МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ - СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ - КЛЕТКА

Несмотря на единство строения, химического состава и функций, присущее всем клеткам, между эу- и прокариотическими клетками имеются существенные различия.

Прокариотическая клетка организована проще эукариотической. Большинство из них - это мелкие (как правило, не более 10 мкм) округлые, овальные или удлиненные клетки, которые, в отличие от эукариот, не разделены на клеточные ком- партменты. Отсутствие компартментализации, пожалуй, основная особенность строения прокариот (рис. 50). Типичными прокариотами являются бактерии, которые по форме подразделяются на сферические - кокки (греч. cockos - зерно), прямые или изогнутые палочки, спиральные или извитые клетки (вибрионы и спириллы). Некоторые клетки, разделившись, не расходятся, в результате чего образуются пары (диплококки, диплобактерии), цепочки (стрептококки, стрептобактерии) или пакеты кокков (сарцины). В то же время прокариоты широко различаются по своим физиологическим свойствам и очень быстро делятся. Так, в течение 10 - 11 часов потомство одной-единственной клетки в благоприятных условиях может достичь 4 млрд особей.

Прокариоты легко адаптируются к условиям окружающей среды, у них очень часты спонтанные мутации, а необычайное биохимическое многообразие способствует их повсеместному распространению на Земле. Согласно современным представлениям все прокариоты произошли от предкового прокариотического организма, сходного с современной микоплазмой. Микоплазмы (тусор1аьта) - хемогетеротрофные микроорганизмы, большинство из которых паразитируют у животных и растений. Однако найдены и микоплазмы, свободно живущие в экологических нишах с высокой температурой. Размеры клеток у микоплазм колеблются в пределах от 0,3 до 0,9 мкм (в среднем 0,3 - 0,4 мкм). Важнейшей особенностью микоплазм является отсутствие у них клеточной стенки. Геном микоплазм - самый маленький из всех известных организмов (0,5 х 109 Да), он обладает информацией для синтеза около 750 белков, что, по-видимому, является минимальным для живых систем, имеющих клеточную организацию.

Плазматическая мембрана (цитолемма) у прокариот выполняет все свойственные мембранам функции: транспортную, защитную, разграничительную, рецепции, восприятия сигналов внешней (для клетки) среды, участия в иммунных процессах, обеспечения поверхностных свойств клетки. Кроме того, плазматические мембраны у них выполняют еще ряд важнейших функций: в них локализуются ферменты цепи переноса электронов и окислительного фосфорилирования, осуществляется синтез компонентов клеточной стенки и капсулы, выведение внеклеточных ферментов. У фотосинтезирующих организмов фотосинтез также осуществляется на мембране; на внутренней стороне мембраны расположены сайты связывания ДНК, каждая из дочерних молекул ДНК после репликации прикрепляется к одному из сайтов, в результате роста мембраны молекулы ДНК расходятся, после чего формируется перемычка, разделяющая клетку на две.

Общий принцип устройства клеточных мембран прокариот не отличается от эукариот, однако в химическом составе имеется немало существенных различий, в частности, в мембранах бактерий отсутствуют молекулы холестерина и некоторых других липидов присущих мембранам эукариот.

У некоторых микроорганизмов плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки, образуя стопки ламелл, напоминающих стопки блюдцев, - плоских мешочков, связанных с цитолеммой (например, у Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter). У цианобактерий и некоторых пурпурных бактерий имеется множество полиморфных мембранных мешочков - тилакоидов, связанных с мембраной и осуществляющих фотосинтетические процессы. Тилакоиды также являются производными цитолеммы, которые образуются в результате ее впячиваний. Встречаются тилакоиды различной формы: в виде плоских мешочков, трубочек, везикул разных размеров. Мембраны тилакоидов содержат хлорофиллы а и b, каротиноиды; в них локализуются ферменты, цепь переносчиков электронов, элементы системы фосфорилирования. Зеленые бактерии (Chlorobiaceae) также имеют мембранные структуры - хлоросомы, тесно соприкасающиеся с цитолеммой. Они содержат пигмент бактериохлорофилл. Наряду с этим некоторые прокариоты содержат газовые вакуоли (аэросомы), карбоксисомы, в которых находится рибулозодифосфаткарбоксилаза. Что касается мезосом, представляющих собой впя- чивания мембран причудливых форм, то в настоящее время их наличие подвергается сомнению и многие исследователи считают их артефактами. Имеются убедительные доказательства непрерывности всех мембранных структур прокариотической клетки.

