Химический состав прокариотической клетки
Химический состав бактериальной клетки сходен с химическим составом других живых организмов. Компонентами микробной клетки являются вода, минеральные вещества и органические соединения – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Клеточная вода. Она составляет 75–90 % массы вегетативной клетки. Нормальный метаболизм, рост и размножение микробов возможны только в водной среде. Вода является растворителем органических и минеральных веществ, дисперсионной средой для коллоидов, источником водородных и гидроксильных ионов, а также водорода и кислорода в процессе метаболизма бактерий. В бактериальной клетке вода находится в двух состояниях: 1) свободная – является растворителем, принимает участие в процессах ассимиляции и диссимиляции; 2) связанная с клеточными коллоидами, обусловливает изменение значений криоскопической точки цитоплазмы (определяет устойчивость микробов к низким и высоким температурам).
Минеральный состав. Из 100 известных в настоящее время химических элементов в состав живого вещества чаще всего входят только 22, из них лишь 16 элементов встречаются во всех группах организмов. Шесть основных элементов – углерод, кислород, азот, водород, фосфор и сера – составляют 95 % сухой биомассы клетки бактерий. Углерод, азот, водород и кислород легко образуют прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, благодаря чему они способны давать разнообразные химические соединения.
|
|
|
Микроорганизмы используют металлы в форме катионов неорганических солей. Содержание минеральных солей в микробной клетке варьирует в зависимости от состава питательной среды и возраста культуры. Минеральные соли составляют 2–30 % сухого остатка микробов. В молодых клетках их в 6–7 раз больше, чем в старых. Некоторым микроорганизмам для роста необходимы редкие элементы.
Органические соединения. Белки составляют 40–80 % массы бактериальной клетки и представлены простыми белками (протеинами) и сложными белками (протеидами). Протеины состоят только из аминокислот. Протеиды – из аминокислот и веществ небелковой природы – нуклеиновых кислот (нуклеопротеиды), липидов (липопротеиды), углеводов (гликопротеиды), фосфатных групп (фосфопротеиды), железа, цинка, меди (металлопротеиды), флавиннуклеотидов (флавопротеиды) и т. д. Содержание белков в бактериальной клетке варьирует в зависимости от вида бактерий, возраста культуры, состава питательной среды и т. д. Так, у возбудителя сибирской язвы в клетке содержится 42 %белка. Бактериальные белки состоят из тех же 20 важнейших аминокислот, что и белки растений и животных, которые, соединяясь, образуют полипептидные цепи.
|
|
|
Аминокислотный состав белков разных видов бактерий качественно и количественно различен. Например, у сарцин много лизина, у протея – триптофана, у бацилл – глутаминовой кислоты. В гликопептиде клеточной стенки бактерий имеется диаминопимелиновая аминокислота, которая отсутствует у высших организмов. У кокков диаминопимелиновая кислота заменена близкой по химическому составу аминокислотой – лизином, а у других видов бактерий орнитином. Кроме того, в клеточной стенке бактерий встречаются D-изомеры аланина и глутаминовой кислоты. У высших организмов D-аминокислоты отсутствуют. Внеклеточные белки бактерий не содержат или содержат, но в малых количествах, цистеин.
Нуклеиновые кислоты (НК) – сложные полимеры, состоящие из большого количества (1500–5000 000) мононуклеотидов. Мононуклеотиды построены из азотистого основания (пуринового – аденин (А), или гуанин (Г), или пиримидинового – урацил (У), или тимин (Т), либо цитозин (Ц), рибозы или дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Мононуклеотиды ковалентно связываются между собой фосфодиэфирными мостиками, соединяющими З’-положение одного с 5’-положением последующего мононуклеотида. Образуются полинуклеотиды – нуклеиновые кислоты. Существует 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК), состоящая из рибонуклеотидов, и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), построенная из дезоксирибонуклеотидов. У бактерий имеются обе НК.
|
|
|
Углеводы в бактериальной клетке составляют 12–30 % ее сухой массы. Они представлены моно- и полисахаридами.
