Бактерии, краткое описание и роль в жизни планеты и человека

Бактерии существовали с самого начала истории жизни на земле. Как и вирусы, они наши вечные спутники. Они повсюду. Есть гипотезы, что бактерии впервые появились на земле примерно 4 миллиарда лет назад, и они были первыми формами жизни. Считается, что клетки, из которых состоит все живое на земле, также содержат то, что когда-то было бактериями. В этой статье описано: что такое бактерия, кратко — общие понятия о бактериях, их роль в жизни человека и экосистемы планеты в целом.

Определение бактерии кратко

Бактерии — это одноклеточные микроорганизмы, которые представляют собой одиночные клетки, не имеющие органелл или истинного ядра.

Бактерии чрезвычайно многочисленны, их общая биомасса на Земле больше, чем всех растений и животных вместе взятых. Они живут в огромных количествах почти в любой среде на Земле, от глубоководных впадин мирового океана до пищеварительного тракта человека.

Бактерии причислены к одноклеточным формам жизни, и называются прокариотами.

Прокариоты являются доминирующими живыми существами на земле, присутствуя, возможно, на протяжении трех четвертей земной истории и адаптировавшись почти ко всем доступным экологическим средам обитания.

Как группа, они демонстрируют чрезвычайно разнообразные метаболические возможности и могут использовать в качестве источника пищи почти любое органические и некоторые неорганические соединения.

Некоторые бактерии могут вызывать заболевания у людей, животных или растений, но большинство из них безвредны и являются полезными экологическими агентами, чья метаболическая деятельность поддерживает высшие формы жизни.

Без прокариотов почва не была бы плодородной, а мертвый органический материал разлагался бы гораздо медленнее.

Некоторые бактерии широко используются в приготовлении пищевых продуктов, химических веществ и медикаментозных препаратов. Исследования взаимоотношений между различными группами бактерий продолжают давать новые представления о происхождении жизни на земле и механизмах эволюции.

Поверхностные структуры бактериальной клетки

Клеточная стенка – обязательный структурный элемент большинства прокариот. Расположена клеточная стенка непосредственно под слизистым чехлом или капсулой, может непосредственно контактировать с окружающей средой. Клеточная стенка составляет $5-50\%$ сухой массы клети.

Замечание 1

Строение клеточной стенки и ее химический состав – важные диагностические признаки при определении вида прокариотического организма.

В зависимости от строения клеточной стенки эубатерии делят на две группы:

  • грамположительные виды (специально окрашенный комплекс после обработки спиртом сохраняет цвет), толщина до $80$ нм;
  • грамотрицательные виды (окрашенный комплекс свой цвет не сохраняет); внутренний пептидогликановый слой $2-3$ нм, наружный – $8-10$ нм.

Сравнительная характеристика химического состава клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных эубактерий

Обозначения: (+) – присутствуют; (-) – отсутствуют; (-, +) – присутствуют не у всех видов.

Клеточная стенка выполняет ряд функций:

  • механическая защита клетки;
  • поддерживает внешнюю форму клетки;
  • обеспечивает транспорт веществ;
  • препятствует поступлению в клетку токсических веществ;
  • способствует возникновению периплазматического пространства, содержащего гидролитические ферменты и транспортные белки;
  • содержит на внешней стороне специфические рецепторы для колицинов и фагов, антигены, макромолекулы, участвующие в процессах конъюгации, а также взаимодействии между тканями высших организмов и болезнетворными бактериями.

Капсулы, чехлы и слизистые слои

Определение 1

Капсула – это слизистое образование, покрывающее клетку, обеспечивающее связь с клеточной стенкой и обладающее аморфным строением. Наличие капсулы определяется условием культивирования микроорганизма и его штаммом.

Читайте также:  Инструкция по применению препарата Новокаин

Капсула не является обязательным структурным компонентом клетки, так как бактерии могут при определенных условиях переходить от капсульных к бескапсульным формам.

Химический состав капсул родо- и видоспецифичен. Основными химическими компонентами являются полисахариды гомо- и гетерополимерной природы.

Чехлы обладают тонкой структурой, могут состоять из нескольких слоев и содержать оксиды металлов. Также в их состав могут входить помимо сахаров, белки, липиды, фосфор и др. вещества.

