Доклад на тему строение бактериальной клетки

Обновлено: 16.05.2024

Раздел микробиологии, рассматривающий тонкое строение бактериальной клетки, т. Е внутреннею структуру, называется цитологией бактерий. Цель — добиться полного усвоения знаний о клетке как единице строения и функций живого организма. Бактериальная клетка является автономной, саморегулируемой сложной, целостной живой системой, которая осуществляет непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Клетка – это отдельный микросом, имеющий чёткие границы, внутри которых протекают химические процессы и циркулируют потоки энергии.

Содержание

Введение
Строение бактериальной клетки………………………………………..3
Химический состав бактериальной клетки…………………………….8
Пластический обмен…………………………………………………….12
Энергетический обмен………………………………………………….14
Заключение
Список литературы

Прикрепленные файлы: 1 файл

МИКРОБИОЛОИГИЯ.docx

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уральский государственный лесотехнический университет

Инженерно – экологический факультет

Выполнил: А.И. Мурашова, гр. ИЭФ – 27

Шифр. спец. 241000

Руководитель: Профессор, к. т. н., И.Н. Липунов

Строение бактериальной клетки………………………………………..3

Химический состав бактериальной клетки…………………………….8

В клетке имеется большой набор высокоспециализированных субклеточных структур, работающих в строго координации и обусловливающих наилучшее приспособление клетки к окружающей среде, ее развитие и производство.

СТРОЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Строение бактериальной клетки имеет ряд отличий от строения клеток растительных организмов. Основное отличие заключается в особом строении ядерного аппарата бактерий.

Основными структурными элементами бактериальной летки является клеточная оболочка, капсула, мембраны, протопласт, включения в ядерные элементы, или нуклеотиды бактерий.

Клеточная оболочка служит как бы внешним каркасом бактериальной клетки. Она представляет сбой тонкую, отчетливо очерченную, плотную, достаточно жесткую, упругую и одновременно эластичную структуру, которая противостоит внутреннему и внешнему давлению. Клеточная оболочка обуславливает форму клетки, так как содержимое клетки – протопласт, освобожденный от оболочки, приобретает округлую форму. Микроорганизмы обладают способностью по – разному окрашиваться анилиновыми красителями. При последовательной обработке бактериальной клетки кристаллическим фиолетовым и раствором йода образуется комплекс, окрашенный в сине-фиолетовый цвет. В зависимости от химического состава клеточной оболочки у одних бактерий окрашенный комплекс сохраняется при дополнительной обработке спиртом, у других (грамотрицательных) он обесцвечивается. Такая способность микроорганизмов была обнаружена датским цитологом Х. Громом. Окрашивание по Грамму служит тестом для быстрой диагностики идентификации бактерий.

Окраска по Грамму определяется присутствующим в клеточной оболочке муреином, который представляет собой гетерполимер с характерными субъединицами, входящими в гликановые и пептидные цепи. Гликановые цепи муреина состоят из чередующихся аминосахаров, а пептидные – из аминокислот.

Муреин придает клетке механическую прочность, содержит положительно и отрицательно заряженные группы и влияет на поверхностный заряд клетки. У грамположительных бактерий муреин многослойный (до 40 слоев) и составляет от 40 до 90% всей массы клеточной оболочки. Клеточная оболочка грамположительных бактерий – монодерма – имеет один слой толщиной 50-80 нм.

У грамотрицательных бактерий ( портеобактерий) клеточная оболочка – дидерма – имеет два соля, общей толщиной 10-20 нм. В наружный слой мембраны клеточной оболочки грамотрицательных бактерий входят фосфолипиды, липополисахариды, липопротеиды, белки.

Наружная мембрана плотно примыкает к муреиновому мешку, состоящему из одного или двух слоев муреина. Муреин грамотрицательных бактерий составляет всего лишь1 – 10% массы клеточной оболочки, но придает клетке прочность и ригидность.

Промежуток между муреином и цитоплазматической мембраной называют периплазматическим пространством, в котором содержатся транспортные ферменты (пермеазы или транслоказы) и гидролазы. Транспортные ферменты играют важную роль в питании клетки, а гидролазы ускоряют процессы расщепления сложных молекул в присутствии воды.

При разрушении клеточной оболочки клетка приобретает шаровидную формулу, так как растекание цитоплазмы сдерживает цитоплазматическая мембрана. У грамположительных бактерий клеточная оболочка разрушается полностью и образуется протопласт, окруженный только цитоплазматической мембраной. У грамотрицательных бактерий остаются участки не разрушенной клеточной оболочки, которые называются сферопласты.

Капсула. У многих кокковидных, палочковидных и некоторых нитчатых бактерий клетка как бы обволакивается слизистой железообразной массой коллоидного вещества, называемой капсулой. Капсула тесно примыкает к клеточной оболочке и расположена снаружи. Толщина бактериальных капсул колеблется от долей микрометра до 10 мкм, тем самым она намного превышает размеры бактерий.

Вещество капсулы заряжено отрицательно, что позволяет клетке поглощать из окружающей среды катионы и их аккумулировать.

Вещество капсул гидрофильно и способствует поглощению влаги бактериями, развивающимися в условиях ограниченной влажности. Капсула на 98% состоит из воды и поэтому служит осмотическим барьером, защищающим клетку от высыхания и переувлажнения.

Остальную часть химического состава капсулы составляют высокомолекулярные вещества: полисахариды, полипептиды, липиды. целлюлоза входит в

состав капсулы только уксуснокислых бактерий рода Actobacter xylinum.