Полисахариды микроорганизмов чрезвычайно разнообразная группа биополимеров, среди которых есть соединения, характерные как для прокариот, так и эукариот (целлюлоза, гликоген). У бактерий обнаружен ряд полисахаридов, не встречающихся у других организмов (тейхоевые кислоты, декстран, пептидогликаны и др.). Высокая активность полисахаридов обусловлена их способностью легко вступать в реакции с другими макромолекулами путем гидрофобных взаимодействий, а также соединяясь ионными и водородными связями.
Большинство полисахаридов включает самые распространенные сахара – глюкозу, галактозу и рамнозу. В состав специфических бактериальных полисахаридов входит множество анионных функциональных групп (гексуроновые и аминогексуроновые кислоты, нейраминовая кислота, ацильные заместители, сульфат, фосфат). Это экзополисахариды, которые либо образуют биополимеры клеточной стенки или капсулы, либо входят в состав секретируемой внеклеточной слизи. Например, типоспецифические капсульные антигены бактерий рода Haemophilus представлены анионными полисахаридами. К основным замещенным полисахаридам и полиолам бактерий относятся пептидогликаны, тейхоевые кислоты, низкомолекулярные гликолипиды, липополисахариды.
|
|
|
Тейхоевые кислоты содержатся в клеточной стенке бактерий. Это разного типа многофункциональные полиоксимакромолекулы, в которых повторяющийся полиол (глицерин или рибит) может содержать моносахарид в качестве заместителя.
В липополисахаридах (ЛПС) бактерий полисахаридная часть у разных видов микробов представлена разными углеводами: – глюкозой, рамнозой, галактозой, фукозой, глюкозамином, D-глюкозой и L-рамнозой. Липополисахариды могут образовывать комплексы с пептидогликаном, кислыми капсульными полисахаридами.
По функциональной активности полисахариды микроорганизмов подразделяются на внутриклеточные и внеклеточные. Внутриклеточные полисахариды выполняют функции запасных веществ клетки (гликоген), входят в состав клеточной стенки (тейхоевые кислоты), цитоплазматической мембраны (липотейхоевые кислоты), эндотоксинов (абеквоза, колитоза и др.).
Внеклеточные полисахариды микроорганизмов входят в состав капсулы. Это вещества с высокой молекулярной массой до 1 000 000 дальтон, гидрофильные, часто несущие отрицательный заряд. В основном они представлены гетерополисахаридами, но отдельные виды микробов продуцируют гомополисахариды. Возбудитель туберкулеза образует гетерополисахарид, состоящий из D-маннозы и арабинозы.
Липиды бактерий. Представлены высшими жирными кислотами, фосфолипидами, нейтральными жирами, восками. Насыщенные жирные кислоты широко распространены у микробов, например, капроновая (СН3 (СН2)4 СООН), пальмитиновая (СН3 (СН2)14СООН). Ненасыщенные жирные кислоты представлены исключительно кислотами с одной двойной связью, в основном гексадекеновой (СН3 (СН2)5 НС=СН (СН2)7 СООН) и др. Из оксикислот у микроорганизмов часто встречаются миколовые (у микобактерии), которые придают клеточной стенке гидрофобный характер.
Содержание свободных жирных кислот в клетках колеблется в зависимости от видовых особенностей бактерий и условий их выращивания. Кишечная палочка при росте на средах с аланином содержит до 8 % липидов, а на обычных средах – 4–5 %. Качественный и количественный состав бактериальных жирных кислот изменяется с возрастом культуры и характеризуется высокой чувствительностью к физическим и химическим факторам внешней среды.
Фосфолипиды (фосфоглицериды, глицерофосфаты) представлены фосфатидной кислотой, фосфатидилсерином, фосфатидилэтаноламином, фосфатидилхолином и др. Количество фосфолипидов в туберкулезной палочке – 6,5 %. Основная масса липидов бактериальной клетки содержится в цитоплазматических мембранах или в клеточных оболочках.
Нейтральные жиры (ацилглицерины или глицериды) бактерий чаще всего содержат пальмитиновую, масляную, лауриновую, линолевую (С18Н32О2) жирные кислоты. Воска содержат кислотоустойчивые бактерии, например, микобактерии. Так, у возбудителя туберкулеза содержится более 60 % «неомыляемого воска».
