Прокариотическая клетка

Компартментализация прокариотической клетки менее выражена. ДНК не окружена ядерной мембраной, а органеллы (митохондрии и хлоропласты) отсутствуют (процессы фотосинтеза и дыхания связаны с плазматической мембраной).

Бактериальная клетка окружена универсальной ЦПМ. Снаружи ЦПМ – клеточная стенка (см. строение).

Капсулы. Некоторые бактерии кроме клеточной стенки окружены капсулами, состоящие из полисахаридов, содержащих аминосахара, рамнозу, 2-кето-3-дезоксигалактоновую кислоту, уроновые кислоты, а также ПВК и уксусную кислоту. Так, например, капсулы способны образовывать и грам(-) и (+) – Streptococcus mutans, S. salivarius, Xantomonas, коринебактерии. У ряда (Bacillus anthracis, B. subtilis) она образована полипептидами, содержащими глутаминовую кислоту.

Слизь. В том случае, когда компоненты капсулы выделяются в среду образуется слизь (Leuconostoc mesenteroides – гетероферментативная молочнокислая бактерия, синтезирующая декстран (a -1,6-глюкан) из сахарозы с помощью гексозилтрансферазой (декстраназой) – бактерия «лягушачей икры»):

n сахароза ® (глюкоза)n + n фруктоза

Декстраны синтезируются многими видами грамположительных и грамотрицательных бактерий: Klebsiella spp., Aerobacter spp., Streptococcus bovis, Str. viridans, Leuconostoc dextranicum. Это первые микробные полисахариды, которые были получены в промышленных масштабах.

Чехлы. Ряд водных бактерий имеет чехлы – трубковидные выросты, которые связывают клетки в нити, ленты (нитчатые бактерии (хламидобактерии) – Shaerotilus natans, Leptothrix ochraceae)), плёнки (Bacteriogloea), а при направленном выделении способствуют незначительному перемещению клетки (Gallionella ferruginea).

Они образованы полисахаридами, состоящими из глюкозы, глюкуроновой кислоты, галактозы и фукозы. Acetobacter xylinum выделяет целлюлозу – кожистые плёнки. У сарцин клетки также скрепляются целлюлозой в пакеты (Sarcina ventriculi).

Нуклеоид. Область ядра представлена сетчатой структурой из тонких нитей и граничит с цитоплазмой. Вся генетическая информация заложена в бактериальной хромосоме – кольцевая структура (длина 0,25-3 мм). Гистоны отсутствуют. Размножение бактерий происходит как правило бинарным делением. Почкование встречается значительно реже.

Делению клеток предшествует удвоение репликация (replicato, лат. – копирование, повторение) (редупликация (reduplicatо, лат. – удвоение)) бактериальной хромосомы. Хотя бактерии могут содержать несколько копий хромосомы они являются гаплоидными организмами.

Примечания:

1. Величина генома бактерий составляет от 0,8×10⁶ до 8×10⁶ п.н. Длина хромосомы E. coli составляет около 1,4 мм. 1 мкм одноцепочечной ДНК соответствует относительной молекулярной массе 2×10⁶ или примерно 3000 п.н., т.е. хромосома имеет массу 2,9×10⁹.

2. Число копий хромосомы: E. coli – 2-4; Azotobacter chroococcum – 20-25; Desulfovibrio gigas – 10-15.

У многих бактерий в клетках обнаружены плазмиды. Это внехромосомные элементы, составляющие 1-3% генома клетки прокариот (от 2 до 600 т.п.н.). Кроме прокариот они найдены в широком круге организмов, включая эукариоты (грибы, растения, животные). Они представляют собой ковалентнозамкнутые суперспирализованные молекулы ДНК.

Плазмиды кодируют особые свойства клеток: устойчивость к антибиотикам и солям тяжёлых металлов (R-плазмиды), деструкцию органических соединений (D-плазмиды), створаживание молока у молочнокислых бактерий, синтез инсектицидов у Bacillus thuringiensis, коньюгацию (F-плазмиды). F-плазмиды (факторы фертильности или F-факторы) придают клеткам способность к конъюгации, что позволяет им распространяться путём прямого межклеточного контакта. Они могут и включаться в бактериальную хромосому (подобно ДНК умеренного фага l).