Капсула может использоваться клеткой в качестве резервного источника питания, а также предохраняет клетку от действия токсических веществ. Капсулы бактерий могут быть причиной порчи продуктов питания. Например, молочнокислая бактерия Leuconostoc mesenteroides является вредителем свеклосахарного производства. Попадая в патоку, она образует огромные глиополисахаридные капсулы и наносит большой ущерб производству.

Капсульная гетеротрофная бактерия Zoogloea ramigera играет исключительно важную роль в формировании активного ила, представляющего собой микробное сообщество и продукты его жизнедеятельности.

Активный ил обладает высокой адсорбционной способностью и используются в процессах биологоческой очистки сточных вод. Аморфную основу ила образуют капсулы клеток, которые по мере старения отслаиваются и превращаются в гелеобразный матрикс (зооглеи).

Цитоплазматическая мембрана плотно примыкает к клеточной оболочке. Она имеется у всех живых существ, универсальна и элементарна у всех организмов. Цитоплазматическая мембрана состоит из трех слоев: белковые слои по краям и бимолекулярный слой липидов в центре мембраны. Роль барьера для молекул и ионов, поступающих из внешней среды в клетку, выполняет в основном центральный слой.

Строение цитоплазматической мембраны соответствует жидкостно – мозаичной модели, разработанной для мембраны эукариот. Жидкостное состояние цитоплазматической мембраны обуславливает способность фосфолипидных молекул липидного бислоя к вращению и латеральному (боковому) перемещению в соответствующем участке мембраны.

В зависимости от ориентации в мембране и характера связи с липидным бислоем белки цитоплазматической мембраны делят на периферические и интегральные. Периферические белки подразделяют на периферические, связанные с липидами силами электростатического взаимодействия, и поверхностные, находящиеся вне бислоя. Интегральные белки плавают в липидном бислое и пронизывают его насквозь. С помощью входящих в состав белка гидрофобных аминокислот они связаны с липидами прочными взаимодействиями.

Цитоплазматическая мембрана выполняет ряд функций: защищает протопласт, обеспечивает сохранение разности концентраций метаболитов и неорганических ионов между внутриклеточной и внешней средой; синтезирует клеточную оболочку , капсулу; участвует в делении, спорообразовании клетки; обладает избирательностью при проникновении питательных веществ в клетку; контролирует связи с аппаратом генерации АТФ и регуляции движения жгутиков. Производными цитоплазматической мембраны являются мезосомы, которые бывают турбулярные (трубчатые), везикулярные (пузырьковые) и ламеллярные (пластинчатые). У большинства прокариот мезосомы связаны с цитоплазматической мембраной. Исключением служат цианобактерии, у которых пластинчатые мезосомы большей частью отделены от цитоплазматической мембраны и автономны. В мезосомах цитоплазматических мембран локализованы окислительно – восстановительные ферменты, и происходят наиболее важные реакции энергетического обмена, например реакция окислительного фосфолирования.

Если при разрушении клеточной оболочки клетка только меняет форму, превращаясь в протопласт или сферопласт, то разрушение цитоплазматической мембраны приводит к гибели клетки, поскольку цитоплазматическая мембрана является главным барьером между цитоплазмой и внешней средой.

Протопласт. Содержимое бактериальной клетки без клеточной оболочки получило название портопласт. Портопласт состоит из цитоплазмы покрытой цитоплазматической мембраной. Цитоплазма представляет собой водянистую или слегка вязкую массу – сложную композицию белков, углеводов, жиров, аминокислот и многочисленных других органических соединений, минеральных веществ и воды. Свободная вода в цитоплазме удерживается капиллярными силами, а связанная вода – за счет водородных связей. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию (растворенные РНК, белки, субстраты метаболических реакций), носит название цитозоль.

Важными компонентами цитоплазмы являются рибосомы, ферменты, рибонуклеиновые кислоты (РНК). Одной из структурных единиц цитоплазмы являются рибосомы, которые состоят из 60% из РНК и на 40% из белка. В клетке часто образуются целые ансамбли рибосом, которые включают молекулы информационных и транспортных РНК. Такие ансамбли получили название полирибосомы ли полисомы, которые могут быть связаны с мембранными структурами клетки, что отличает рибосомы прокариот от рибосом эукариот. Основная функция рибосом – это синтез белка.

Бактериальная клетка содержит около 10 000 рибосомальных частиц. информационная и транспортная РНК участвуют в синтезе белка. Ферменты катализируют реакции синтеза и распада белков. В протопластах происходят важнейшие биохимические процессы: синтез белка и нуклеиновых кислот, синтез ферментов и все окислительно – восстановительные экзоэнергетические реакции.

Включения. В цитоплазме бактериальной клетки встречаются разные включения, которые играют роль запасных питательных веществ. К ним относятся полисахариды гликоген (животный крахмал) и гранулеза (вещество, близкое к крахмалу), а так же полифосфат волютин (азот и фосфорсодержащее вещество, характеризующееся изменением цвета красителя при окраске).

При старении клеток и при избыточном питании в цитоплазме накапливаются липиды. У серных бактерий, окисляющих сероводород, в цитоплазме могут откладываться капельки серы. Сера, как резервный источник энергии тратится по мере расходования сероводорода.

Ядерные элементы, или нуклеоиды бактерий. Бактерии, относящиеся к прокариотам, имеют тельца, называемые нуклеоидами.нуклеоиды содержат дезоксирибонуклеиновую кислоту ( ДНК) и выполняют функции ядра клетки. Функции ядерного аппарата бактерий соответствуют функциям ядер у эукариотов, т. е. служат носителями наследственных признаков вида и предают их потомству.