Основная масса липидов в бактериальной клетке связана с другими компонентами – белками (в цитоплазматической мембране), полисахаридами (эндотоксины и 0-антигены грамотрицательных бактерий). Так, у видов рода Nocardia свободные липиды составляют 17,5 % сухой массы, а связанные – 20 % и входят в качестве основного компонента клеточных стенок.
Липиды микроорганизмов значительно разнообразнее липидов высших организмов. Они выполняют разнообразные функции, являются аккумуляторами энергии у некоторых бактерий служат структурными компонентами клетки (цитоплазматическая мембрана), участвуют в метаболизме углеводов, в энергетическом обмене, входят в состав антигенов, определяют кислотоустойчивость микробов.
Пигменты бактерий.Среди бактерий есть значительное число пигментобразующих видов. Пигменты вырабатываются бактериями в зависимости от условий, в которых выращивается культура,– минерального состава и реакции среды, источника углерода, температуры, количества кислорода, наличия света. Известно свыше 300 каротиноидов и они в определенной степени определяют окраску колоний бактерий. Каротиноиды так же, как и бактериохлорофиллы, локализованы во внутриклеточных белково-липидных мембранных структурах клетки, они поглощают свет с длиной волны 400–550 нм. У фототрофных бактерий они являются вспомогательными фотосинтезирующими пигментами, передающими от 30 до 90 %энергии возбужденных состояний молекулам бактериохлорофилла, защищают хлорофилл от фотоокисления, осуществляют реакцию фототаксиса. У нефотосинтезирующих микробов они участвуют в цепи передачи электронов, обусловливают устойчивость к солнечной радиации, к повышенным концентрациям солей.
Роль пигментов в бактериальной клетке изучена недостаточно, но установлено участие их в фотосинтезе, в дыхании, в окислительно-восстановительных реакциях, защитная функция их от экстремальных факторов внешней среды (УФ-излучений, повышенных концентраций минеральных солей и т. д.).
|
|
Морфология бактерий
Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особенностей, касающихся как ее ультраструктурной, так и химической организации (рис. 9). Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки), называют обычно поверхностными структурами. Термином «клеточная оболочка» часто обозначают все слои, располагающиеся с внешней стороны от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол). ЦПМ вместе с цитоплазмой называется протопластом.
Рис. 9. Комбинированное изображение прокариотной клетки: а – поверхностные клеточные структуры и внеклеточные образования: 1 – клеточная стенка; 2 – капсула; 3 – слизистые выделения; 4 – чехол; 5 – жгутики; 6 – ворсинки; б – цитоплазматические клеточные структуры: 7 – ЦПМ; 8 – нуклеоид; 9 – рибосомы; 10 – цитоплазма; 11 – хроматофоры; 12 – хлоросомы; 13 – пластинчатые тилакоиды; 14 – фикобилисомы; 15 – трубчатые тилакоиды; 16 – мезосома; 17 – аэросомы (газовые вакуоли); 18 – ламеллярные структуры; в – запасные вещества: 19 – полисахаридные гранулы; 20 – гранулы поли-(δ-оксимасляной кислоты; 21 – гранулы полифосфата; 22 – цианофициновые гранулы; 23 – карбоксисомы (полиэдральные тела); 24 – включения серы; 25 – жировые капли; 26 – углеводородные гранулы (по Schlegel, 1972)
Клеточная стенка
Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток, располагающийся под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирующий с окружающей средой (у клеток, не содержащих этих слоев клеточной оболочки). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ клетки. Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную, присущую им форму. Концентрация солей в клетке, как правило, намного выше, чем в окружающей среде, и поэтому между ними существует большое различие в осмотическом давлении. Клеточная стенка чисто механически защищает клетку от проникновения в нее избытка воды.
По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой эукариотных организмов. В ее состав входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других клеточных структурах. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям, делятся на две большие группы. Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой, и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных видов, наоборот, окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. Этот способ был впервые предложен в 1884 г. датским ученым Х. Грамом (Ch. Gram), занимавшимся окрашиванием тканей.
Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных эубактерий резко различаются как по химическому составу (табл. 2), так и по ультраструктуре (рис. 10).
Таблица 2. Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных эубактерий.
| Грамотрицательные эубактерии | |||
| Компоненты клеточной стенки | Грамположитель- ные эубактерии | внутренний слой (пептидогликановый) | внешний слой |
| Пептидогликан | + | + | |
| Тейхоевые кислоты | + | – | – |
| Полисахариды | + | – | + |
| Белки | + | – | + |
| Липиды | + | – | + |
| Липополисахариды | – | – | + |
| Липопротеины | – | + | + |
Обозначения: (+) – присутствуют; (–) – отсутствуют.
В состав клеточной стенки эубактерий входят семь различных групп химических веществ, при этом пептидогликан присутствует только в клеточной стенке. У грамположительных эубактерий он составляет основную массу вещества клеточной стенки (от 40 до 90 %), у грамотрицательных – содержание пептидогликана значительно меньше (1–10 %). Клеточная стенка цианобактерий, сходная с таковой грамотрицательных эубактерий, содержит от 20 до 50 % этого гетерополимера.
Под электронным микроскопом клеточная стенка грамположительных эубактерий выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется для разных видов от 20 до 80 нм. У грамотрицательных эубактерий обнаружена многослойная клеточная стенка. Внутренний электронно-плотный слой толщиной порядка 2–3 нм состоит из пептидогликана. Снаружи к нему прилегает, как правило, волнистый слой (8–10 нм), имеющий характерное строение: две электронно-плотные полосы, разделенные электронно-прозрачным промежутком. Такой вид характерен для элементарных мембран. Поэтому трехконтурный внешний компонент клеточной стенки грамотрицательных эубактерий получил название наружной мембраны.
Рис. 10. Клеточная стенка грамположительных (а)и грамотрицательных (б)эубактерий: 1 – цитоплазматическая мембрана; 2 – пептидогликан; 3 – периплазматическое пространство; 4 – наружная мембрана; 5 – цитоплазма, в центре которой расположена ДНК (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)
Клеточная стенка грамположительных эубактерий. Основную массу клеточной стенки грамположительных эубактерий составляет специфический гетерополимер – пептидогликан. Полисахаридный остов молекулы построен из чередующихся остатков N -ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой посредством 3–1,4-гликозидных связей. К N -ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа (обычно 4 или 5) аминокислот. У грамположительных эубактерий обнаружено более 100 различных химических типов пептидогликана. Большинство различий относится к пептидной части его молекулы.
Две особенности пептидного хвоста заслуживают внимания: наличие аминокислот в D-форме (неприродная конфигурация) и высокое содержание аминокислот с двумя аминогруппами. Это имеет принципиальное значение для пространственной организации пептидогликана. Обе аминогруппы этих аминокислот могут участвовать в образовании пептидных связей, причем вторые аминогруппы – в формировании дополнительных пептидных связей между гетерополимерными цепочками. В большинстве случаев в образовании пептидной связи участвует карбоксильная группа D-аланина одного тетрапептида и свободная аминогруппа диаминопимелиновой кислоты другого. Иногда связь между тетрапептидами разных гликановых цепей осуществляется с помощью других аминокислот. Нетрудно себе представить, что этим способом можно «сшить» между собой множество гетерополимерных цепей. Частота «сшивок» различна, поскольку не все пептидные хвосты участвуют в формировании межцепочечных связей. Некоторые образуют ковалентные связи с другими химическими молекулами, входящими в состав клеточной стенки, и, наконец, часть тетрапептидных хвостов находится в свободном состоянии.
Пептидогликан, окружающий протопласт грамположительных эубактерий, – это по существу одна гигантская молекула, «сшитая» с помощью гликозидных и пептидных связей. Именно последние обеспечивают ей трехмерную пространственную организацию.
Кроме пептидогликана в состав клеточных стенок грамположительных эубактерий входит другой уникальный класс химических соединений – тейхоевые кислоты, представляющие собой полимеры, построенные на основе рибита (пятиатомного спирта) или глицерина (трехатомного спирта), остатки которых соединены между собой фосфодиэфирными связями. Некоторые свободные гидроксильные группы в молекулах спиртов могут быть замещены остатками D-аланина, глюкозы, N-ацетилглюкозамина и некоторых других сахаров. Тейхоевые кислоты ковалентно могут соединяться с N-ацетилмурамовой кислотой.
Поскольку это длинные линейные молекулы, они могут пронизывать весь пептидогликановый слой, достигая внешней поверхности клеточной стенки. В этом случае, вероятно, они являются основными антигенами грамположительных эубактерий. Остающиеся свободные гидроксилы фосфорной кислоты придают тейхоевой кислоте свойства полианиона. Как полианионы тейхоевые кислоты определяют поверхностный заряд клетки. Сахарные компоненты тейхоевых кислот входят в состав рецепторов для некоторых бактериофагов и определяют возможность адсорбции фага на клеточной поверхности.
В составе клеточной стенки грамположительных эубактерий в небольших количествах также найдены полисахариды, белки и липиды. Для полисахаридов и липидов показана возможность ковалентного связывания с макромолекулами клеточной стенки в отличие от белков, которые (у тех видов, где имеются) формируют на ее внешней поверхности отдельный слой.
Таким образом, основными компонентами клеточной стенки грамположительных эубактерий являются три типа макромолекул: пептидогликаны, тейхоевые кислоты и полисахариды, которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с весьма упорядоченной пространственной организацией. Клеточная стенка бацилл, например Bacillus subtilis (сенная палочка), приблизительно соответствует толщине 40 молекул пептидогликана. В целом клеточную стенку грамположительных эубактерий можно представить в виде губчатой структуры с порами диаметром примерно 1–6 нм. Возможность прохождения молекул через такую клеточную стенку определяется ее зарядом и размером пор.
Клеточная стенка грамотрицательных эубактерий. У грамотрицательных эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грамположительных (см. рис. 10). В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. Для разных видов грамотрицательных эубактерий содержание этого гетерополимера колеблется в широких пределах. У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру, характеризующуюся весьма редкими поперечными связями между гетерополимерными цепями (рис. 11).
Химическая структура пептидогликана грамотрицательных эубактерий в основном сходна со структурой типичного пептидогликана грамположительных эубактерий. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки – наружная мембрана.
Рис. 11. Однослойная структура пептидогликана. Линиями обозначены гетерополимерные цепочки, образованные чередующимися остатками N-ацетилглюкозамина (Г) и N-цетилмурамовой кислоты (М), соединенными между собой β-1,4-гликозидными связями. Кружочками обозначены аминокислоты пептидного хвоста (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)
Она состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида (рис. 12а).Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30–40 % ее поверхности и локализованный во внешнем слое (рис. 12б).
Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки представлены небольшим числом различных видов, но составляют почти 80 % всех белков наружной мембраны. Одна из функций этих белков – формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1 нм, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул с массой до 600–900 Да. Это означает, что через такие поры могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Белки, пронизывающие наружную мембрану насквозь и образующие гидрофильные поры, называют поринами. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов. Их основная функция – транспортная и рецепторная. Примером минорных белков могут служить белки, ответственные за специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений.
Рис. 12. Клеточная стенка грамотрицательных эубактерий. а: 1 – цитоплазматическая мембрана; 2 – пептидогликановый слой; 3 – периплазматическое пространство; 4 – молекулы белков (заштрихована гидрофобная часть); 5– фосфолипид; 6 – липополисахарид. б: Строение молекулы липополисахарида: 1 – липид А; 2 – внутреннее полисахаридное ядро; 3 – наружное полисахаридное ядро; 4 – О-антиген (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)
Липополисахариды (ЛПС) внешнего слоя клеточной стенки грамотрицательных бактерий – сложные молекулы с молекулярной массой свыше 10 000 Да У. Лучше всего они изучены у сальмонелл. Это олигомеры, содержащие в среднем около трех мономерных субъединиц. Каждая субъединица состоит из трех разных участков – липида А, ядра (2-кето-3-дезокси-Д-маннооктоновая кислота и гептоза) и 0-специфической боковой цепи (тетра- и пентасахариды). Липополисахариды – антигены клеточных стенок грамотрицательных бактерий. Они служат также рецепторами для адсорбции бактериофагов, располагаются на наружной поверхности внешнего слоя стенки, а длинные О-замещенные боковые цепи выступают наружу на расстояние 30–150 нм от поверхности стенки. Различная структура О-замещенных боковых цепей липополисахаридов определяет антигенное разнообразие бактерий. ЛПС клеточных стенок у ряда видов грамотрицательных бактерий содержат 3,6-дидезоксисахара – абескозу, колитозу, аскарилозу, паратозу, тивелозу. ЛПС большинства бактерий токсичен (это эндотоксин, токсичность которого определяется липидом А), кроме того, липополисахарид вызывает неспецифическое повышение резистентности макроорганизма, стимулирует выработку интерферона, обладает антиопухолевой активностью, митогенной активностью в отношении лимфоцитов.