Клеточная стенка у большинства прокариот (кроме микоплазм и L-форм бактерий) выполняет многочисленные функции. Это, в первую очередь, формообразование и защита от осмотического шока. В различных клетках клеточная стенка составляет от 5 до 50% сухой массы клетки.

В 1884 г. датский ученый X. Грам разработал метод окраски, который дает возможность разделить бактерии на две группы - грамположительные и грамотрицательные. Различная способность бактерий к окраске по Граму связана с особенностями строения их клеточных стенок. Грамположительные (Грам+) бактерии фиксируют комплекс генцианвиолета и йода, окрашиваясь в темно-фиолетовый цвет, этанол не обесцвечивает краску, и бактерии не окрашиваются дополнительно фуксином. Грамотрицательные (Грам-) бактерии воспринимают дополнительную окраску фуксином, так как указанный комплекс у них легко вымывается этанолом. Причина этого стала известна лишь в середине XX века, когда М. Солтон и соавторы разработали методы выделения очищенных клеточных стенок и изучили их химический состав и ультраструктуру. Оказалось, что характер окраски связан с фундаментальными различиями в строении поверхностных структур грамположительных и грамотрицательных клеток. И те и другие имеют плазматическую мембрану толщиной 75 А, которая у грамположительных клеток окружена толстой (20-80 нм) клеточной стенкой, состоящей из пептидогликана муреина, тейхоевых кислот и полисахаридов; у грамотрицательных - тонким (2-3 нм) слоем пептидогликана, покрытым наружной плазматической мембраной (некоторые метанообразующие бактерии и крайние галофилы - Halobacterium и Halococcus - не имеют пептидогликанов в составе стенки). Если обработать клетку лизоцимом или пенициллином, клеточная стенка разрушается. Грамположительная клетка превращается в протопласт, который весьма подвержен осмотическому шоку; грамотрицательная - в сферопласт, покрытый двумя мембранами и вследствие этого менее чувствительный к осмотическому шоку.

Пептидогликан муреин представляет собой гетерополимер, состоящий из цепей, образованных моносахаридами N-ацетилг-люкозамином (NAG) и N-ацетилмурамовой кислотой (NAM), чередующихся между собой по типу b (1 → 4). Цепи соединены между собой пептидными поперечными сшивками, состоящими из тетрапептидных элементов и пептидных мостиков. Мостик представляет собой пентапептид, чаще всего это пентаглицин, хотя может быть и L-аланин4 - L-треонин или L-глицин3-L-серин3. Благодаря мостикам у грамположительных клеток цепи связаны между собой в единый многослойный (до 40 слоев) муреиновый мешок. У грамположительных организмов в составе клеточной стенки присутствуют тейхоевые и липотейхоевые кислоты, связанные с муреином. Тейхоевые кислоты представляют собой цепи, состоящие из молекул глицерола или рибитола (до 30), связанных между собой фосфодиэфирными связями (рис. 51).

У грамотрицательных бактерий муреин образует один сетчатый слой, он лишен лизина, тейхоевых кислот и содержит лишь мезодиаминопимелиновую кислоту, в нем нет пептидных мостиков, однако между муреином и наружной мембраной расположено большое количество липидов (липополисахариды, липопротеиды и др.). Пептидогликан связан через диаминопимелиновую кислоту с молекулами липопротеидов, которые, в свою очередь, соединены с наружной мембраной. Липофильные концы липопротеидов внедряются во внутренний слой наружной мембраны. В некоторых участках обе мембраны соединяются, образуя зоны слипания. Аналогичные зоны имеются в органеллах эукариот с двойными мембранами. Белки внутренней и наружной мембран различны в структурном и функциональном отношении. Фосфолипиды обеих мембран аналогичны. Липополисахариды расположены в наружном слое внешней мембраны. Они тщательно изучены у сальмонелл. Каждый липополисахарид состоит из О-специфической боковой цепи, направленной наружу, за которой следуют сердцевинная зона и липид А. О-специфическая боковая цепь длиной до 30 нм, состоящая из олигосахаридов, содержащих различные сахара (галактозу, маннозу, фруктозу и др.), обладает высокой специфичностью и представляет собой О-антигены, а также является рецептором для некоторых бактериофагов. Интегральные белки внешней мембраны являются поринами, через которые могут проникать гидрофильные молекулы величиной до 6000 Да.