Основным компонентом нуклеоидов являются нуклеопротеиды, которые состоят из белка и нуклеиновых кислот. Белки, входящие в состав нуклеопротеидов, бывают чаще всего гистонами и протаминами. Эти щелочные белки образуют с нуклеиновыми кислотами соединения класса солей. При гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые основания, а также сахара: рибоза из РНК или дезоксирибоза из ДНК и фосфорная кислота.

В состав нуклеиновых кислот входят нуклеотиды, поэтому молекула ДНК представляет собой цепь нуклеотидов, расположенных в определенной последовательности. В последовательности расположения азотистых соединений закодирована генетическая информация каждого вида. Нарушение этой последовательности возможно при естественных мутациях ли под влиянием мутагенных факторов. При этом микроорганизм приобретает или утрачивает какое – либо свойство. У него наследственно изменяются признаки, т.е. появляется новая форма микроорганизма. У всех микроорганизмов, прокариотов и эукариотов, носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК)

Лишь некоторые вирусы представляют собой исключение: у них ДНК отсутствует, а наследственная информация записана на РНК. ДНК эукариот сосредоточена в хромосомах. Прокариоты лишены типичных хромосом. Исключение составляют многоклеточные бактерии порядка Caryophanales. Нуклеоиды этих бактерий имеют вид хромосом. У бактерий актиномицетов и бактериальных вирусов (бактериофаги) ДНК имеет вид тонкой нити с линейным расположением нуклеотидов. Нить ДНК аналогична хромосоме. Фрагменты нити ДНК из нескольких нуклеотидов представляют собой ген, обусловливающий один или несколько признаков. Молекула ДНК состоит из двух цепочек полинуклеотидов, которые образуют двойную спираль.

Организм бактерии представлен одной единственной клеткой. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий отличается от строения клеток животных и растений.

В клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды. Носитель наследственной информации ДНК, расположена в центре клетки в свернутом виде. Микроорганизмы, которые не имеют настоящего ядра, относятся к прокариотам. Все бактерии — прокариоты.

Предполагается, что на земле существует свыше миллиона видов этих удивительных организмов. К настоящему времени описано около 10 тыс. видов.

Бактериальная клетка имеет стенку, цитоплазматическую мембрану, цитоплазму с включениями и нуклеотид. Из дополнительных структур некоторые клетки имеют жгутики, пили (механизм для слипания и удержания на поверхности) и капсулу. При неблагоприятных условиях некоторые бактериальные клетки способны образовывать споры. Средний размер бактерий 0,5-5 мкм.

Внешнее строение бактерий

Рис. 1. Строение бактериальной клетки.

Клеточная стенка

Клеточная стенка бактериальной клетки является для нее защитой и опорой. Она придает микроорганизму свою, специфическую форму.
Клеточная стенка проницаема. Через нее проходят питательные вещества внутрь и продукты обмена (метаболизма) наружу.
Некоторые виды бактерий вырабатывают специальную слизь, которая напоминает капсулу, предохраняющую их от высыхания.
У некоторых клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают им передвигаться.
У бактериальных клеток, которые при окрашивании по Граму приобретают розовую окраску (грамотрицательные), клеточная стенка более тонкая, многослойная. Ферменты, благодаря которым происходит расщепление питательных веществ, выделяются наружу.
У бактерий, которые при окрашивании по Граму приобретают фиолетовую окраску (грамположительные), клеточная стенка толстая. Питательные вещества, которые поступают в клетку, расщепляются в периплазматическом пространстве (пространство между клеточной стенкой и мембраной цитоплазмы) гидролитическими ферментами.
На поверхности клеточной стенки имеются многочисленные рецепторы. К ним прикрепляются убийцы клеток — фаги, колицины и химические соединения.
Липопротеиды стенки у некоторых видов бактерий являются антигенами, которые называются токсинами.
При длительном лечении антибиотиками и по ряду других причин некоторые клетки теряют оболочку, но сохраняют способность к размножению. Они приобретают округлую форму — L-форму и могут длительно сохраняться в организме человека (кокки или палочки туберкулеза). Нестабильные L-формы обладают способностью принимать первоначальный вид (реверсия).

Рис. 2. На фото строение бактериальной стенки грамотрицательных бактерий (слева) и грамположительных (справа).

Капсула

При неблагоприятных условиях внешней среды бактерии образуют капсулу. Микрокапсула плотно прилегает к стенке. Ее можно увидеть только в электронном микроскопе. Макрокапсулу часто образуют патогенные микробы (пневмококки). У клебсиеллы пневмонии макрокапсула обнаруживаются всегда.

Рис. 3. На фото пневмококк. Стрелками указана капсула (электронограмма ультратонкого среза).

Капсулоподобная оболочка

Капсулоподобная оболочка представляет собой образование, непрочно связанное с клеточной стенкой. Благодаря бактериальным ферментам капсулоподобная оболочка покрывается углеводами (экзополисахаридами) внешней среды, благодаря чему обеспечивается слипание бактерий с разными поверхностями, даже совершенно гладкими.

Например, стрептококки, попадая в организм человека, способны слипаться с зубами и сердечными клапанами.

Функции капсулы многообразны:

защита от агрессивных условий внешней среды,
обеспечение адгезии (слипанию) с клетками человека,
обладая антигенными свойствами, капсула оказывает токсический эффект при внедрении в живой организм.

Рис. 4. Стрептококки способны слипаться с эмалью зубов и вместе с другими микробами являются причиной кариеса.

Рис. 5. На фото поражение митрального клапана при ревматизме. Причина — стрептококки.