Слизистые слои имеют бесструктурный аморфный вид, с легкостью отделяется от поверхности клетки.

Функции капсул, слизистых веществ и чехлов:

Поверхностные структуры бактериальной клетки
  • защита клети от высыхания, механических повреждений;
  • препятствие для проникновения в клетку бактериофагов;
  • создание дополнительного осмотического барьера;
  • источник запасных питательных веществ;
  • осуществляют связь между клетками в колониях;
  • обеспечивают прикрепление клеток к субстратам.

Жгутики и механизмы движения

Определение 2

Жгутики – это структуры клетки, обеспечивающие способность клетки к передвижениям в жидкой среде.

Количество, расположение, размеры жгутиков являются диагностическим признаком при определении вида.

Однако число жгутиков может изменяться в зависимости от стадии жизненного цикла и условий культивирования.

Жгутики могут располагаться:

  • полярно или субполярно (если находятся в полярной области клетки или у полюсов);
  • латерально (если расположены вдоль боковой поверхности).

В зависимости от локализации на поверхности клетки и от количества жгутиков различают:

  • монополярные политрихи (на одном полюсе клетки расположен один пучок жгутиков);
  • биполярные политрихи (каждый полюс имеет по пучку жгутиков);
  • перитрихи (жгутиков много и они располагаются или вдоль боковой поверхности клетки или по всей ее поверхности).

Длина жгутика обычно составляет $10-20$ нм, длина – $3-15$ мкм. Жгутик – это относительно жесткая спираль, как правило, закрученная против часовой стрелки. Вращается со скоростью $40-60$ об/сек.

Ворсинки

Определение 3

Ворсинки (пили, фимбрии) – это структурные образования, встречающиеся ак у подвижных, так и у неподвижных форм. На клетку приходится от нескольких десятков до нескольких тысяч.

Располагаются в клетке полярно или перитрихально, длина – $0,2-2,0$ мкм, диаметр $5-10$ нм.

Функции ворсинок:

  • обеспечивают способность к гидрофобности;
  • способствуют прикреплению к различным поверхностям;
  • участвуют в транспорте метаболитов.

Внутреннее строение бактерий

Цитоплазма

Цитоплазма на 75% состоит из воды, остальные 25% приходится на минеральные соединения, белки, РНК и ДНК. Цитоплазма всегда густая и неподвижная. В ней содержатся ферменты, некоторые пигменты, сахара, аминокислоты, запас питательных веществ, рибосомы, мезосомы, гранулы и всевозможные другие включения. В центре клетки концентрируется вещество, которое несет наследственную информацию — нуклеоид.

Гранулы

Гранулы состоят из соединений, которые являются источником энергии и углерода.

Мезосомы

Мезосомы — производные клетки. Имеют разную форму — концентрические мембраны, пузырьки, трубочки, петли и др. Мезосомы имеют связь с нуклеоидом. Участие в делении клетки и спорообразовании — их основное предназначение.

Нуклеоид

Нуклеоид является аналогом ядра. Он расположен в центре клетки. В нем локализована ДНК — носитель наследственной информации в свернутом виде. Раскрученная ДНК достигает в длину 1 мм. Ядерное вещество бактериальной клетки не имеет мембраны, ядрышка и набора хромосом, не делится митозом. Перед делением нуклеотид удваивается. Во время деления число нуклеотидов увеличивается до 4-х.

Плазмиды

Плазмиды представляют собой автономные молекулы, свернутые в кольцо, двунитевой ДНК. Их масса значительно меньше массы нуклеотида. Несмотря на то, что в ДНК плазмид закодирована наследственная информация, они не являются жизненно важными и необходимыми для бактериальной клетки.

Рибосомы

Рибосомы бактериальной клетки участвуют в синтезе белка из аминокислот. Рибосомы бактериальных клеток не объединены в эндоплазматическую сеть, как у клеток, имеющих ядро. Именно рибосомы часто становятся «мишенью» для многих антибактериальных препаратов.

Читайте также:  Как долго действует блокада плечевого сустава?

Включения

Включения — продукты метаболизма ядерных и безъядерных клеток. Представляют собой запас питательных веществ: гликоген, крахмал, сера, полифосфат (валютин) и др. Включения часто при окраске приобретают иной вид, чем цвет красителя. По валютину можно диагностировать дифтерийную палочку.

Эндоплазматическая сеть. Аппарат Гольджи. Лизосомы. Клеточные включения

ЭПС – мембранное образование, которое по внешнему виду напоминает лабиринт, пронизывающий примерно половину пространства клетки. Эндоплазматическая сеть состоит из мембраны, эта сеть оплетает ядро и располагается дальше в цитоплазме, однако ретикулум замкнут из выходов в саму цитозоль не имеет.

Эндоплазматическая сеть есть двух видов: гладкая и шероховатая, она же гранулярная. На поверхностях ЭПС идет синтез двух вещей: белки и углеводы с липидами на пару. На поверхности шероховатой ЭПС синтезируются белки. Как было описано ранее, этим занимаются рибосомы, которых здесь множество. А на гладкой ЭПС – углеводы и липиды.

Для того чтобы не путать попробуйте придумать ассоциации. Мне помогает вот что: липиды и углеводы – источники энергии в клетке и организме в целом. Мы их потребляем в пищу, они проходят по множеству трубок: пищевод, толстый и тонкий кишечник.

Естественно, эти структуры не абсолютно гладкие, у тонкого кишечника внутренняя поверхность выстлана ресничками, а у толстого есть гаустры, но сама ассоциации трубки, источников энергии (углеводов и липидов) и гладкости помогают мне запомнить. Шероховатая ЭПС ассоциируется у меня с наждачной бумагой, на которой задерживаются частицы чего-либо.

Такая бумага, в моем восприятии, усеяна множеством шариков, которые и являются рибосомами, синтезирующими белки.

Конечно, клетка, специализирующаяся на синтезе белков будет иметь преимущественно гранулярную ЭПС, а клетка, синтезирующая углеводы и липиды, будет хорошо развитую гладкую ЭПС.

После синтеза необходимых соединений на мембранах ретикулума, вещества должны попасть к местам своего использования клеткой. Не случайно ЭПС имеет такую лабиринтообразную структуру.

Это как метро: с мембран = станций метро соединения = пассажиры заходят в вагоны=трубочки ЭПС и отправляются тука, куда им нужно.

Люди – по делам, а липиды, углеводы и белки – на биохимические реакции или для сохранения как ресурса.

Строение и расположение в клетке эндоплазматической сети

Аппарат Гольджи = комплекс Гольджи

Аппарат Гольджи обязан своему открытию и названию итальянскому гистологу Камилло Гольджи. Этот человек первым открыл уникальное окрашивание препаратов нервной ткани, что внесло большой вклад в развитие гистологии и физиологии 19-20 века. Камилло Гольджи в 1906 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Аппарат Гольджи представляет из себя систему цистерн, предназначенных для хранения веществ клеткой. Это как большая логистическая система. В цистернах аппарата Гольджи соединения могут быть подвержены модификации, упаковке в мембранные пузырьки, а затем транспорту в этих пузырьках в пункты назначения в цитоплазме или отбраковке, то есть выводу за пределы клетки.

Вполне логично разместить такой органоид клетки рядом с ЭПС, ведь ретикулум занимается синтезом, а аппарат Гольджи – транспортом и упаковкой. Так как Эндоплазматическая сеть – структура замкнутая, то для попадания соединений в аппарат Гольджи используются мембранные пузырьки. Они отшнуровываются от ЭПС, а оптом сливаются с комплексом Гольджи.

Эндоплазматическая сеть. Аппарат Гольджи. Лизосомы. Клеточные включения

Так как в аппарат Гольджи поступают липиды, которые здесь же накапливаются, то эта структура занимается и «ремонтом клетки». Внутри комплекса Гольджи собирается участок мембраны, которые заключается в мембранный пузырек, а потом кусочек мембраны замещает поврежденный фрагмент.

Еще аппарат Гольджи производит лизосомы – мембранные пузырьки с ферментами. Речь об этих структурах пойдет дальше.

Строение и расположение аппарата Гольджи

Лизосомы

Лизосомы представляют из себя не просто мембранные пузырьки, они наполнены пищеварительными ферментами, способными расщепить сложные соединения до более простых, подходящих клетке.

Читайте также:  Как отличить вирусную инфекцию от бактериальной: особенности

При описании клеточной мембраны упоминалось, что она пластична, в связи с этим способная к фаго-, пино — и экзоцитозу. Когда твердая частица захватывается клеткой, то частица обволакивается мембраной, получается фагосома.

Если эта частица вводится в клетку для питания, то фагосома сливается с лизосомой, а ферменты лизосомы расщепляют содержимое пузырька.

До слияния фагосомы и лизосомы ферменты внутри лизосомы неактивны, ведь если бы они находились в активированном состоянии, то они бы переварили и мембрану лизосомы.

Как уже говорилось ранее, лизосомы формируются в аппарате Гольджи.

Роль лизосом в жизни клетки

Клеточные включения

Клеточные включения не являются органоидами, они используются органоидами для процессов жизнедеятельности. Это просто какие-либо частички на периферии клетки, в ее цитоплазме. Часто это зерна гликогена (у животных) и крахмала (у растений), ведь в виде этих соединений запасается энергия. Также клеточные включения могут быть белками и каплями жира.

Гликоген в клетках печени Крахмал в клетках картофеля Капли жира в клетках авокадо

Происхождение эук. Клетки. Эндосимбиотическая теория происхождения ряда органоидов клетки.

Наиболее популярна в настоящее время симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток, согласно которой основой, или клеткой-хозяином, в эволюции клетки эукариотического типа послужил анаэробный прокариот, способный лишь к амебоидному движению. Переход к аэробному дыханию связан с наличием в клетке митохондрии, которые произошли путем изменений симбионтов — аэробных бактерий, проникших в клетку-хозяина и сосуществовавших с ней.

Согласно инвагинационной гипотезе , предковой формой эукариотической клетки был аэробный прокариот (рис. 1.4). Внутри такой клетки-хозяина находилось одновременно несколько геномов, первоначально прикреплявшихся к клеточной оболочке. Органеллы, имеющие ДНК, а также ядро, возникли путем впячивания и отшнуровывания участков оболочки с последующей функциональной специализацией в ядро, митохондрий, хлоропласты. В процессе дальнейшей эволюции произошло усложнение ядерного генома, появилась система цитоплазматических мембран.

Споры и неактивные формы бактерий

Некоторые бактерии типа Firmicutes способные к формированию эндоспор, позволяющие им выдержать экстремальные экологические и химические условия (например, грамм-положительные Bacillus, Anaerobacter, Heliobacterium и Clostridium). Почти во всех случаях формируется одна ендоспрора, поэтому это не процесс воспроизводства, хотя Anaerobacter может формировать до семи эндоспор на клетку. Эндоспоры имеют центральное ядро, составленное из цитоплазмы содержащий ДНК и рибосомы, окруженное слоем пробки и защищено непроницаемой и жесткой оболочкой. Эндоспоры не показывают никакого метаболизма и могут выдержать экстремальный физико-химический давление, например высокие уровни ультрафиолетового излучения, гамма-излучения, детергентов, дезинфицирующих средств, нагрев, давления и висушивання. В таком неактивном состоянии эти организмы, в некоторых случаях, мужуть оставаться жизнеспособными в течение миллионов лет и выживать даже в космическом пространстве. Эндоспоры могут быть причиной заболеваний, например, при сибирская язва может быть вызвана вдыханием эндоспор Bacillus anthracis.

Метан-окисляющие бактерии в роду Methylosinus также формируют устойчивые к высушиванию споры, так называемые экзоспоры, потому что они формируются почкованием на конце клетки. Экзоспоры не содержат диаминопиколиновои кислоты, характерного компонента эндоспор. Цисты — это другие неактивные, окружены толстой стенкой структуры, образующиеся членами родов Azotobacter, Bdellovibrio (бделоцисты), и Myxococcus (миксоспоры). Они устойчивы к высушиванию и других вредностей, но в меньшей степени, чем ендопоры. При образовании цист представителями Azotobacter, деление клетки завершается образованием толстой многослойной стенки и оболочки, окружающей клетку. Нитчатые Actinobacteria формируют воспроизводительные споры двух категорий: кондициоспоры, которые являются цепочками спор, сформированных из мицелиеподибник нитей, и спорангиеспоры, которые формируются в специализированных мешочках, спорангиях.

Изображения по теме

КЛЕВЕР - портал о хорошем самочувствии