывают пребывание спор в состоянии покоя и их термоустойчивость.

Покоящиеся клетки бактерий характеризуются низким уровнем метаболизма. В первую очередь дыхания. Для всех покоящихся форм характерна повышенная устойчивость к действию разнообразных повреждающих факторов: высоких и низких температур, обезвоживанию, высокой кислотности среды, радиации, механических воздействий и др. В наибольшей степени эта устойчивость проявляется у эндоспор. Для эндоспор основными факторами, обеспечивающими их устойчивость, предположительно является дегидратация (обезвоженность цитоплазмы), термостойкость споровых ферментов, а также наличие дипиколиновой кислоты и большого количества двухвалентных катионов. Большой вклад в устойчивость спор вносят поверхностные структуры. 

Условия, способствующие образованию покоящихся клеток: наличие или отсутствие определенных питательных веществ в среде (метаболитов), изменение температуры, кислотности среды, условий аэрирования (слайд

2. 14). 

Помимо факторов внешней среды, обнаружены специфические вещества – индукторы спорообразования. Такие вещества могут выделяться в культуральную среду или накапливаться внутри клетки. 

Сформированные покоящиеся клетки могут долгое время находиться в жизнеспособном состоянии и прорастать в подходящих условиях. Процесс прорастания состоит из нескольких этапов: активации, инициации и вырастания. 

Экзоспоры – в отличие от эндоспор формируются снаружи (слайд 2.15). У большинства актиномицетов споры формируются путем деления гифы перегородками на участки, каждый из которых представляет собой будущую спору. Образование экзоспор сопровождается уплотнением и утолщением клеточной стенки. У экзоспор отсутствуют дипиколиновая кислота и характерные для эндоспор структуры (кортекс, экзоспориум). У

Покоящиеся формы

актиномицетов споры являются покоящимися клетками и одновременно репродуктивными структурами.

Экзоспоры бактерий из рода Methylosinus и Rhodomicrobium формируются в результате отпочкования от одного из полюсов материнской клетки.

Цисты встречаются у разных групп бактерий (слайд 2.16). Могут морфологически не отличаться от вегетативных клеток. У азотобактера образование цист сопровождается изменением морфологии клетки, потерей жгутиков и накоплением в цитоплазме поли-β -оксимасляной кислоты; одновременно происходит синтез дополнительных клеточных покровов: внешних (экзина) и внутренних (интина), различающихся структурно и химическим составом. 

Акинеты – покоящиеся клетки некоторых цианобактерий. Они крупнее вегетативных клеток, имеют продолговатую или сферическую форму, гранулированное содержимое и толстую оболочку. Прорастание акинет происходит иногда вскоре после их образования или только после перенесения в свежую питательную среду.

Цисты и акинеты более устойчивы к нагреванию, высушиванию, различным физическим воздействиям, чем вегетативные клетки.

Гетероцисты и бактероиды участвуют в фиксации атмосферного азота (слайд 2.17). Гормогонии, баеоциты – образуются у цианобактерий и служат для размножения (слайд 2.18).

 

 

 

СОСТАВ ПРОКАРИОТОВ

 

3.1. Общее строение прокариотической клетки

3.2. Поверхностные структуры клетки

3.2.1. Строение клеточной стенки

3.2.2. Капсулы, слизистые слои и чехлы

3.2.3. Жгутики и механизмы движения

3.2.4. Ворсинки

3.3. Мембранные структуры клетки

3.4. Цитоплазма и ее содержимое 

3.5. Клеточные включения

3.6. Генетический аппарат (слайд 3.3)

 

Строение клеточной стенки

 

Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент большинства бактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки (слайд 3.7). 

В состав клеточной стенки входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других структурах. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты окрашиваются по-разному и делятся на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Способ окраски был предложен в 1884 г. датским ученым X. Грамом, занимавшимся окрашиванием тканей

(слайд 3.8). 

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Клеточная стенка грамположительных бактерий плотно прилегает к ЦПМ. Под электронным микроскопом она выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется от 20 до 80 нм. 

У грамположительных бактерий пептидогликан составляет основную массу вещества клеточной стенки (40-90%). Пептидогликан – это гетерополимер, состоящий из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой β -1, 4гликозидными связями (рисунок). К N-ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа (обычно 4–5) аминокислот. У грамположительных бактерий обнаружено более 100 различных химических типов пептидогликана. Большинство различий относится к пептидной части его молекулы (слайд 3.9). Две особенности пептидного хвоста:  

1. наличие аминокислот в D-форме (неприродная конфигурация) и 2. высокое содержание аминокислот с двумя аминогруппами. 

Вторые аминогруппы участвуют в формировании дополнительных пептидных связей между гетерополимерными цепочками.