Жгутики

У некоторых бактериальных клеток имеются жгутики (один или несколько) или ворсинки, которые помогают передвигаться. В составе жгутиков находится сократительный белок флагелин.
Количество жгутиков может быть разным — один, пучок жгутиков, жгутики на разных концах клетки или по всей поверхности.
Движение (беспорядочное или вращательное) осуществляется в результате вращательного движения жгутиков.
Антигенные свойства жгутиков оказывают токсический эффект при заболевании.
Бактерии, не имеющие жгутиков, покрываясь слизью, способны скользить. У водных бактерий содержатся вакуоли в количестве 40 — 60, наполненные азотом.

Они обеспечивают погружение и всплытие. В почве бактериальная клетка передвигается по почвенным каналам.

Рис. 6. Схема прикрепления и работы жгутика.

Рис. 7. На фото разные типы жгутиковых микробов.

Рис. 8. На фото разные типы жгутиковых микробов.

Пили (ворсинки, фимбрии) покрывают поверхность бактериальных клеток. Ворсинка представляет собой винтообразно скрученную тонкую полую нить белковой природы.
Пили общего типа обеспечивают адгезию (слипание) с клетками хозяина. Их количество огромно и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч. С момента прикрепления начинается любой инфекционный процесс.
Половые пили способствуют переносу генетического материала от донора реципиенту. Их количество от 1 до 4-х на одну клетку.

Рис. 9. На фото кишечная палочка. Видны жгутики и пили. Фото сделано при помощи туннельного микроскопа (СТМ).

Рис. 10. На фото видны многочисленные пили (фимбрии) у кокков.

Рис. 11. На фото бактериальная клетка с фимбриями.

Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана располагается под клеточной стенкой и представляет собой липопротеин (до 30% липидов и до 70% протеинов).
У разных бактериальных клеток разный липидный состав мембран.
Мембранные белки выполняют множество функций. Функциональные белки представляют собой ферменты, благодаря которым на цитоплазматической мембране происходит синтез разных ее компонентов и др.
Цитоплазматическая мембрана состоит из 3-х слоев. Двойной фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку. При нарушении ее работы клетка погибает.
Цитоплазматическая мембрана принимает участие в спорообразовании.

Рис. 12. На фото отчетливо видна тонкая клеточная стенка (КС), цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) и нуклеотид в центре (бактерия Neisseria catarrhalis).

Внутреннее строение бактерий

Рис. 13. На фото строение бактериальной клетки. Строение клетки бактерии отличается от строения клеток животных и растений — в клетке отсутствует ядро, митохондрии и пластиды.

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.

Рис. 14. На фото срез бактериальной клетки. В центральной части виден нуклеотид.

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.

Рис. 15. На фото бактериальная плазмида. Фото сделано с помощью электронного микроскопа.

Рибосомы

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.

Формы бактерий

Форма бактериальной клетки и ее размер имеет большое значение при их идентификации (распознании). Самые распространенные формы — шаровидная, палочковидная и извитая.

Таблица 1. Основные формы бактерий.

Шаровидные бактерии

Шаровидные бактерии называют кокками (от греческого coccus — зерно). Располагаются по одному, по двое (диплококки), пакетами, цепочками и как гроздья винограда. Данное расположение зависит от способа деления клетки. Самые вредные микробы — стафилококки и стрептококки.

Рис. 16. На фото микрококки. Бактерии круглые, гладкие, имеют белую, желтую и красную окраску. В природе микрококки распространены повсеместно. Живут в разных полостях человеческого организма.

Рис. 17. На фото бактерии диплококки — Streptococcus pneumoniae.

Рис. 18. На фото бактерии сарцины. Кокковидные бактерии соединяются в пакеты.

Располагаются цепочками. Являются возбудителями целого ряда заболеваний.

Палочковидные бактерии

Палочковидные бактерии, образующие споры, называются бациллами. Они имеют цилиндрическую форму. Самым ярким представителем этой группы является бацилла сибирской язвы. К бациллам относятся чумные и гемофильные палочки. Концы палочковидных бактерий могут быть заострены, закруглены, обрублены, расширены или расщеплены. Форма самих палочек может быть правильной и неправильной. Они могут располагаться по одной, по две или образовывать цепочки. Некоторые бациллы называют коккобациллами, так как они имеют округлую форму. Но, все же, их длина превышает ширину.

Диплобациллы — сдвоенные палочки. Сибиреязвенные палочки образовывают длинные нити (цепочки).

Образование спор изменяет форму бацилл. В центре бацилл споры образуются у маслянокислых бактериях, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах бацилл, придавая им вид барабанных палочек.

Рис. 21. На фото бактериальная клетка палочковидной формы. Видны множественные жгутики. Фото сделано с помощью электронного микроскопа. Негатив.

Рис. 22. На фото бактерии палочковидной формы, образующие цепочки (сибиреязвенные палочки).

Рис. 23. На фото клетка бактерии палочковидной формы рода протей.

Рис. 24. У маслянокислых бацилл споры образуются в центре, придавая им вид веретена. У столбнячных палочек — на концах, придавая им вид барабанных палочек.

Извитые бактерии

Рис. 25. На фото холерный вибрион.

Рис. 28. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.

Рис. 29. На фото бактерии лептоспиры — возбудители многих заболеваний.

Булавовидные

Булавовидную форму имеют коринебактерии — возбудители дифтерии и листериоза. Такую форму бактерии придает расположение метахроматических зерен на ее полюсах.