Липопротеин внешней мембраны грамотрицательных бактерий (у энтеробактерий состоит из 58 аминокислот, представленных повторяющейся последовательностью из 15 аминокислот, молекулярная масса около 7000) служит мостиком между пептидогликановым слоем и внешним слоем стенки.
Некоторые виды бактерий способны синтезировать целлюлозу и компоненты хитина. Например, клетки Sarcina ventriculi с помощью целлюлозы соединяются в большие пакеты. Компонент хитина – ацетилглюкозамин, обнаруживается у всех видов бактерий, но наличие его связано не с хитином, а с пептидогликаном.
У грамотрицательных бактерий во внешней мембране белки представлены двумя группами: белки основые и минорные. Белки основые (молекулярная масса 29 000–50 000 служат рецепторами для фагов, колицинов, участвуют в стабилизации структуры внешней мембраны и, главное, в формировании мембранных гидрофильных пор (их называют поринами). Предполагают, что водную пору диаметром 1,5–2 нм окружают три молекулы порина, образующие Р-структуру. Каждая молекула порина стабилизирована тремя скрученными молекулами липопротеина, из которых одна соединена с пептидогликаном (рис. 13). Минорные белки несут транспортные (транспорт железа, нуклеозидов и др.) и рецепторные (фагов, колицинов) функции. Белки на внешней мембране грамотрицательных бактерий иногда могут располагаться слоем из тетрагональных или гексагональных структур. Внешняя мембрана обладает трансмембранным потенциалом. Она отрицательно заряжена со стороны периплазмы.
Рис. 13. Гипотетическая модель организации поры внешней мембраны (по Rienzo D. и др., 1978). к – канал поры; n п – липопротеин; n – порин; пг – пептидогликан
Клеточную стенку бактерий можно разрушить экстрагированием щелочью, механически, ультразвуком. Наблюдать ее можно в фазоконтрастном и электронном микроскопах (ультратонкие срезы), микроскопией автолизированных бактерий, с применением специальных методов окраски.
Прокариоты без клеточной стенки. При воздействии определенными химическими веществами оказалось возможным получать в лаборатории из разных видов эубактерий формы с частично (сферопласты) или полностью (протопласты) отсутствующей клеточной стенкой. Впервые это обнаружили при действии на бактериальные клетки лизоцимом, ферментом из группы гликозидаз, содержащимся в яичном белке, слезной жидкости и выделяемом некоторыми бактериями. Лизоцим разрывает гликозидные связи в гетерополисахаридной цепи, что в конечном итоге может привести к полному удалению пептидогликана из клеточной стенки. Полученные под действием лизоцима сферопласты (из грамотрицательных эубактерий) или протопласты (из грамположительных) принимают сферическую форму и очень чувствительны к внешнему осмотическому давлению. Существовать они могут только в условиях, когда осмотическое давление питательной среды сбалансировано с осмотическим давлением внутри клетки. В благоприятных условиях сферопласты и протопласты проявляют определенную метаболическую активность, но утрачивают способность к размножению.
Прокариоты, не содержащие клеточной стенки, обнаружены и в природе. Это группа микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных и человека. Формы, сходные с микоплазмами, были получены также опытным путем с помощью пенициллина, лизоцима и других факторов. Это так называемые L-формы. В благоприятных условиях они обладают метаболической активностью и способностью к размножению.