В состав клеточных стенок грамположительных бактерий входят тейхоевые кислоты. Это полимеры, построенные на основе рибита или глицерина, соединенных между собой фосфодиэфирными связями. Некоторые свободные гидроксильные группы в молекулах спиртов могут быть замещены остатками D-аланина, глюкозы, N-ацетилглюкозамина и некоторых других сахаров (слайд 3.10). 

Тейхоевые кислоты ковалентно соединяются с N-ацетилмурамовой кислотой. Как полианионы тейхоевые кислоты определяют поверхностный заряд клетки. Сахарные компоненты тейхоевых кислот входят в состав рецепторов для некоторых бактериофагов и определяют возможность адсорбции фага на клеточной поверхности (слайд 3.11).

В составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольших количествах также найдены полисахариды, белки и липиды. 

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойная. Внутренний электронно-плотный слой (2-3 нм) состоит из пептидогликана.

Снаружи к нему прилегает волнистый слой (8-10 нм), имеющий строение, характерное для элементарных мембран – наружная мембрана. Слой пептидогликана отделен от ЦПМ периплазматическим пространством. У грамотрицательных бактерий содержание пептидогликана значительно меньше (1-10%). У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру с довольно редкими поперечными связями между цепями (слайд

3.12). 

Наружная мембрана состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран; белков; липопротеина и липополисахарида. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид (ЛПС), занимающий около 30-40 % ее поверхности и локализованный во внешнем слое. ЛПС содержат три участка: липид А, сердцевинную часть и О-специфическую полисахаридную цепь. ЛПС являются антигенами бактерий (слайд 3.13).

Белки-порины пронизывают наружную мембрану насквозь и формируют гидрофильные поры, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул. Минорные белки наружной мембраны представлены большим числом видов. Их основная функция – транспортная и рецепторная.

Необычные клеточные стенки прокариот. Некоторые скользящие бактерии способны в процессе перемещения по твердому субстрату менять форму клеток, что говорит об эластичности их клеточной стенки, и в первую очередь ее пептидогликанового слоя. Наиболее вероятное объяснение гибкости клеточной стенки этих бактерий – чрезвычайно слабая сшитость ее пептидогликанового компонента (слайд 3.14).

Клеточная стенка архебактерий по структуре и химическому составу резко отличается от описанных выше типов. Клеточные стенки метанобразующих архебактерий содержат пептидогликан особого химического строения. У других представителей этой группы клеточная стенка может состоять из кислого гетерополисахарида или только из белка. Архебактерии с клеточной стенкой белковой природы не окрашиваются по

Граму, остальные типы архебактериальной клеточной стенки дают грамположительную реакцию.

Прокариоты без клеточной стенки. Протопласты – клетки, лишенные клеточной стенки (слайд 3.15). Получают их из грамположительных бактерий, с помощью литических ферментов: лизоцима, эндопептидаз, амидаз, гликозидаз и др. 

Независимо от формы исходных клеток бактерий протопласты всегда приобретают сферическую форму. В протопластах осуществляются основные процессы жизнедеятельности: дыхание, синтез белков, нуклеиновых кислот, спорообразование. Они могут увеличиваться в размерах, фиксировать азот (у азотфиксирующих бактерий). Протопласты не способны ресинтезировать клеточную стенку, редко делятся, не адсорбируют фаги, так как рецепторы фагов локализованы в клеточной стенке. При некоторых условиях (например, в 30 %-м желатине) в протопластах можно индуцировать регенерацию клеточных стенок и они реверсируют в исходную форму, но это происходит чрезвычайно редко. Протопласты используют в функциональной анатомии бактерий, для выделения и изучения мембранных структур, в генетике бактерий.

Сферопласты – бактериальные клетки, частично лишенные клеточной стенки (слайд 3.16). Их обнаруживают в старых культурах, в условиях несбалансированного роста, под влиянием иммунных сывороток и др. Их легче всего получать под влиянием пенициллина в гипертоническом растворе сахарозы или NaCI (осмотические стабилизаторы). Пенициллин предотвращает образование пептидогликана у растущих клеток, нарушая процесс образования поперечных связей между пептидными цепочками муреина.

Сферопласты отличаются от протопластов тем, что адсорбируют фаги, так как частично сохраняют клеточную стенку, размножаются, легко реверсируют в исходную клеточную форму при устранении факторов, вызвавших их образование. Общими свойствами протопластов и сферопластов являются большие размеры, отсутствие клеточных мембран типа мезосом, чрезвычайная чувствительность к осмотическим условиям. 

L-формы бактерий – образуются при антибиотикотерапии в условиях нарушения биосинтеза пептидогликана и полностью или частично лишены его (слайд 3.17). У L-форм бактерий нарушается функция размножения при сохранении функции роста, в результате чего значительно увеличиваются размеры клеток, которые превращаются в гигантские (до 50 мкм) шаровидные, нитевидные, грушевидные сильно вакуолизированные формы. L-формы обладают метаболической активностью, способностью к делению и слиянию их элементов. L-формы медленно (1-4 и более недель) растут в виде характерных колоний с врастающим в среду слегка пигментированным центром и нежным кружевным краем (яичница). 