Рис. 30. На фото коринебактерии.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Суммарная масса бактерий огромна. Она составляет около 500 миллиардов тонн. Бактерии освоили практически все известные биохимические процессы. Формы бактерий разнообразны. Строение бактерий за миллионы лет достаточно усложнилось, но и сегодня они считаются наиболее просто устроенными одноклеточными организмами.

С развитием науки люди узнают всё больше об окружающем мире. Микробиология позволяет проникнуть в тайны жизни и использовать полученные знания во благо человечества. В классах средней школы учеников знакомят с самыми мелкими организмами, существующими на Земле. Изучение строения бактериальной клетки будет увлекательным исследованием для молодого поколения.

Размер и форма
Клеточная стенка
Цитоплазматическая мембрана
Другие внеклеточные структуры
Компоненты цитоплазмы
Деление клеток

Размер и форма

Бактерии, которые относятся к прокариотам, считаются самыми мелкими живыми организмами, известными сегодня науке. Они могут иметь разные формы тела, которые влияют на процессы их жизнедеятельности. Их составляющие делятся на постоянные и непостоянные. Структурные компоненты прокариотов отличаются от растительных и животных клеток. В учебниках биологии часто приводятся таблицы и рисунки с обозначениями структур, по которым можно найти различия между разными организмами.

Размер бактерий варьируется в пределах 0,2−10 мкм. Но есть разновидности, достигающие до 600 мкм в длину и 100 мкм в диаметре, которые можно увидеть невооружённым глазом. Микроорганизмы с размером тела меньше 0,5 мкм называются нанобактериями. Они могут проходить через мембранные фильтры. Многим из них, например, микоплазмам и хламидиям, характерен паразитический образ жизни. А есть такие, что относятся к хищным разновидностям.

Разделяют бактериальные клетки по форме:

сферические (кокки);
палочковидные (бациллы);
изогнутые (вибрионы);
спиралевидные (спириллы);
спирально извитые (спирохеты).

Коккобациллы отличаются формой, промежуточной между сферической и палочковидной. Бактерии могут образовывать устойчивые комбинации в виде пары палочек (диплобациллы) или кокков (диплококки), которые можно рассмотреть в микроскоп. Цепочки палочек называются стрептобациллами, а сочетания кокков — стрептококки. Некоторые организмы соединяются в розетки, гроздья или сети. Среди необычных форм встречаются звёздчатые варианты. Существуют прокариоты, которые в течение жизненного цикла меняют морфологию. Некоторые микроорганизмы включают клетки, несущие стебельки и иные придатки.

Клеточная стенка

Микроорганизмы группируют на грамположительные и грамотрицательные, в зависимости от особенностей строения. Бактериальная клетка окружена жёсткой клеточной стенкой, которая состоит из пептидогликана (муреина). Этот полимер представляет собой полисахаридные цепи, соединённые пептидными сшивками.

Клеточная стенка считается жизненно важной частью для бактерий, поскольку любые антибиотики не дают им формироваться. Неправильный рост грамотрицательных видов способствует образованию сферопластов. Эти структурные единицы лишены клеточной стенки или могут быть покрыты дефектным слоем. Однако они могут размножаться, взаимодействовать с бактериофагами, а при благоприятной среде восстанавливаться до нормальной структуры.

Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки и противостоит её внутреннему давлению, поддерживает форму бактерии. Через небольшие отверстия муреина могут проходить только молекулы массой до 50 кДа. При необходимости для белков жгутиков, пилей и ДНК отверстия для их прохождения расширяются, благодаря специфическим гидролазам пептидогликана.

Цитоплазматическая мембрана

Следующий обязательный слой бактериальной клетки — мембрана. Её покрывает клеточная стенка, что видно на схеме.

Клеточную мембрану также именуют цитоплазматической. Она представлена липидным бислоем, через который внутрь клетки поступают питательные вещества.

Мембрана поддерживает осморегуляцию прокариота, обеспечивает секрецию белков и участвует в формировании клеточной стенки. Она поддерживает биосинтез внеклеточных полимеров, получает регуляторные сигналы из внешней среды. Цитоплазматическая мембрана участвует в передаче ДНК, синтезе и разделении дочерних хромосом при размножении бактерий.

Липидный бислой включает разные белки. Его химический состав разнообразнее мембран эукариотических составляющих. В бактериях цитоплазматический слой меняет свойства, варьируя жирные кислоты в составе липидов. Мембрана содержит гопаноиды, которые заменяют стероиды. Пентациклические соединения на основе гопана участвуют в нормализации физических свойств липидного бислоя.

Другие внеклеточные структуры

Внешние структуры бактериальной клетки представлены не только клеточной стенкой и мембраной. У многих видов этих микроорганизмов есть капсула из экзополисахаридов. В ней содержатся линейные или разветвлённые полигликаны и полипептиды. Капсула защищает клетки непатогенных бактерий от высыхания. У патогенных видов она увеличивает вирулентность, поэтому иммунной системе сложно их подавить и уничтожить.

Бактериальные клетки могут иметь и другие внеклеточные структуры:

S-слой состоит из упорядоченных белковых субъединиц. Присутствует не у всех микроорганизмов. Есть бактерии, у которых он выступает единственной плотной оболочкой. S-слой не участвует в образовании формы бактерий. Он защищает их тела от внешних факторов и препятствует попаданию экзогенных молекул.
Жгутик. Подвижность бактерий обусловлена наличием одного или нескольких жгутиков, которые расположены на поверхности. Белковые структуры могут находиться на противоположных полюсах тельца или быть собраны в пучки. У некоторых бактерий они разбросаны по всей поверхности. Клетка движется, когда жгутик начинает вращаться по часовой стрелке или против неё.
Пили (фимбрии). Белковые структуры в виде ворсинок расположены на поверхности большинства бактерий. Пили участвуют в конъюгации микроорганизмов, прикреплении их к субстрату и иным клеткам. Они помогают адаптироваться прокариотам к новым условиям. Фимбрии могут быть тонкими и напоминать нити. Встречаются клетки, у которых пили представляют собой толстые палочкообразные структуры с осевыми отверстиями.