В периплазматическом пространстве, расположенном между внутренней мембраной и муреиновым слоем, находятся многочисленные белки: связующие, являющиеся рецепторами хемотаксиса и осуществляющие транспорт ряда веществ в цитоплазму; деполимеразы и гидрофильные участки интегральных и периферических мембранных белков. Внешняя мембрана защищает грамотрицательную клетку от проникновения в нее ряда веществ, и, в первую очередь, пенициллинов. Образование клеточной стенки происходит в три этапа. В цитоплазме синтезируется пентапептид мурамовой кислоты. На плазматической мембране он связывается с N-ацетил-глюкозамином и присоединяет пять остатков глицина. В результате сложных преобразований (замена уридин- дифосфата на ундекапренилфосфат) молекула становится липофильной и переносится через мембрану. На внешней стороне происходит образование связей между пептидными мостикам и тетрапептидами, в результате чего молекула превращается в муреин. Пенициллин препятствует образованию указанных связей.

Капсулы, слизь, влагалища. Многие бактерии (например, пневмококки, клебсиеллы, некоторые клостридии и др.), а также некоторые сине-зеленые водоросли кнаружи от клеточной стенки имеют более или менее толстый слой сильно оводненного материала, образующего капсулу. Капсулы сохраняют связь с клеточной стенкой, имеют толщину до 10 мкм, компоненты их (глюкоза, аминосахара, рамноза; 2-кето - 3-дезоксигалактоновая кислота, урановые, пировиноградная и уксусная кислоты) синтезируются клеткой.

Капсулы обеспечивают резистентность некоторых бактерий к ряду воздействий, например к фагоцитозу (тем самым капсула повышает вирулентность бактерий). Капсула может придавать бактериям специфичность, так как в ней могут находиться антигены.

Некоторые бактерии выделяют компоненты капсулы в среду в виде слизи, которую можно отделить от клетки простым встряхиванием культуры.

Помимо защиты от фагоцитоза, капсулы предохраняют клетку от высыхания, механических повреждений, от действия вирусов. Капсулы могут служить источником запасных питательных веществ, а также осуществлять связь между клетками и способствовать прикреплению к каким-либо поверхностям.

Подвижность прокариот. Как и эукариоты, прокариоты обладают аппаратом движения - жгутиками, длина которых колеблется от 3 до 15 мкм, а толщина - от 10 до 20 нм. Жгутики выявляются окраской по методу Леффлера или Лейфсона. Расположение жгутиков может быть монополярным, биполярным и перитрихиальным. По количеству жгутиков различают монотри- хи (одна нить) и политрихи (пучок нитей).

Благодаря особому строению базального тельца жгутики вращаются со скоростью 3000 оборотов в минуту, а клетка вращается в противоположном направлении. Скорость движения прокариот очень велика - от 1,6 до 12 мм/мин. Жгутиковые микроорганизмы легко передвигаются в жидкости и способны двигаться по плотной поверхности.

Структура жгутика сложна, она совершенно отлична от строения ресничек и жгутиков эукариот. Каждый жгутик у прокариот состоит из длинной нити, которая посредством изогнутого крюка крепится к базальному тельцу, прочно соединенному с цитолеммой и клеточной стенкой (рис. 52). Спиральная нить образована мономерами белка флагеллина с молекулярной массой от 17 000 до 40 000, которые формируют полые спиральные цепи.

Крюк длиной 20 - 45 нм образован другими белками. Наиболее сложно устроено базальное тельце, которое, несмотря на название, не имеет ничего общего с базальным тельцем эукариотической клетки. Эта структура образована 11 различными белками и состоит у грамотрицательных микроорганизмов из двух пар, а у грамположительных из одной пары колец, одетых на стержень жгутика. Внешние кольца L и Р имеются лишь у грамотрицательных клеток. Кольцо L расположено на уровне наружной мембраны, кольцо Р - на уровне пептидогликанового слоя. Эти кольца служат для прикрепления стержня. Движения осуществляют внутренние кольца S и М, которые имеются у всех жгутиковых организмов. Кольцо М расположено в цитолемме, кольцо S лежит над ним непосредственно в пептидогликановом слое у грамположительных бактерий и в периплазматическом пространстве уграм- отрицательных. Кольцо М вращается со скоростью около 100 об/сек по отношению к кольцу S, обусловливая этим вращение крюка и стержня (нити) жгутика (см. рис. 52). При вращении жгутиков перитрихов против часовой стрелки они образуют один пучок, благодаря чему клетка движется прямо, при вращении по часовой стрелке жгутики занимаютнормальное положение и клетка «кувыркается». Движения совершаются за счет энергии трансмембранного электрохимического протонного потенциала.