Плазмиды способны к самоудвоению – содержат репликатор или участок начала репликации (ori-сайт, origin of replication, ориджин) с которого начинается процесс репликации (у кишечной палочки 580 п.н.).

Количество плазмид в бактериальной клетке может существенно различаться. Это связано с тем, что плазмиды со строгим контролем репликации имеют одни ферменты репликационного комплекса с хромосомной ДНК. Главный из них – ДНК-полимераза III. Плазмиды с ослабленным контролем используют ДНК-полимеразу I.

Количество плазмид со строгим контролем в клетке от 1 до 4 копий. С ослабленным – 10-200 (это количество увеличивается во время стационарной фазы роста, а также в присутствии хлорамфеникола, который репрессирует синтез белков, инициирующих репликацию хромосомы и плазмид со строгим контролем.

Плазмиды используются в генной инженерии как вектора для клонирования и экспрессии. Для E. сoli создано большое количество плазмид, особенно – на основе плазмиды ColEI. Она кодирует белок колицин, который действует на штаммы, не содержащие данной плазмиды (она также содержит ген иммуногенности imm к данному бактериоцину). Синтез колицина в норме репрессирован, но стимулируется агентами, влияющими на метаболизм ДНК. Это плазмида с ослабленным контролем, её размер – 6,3 т.п.н. Она содержит сайт ориджин (580 п.н.)

На основе этой плазмиды созданы вектора серии pBR. Так, плазмида pBR322 содержит репликатор ColEI и гены устойчивости к ампициллину и тетрациклину. В векторе содержатся сайты рестрикции Hind III, Bam HI, расположенные в детерминанте Tc^r и Pst I в детерминанте Amp^r. Для плазмиды установлена полная нуклеотидная последовательность, которая составляет 4362 п.н. (Рисунок).

При добавлении к вектору pBR322 гена устойчивости левомицетину – плазмида pBR325.

В плазмидные векторы можно включать фрагменты ДНК до 10 т.п.н. (при увеличении длины гибридной молекулы уменьшается число её копий в клетке).

Для клонирования фрагментов ДНК больших размеров используют также векторы на основе фагов, космид и фазмид.

Внутриклеточные мембраны и ламеллы. У многих бактерий ЦПМ образуют ряд структур (впячивание мембраны внутрь клетки):

1. Карбоксисомы присутствуют у автотрофов (Nitrosomonas, Thiobacillus, цианобактерий) и содержат рибулозо-1,5-дтфосфаткарбоксилазу и небольшое количество ДНК.

2. Тилакоиды (греч.: thylacos – мешочек) – у цианобактерий места протекания светозависимых реакции фотосинтеза.

3. Хроматофоры (везикулярные тилакоиды). (греч.: сhromatos – цвет, phoros – несущий). У Nitrobacter, Nitrosomonas, Nitrococcus есть стопки ламелл, состоящие из плоских пузырьков, часть которых связана с ЦПМ. У фотосинтезирующих Rhodospirillum (Rh. rubrum), Chromatium почти вся клетка может быть заполнена мембранными пузырьками. Фотосинтетические мембраны этих структур сходны по составу и строению с ЦПМ, но содержат бактериохлорофилл и каротиноиды, а также компоненты фотосинтетической электрон-транспортной цепи (цитохромы, убихиноны) и АТФ-синтазу.

4. Хлоросомы – у зелёных бактерий – (несут пигменты светособирающих антенн).

Особый случай представляют газовые вакуоли – в клетках водных бактерий (фото- и нефотосинтезирующих) – Pelonema, Peloploca, галобактерий (Halobacterium halobium), цианобактерий, некоторых клостридий и т.д. Мембрана газовых вакуолей образована белком (толщина 2 нм). Из субъединиц с молекулярной массой 14 х 10³ Да. Ориентированы внутрь – гидрофобными частями, наружу – гидрофильными.

Жгутики и пили. Подвижные формы – за счёт скольжения по твердому субстрату или плавание. Органами движения бактерий являются жгутики, которые состоят из единственной фибриллы (fibrilla, лат.– волокно, нить). Частота вращения жгутиков около 3000 об./мин (клетка вращается в обратную сторону 1000 об./мин). Скорость передвижения от 1,6 мм/мин (B. megaterium) до 12 мм/мин (Vibrio cholerae) примерно 300-3000 длин тела клетки в мин.