У разных видов бактерий могут быть дополнительные внеклеточные образования. Если слизистая структура покрывает не отдельную бактерию, а скопление структурных единиц, её называют чехлом. Такая оболочка встречается у хламидий и цианобактерий.

Некоторые грамотрицательные бактерии обладают шипами, которые представляют собой полые белковые структуры. Они состоят из спирально уложенных молекул спинина и прикреплены к мембране. Шипы могут быть конической или конусообразно-цилиндрической формы.

Есть виды бактерий, которые характеризуются газовыми вакуолями. Объёмные структуры, наполненные газом, имеют сферическую, игольчатую или цилиндрическую форму. Они прикрепляются к поверхности клетки и содержат запасной кислород, если в окружающей среде его очень мало.

Компоненты цитоплазмы

Внутри цитоплазматической мембраны заключена сложная динамическая система, называемая цитоплазмой. Она представляет собой специфический водный раствор с различными включениями.

Компоненты цитоплазмы:

Рибосомы. Размер круглых органоидов варьируется в пределах 15−20 нм. Рибосомы синтезируют белок из аминокислот. Это основная функция структуры. Рибосома также соединяет белоксинтезирующую систему и транспортирует РНК.
Мезосомы. Мембранное образование характерно для большинства прокариотов. Структуры характеризуются формой трубочек, пузырьков или петель. Главная функция мезосом — создание энергии. Частицы участвуют в делении бактериальных клеток и формировании спор.
Гранулы. Эти частицы выступают дополнительным источником энергии для бактерий. В них содержатся полисахариды, небольшой объём жира и крахмал. Гранулы могут быть любой формы.

В центре прокариотов находится нуклеоид, который заменяет ядро. Он хранит основную часть клеточной информации микроорганизма. Нуклеоид представлен кольцом из молекулы ДНК длиной примерно 1 мкм. Он способен сохранить до 1000 признаков. С помощью этой структуры признаки и свойства передаются от бактерии потомству.

Плазмиды напоминают молекулы ДНК, но в них отсутствуют хромосомные факторы наследственности. Основная функция внутриклеточных структур — передача их свойств другим микроорганизмам. Плазмиды способны сохранять генетическую устойчивость к антибиотикам. Также они устойчивы к ультрафиолету и тяжёлым металлам. Обычно обладают кольцевой формой, но не исключена и линейная.

Деление клеток

Размножение одноклеточных микроорганизмов, в том числе и бактерий, происходит путём деления клетки. Сначала она удлиняется, а внутри неё появляется поперечная перегородка. Затем структура разделяется на 2 равные по размеру дочерние клетки, которые потом расходятся.

Главное отличие размножения клетки бактерий в том, что в процессе размножения участвует реплицированная ДНК. При бинарном делении образуется перегородка под названием септа. Она помогает разделить дочерние части, постепенно расслаиваясь в середине материнской клетки.

Также у некоторых микроорганизмов может наблюдаться неравноценное деление. Например, у грамотрицательной бактерии Caulobacter crescentus одна дочерняя структурная единица подвижная и обладает жгутиком для хемотаксиса. А вторая клетка остаётся прикреплённой к субстрату с помощью стебелька. Подвижные микроорганизмы сначала пребывают в свободном плавании, а потом делятся на части. Репликация хромосом и размножение бактерий происходит на стадии прикреплённой клетки.

При благоприятных условиях микроорганизмы быстро растут и размножаются. Популяция некоторых видов бактерий может удваиваться через каждые 10 минут.

Строение бактериальных клеток довольно простое, хотя за много лет существования их структура достаточно усложнилась. Учёные открыли больше 10 тыс. этих видов прокариотов, однако они считают, что на планете есть ещё много нераскрытых микроорганизмов.

Бактерии это самый древний организм на земле, а также самый простой в своем строении. Он состоит всего из одной клетки, которую можно увидеть и изучить только под микроскопом. Характерным признаком бактерий является отсутствие ядра, вот почему бактерии относят к прокариотам.

Некоторые виды образовывают небольшие группы клеток, такие скопления могут быть окружены капсулой (чехлом). Размер, форма и цвет бактерии сильно зависит от окружающей среды.

По форме бактерии различаются на: палочковидные (бациллы), сферические (кокки) и извитые (спириллы). Встречаются и видоизмененные – кубические, С-образные, звездчатые. Их размеры колеблются от 1 до 10мкм. Отдельные виды бактерий могут активно передвигаться при помощи жгутиков. Последние иногда превышают размер самой бактерии в два раза.

Для движения бактерии используют жгутики, количество которых бывает различное – один, пара, пучок жгутиков. Расположение жгутиков также бывает разным – с одной стороны клетки, по бокам или равномерно распределены по всей плоскости. Также одним из способов передвижения считается скольжение благодаря слизи, которой покрыт прокариот. У большинства внутри цитоплазмы есть вакуоли. Регулировка ёмкости газа в вакуолях помогает им двигаться в жидкости вверх или вниз, а также перемещаться по воздушных каналах почвы.

Ученые открыли более 10 тысяч разновидностей бактерий, но по предположениям научных исследователей в мире существует их более миллиона видов. Общая характеристика бактерий дает возможность определиться с их ролью в биосфере, а также изучить строение, виды и классификацию царства бактерий.