Подвижные прокариоты совершают направленные движения по градиенту концентрации некоторых веществ - аттрактантов (лат. attraho - притягиваю к себе) или против градиента концентрации других веществ - репеллентов (лат. repellentis - отталкивающий).

.

.

Такое поведение называется хемотаксисом. При движении жгутиков против часовой стрелки клетка движется в одном направлении, при движении жгутиков по часовой стрелке клетка кувыркается. Под влиянием аттрактантов клетка большую часть пути проделывает прямолинейно, под влиянием репеллентов клетка чаще кувыркается и удаляется. Помимо хемотаксиса, существуют и другие виды таксиса. Аэротаксис - аэробные бактерии устремляются к воздушной среде, а анаэробные, наоборот, скапливаются в центре культуры. Фототаксис - пурпурные бактерии перемещаются в зоны с наиоольшей освещенностью, что связано с потребностью фототрофных бактерий в квантах света для получения энергии. Магнитотаксис - железосодержащие бактерии движутся в магнитном поле в направлении линий.

Фимбрии. Помимо жгутиков, прокариоты обладают фимбриями, или пилями, представляющими собой полые нити диаметром до 0,0015 мкм и длиной от 0,3 до 4-5 мкм, образованные белком пилином с молекулярной массой 17000 (рис. 53). Они располагаются по периферии клетки в количестве 100-250. Наличие пилей не связано с наличием или отсутствием жгутиков. Фимбрии принимают участие в процессах прикрепления бактерий к клеткам млекопитающих (например, к слизистой оболочке кишечника). У некоторых бактерий выделяются специализированные фимбрии, в частности F-фимбрии у Е. coli, участвующие в процессе конъюгации и могущие служить органом прикрепления некоторых бактериофагов.

Цитоплазма представляет собой сложную коллоидную систему. При длительном центрифугировании цитоплазму бактерий удается разделить на две фракции: растворимую, которая содержит преимущественно ферменты и т-РНК, и фракцию частиц, в которой главным образом сосредоточены рибосомы, являющиеся местом синтеза белка. Они представляют собой частицы размерами 160 х 180 А и состоят на 60% из РНК и на 40% из белка. В бактериальных клетках содержится от 5000 до 50 000 рибосом. Рибосомы состоят из двух субъединиц - крупной и малой.

Другие органеллы прокариот. Одной из важных отличительных особенностей прокариот является малое количество органелл. Кроме описанных выше тилакоидов, прокариоты обладают газовыми вакуолями, карбоксисомами и хлоробиум-везикулами.

Внутриклеточные запасные вещества. В прокариотических клетках в условиях ограничения и ингибирования роста могут откладываться различные запасные вещества. Это полисахариды, липиды, полифосфаты. Как правило, каждый вид прокариот накапливает один тип запасных веществ.

Покоящиеся формы. При неблагоприятных условиях внешней среды многие прокариоты образуют покоящиеся формы, способные сохранять жизнеспособность в течение длительного времени. К таким формам относятся эндо- и экзоспоры, цисты, бактероиды, гетероцисты и др.

Эндоспоры образуют около 15 родов прокариот: Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina и др., а также некоторые актиномицеты, отличающиеся разнообразием форм, типов питания и отношением к кислороду. Эндоспоры - это округлые или овальные термостабильные, сильно преломляющие свет структуры. При неблагоприятных условиях клетка образует эндоспоры внутри материнской клетки - спорангия, при этом в каждой материнской клетке образуется одна спора.