Уникальность химического состава клеточной стенки прокариот, ее отличие от таковой эукариот сделали возможным создание и применение лекарственных препаратов, специфически действующих только на прокариотную клеточную стенку. На этом основано действие пенициллина и некоторых других антибиотиков, подавляющих разные этапы синтеза пептидогликана. Пенициллин, например, ингибирует образование связей между пептидными хвостами на этапе «сшивания» полимера, происходящего в клеточной стенке в процессе роста прокариотной клетки.
Функции клеточной стенки прокариот. Клеточная стенка прокариот выполняет разнообразные функции: механически защищает клетку от воздействий окружающей среды, обеспечивает поддержание ее внешней формы, дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах. В первую очередь в этом «заслуга» пептидогликана.
Структурная дифференцировка клеточной стенки у грамотрицательных эубактерий, приведшая к формированию дополнительного слоя в виде наружной мембраны, значительно расширила круг функций клеточной стенки. Прежде всего это связано с проблемами проницаемости и транспорта веществ в клетку. Наружная мембрана имеет специфические и неспецифические каналы (поры) для пассивного транспорта веществ и ионов, необходимых клетке, т. е. осуществляет функции молекулярного «сита». Наружная мембрана также препятствует проникновению в клетку токсических веществ, что находит отражение в большей устойчивости грамотрицательных эубактерий (сравнительно с грамположительными) к действию некоторых ядов, химических веществ, ферментов и антибиотиков.
Появление у грамотрицательных эубактерий дополнительной мембраны в составе клеточной стенки фактически привело к созданию обособленной полости (периплазматического пространства), отграниченной от цитоплазмы и внешней среды специфическими мембранами и несущей важную функциональную нагрузку.
Периплазматическое пространство, куда погружен пептидогликановый слой, заполнено раствором, в состав которого входят специфические белки, олигосахариды и неорганические молекулы. Периплазматические белки представлены двумя типами: транспортными белками и гидролитическими ферментами. Транспортные белки – это переносчики, связывающиеся с соответствующими субстратами внешней среды и транспортирующие их от наружной мембраны к цитоплазматической.
Было обнаружено также, что многие бактерии способны в больших количествах вырабатывать ферменты (гликозидазы, протеазы, липазы и др.), гидролизующие все типы полимерных молекул. Последними могут быть как молекулы, синтезируемые самой клеткой, так и чужеродные, попавшие в клетку извне. Отрицательные последствия гидролиза собственных молекул (самопереваривание) очевидны. В то же время прокариоты нуждаются в гидролитических ферментах, так как это расширяет круг используемых ими веществ, включая в него полимеры разного типа. Становится понятна необходимость изолирования этих ферментов от цитоплазматического содержимого. Грамположительные эубактерий выделяют гидролитические ферменты во внешнюю среду, у грамотрицательных они локализованы в периплазматическом пространстве.
Разнообразные функции выполняют макромолекулы, локализованные частично или полностью на внешней стороне клеточной стенки, контактирующей с окружающей средой: это специфические рецепторы для фагов и колицинов; антигены (липополисахарид грамотрицательных эубактерий, тейхоевые кислоты грамположительных); макромолекулы, обеспечивающие межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов.
Окраска по Граму. Предложена как метод дифференциального окрашивания бактерий, который в настоящее время широко используется в микробиологии. Сущность метода состоит в том, что при окрашивании бактерий генцианвиолетом (кристаллвиолетом, метилвиолетом и др.) краска с йодом образует соединение, которое удерживается клетками при обработке их спиртом. Такие бактерии окрашены в сине-фиолетовый цвет и их называют грамположительными. Обесцвеченные спиртом бактерии грамотрицательны и их докрашивают контрастной краской. В 1978 г. Н. Е. Гиббоне и Р. г. Е. Муррей предложили грамотрицательные истинные бактерии (эубактерий) выделить в отдел грациликутных (Gracilicutes), а грамположительные – в отдел фирмакутных (Firmicutes). Это две главные группы прокариот, так как подавляющее большинство бактерий относится к ним. Механизм окраски по Граму окончательно не изучен. В основе его лежат особенности химического состава и строения клеточных стенок бактерий. Предполагают, что при обработке бактерий спиртом происходит разбухание пептидогликана и уменьшение диаметра пор клеточной стенки, что в целом приводит к снижению ее проницаемости. Так как фирмакутные характеризуются высоким содержанием пептидогликана, то в результате обработки спиртом стенки их становятся непроницаемыми для красителей и краска из клеток не вымывается.
У грациликутных слой пептидогликан тонкий и проницаемость клеточной стенки их увеличивается за счет растворения и вымывания липидов спиртом. Доказательством того, что в окраске по Граму основную роль играет клеточная стенка, является тот факт, что протопласты грамположительных бактерий становятся грамотрицательными. Имеются бактерии, у которых в процессе прохождения цикла развития изменяется отношение к окраске по Граму. При старении у многих бактерий утолщается стенка и это приводит к положительной окраске их, эндоспорообразующие бактерии обладают грамположительной клеточной стенкой, но некоторые из них не окрашиваются по Граму. Окраска по Граму является диагностической, но только в отношении прокариот, обладающих клеточной стенкой.
L -формы бактерий. Впервые L-формы были открыты у Streptobacillus moniliformis. Они образуются только у бактерий, имеющих клеточную стенку, в условиях нарушения биосинтеза пептидогликана и полностью или частично лишены его. В организме человека и животных они образуются при антибиотикотерапии, при использовании в качестве лекарственных препаратов антибиотиков, специфически действующих только на прокариотную клеточную стенку – пенициллина, бацитрацина, новобиоцина и др.
У L-форм бактерий значительно увеличиваются размеры клеток, которые превращаются в гигантские (до 50 мкм) шаровидные, нитевидные, грушевидные сильно вакуолизированные формы, содержащие элементарные тела (размером 0,2–1 мкм). Скорость образования L-форм варьирует от нескольких дней до месяцев. В благоприятных условиях (на казеиновом переваре, печеночном бульоне и т. д.) L-формы медленно (1–4 и более недель) растут в виде характерных колоний с врастающим в среду слегка пигментированным центром и нежным кружевным краем. Колонии L-форм бывают двух типов. 1. Стабильные– мелкие (диаметром до 10 мкм), многочисленные, нежные, растущие как в присутствии, так и в отсутствии фактора, обусловившего их образование. Они часто не реверсируют в исходные бактериальные клетки, не адсорбируют фагов (из-за отсутствия рецепторов фагов), длительно перевиваются на питательных средах, сохраняют внутренние мембранные системы и миелиноподобные структуры, характеризуются отсутствием пептидогликана и значительными изменениями антигенного строения. 2. Нестабильные колонии – крупные (диаметром более 500 мкм), пигментированы (часто желто-коричневого цвета), легко реверсируют в исходные бактериальные клетки при удалении фактора, обусловившего их образование, содержат внутренние мембранные системы и миелиновые структуры, адсорбируют фаги и лизируются ими. Они являются промежуточными формами между клетками и стабильными L-формами, сохраняют антигенное строение исходных бактериальных клеток, характеризуются прерывистостью слоя пептидогликана, так как вновь синтезированные субъединицы включаются в клеточную стенку нерегулярно и некоординированно. Реверсия L-форм протекает очень медленно (2–4 и более недель) и может быть завершенной (с полным восстановлением всех свойств исходной культуры) или незавершенной (биологические свойства полностью не восстанавливаются). L-формы обладают метаболической активностью, способностью к делению и слиянию их элементов.
L-формы образуются как сапрофитными, так и патогенными бактериями, например, возбудителями туберкулеза, бруцеллеза. Их выделяют от животных больных и другими заболеваниями. L-формы болезнетворных бактерий – патогенны. Они сохраняют способность продуцировать токсины, гиалуронидазу и другие вещества, синтез которых осуществляется в цитоплазме либо в цитоплазматической мембране. Заболевания, обусловленные реверсией L-форм, характеризуются длительностью течения, меньшей смертностью. L-формы имеют приспособительное значение для клетки как способ переживания бактериями неблагоприятных условий.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 864; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!