Места обитания

Простота строения и быстрота адаптации к окружающим условиям помогла бактериям распространиться в широком диапазоне нашей планеты. Они существуют везде: вода, почва, воздух, живые организмы – всё это максимально приемлемое место обитания для прокариотов.

Бактерии находили как на южном полюсе, так и в гейзерах. Они есть на океанском дне, а также в верхних слоях воздушной оболочки Земли. Бактерии живут везде, но их количество зависит от благоприятных условий. К примеру, большая численность видов бактерий проживает в открытых водоемах, а также почве.

Особенности строения

Клетка бактерии отличается не только тем, что в ней нет ядра, но и отсутствием митохондрий и пластид. ДНК данного прокариота находится в специальной ядерной зоне и имеет вид замкнутого в кольцо нуклеоида. У бактерии строение клетки состоит из клеточной стенки, капсулы, капсулоподобной оболочки, жгутиков, пили и цитоплазматичной мембраны. Внутреннее строение оформляют цитоплазма, гранулы, мезосомы, рибосомы, плазмиды, включения и нуклеоид.

Клеточная стенка бактерии выполняет функцию обороны и опоры. Вещества могут свободно протекать сквозь неё, благодаря проницаемости. Данная оболочка имеет в своем составе пектин и гемицеллюлозу. Некоторые бактерии выделяют особую слизь, которая может помочь защититься от пересыхания. Слизь формирует капсулу – полисахарид по химическому составу. В такой форме бактерия способна переносить даже очень большие температуры. Также она выполняет и другие функции, к примеру слипание с любыми поверхностями.

На поверхности клетки бактерии находятся тонкие белковые ворсинки – пили. Их может быть большая численность. Пили помогают клетке передавать генетический материал, а также обеспечивают слипание с другими клетками.

Под плоскостью стенки находится трехслойная цитоплазматичная мембрана. Она гарантирует транспорт веществ, а также имеет немалую роль в образовании спор.

Цитоплазма бактерий на 75 процентов произведена из воды. Состав цитоплазмы:

Рыбосомы;
мезосомы;
аминокислоты;
ферменты;
пигменты;
сахар;
гранулы и включения;
нуклеоид.

Обмен веществ у прокариотов возможен, как с участием кислорода, так и без его него. Большая их часть питаются уже готовыми питательными веществами органического происхождения. Очень мало видов способны сами синтезировать органические вещества из неорганических. Это сине-зеленые бактерии и цианобактерии, которые отыграли немалую роль в формировании атмосферы и насыщении её кислородом.

Размножение

В условиях, благоприятных для размножения, оно осуществляется почкованием или вегетативно. Бесполое размножение происходит в такой последовательности:

Клетка бактерии достигает максимального объема и содержит необходимый запас питательных веществ.
Клетка удлиняется, посередине появляется перегородка.
Внутри клетки происходит дележ нуклеотида.
ДНК основная и отделенная расходятся.
Клетка делится пополам.
Остаточное формирование дочерних клеток.

При таком способе размножения нету обмена генетической информацией, поэтому все дочерние клетки будут точной копией материнской.

Процесс размножения бактерий в неблагоприятных условиях более интересен. О способности полового размножения бактерий ученые узнали сравнительно недавно – в 1946 году. У бактерий нет разделения на женские и половые клетки. Но ДНК у них встречается разнополое. Две такие клетки при приближении друг к другу образовывают канал для передачи ДНК, происходит обмен участками – рекомбинация. Процесс довольно длительный, результатом которого являются две совершенно новые особи.

Большинство бактерий очень сложно увидеть под микроскопом, так как они не имеют своей окраски. Немногие разновидности имеют пурпурный или зеленый окрас, благодаря содержанию в них бактериохлорофилла и бактериопурпурина. Хотя если рассматривать некоторые колонии бактерий, становится ясно, что они выделяют окрашиваемые вещества в среду обитания и приобретают яркую окраску. Для того, чтобы подробней изучать прокариотов, их окрашивают.

Фотографии бактерий под микроскопом

Классификация

Классификация бактерий может быть основана на таких показателях, как:

Форма
способ передвижения;
способ получения энергии;
продукты жизнедеятельности;
степень опасности.

По способу питания бывают бактерии автотрофы или гетеротрофы. Автотрофные бактерии пребывают в основном в почве. Гетеротрофы различают такие, как: симбионты, паразиты и сапрофиты.

Бактерии симбионты живут в содружестве с иными организмами.

Бактерии паразиты ничего не производят, поэтому питаются тем, что произвел организм хозяина, либо питается тканями другого организма.

Бактерии сапрофиты проживают на уже отмерших организмах, продуктах и органических отходах. Они способствуют процессам гниения и брожения.

Гниение очищает природу от трупов и других отходов органического происхождения. Без процесса гниения не было бы круговорота веществ в природе. Так в чем же состоит роль бактерий в круговороте веществ?

Бактерии гниения — это помощник в процессе расщепления белковых соединений, а также жиров и других соединений, содержащих в себе азот. Проведя сложную химическую реакцию, они разрывают связи между молекулами органических организмов и захватывают молекулы белка, аминокислот. Расщепляясь, молекулы высвобождают аммиак, сероводород и другие вредные вещества. Они ядовиты и могут вызывать отравление у людей и животных.

Бактерии гниения быстро размножаются в благоприятных для них условиях. Так как это не только полезные бактерии, но и вредные, то чтобы не допустить преждевременного гниения у продуктов, люди научились их обрабатывать: сушить, мариновать, солить, коптить. Все эти способы обработки убивают бактерии и не дают им размножаться.

