Бактерии, краткое описание и роль в жизни планеты и человека

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.

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:

• 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.

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.

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.

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