Бактериальные жгутики имеют диаметр 12-18 нм и длину до 20 мкм. Состоят из белка – флагеллина (построены из субъединиц малой массы, которые располагаются по спирали вокруг внутреннего свободного пространства.

Жгутик состоит из: спиральной нити; базального тела и крюка. С помощью базального тела он закрепляется в мембране и клеточной стенке. Оно состоит из центрального стержня, на котором находится две пары колец. Наружная пара L и P на уровне наружного и внутреннего слоя клеточной стенки, а внутренняя (кольца S и М) – на уровне наружного слоя цитоплазматической мембраны. У грам(+) – только внутренняя пара колец. Кольцо М действует как приводной механизм, а кольцо S – Родь подшипника на внутренней поверхности пептидолгликана.

Расположение жгутиков: у палочковидных бактерий они могут располагаться полярно или латерально. Жгутики могут быть расположены на одном конце клетки (монополярное монотрихальное – вибрионы; монополярное политрихальное или лофотрихальное – псевдомонады); на двух концах клети (биполярное политрихальное – амфитрихальное – спириллы); по всей поверхности клетки (перитрихальное – энтеробактерии, бациллы).

Поверхность некоторых грам(-) бактериальных клеток покрыта большим числом нитей (от 10 до нескольких тысяч) – фимбриями, пилями или ворсинками (лат., fimbriae – бахрома). Их диаметр составляет 3-25 нм, длина – до 12 мкм. Образованы гидрофобным белком пилином из субъединиц с массой 17-30 кДа. Это так, называемые антигены фактора колонизации (содержат консервативные и вариабельные участки). Существуют пили I и II типа.

У некоторых встречаются половые пили – F-пили. Их количество 1-2 на клетку. Это полые белковые трубочки длиной от 0,5 до 10 мкм.

Эндоспоры. Эндоспоры образует небольшая группа бактерий – почти исключительно грам(+) палочки – р. Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus (Sporosarcina). У спорообразующих – низкое содержание в ДНК – ГЦ-пар (22-27 мол.%). Процесс спорообразования (в течение первых 5 ч) начинается с накопления в клетке дипиколиновой (пиридин-2,6-дикарбоновой) кислоты и поглощением ею ионов кальция. При этом происходит расщепление белка (аэробы) или полисахаридов (анаэробы).

Формирование споры начинается со впячивания ЦПМ и последующего отшнуровывания части цитоплазмы с одной ДНК-копией. Образования клеточной стенки не происходит, а протопласт споры обрастает мембраной материнской клетки, т.е. у зрелой споры он окружён двумя мембранами. Мембрана протопласта споры продуцирует кнаружи стенку зародышевой споры, а наружная мембрана (внутрь) – сильно сшитый пептидогликан, который образует кортекс споры. Наружные слои споры образованы белком.

У некоторых (Bacillus cereus) образуется дополнительный тонкий полипептидный слой – экзоспорий (в виде свободного чехла). Оболочка споры составляет около 50% её сухого вещества. В спорах содержится примерно 15% воды.

Эндоспоры термостойки (за счёт высокого содержания дипиколиновой кислоты и низкого содержания в них воды) – выдерживают 100 °С в течение нескольких ч. На устойчивости спор к температуре основан метод получения накопительных культур спорообразующих бактерий. Для этого суспензию микроорганизмов прогревают в течение 10 мин при 80 °С и высевают на питательные среды.

Кроме того, эндоспоры радиорезистентны за счёт высокого содержания сульфгидрильных групп в белке оболочки.

Всхожесть эндоспор сохраняется даже через 200-300 лет (B. subtilis, B. licheniformis).

Экзоспоры – образуются у некоторых метаногенных бактерий (Methylosinus trispora) – по свойствам сходны с эндоспорами образуются за счёт почкования материнской клетки.

Цисты. Некоторые почвенные и водные бактерии (Azotobacter, Arthrobacter, Methylocystis, Myxococcus, Sporocytophaga) образуют толстостенные покоящиеся клетки – цисты. Они устойчивы к высушиванию, облучению, но не терморезистентны.

Гетероцисты у цианобактерий – специализированные толстостенные клетки в которых осуществляется азотфиксация.

Дата добавления: 2014-01-20