Особенности строения прокариотной клетки

Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки), называют поверхностными структурами. ЦПМ вместе с цитоплазмой и внутренними структурами называется протопластом.

Клеточная стенка

Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток. Клеточная стенка служит барьером между протопластом и окружающей средой и придает клеткам определенную, присущую им форму. При этом она не жесткая, как стальной панцирь, а эластичная и тонкая (как покрышка футбольного мяча), форму же ей придает плотно прилегающий изнутри протопласт (осмотическое давление внутри клетки больше, чем снаружи). Химический состав клеточной стенки постоянен для каждого вида и является важным диагностическим признаком.

Основной каркас клеточной стенки составляет полимер – муреин (пептидогликан).

В зависимости от строения клеточной стенки, прокариоты делятся на две большие группы: грамположительные и грамотрицательные (1884 г. Граммом было отмечено, что если клетки обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, то при последующей обработке спиртом клеточная стенка грамположительных бактерий способна удерживать окрашенный комплекс, а у грамотрицательных – нет).

У грамположительных бактерий муреин составляет основную массу клеточной стенки (40-90%), образуя толстый гомогенный слой.

У грамотрицательных бактерий содержание пептидогликана значительно меньше (1-10%), он образует тонкий внутренний слой клеточной стенки. Снаружи располагается дополнительный слой – наружная мембрана. Наружная мембрана препятствует проникновению в клетку токсинов и вредных для клетки веществ (грамотрицательные микроорганизмы более устойчивы к действию ядов, ферментов (лизоцима) и антибиотиков).

При воздействии определенных химических веществ (лизоцима, разрывающего в-гликозидные связи) возможно получение клеток, у которых отсутствует клеточная стенка частично (сферопласты) или полностью (протопласты). Такие клетки могут существовать только когда осмотическое давление окружающей среды сбалансировано с давлением внутри клетки.

Прокариоты, не содержащие клеточной стенки обнаружены и в природе. Это микоплазмы.

Капсулы

Это слизистые слои на поверхности бактериальной клетки. Капсула имеет аморфное строение. Она не является постоянным признаком и зависит от условий культивирования бактерий.

Функции

1.Капсулы защищают клетку от механических повреждений, высыхания, служат препятствием для проникновения фагов.

2. С помощью слизи осуществляется связь между клетками в колонии,

3. Прикрепление к различным поверхностям.

Жгутики, фимбрии и пили (ворсинки)

Структуры, определяющие движение бактерий в окружающей среде.

У палочковидных бактерий жгутики могут прикрепляться полярно или латерально. Жгутик вращается с частотой 40-60 об/сек (сама клетка при этом вращается в обратном направлении с 1/3 от этой скорости), обеспечивая поступательное движение клетки со скоростью 16-100 мкм/сек.

Жгутик представляет собой относительно жесткую спиральную нить, переходящую в утолщенную структуру – крюк. Нить с помощью крюка прикрепляется к ЦПМ (место прикрепления называется базальным телом). У большинства бактерий нить состоит только из одного белка – флагеллина (белковые субъединицы уложены по спирали, внутри которой проходит полый канал).

Жгутики позволяют бактерии активно перемещаться в направлении, необходимом для клетки (таксис): к питательным веществам (хемотаксис), свету (фототаксис), теплу (термотаксис), ориентация в магнитном поле (магнитотаксис), вискозитаксис и т.д.

Для каждого организма все химические вещества могут быть поделены на две категории: аттрактанты (вещества, привлекающие бактерий) и репелленты (отпугивающие их). Аттрактантами чаще всего выступают пищевые вещества, это могут быть: сахара, аминокислоты, витамины и др., реппелентами – ядовитые вещества.

Длинные тонкие волоски на поверхности клетки называют фимбриями (ворсинками). Они также относятся к поверхностным структурам. Их может насчитываться до нескольких тысяч на клетку. Построены из белка пилина.

Эти структуры не имеют отношения к движению и обеспечивают прикрепление бактерий к клеткам растений, грибов, неорганическим частицам, принимают участие в транспорте веществ. Через ворсинку в клетку могут проникать вирусы. Некоторые ворсинки или F-пили, принимают участие в половом процессе бактерий (коньюгации). Они создают как бы тоннель, по которому от одной клетке к другой передается ДНК (плазмидная).

Пили нельзя считать обязательными структурами, такт как без них бактерии хорошо растут и размножаются.

Мезосомы

По структуре и функциям ЦПМ бактерий не отличается от мембран эукариотных клеток.

У прокариот, ЦПМ образует впячивания, получившие название мезосом. Они могут быть пластинчатыми, иметь форму пузырьков или трубочек.

Функции

1. Мезосомы увеличивают рабочую поверхность мембраны, на которой происходит синтез биополимеров, АТФ, фотосинтез и пр. (поскольку специальных мембранных органелл для этого в бактериальной клетке нет). Мезосомы – «примитивные органеллы».

2. Мезосомы могут играть роль в репликации ДНК и расхождении хромосомы.

Нуклеоид

Несмотря на отсутствие в клетках прокариот ядра, ДНК бактерий локализована в ограниченном участке цитоплазмы нуклеоида.

Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму кольца – бактериальной хромосомы. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т.е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки.

ДНК прокариот построена также, как и у эукариот (дезоксирибоза, фосфорная кислота и азотистые основания: два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин)).

Делению клеток также предшествует удвоение ДНК (репликация). Деление молекул ДНК идет по полуконсервативному механизму (в ДНК дочерней клетки оказывается лишь одна половина материнской ДНК).

Плазмиды Многие бактерии наряду с хромосомной ДНК содержат и дополнительную, тоже представленную двойной спиралью, замкнутой в кольцо. Число их может колебаться от 1 до 38 на клетку. Плазмиды не являются необходимыми для жизни бактерий. Они часто кодируют признаки, полезные для бактериальной клетки (устойчивость к антибиотикам, синтез антибиотиков, способность разрушать и использовать некоторые вещества). Определенные плазмиды могут участвовать в половом процессе бактерий. Бактерии способны обмениваться такими плазмидами, приобретая новые свойства (посредством контакта через половые пили).