Бактерии брожения при помощи ферментов способны расщеплять углеводы. Эту способность люди заметили еще в древние времена и используют такие бактерии для изготовления молочнокислых продуктов, уксусов, а также других продуктов питания до сих пор.

Кроме полезных, существуют также и патогенные бактерии. Их жизнедеятельность базируется на паразитизме в организме животных, растений и даже человека. Они вызывают серьезные инфекционные болезни, примером может служить туберкулез, сифилис, язву (сибирскую и язву желудка), дифтерию, чуму и многие другие не менее тяжелые заболевания.

Бактерии, трудясь в совокупности с другими организмами, делают очень важную химическую работу. Очень важно знать какие есть виды бактерий и какую пользу или вред приносят для природы.

Значение в природе и для человека

Выше уже отмечалось большое значение многих видов бактерий (при процессах гниения и различных типах брожения), т.е. выполнение санитарной роли на Земле.

Бактерии также играют огромную роль в круговороте углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы, кальция и других элементов. Многие виды бактерий способствуют активной фиксации атмосферного азота и переводят его в органическую форму, способствуя повышению плодородия почв. Особо важное значение имеют те бактерии, которые разлагают целлюлозу, являющиеся основным источником углерода для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.

Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании нефти и сероводорода в лечебных грязях, почвах и морях. Так, насыщенный сероводородом слой воды в Черном море является результатом жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Деятельность этих бактерий в почвах приводит к образованию соды и содового засоления почвы. Сульфатредуцирующие бактерии переводят питательные вещества в почвах рисовых плантаций в такую форму, которая становится доступной для корней этой культуры. Эти бактерии могут вызывать коррозию металлических подземных и подводных сооружений.

Благодаря жизнедеятельности бактерий почва освобождается от многих продуктов и вредных организмов и насыщается ценными питательными веществами. Бактерицидные препараты успешно используются для борьбы с многими видами насекомых-вредителей (кукурузным мотыльком и др.).

Многие виды бактерий используются в различных отраслях промышленности для получения ацетона, этилового и бутилового спиртов, уксусной кислоты, ферментов, гормонов, витаминов, антибиотиков, белково-витаминных препаратов и т.д.

Без бактерий невозможны процессы при дублении кожи, сушке листьев табака, выработке шелка, каучука, обработке какао, кофе, мочении конопли, льна и других лубоволокнистых растений, квашении капусты, очистке сточных вод, выщелачивании металлов и т.д.

Строение клетки бактерий. Структура

Жёсткая бактериальная клеточная стенка придаёт микроорганизмам определённую форму, а также служит механическим барьером, предохраняющим клетку от воздействия факторов окружающей среды. Клеточная стенка грамположительных бактерий состоит из толстого слоя пептидогликана и клеточной мембраны, в то время как у грамотрицательных микроорганизмов — из трёх слоев: внутренней, внешней мембраны и тонкого слоя пептидогликана.

Клеточная стенка микобактерий также содержит большое количество липидных веществ, некоторые из которых обладают иммунореактивностью.

По форме бактерии подразделяют на кокки (округлой формы), бациллы (палочковидной формы) и коккобациллы (промежуточная форма). Кроме того, различают изогнутые и спиралевидные бактерии. Наиболее важные структурные компоненты бактериальной клетки:
• капсула — слизистое аморфное образование, состоящее из полисахаридов и защищающее клетку от фагоцитоза и высыхания;
• липополисахариды — мощные стимуляторы выброса цитокинов, защищающие грамотрицательные бактерии от цитолитических компонентов комплемента;

• фимбрии (пили) — тонкие нитевидные белковые органеллы, участвующие в адгезии (прикрепление к клеткам организма хозяина) и расселении микроорганизмов (факторы колонизации). Например, фимбрии (Р-фимбрии) уропатогенных штаммов Escherichia coli избирательно связываются с маннозными рецепторами эпителия мочеточников.
Антигены фимбрии часто обладают иммуногенностью, индивидуальной для каждого штамма (например, Neisseria gonorrhoeae), чем можно объяснить возникновение рецидивирующих инфекций;

• жгутики — органы движения бактерий, позволяющие микроорганизмам передвигаться в поисках источников питания и проникать через слизистые оболочки организма хозяина. Жгутики (один или несколько) могут располагаться на полюсах (полярное расположение) или по всей поверхности (перитрихи) бактериальной клетки. У некоторых видов (например, у определённых штаммов Treponema) жгутики закреплены внутри клеточной стенки;

• слизь — полисахаридная субстанция, секретируемая некоторыми бактериями и предохраняющая их от воздействия антибиотиков и иммунной системы хозяина;

• споры — метаболически неактивные формы бактерий, образующиеся в неблагоприятных условиях и позволяющие микроорганизмам долгое время выдерживать воздействие механических, температурных и химических факторов окружающей среды (до наступления благоприятных условий).

Бактерий относят к прокариотам, так как они не имеют ядра и содержат только одну хромосому. Процессы спирализации и суперспирализации ДНК микроорганизмов катализирует ДНК-гираза, что позволяет хранить большой объём хромосомного материала.

Рибосомы микроорганизмов отличаются от рибосом эукариотов, что делает их мишенями для антибактериальных препаратов. Более того, бактерии имеют дополнительную ДНК, содержащуюся в плазмидах. Кроме того, в них часто заключена генетическая информация о факторах патогенности.

Видео строение бактериальной клетки - анатомия бактерии

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Читайте также: