какое максимальное количество рибосом может содержать типичная бактериальная клетка

Несмотря на то, что основными являются три типа клеток бактерий (заглавная иллюстрация) – сферическая, палочковидная и спиральная – специалисты выделяют довольно большое разнообразие других форм (рис. 1). Известно, что бактерии по строению клеточной стенки можно разделить на два типа (рис. 1, 2). Строение оболочки (клеточной стенки бактерий) в значительной степени связано с ее формой. Среди определяющих форму бактерий факторов на данным момент выделяют несколько основных:
— наличие/отсутствие внешней мембраны (у грамотрицательных бактерий);
— относительная толщина пептидогликанового слоя;
— особенности строения продольных пептидных сшивок между гликановыми нитями, ориентированными перпендикулярно длинной оси клетки: у грамотрицательных образуются напрямую, а у грамположительных через дополнительный мостик.

Ряд авторов отмечают, что морфологическое разнообразие грамотрицательных бактерий выше, чем таковое грамположительных (см. рис. 1). Среди грамположительных бактерий преобладают палочки, часто встречаются кокки и нитевидные формы, а вот изогнутые и спиральные формы очень редки. Палочки также преобладают и среди грамотрицательных бактерий, но второе и третье места по распространенности делят изогнутые и спиральные формы. А вот кокки и одноклеточные нитчатые формы среди грамотрицательных бактерий редки, хотя некоторые палочки и спиральные бактерии в определенных условиях могут приобретать округлую форму, например, в стационарной фазе культивирования и при неблагоприятных условиях.

На настоящий момент превалирует представление, что белки цитоскелета, такие как MreB (Murein cluster B) и FtsZ (Filamenting temperature-sensitive mutant Z) гомологи актина и тубулина эукариот, не являются собственно архитектурными элементами формы клеток, а представляют собой нечто похожее на разметку для активации процессов синтеза/разборки клеточной стенки, являясь сайтами прикрепления соответствующих ферментов и регуляторных белков. Экспериментально было показано, что присутствие белка MreB отвечает за палочкообразную форму клетки, а белок FtsZ отвечает за формирование перегородки и других структур во время деления клетки (так называемое Z-кольцо). Представляется, что белок MreB это основной фактор формирования палочковидной формы: он организует в определенных местах клеточной стенки (там, где будут «стенки палочки») синтез пептидогликана (клеточной стенки) после разделения клетки на дочерние и, таким образом, обеспечивает удлинение клеток. У кокков (сферическая форма) этого белка нет, а наращивание клеточной стенки происходит в кольцевой зоне при делении клетки за счет белка FtsZ и других белков, участвующих в делении клетки. Для объяснения формы клеток прокариот еще одним важным белком считается кресцетин CreS. Его наличие в определенной области затормаживает образование клеточной стенки, что приводит к искривлению клетки в результате неравномерного роста. Так могут получаться изогнутые формы. Есть и другие белки-кандидаты (например, бактофилины), претендующие на роль в процессе формообразования у прокариот, однако их функции пока изучены недостаточно.

Кокки. Можно выделить два типа прокариот, имеющих сферическую форму. Одни кокки («собственно» кокки) в течение всего жизненного цикла остаются сферическими. Другие («производные» кокки) – палочки, вибрионы, и др.- приобретают сферическую форму только в неблагоприятных условиях. Как уже говорилось, у подавляющего большинства «собственно» кокков не обнаружен белок MreB (ответственный за палочковидную форму) и сферическая форма приобретается в ходе процессов роста дочерних клеток в зоне деления материнской клетки. «Производные» кокки получают свою сферическую форму другим путем: за счет, так называемого, «редуктивного» деления, когда многократные деления клеток не перемежаются синтезом клеточной стенки в районе стенок (т.е. удлинением). Очевидно, напрашивается вывод, что кокки произошли от палочковидных бактерий в результате потери основного белка MreB, обеспечивающего удлинение стенок.

Чем же выгодно быть сферическим? У сферической формы наименьшее соотношение площади поверхности к объему, это объясняет их малые размеры, потому кокки являются доминирующей группой в микропорах различных типов почв. Это же свойство выгодно при переживании неблагоприятных условий в случае с «производными» кокками. Поскольку шарообразная форма наименее удобна для управляемого движения, кокки, как правило, лишены «органов движения», например, жгутиков. Показано, что сферическая форма позволяет бактериям быстрее распространяться пассивно с током воды, чем бактериям других форм. Эта закономерность объясняет «любовь» кокков образовывать скопления (диплококки – две клетки, стрептококки – нити клеток, стафилококки – гроздья клеток), которые затормаживают пассивное передвижение, а при необходимости агрегация распадается под действием специальных ферментов, разделяющих склеенные между собой клетки (рис. 3).

Палочки. По-видимому, самая удобная (универсальная) для бактерий форма клеток. Большинство исследователей считает палочки исходной в эволюционном плане формой. Подсчитано, что клетки с соотношением длины к диаметру (l/d) около 3.7 испытывают наименьшее сопротивление среды при активном передвижении в жидких средах, более того выгоднее быть длиннее, чем короче, данного соотношения: чтобы испытывать такое же сопротивление среды, как кокки, палочки должны стать в 130 раз длиннее своего диаметра. При соотношении l/d от 3 до 6 наблюдается наибольшая эффективность поглощения питательных веществ из окружающей среды и их внутриклеточного транспорта. Именно таким формам удобно закрепляться на субстрате. Замечено, что очень успешно палочки «собираются» в (печально известные) биопленки.

Многочисленные нитевидные формы это производные палочек, длина стенок которых во много раз превышает диаметр клетки. Нитевидная форма одна из стратегий избегания хищничества со стороны простейших. Длинные, разветвленные формы получают возможность функционально дифференцировать клетку, что способствует более эффективному питанию в случае дефицита определенных элементов питания.

Извитые (спиральные) формы. Бактерии могут становится извитыми разными способами в разных эволюционных линиях прокариот. Например, Helicobacter pylori, вызывающий язву желудка, особыми ферментами (группы Csd) контролируемо разрезает сшивки между нитями в пептидогликановом слое, благодаря чему правильно организованный цилиндр клеточной стенки скручивается в спираль (рис. 4). Интересно, что грамположительные бактерии не имеют ферментов этой группы, к тому же их сшивки между нитями содержат дополнительные (пентаглициновые) мостики, а не сшиты напрямую, как у грамотрицательных бактерий. Эти обстоятельства в некоторой степени объясняют редкость спиральных форм среди грамположительных бактерий.

По-видимому, другой способ скручиваться изобрели Spirochaetae. Сначала было подозрение, что имеющиеся у спирохет жгутики, расположенные в внутреннем пространстве между мембранами (см. рис. 2, межмембранное пространство), ответственны за скручивание клеток. Действительно, было показано, что извитые формы спирохет в виде плоской волны «используют гены» внутренних жгутиков для образования стяжек в нужных местах для придания волнообразной формы клетке. Однако полученные правильно скрученные спиральные мутантные формы без внутренних жгутиков показали, что спиральные спирохеты используют еще какой-то механизм для скручивания. Представляется, что спиральные формы более эффективны при движении в вязкой среде, чем другие формы бактерий.

Изогнутые формы– вибрионы – можно рассматривать как короткие спиральные формы. Но у вибрионов есть покрайней мере еще один способ изогнуться: при помощи «тормозящего» белка кресцетина CreS (см. выше). Ряд исследований показал, что изогнутая форма вибриона способствует активному движению в жидкости и активному поиску лучшего места (хемотаксису).

Помимо общей формы клетки бактерии также могут иметь дополнительные внешние морфологические элементы – жгутики, мембраны, выросты, ножки – отражающие способности прокариот специфически приспосабливаться к определенным условиям жизни, моделируя для себя субнишевые (в экологическом смысле) пространства (рис. 5). Понятно, что целый ряд факторов, таких как свойства среды, способ питания, хищничество со стороны простейших, взаимодействие с субстратом и др. определяют эволюцию формы клеток бактерий. Интересно, что один и тот же тип клеток, как и дополнительных внешних морфологических приспособлений, может обеспечиваться разными структурными элементами оболочки и молекулярными механизмами в ходе эволюции разных таксонов.

Источник

Какое максимальное количество рибосом может содержать типичная бактериальная клетка

Один из основных признаков прокариотической клетки — отсутствие внутреннего разделения, обеспечиваемого элементарными мембранами. По сути, единственная мембранная система прокариотической клетки — ЦПМ, входящая в состав клеточной оболочки, часто сложно устроенная и проникающая поперечными складками глубоко в цитоплазму. В составе любой стабильной бактериальной клетки выделяют условные компартменты — поверхностные структуры, клеточную оболочку и цитоплазму.

Поверхностные структуры бактерий

Основные поверхностные структуры бактериальной клетки — капсула, жгутики и микроворсинки. Их наличие — относительно стабильный признак, используемый для идентификации бактерий.

Капсула бактерий

Клеточную оболочку многих бактерий окружает слой аморфного, сильно обводнённого вещества. Этот покров выполняет важные функции: делает оболочку клетки (состоящей из клеточной стенки и ЦПМ) более плотной и прочной, предохраняет бактерии от воздействия бактерицидных факторов, обеспечивает адгезию на различных субстратах, может содержать запасы питательных веществ.

Организация капсул бактерий. Основную роль в организации капсул бактерий играет ЦПМ. Выделяют микрокапсулы (выявляемые только при электронной микроскопии в виде слоя мукополисахаридных микрофибрилл) и макрокапсулы (обнаруживают при световой микроскопии). У некоторых бактерий полимеры клеточной оболочки, выделяемые наружу, свободно располагаются вокруг неё, образуя слизистый слой. Капсулированные бактерии могут превращаться в бескапсульные варианты и, поскольку первые образуют мукоидные или гладкие (S), а бескапсульные — шероховатые (R) колонии, это явление известно как S- и R-диссоциация. Капсула и слизистый слой не препятствуют поступлению и выходу различных веществ из бактериальной клетки, а также плохо удерживают красители.

Окраска капсул бактерий. Для облегчения микроскопирования капсулы можно сделать видимыми, проведя негативную окраску мазка по Бурри-Гинсу или Хиссу либо с помощью реакции набухания по Нойфельду (см. ниже).

Состав капсул бактерий. В состав большинства бактериальных капсул входят сложные полисахарид ды. Капсулы также могут содержать соединения азота (например, у пневмококков капсула состоит из полисахаридов, глюкозамина и глюкуроновой кислоты), но могут и не содержать азот (например, капсулы лейконостоков состоят из декстрана, левулана, фруктозана и других полимеризованных моносахаров). Капсулы некоторых болезнетворных бактерий (например, Bacillus anthracis) формируют полисахариды и полипептиды, образованные мономерами D-глутаминовой кислоты. Поскольку D-аминокислоты устойчивы к воздействию протеаз, такая капсула лучше защищает бактерию от ферментативных воздействий фагоцитов.

Антигенные свойства капсул бактерий. Капсульные Аг (К-Аг) многих патогенных бактерий проявляют выраженные иммуногенные свойства (например, вакцины против пневмококковых и менингококковых инфекций готовят из материала капсулы). Связывание AT с капсулой изменяет её светопреломляющие характеристики, вызывая кажущееся набухание капсулы, видимое при соответствующих условиях освещения под микроскопом и известное как реакция Нойфельда.

Источник

Морфология и ультраструктура бактериальной клетки

Один из основных признаков прокариотической клетки — отсутствие внутреннего разделения, обеспечиваемого элементарными мембранами. По сути, единственная мембранная система прокариот — ЦПМ, входящая в состав клеточной стенки, часто сложно устроенная и проникающая поперечными складками глубоко в цитоплазму.

Структура бактерий хорошо изучена с помощью электронной микроскопии целых клеток и их ультратонких срезов, а также других методов. Бактериальную клетку окружает оболочка, состоящая из клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Под оболочкой находится протоплазма, состоящая из цитоплазмы с рибосомами и неоформленного ядра, называемого нуклеоидом. Могут быть дополнительные структуры: капсула, микрокапсула, слизь, жгутики, включения. Некоторые бактерии способны образовывать споры для переживания неблагоприятных условий. Все структурные элементы бактериальной клетки условно можно разделить на обязательные (нуклеоид, ЦПМ, клеточная стенка, цитоплазма, 70S рибосомы) и необязательные, которые могут отсутствовать у некоторых видов (капсула, плазмиды, включения, жгутики, пили и др.)

Капсула.Клеточную оболочку многих бактерий окружает слой аморфного, гидрофильного вещества. Капсула состоит из полисахаридов (экзополисахаридов), иногда из полипептидов; например, капсула В. anthracis состоит из полимеров D-глутаминовой кислоты. Основную роль в организации капсул играет ЦПМ. Выделяют микрокапсулы (выявляемые только при

электронной микроскопии в виде слоя мукополисахаридных фибрилл) и макрокапсулы (обнаруживают при световой микроскопии). У некоторых бактерий полимеры клеточной оболочки, выделяемые наружу, свободно располагаются вокруг нее, образуя слизистый слой. Слизь растворима в воде. Мукоидные экзополисахариды характерны для мукоидных штаммов синегнойной палочки, часто встречающихся в мокроте больных скистозным фиброзом. Капсула и слизь предохраняют бактерии от повреждений, высыхания, фагоцитов. воздействия бактерицидных факторов, обеспечивают адгезию на различных субстратах, могут содержать запасы питательных веществ. Капсула антигена (К-антиген). Для визуализации капсулы используют негативные методы окраски (по Бурри-Гинсу).

По строению и составу клеточной стенки микроорганизмы делятся на грамположительные и грамотрицательные, что является важным признаком, положенным в основу искусственной систематики микробов. Основным компонентом толстой клеточной стенки грамположительных бактерий является многослойный пептидогликан, составляющий 40-90 % массы клеточной стенки. С пептидогликаном клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка), молекулы которых представляют собой цепи из 8-50 остатков глицерола и рибитола, соединенных фосфатными мостиками. В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков.

Рис. 2. Строение клеточной стенки бактерии

В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит наружная мембрана, связанная посредством липопротеина с подлежащим слоем пептидогликана. На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов. Внутренний слой наружной мембраны представлен фосфолипидами, а в наружном слое расположен липополисахарид. Липополисахарид наружной мембраны состоит из 3 фрагментов: липида А — консервативной структуры, практически одинаковой у грамотрицательных бактерий; ядра, или стержневой, коровой части (от лат. соrе — ядро), относительно консервативной олигосахаридной структуры (наиболее постоянной частью ядра ЛПС является кетодезоксиоктоновая кислота); высоковариабельной О-специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями (О-антиген). Белки матрикса наружной мембраны пронизывают ее таким образом, что молекулы белка, называемые поринами, окаймляют гидрофильные поры, через которые проходят вода и мелкие гидрофильные молекулы.

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием различных факторов образуются клетки с измененной формой (чаще шаровидной): протопласты — бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты — бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. Бактерии сферо- или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана и способные размножаться, называются L-формами. Существуют нестабильные L-формы, которые могут реверсировать, «возвращаясь» в исходную бактериальную клетку, и стабильные L-формы, не способные к реверсии.

Цитоплазматическая мембрана.ЦПМ — это обязательная клеточная структура, являющаяся физическим, осмотическим, метаболическим барьером между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой. ЦПМ состоит из двух слоев фосфолипидов и встроенных в липидную мембрану белковых молекул (как большинство биологических мембран). Белки составляют 20-75%, липиды — 25-40% и в незначительных количествах в ЦПМ присутствуют углеводы и РНК, Белки ЦПМ подразделяют на структурные и функциональные. Первые образуют различные структуры ЦПМ, вторые представлены ферментами, участвующими в синтетических реакциях на поверхности мембраны и окислительно-восстановительных процессах, а также некоторыми специализированными энзимами (пермеазы участвуют в транспорте веществ). При избыточном росте (по сравнению с ростом клеточной стенки) цито-плазматическая мембрана образует инвагинаты — впячивания в виде сложно закрученных мембранных структур, называемые мезосомами. Мезосомы образуют поперечные перегородки между делящимися клетками и являются местом прикрепления бактериальной хромосомы.

У некоторых бактерий между ЦПМ и клеточной стенкой располагается периплазматическое пространство — полость шириной около 10 нм. Снаружи в это пространство открываются поры клеточной стенки, изнутри выходят некоторые клеточные ферменты (рибонуклеазы, фосфатазы, |3-лактамазы).

Цитоплазма.Цитоплазма бактерий представляет собой коллоидный матрикс, служащий для реализации жизненно важных функций. Цитоплазма большинства бактерий содержит ДНК, рибосомы и запасные гранулы; остальное пространство занимает коллоидная фаза. Ее основные составляющие — растворимые ферменты и РНК (мРНК и тРНК).

Бактериальный геном.Эквивалентом ядра у бактерий является нуклеоид (генофор). Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двойной суперспирализованной кольцевой молекулы ДНК. Она составляет 2-3% сухой массы клетки (более 10% по объему). Генофор не содержит гистонов. Объем генетической информации, кодируемой в бактериальной хромосоме зависит от вида бактерии. Кроме нуклеоида в бактериальной клетке имеются внехромосомные носители генетической информации — плазмиды, являющиеся ковалентно замкнутыми кольцами ДНК. Плазмиды несут ряд различных генов, кодирующих дополнительные (необязательные) признаки бактерий, например, гены антибиотикорезистентности (К-фактор). Бактерии могут обмениваться плазмидами в процессе конъюгации.

Рибосомы.Бактериальные рибосомы — сложные глобулярные образования, состоящие из молекул РНК и связанных с ними белками. Рибосомы необходимы для синтеза полипептидов. Количество рибосом в различных бактериальных клетках колеблется от 5 до 50 тысяч. Диаметр рибосом составляет около 16-20 нм. Скорость их осаждения при ультрацентрифугировании составляет 70S (единиц Сведберга), тогда как у эукариотических клеток 80S. Рибосомы бактерий состоят из двух субъединиц с коэффициентом седиментации 50S и 30S (у эукариот от 40S и 60S). Объединение субъединиц происходит перед началом трансляции. Рибосомальные РНК (рРНК) — консервативные элементы бактерий («молекулярные часы» эволюции). 16S рРНК входит в состав малой субъединицы рибосом, а 23S рРНК — в состав большой субъединицы рибосом. Изучение 16S рРНК является основой геносистематики, позволяющей оценить степень родства организмов. Различия в строении рибосом про- и эукариотических клеток делают рибосомы эукариот практически резистентными к действию антибиотиков, блокирующих синтез белка у бактерий.

Подвижность бактерий определяют микроскопией препаратов «раздавленной» или «вися-

чей» капли. Способность к движению можно определять также после внесения культуры бактерий уколом в столбик полужидкого агара (подвижные виды растут по всей толще среды, неподвижные — по уколу) или посевом бактерий в водный конденсат скошенного столбика агара.

(подвижные виды переплывают из конденсата на поверхность среды и колонизируют ее).

Микроворсинки.Помимо жгутиков, поверхность многих бактерий покрыта цитоплазматическими выростами — микроворсинками, встречающимися у подвижных и неподвижных видов. Пили (фимбрии, ворсинки) — нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10 нм х 0,3-10 мкм), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, прикрепление бактерий к поражаемой клетке; пили, ответственные за питание, водно-солевой обмен и половые (F-пили), или коньюгационные, пили. Пили многочисленны — несколько сотен на клетку. Одна-

ко половых пилей обычно бывает 1-3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими»

клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Со1- плазмиды). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами, которые интенсивно адсорбируются на половых пилях. Споры.Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий (высушивание, дефицит питательных веществ и др.). Внутри бактериальной клетки образуется одна спора (эндоспора). Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Способностью к спорообразованию обладают только бактерии родов Bacillus и Clostridium, включающие патогенные для человека виды, и многие сапрофиты. У бактерий рода Васillus диаметр споры не превышает диаметр (поперечник) бактериальной клетки. У бактерий рода Clostridium(от лат. closter, веретено) диаметр споры превышает поперечник бактерии, что придает им форму веретена (С.perfringens), барабанной палочки (С. tetani) или теннисной ракетки (С. botulinum) при центральной, терминальной и субтерминальной локализации спор соответственно. Основное значение спор в выживаемости бактерий определяет их терморезистентность, и резистентность к другим факторам (дезинфектанты и др.), оказывающим губительное воздействие на бактерии. Высокая устойчивость спор связана с низким содержанием свободной воды, высокой концентрацией кальция, вялостью метаболических процессов, наличием дипиколиновой кислоты и белка, богатого цистеином (что делает его похожим на кератин), а также наличие нескольких оболочек, которые являются дополнительной защитой от неблагоприятных внешних воздействий. При попадании спор в благоприятные условия они прорастают, проходя три последовательные стадии: активацию, инициацию, вырастание.

Споры плохо окрашиваются и остаются бесцветными в окрашенных клетках при использовании обычных методов окраски (простые методы, метод Грама). Для окраски спор используют метод Ожешко (Ауэски).

5. Основные формы бактерий

Отдельным видам бактерий с достаточным постоянством присущи: определенная форма, размер и расположение. Длина бактериальных клеток варьирует от 0,1-0,2 мкм (виды Муcoplasma) до 10-15 мкм (виды Clostridium), толщина — от 0,1 до 2,5 мкм. Средние размеры бактерий 2-3×0.3-0.8 мкм. Выделяют три основные формы бактерий — шаровидные (кокки), палочковидные (цилиндрические) и извитые (спиральные).

Рис. 3. Основные формы бактерии (микрофотографии) а) шаровидные (кокки); 6) палочковидные: в) извитые

Большинство кокков (от греч. kokkos — ягода, зерно) имеют шаровидную или овальную форму, клетки некоторых видов могут быть ланцетовидными (пневмококки) или бобовидными (нейссерии). По характеру расположения клеток в мазках выделяют диплококки (располагаются парами), стрептококки (располагаются цепочками), стафилококки (располагаются в виде гроздьев винограда), сарцины (располагаются пакетами по 8. 16. 32 и более клеток) и др.

Палочковидные бактерии различаются по форме концов клетки и взаимному расположению. Палочки могут быть правильной (кишечная палочка), неправильной (коринебактерии) формы, ветвящиеся (актиномицеты). Палочковидные бактерии могут располагаться в мачках одиночно и беспорядочно (монобактерии), попарно (диплобактерии) или цепочкой (стрепто-бактерии. стрептобациллы) (рис. 4).

Рис. 4. Основные формы бактерий

Извитые формы — представлены изогнутыми палочками. В зависимости от формы и количества завитков различают три типа клеток: вибрионы (от греч. vibrio— извиваюсь, изгибаюсь) имеют один завиток. не превышающий четверти оборота спирали (изогнутые клетки наподобие запятой): спириллы (от греч. speira— спираль) имеют 3-5 крупных завитков и спирохеты —большое количество мелких завитков (рис. 5).

Источник