Строение и функционирование прокариотической клетки

Вспомним, что в настоящее время большинство учёных выделяют четыре царства живых организмов: Бактерии, Животные, Растения и Грибы. Бактерии относятся к прокариотам. А животные, растения и грибы – к эукариотам. Для клеток всех царств живых организмов характерно единство строения, химического состава и функций. Однако между прокариотическими и эукариотическими клетками существует много различий.

Прокариоты – это одноклеточные живые организмы. Они, в отличие от эукариот, не имеют оформленного ядра и других мембранных органоидов (митохондрий, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, хлоропластов). Поэтому прокариот по-другому называют доядерными. Наука, которая занимается изучением микроскопических организмов, в том числе и бактерий, называется микробиологией.

Большинство прокариотических клеток имеют очень маленькие размеры. Типичная бактериальная клетка имеет размер около 1 микрометра, тогда как эукариотические клетки имеют размер от 10 до 100 микрометров. Прокариотическая клетка примерно такого же размера, как митохондрия в клетках эукариот.

Клетка прокариот имеет простую организацию. В отличие от эукариот, их клетки не разделены на клеточные компартменты (отсеки). Компартментами в эукариотической клетке являются все органоиды.

По форме различают несколько морфологических групп бактерий: шаровидные (кокки), прямые палочковидные (бациллы), изогнутые (вибрионы), спирально изогнутые (спириллы). Некоторые клетки не расходятся после деления, и в результате образуются пары (диплококки), цепочки (стрептококки), стафилококки (в виде грозди винограда) или пакеты кокков (сарцины). Большинство бактерий бесцветны, и только некоторые (зелёные и пурпурные) содержат в цитоплазме пигменты, которые придают им окраску.

Прокариоты способны к очень быстрому делению. В течение 10–11 часов в благоприятных условиях одна бактерия способна образовать потомство в 4 миллиарда особей. Прокариоты легко адаптируются к условиям окружающей среды, у них очень часто происходят спонтанные мутации. Это способствует их повсеместному распространению на Земле. Бактерии обитают в почве, воде, воздухе, снегах полярных регионов и горячих источниках, на теле животных и растений, внутри живых организмов.

Рассмотрим строение бактерии. Как вы уже знаете, в клетке отсутствует ядро и мембранные органоиды. В цитоплазме располагается только огромное количество рибосом и одна крупная кольцевая двухцепочечная молекула ДНК – нуклеоид. У многих видов бактерий в цитоплазме располагаются ещё мелкие кольцевые суперспирализованные молекулы ДНК – плазмиды. Они способны удваиваться независимо от нуклеоида. Плазмиды могут находиться в бактериальной клетке в двух состояниях – автономном (располагаются в цитоплазме) и интегрированном (встраиваются в структуру нуклеоида и удваиваются вместе с ним).

В прокариотических клетках могут откладываться запасные питательные вещества – полисахариды (крахмал, гликоген), жиры и полифосфаты. Каждый вид прокариот накапливает один вид запасных веществ.

Цитоплазматическая мембрана (цитолемма) прокариот не отличается от мембраны эукариотической клетки и выполняет все свойственные функции: транспортную, защитную, барьерную, рецепторную, ферментативную и механическую. Однако существуют различия в химическом составе клеток. В цитолемме прокариот отсутствуют молекулы холестерина и некоторых других липидов.

Цитоплазматическая мембрана прокариот способна образовывать впячивания внутрь цитоплазмы – мезосомы. На их складчатых мембранах располагаются окислительно-восстановительные ферменты, а у фотосинтезирующих бактерий – и соответствующие пигменты (бактериохлорофилл), благодаря чему мезосомы выполняют функции митохондрий, хлоропластов и других органоидов.

На внутренней стороне мембраны расположены сайты связывания ДНК. После удвоения ДНК каждая из дочерних молекул прикрепляется к одному из сайтов. Происходит рост мембраны, и молекулы ДНК расходятся. Далее формируется перегородка, которая разделяет клетку на две.

У некоторых видов водных и почвенных бактерий в цитоплазме находятся газовые вакуоли (аэросомы). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность.

Снаружи от цитолеммы находится клеточная стенка. Она выполняет многочисленные функции: придаёт клетке форму, защищает от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды и от осмотического шока (когда при погружении клетки, в которой удалили клеточную стенку, в дистиллированную воду или другой гипотонический раствор, она насыщается водой, и происходит разрыв цитоплазматической мембраны).

Выделяют две группы бактерий – грамположительные и грамотрицательные. Они имеют разное строение и окраску клеточной стенки. Грамположительные бактерии при окраске по методу Грама оказываются окрашенными в синий цвет, сохраняют окраску и не обесцвечиваются в отличие от грамотрицательных бактерий.

У грамположительных клеток клеточная стенка толстая (20–80 нанометров). Она состоит из пептидогликана муреина, тейхоевых кислот и полисахаридов. Грамотрицательные бактерии имеют тонкий слой пептидогликана (2–3 нанометра), который покрыт наружной плазматической мембраной.

Если обработать клетку лизоцимом или пенициллином, клеточная стенка разрушается. Грамположительная клетка превращается в протопласт. Протопласт – это содержимое бактериальной клетки, за исключением клеточной стенки, но вместе с цитоплазматической мембраной. Протопласт подвержен осмотическому шоку. Грамотрицательная клетка превращается в сферопласт. Сферопласт – бактериальная клетка с частично разрушенной клеточной стенкой. Сферопласт менее чувствителен к осмотическому шоку.

У многих видов бактерий клеточная стенка окружена слизистой капсулой. Она служит дополнительной защитой для клеток. Капсула обеспечивает устойчивость бактерий к ряду воздействий, например к фагоцитозу (при этом повышается возможность бактерий вызывать заболевание – вирулентность). Слизистая капсула придаёт бактериям специфичность (в ней могут находиться антигены – вещества, которые организм рассматривает как чужеродные или опасные и начинает вырабатывать против них антитела). Слизистая капсула предохраняет клетку от высыхания, механических повреждений, от действия вирусов, служит источником запасных питательных веществ, а также осуществляет связь между клетками и помогает прикреплению к поверхностям.

Существуют неподвижные бактерии и подвижные, которые передвигаются с помощью жгутиков.

Их расположение может быть монополярным, биполярным и перитрихиальным. По количеству жгутиков различают монотрихи (одна нить) и политрихи (пучок нитей). Прокариотические клетки способны к быстрому движению – до 12 миллиметров в минуту. Когда жгутик вращается против часовой стрелки, клетка движется в одном направлении, когда жгутик вращается по часовой стрелке, клетка кувыркается.

Для прокариот характерен хемотаксис – двигательная реакция на химический раздражитель. Бактерии способны двигаться по направлению к атрактантам (притягивающим веществам) и от репеллентов (отталкивающих от себя). В качестве аттрактантов выступают питательные вещества, сахара и аминокислоты, в качестве репеллентов – спирты и другие вредоносные вещества. Помимо хемотаксиса существуют и другие виды таксиса. Аэротаксис – движение к кислороду. Движение в сторону концентрации кислорода проявляется у аэробов, в обратную сторону – у анаэробов. Аэробы – организмы, которые нуждаются в кислороде для процессов синтеза энергии в отличие от анаэробов. Фототаксис – свойство микроорганизмов ориентироваться и двигаться по направлению к или от источника света. Существует как положительный фототаксис – движение происходит в направлении к источнику света, так и отрицательный фототаксис – движение идёт в противоположном направлении. Магнитотаксис – способность железосодержащих бактерий реагировать своим движением на магнитное поле.

На поверхности клеток многих бактерий расположены нитевидные белковые структуры – фимбрии, или пили. Они образованы белком пилином. Пили располагаются по периферии клетки в количестве от 100 до 250. Они участвуют в передаче генетического материала между бактериальными клетками при конъюгации, помогают прикрепляться к поверхностям и другим клеткам (например, прикрепление к слизистой оболочке кишечника).

При наступлении неблагоприятных условий прокариоты способны образовывать покоящиеся формы, способные сохранять жизнеспособность в течение длительного времени. К таким формам относят эндо- и экзоспоры, цисты и бактероиды. Рассмотрим, как образуется спора у бактерий. Содержимое клетки сжимается, отходит от оболочки, округляется и образует на своей поверхности, находясь внутри материнской оболочки, новую, более плотную оболочку. При нормальных условиях споры могут сохраняться до нескольких сотен лет. Зрелые споры сохраняются очень долго в самых неблагоприятных условиях. Они устойчивы к действию высоких температур, радиации, ультрафиолетовых лучей, химических веществ. Но при температуре 100 °С 90 % спор гибнет через 11 минут.

При наступлении благоприятных условий спора прорастает и становится жизнедеятельной бактерией.

По типу питания бактерии делят на две группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. В зависимости от того, какую энергию используют автотрофы для синтеза органических веществ, различают фото- и хемосинтезирующие бактерии. К фототрофам относятся зелёные и пурпурные серобактерии. Они используют энергию Солнца. Хемосинтезирующие бактерии используют для жизнедеятельности энергию химических реакций. Нитрифицирующие (почвенные) бактерии окисляют соли аммония до нитратов, железобактерии – двухвалентное железо в трёхвалентное, серные бактерии – соединения серы до сульфатов. Клубеньковые бактерии фиксируют атмосферный азот и окисляют его до аммиака. Большая часть бактерий являются гетеротрофами. Они питаются готовыми органическими веществами. Сапротрофы питаются органическими веществами мёртвых тел или выделений других организмов. Паразитические бактерии поселяются на живых организмах и питаются за их счёт.

У бактерий, как и у эукариот, выделяют два типа дыхания: аэробное и анаэробное. Аэробные бактерии обитают в условиях свободного доступа кислорода. Они получают энергию в процессе окисления органических веществ до углекислого газа и воды. Анаэробные бактерии обитают в бескислородных условиях и существуют за счёт энергии, выделяемой при реакциях брожения.