Спорообразование начинается с инвагинации цитолеммы, которая быстро углубляется, что приводит к разделению клетки на две неравные половины: меньшую - будущую спору, содержащую часть генетического материала клетки, и большую. Затем отделенная часть окружается со всех сторон цитолеммой материнской клетки, что приводит к тому, что будущая спора покрыта двумя мембранами и превращается в проспору с двумя плазматическими мембранами, между которыми синтезируется кора (кортекс), состоящая из пептидогликана, а за счет материнской клетки формируются полипептидная наружная оболочка и экзоспорий. Таким образом, спора покрыта системой оболочек, которые составляют более половины объема споры. Материнская клетка разрушается, и спора освобождается.

Зрелая спора устойчива к различным неблагоприятным условиям среды, включая высокую температуру, радиацию, ультрафиолетовые лучи, химические агенты. Споры могут сохраняться в течение очень длительного времени (возможно, до 1000 лет) при нормальных условиях. Однако при температуре 100С 90% эндоспор бактерий гибнет через 11 минут; 99% спор актиномицетов погибает при температуре 75°С через 70 минут, а при высушивании они сохраняются до 15 лет.

При изменении условий внешней среды спора прорастает. Прорастание споры протекает в три этапа: активация, инициация и собственно прорастание. Активация спор происходит в результате их прогревания. Глюкоза и другие углеводы, многие аминокислоты, в первую очередь L-аланин, и ионы инициируют прорастание спор, которое начинается с гидратации споры, активации ферментных систем и дыхания, удаления дипиколи- новой кислоты и Са2+. Из споры вырастает ростовая трубка, которая разрывает оболочку. При прорастании спора теряет свою термостабильность и устойчивость к другим факторам, становится доступной красителям, ее светопреломление снижается. В табл. 10 приводится сравнительная характеристика зрелых и прорастающих спор.

.

.

Таблица 1.

.

Сравнительная характеристика процессов при спорообразовании и прорастании спор

Спора	Активация споры с прорастанием в вегетативные формы
Репрессия геном.	Дерепрессия геном.
Образование дипиколиновой кислот.	Удаление дипиколиновой кислот.
Увеличение содержания Са2.	Удаление Са2.
Метаболизм почти отсутствуе.	Мобилизация метаболизм.
Наличие кортекс.	Разрушение кортекс.
Малое количество свободной воды в цитоплазм.	Увеличение содержания воды в цитоплазм.
Высокий показатель светопреломлени.	Уменьшение показателя светопреломлени.
Высокая устойчивость к химическим веществам, различным видам излучени.	Высокая чувствительность к химическим веществам, излучения.
Термостабильност.	Термолабильност.
Длительная жизнеспособность (сотни лет.	Короткая жизнеспособност.

.

Генетический аппарат прокариот. Одним из отличий прокариот является отсутствие у них оформленного ядра. Вместо него имеется нуклеоид.

Величина генома у бактерий составляет от 0,8 х 106 до 8 х 106 пар нуклеотидов.

Помимо хромосомы, у бактерий имеются нехромосомные элементы - плазмиды. Они представляют собой суперспирализованные молекулы двухнитчатой ДНК, ковалентно замкнутые в кольцевую структуру.

Бактериальные клетки могут содержать несколько плазмид. Плазмиды способны реплицироваться автономно, независимо от хромосомы.

Плазмиды могут находиться в бактериальной клетке в двух состояниях - автономном и интегрированном. В первом случае плазмида располагается в цитоплазме. В интегрированном состоянии плазмиды встроены в структуру бактериальной хромосомы и реплицируются вместе с ней. Плазмиды обладают трансмиссивностью - они способны переноситься из клетки в клетку. Плазмиды часто контролируют у бактерий определенные свойства. В зависимости от этих свойств плазмиды могут быть разделены на ряд типов.

F-плазмида (фактор фертильности) содержит гены, контролирующие синтез F-фимбрий, с помощью которых осуществляется конъюгация бактериальных клеток.

R-плазмиды — конъюгативные плазмиды молекулярной массы 40 - 80 МДа, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость бактерий. Плазмидыы бактериоциногенности контролируют синтез бактериальными клетками бактериоци- нов - белковых веществ, летальных для бактерий. Плазмиды антигенов колонизации определяют синтез бактериями антигенов, обеспечивающих адгезию бактерий на клетках в организме человека и животных.

К плазмидам относятся также профаги - стадия существования умеренных бактериофагов. Профаги, как правило, находятся в интегрированном состоянии, но могут присутствовать и в цитоплазме клеток (в этом случае их называют фазмидами).

С плазмидами связывают патогенность ряда бактерий и их отдельных штаммов.