L-формы болезнетворных бактерий – патогенные. Они сохраняют способность продуцировать токсины и другие вещества, синтез которых осуществляется в цитоплазме либо в цитоплазматической мембране. Заболевания, обусловленные реверсией L-форм, характеризуются длительностью течения, меньшей смертностью, большей инвалидностью. Lформы имеют приспособительное значение для клетки как способ переживания бактериями неблагоприятных условий (слайд 3.18).

Функции клеточной стенки прокариот (слайд 3.19):

1. Поддержание внешней формы клетки.

2. Защита от воздействий окружающей среды.

3. Защита от внутреннего осмотического давления. 

4. Транспорт веществ и ионов, необходимых клетке.

5. Препятствует проникновению токсических веществ и антибиотиков. 

6. Изолирует содержимое клетки от гидролитических ферментов, 7. Содержит транспортные белки и гидролитические ферменты. 

8. Содержит специфические рецепторы и антигены.

9. Обеспечивает межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов.

 

Ворсинки

 

Ворсинки или фимбрии, пили (слайд 3.30). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка – пилина – и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Они, как правило, тоньше жгутиков (диаметр – 5-10 нм, длина 0, 2-2, 0 мкм), расположены перитрихиально или полярно. 

Описаны ворсинки общего типа и половые. Ворсинки общего типа придают бактериям свойство гидрофобности, обеспечивают их прикрепление к клеткам растений, грибов и неорганическим частицам, принимают участие в транспорте метаболитов. Через ворсинки в клетку могут проникать вирусы.

Половые ворсинки, или F-пили, принимающие участие в половом процессе бактерий (слайд 3.31). F-пили необходимы клетке-донору для обеспечения контакта между ней и реципиентом и в качестве конъюгационного тоннеля, по которому происходит передача ДНК. Ворсинки не являются обязательной клеточной структурой.

 

Мембранные структуры клетки

 

Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Это – обязательный структурный элемент любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8-15% сухого вещества клеток (слайд 3.32). У большинства прокариотных клеток ЦПМ – единственная мембрана. В клетках фототрофных и ряда хемотрофных прокариот мембранные структуры содержатся также в цитоплазме

(внутрицитоплазматические мембраны). 

По структуре ЦПМ бактерий является типичной биологической мембраной, состоящей из белков и липидов. В некоторых бактериальных мембранах в значительных количествах обнаружены углеводы (слайд 3.33).

Главная функция липидов – поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств. При «биологических»

Мембранные структуры клетки

температурах мембранные липиды находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии. Это свойство обусловливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются друг с другом, растягиваются и сжимаются. При понижении температуры они переходят в квазикристаллическое состояние. Чем более ненасыщены и разветвлены остатки жирных кислот или чем большее число циклических группировок они содержат, тем ниже температура перехода из жидкостно-кристаллического состояния в квазикристаллическое.

Мембранные белки – это, как правило, ферменты. По аминокислотному составу мембранные белки не отличаются от других клеточных белков. 

Функции ЦПМ прокариот (слайд 3.34):  

1. Барьерная или разъединяющая.

2. Ферментативная (в ЦПМ локализованы ферменты).

3. Энергетическая (в ЦПМ расположены переносчики цепи электронного транспорта). 

4. ЦПМ принимает участие в репликации хромосомы.

5. Интегрирующая (объединяет клетку в единое целое). 

6. Транспортная (осуществляется с использованием разных механизмов мембранного транспорта). 

Выделяют 4 типа транспортных систем: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, перенос химически модифицированных молекул.

Цитоплазма и ее содержимое

 

Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций, получила название цитозоля. Другая часть цитоплазмы представлена разнообразными структурными элементами:

Цитоплазма и ее содержимое

внутрицитоплазматическими мембранами, генетическим аппаратом, рибосомами и включениями (слайд 3.38).

Рибосомы – место синтеза белка – рибонуклеопротеиновые частицы размером 15-20 нм (слайд 3.39). Их количество в клетке зависит от интенсивности процессов белкового синтеза и колеблется от 5000 до 90 000. Общая масса рибосом может составлять примерно 1/4 клеточной массы.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они построены из двух субчастиц: 30S и 50S. 30S-частица содержит одну молекулу 16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белка. 50S-субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S). В ее состав входят более 30 различных белков, представленных одной копией. Большая часть рибосомальных белков выполняет структурную функцию.

Синтез белка осуществляется агрегатами, состоящими из рибосом, молекул информационной и транспортных РНК и называемыми полирибосомами, или полисомами, которые могут находиться в цитоплазме или же быть связанными с мембранными структурами.

 

Клеточные включения

 

Запасные вещества прокариот представлены полисахаридами

(гликоген, крахмал и гранулеза), липидами, полипептидами, полифосфатами (волютин), отложениями серы (слайд 3.40). 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: