Строение и размножение бактериальной клетки

Содержание

1. 1. Бактерии: уникальные прокариоты3
2. 2. Строение бактериальной клетки5
3. 3. Размножение бактерий7
4. 4. Значение размножения и строения9
5. Список литературы11

1. Бактерии: уникальные прокариоты

Бактерии, самая многочисленная и древняя группа живых организмов на Земле. Это одноклеточные прокариоты: их клетки лишены оформленного ядра и мембранных органелл. Наследственный материал не упакован в ядерную оболочку, а лежит прямо в цитоплазме. Этим они принципиально отличаются от эукариот (растений, грибов и животных), и именно это отличие определило их уникальную физиологию и эволюционную историю.

Эти микроорганизмы освоили практически все среды обитания. Их можно встретить в толще океана, в вечной мерзлоте Арктики, в термальных источниках с температурой выше 90 градусов и в нефтяных скважинах. Суммарная биомасса бактерий на планете превышает массу всех растений и животных вместе взятых. На них держится круговорот азота, углерода, серы и фосфора. Без бактерий разложение органических остатков было бы невозможно, и жизнь давно бы задохнулась в собственных отходах.

Бактериальная клетка крайне мала. Обычно её размер составляет от 0,5 до 5 микрометров, хотя существуют гигантские виды, видимые невооружённым глазом. Малый размер напрямую влияет на метаболизм. При таком соотношении площади поверхности к объёму обмен веществ идёт очень интенсивно. Вещества быстро диффундируют внутрь, продукты жизнедеятельности быстро выводятся наружу, и бактерии могут расти и делиться с огромной скоростью.

Строение бактериальной клетки относительно простое по сравнению с эукариотической. В ней выделяют три основных компонента: поверхностный аппарат, цитоплазму и наследственный материал. Поверхностный аппарат выполняет барьерную и защитную функции, придаёт клетке форму. Цитоплазма заполняет внутреннее пространство, в ней протекают основные биохимические реакции. Там же находятся рибосомы (они синтезируют белок) и включения, которые служат запасом питательных веществ.

Генетическая информация бактерий хранится в нуклеоиде. Это не отдельный органоид, а компактно уложенная кольцевая молекула ДНК, прикреплённая к внутренней стороне мембраны. Такая организация не требует сложных механизмов деления, как у эукариот. Дополнительные гены, например устойчивость к антибиотикам, часто несут плазмиды, небольшие кольцевые молекулы ДНК.

Роль бактерий в жизни человека двойственна. С одной стороны, они вызывают опасные болезни: чуму, холеру, туберкулёз. С другой, в человеческом теле живёт около 10 в 14 степени бактериальных клеток, и они помогают переваривать пищу и синтезировать витамины. Промышленная микробиология использует бактерии для получения антибиотиков, ферментов, органических кислот и продуктов питания. Молочнокислые бактерии превращают молоко в кефир или йогурт.

Бактерии, это форма жизни, которая существует уже миллиарды лет. Простое устройство клетки компенсируется метаболической гибкостью и способностью адаптироваться к самым суровым условиям. Изучение прокариот раскрывает фундаментальные законы биологии и даёт практические инструменты для медицины и биотехнологии. Понимание устройства и работы бактериальной клетки позволяет управлять полезными видами и бороться с патогенными.

2. Строение бактериальной клетки

Клеточная стенка бактерий представляет собой жёсткий каркас. Он определяет форму клетки и защищает её от осмотического шока. Основу стенки составляет пептидогликан, который также называют муреином. Этот полимер уникален для прокариот: его каркас образован чередующимися остатками N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитыми пептидными мостиками. Толщина и структура муреинового слоя лежат в основе знаменитого деления бактерий на грамположительные и грамотрицательные, которое ввёл датский учёный Ханс Кристиан Грам в 1884 году. У грамположительных форм стенка многослойная и достигает 80 нм. У грамотрицательных она тоньше, около 15 нм, но дополнена внешней мембраной из липополисахаридов. Когда муреиновая сетка разрушается, например, под действием лизоцима, клетка теряет устойчивость и быстро лопается из-за внутреннего давления.

Под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана. Это липопротеиновый комплекс толщиной около 8 нм, построенный по классической модели жидкомозаичной структуры, предложенной Сингером и Николсоном в 1972 году. Мембрана выполняет роль барьера: она избирательно пропускает питательные вещества внутрь и выводит продукты обмена. Транспорт осуществляется через белки-переносчики и каналы, причём многие вещества проходят активно, с затратой энергии. Кроме того, именно на мембране у бактерий локализованы ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтазы. Поскольку у прокариот нет митохондрий, синтез АТФ происходит прямо здесь, на складках мембраны, которые иногда образуют структуры, называемые мезосомами. Правда, современные исследования показывают, что мезосомы чаще являются артефактами, возникающими при химической фиксации образцов. Их функциональная роль в энергетике клетки остаётся предметом дискуссий.

Внутреннее пространство клетки заполнено цитоплазмой. Это коллоидный раствор, в котором протекают сотни ферментативных реакций. В цитоплазме находятся рибосомы, но они принципиально отличаются от эукариотических. Бактериальные рибосомы имеют константу седиментации 70S и состоят из двух субъединиц: малой (30S) и большой (50S). Эта разница критична для медицины: ряд антибиотиков, например стрептомицин или тетрациклин, связывается именно с 70S-рибосомами, блокируя синтез белка у бактерий и не затрагивая 80S-рибосомы человека. Скорость трансляции у прокариот высокая: до 15-20 аминокислот в секунду, что обеспечивает стремительный рост клетки.

Генетический материал бактерий организован иначе, чем у ядерных организмов. Наследственная информация хранится в нуклеоиде, компактной структуре, которая не отделена от цитоплазмы мембраной. Нуклеоид представляет собой кольцевую молекулу ДНК длиной около миллиметра, что в сотни раз превышает длину самой клетки. Такая упаковка достигается за счёт суперспирализации с участием белков, похожих на гистоны. Дополнительную генетическую информацию несут плазмиды, небольшие кольцевые молекулы ДНК, которые часто кодируют факторы устойчивости к антибиотикам. В отличие от хромосомы, плазмиды не привязаны к репликации клетки и могут копироваться независимо. По данным учебника медицинской микробиологии под редакцией Левановой, у некоторых бактерий, например у кишечной палочки, обнаружено до семи различных плазмид одновременно. Именно отсутствие ядерной оболочки позволяет бактерии быстро реагировать на изменения среды: транскрипция и трансляция у них сопряжены и происходят одновременно в цитоплазме.

3. Размножение бактерий

Клеточная стенка при всей своей жёсткости лишь обрамляет живую машину, главная задача которой, воспроизводить себя. И здесь бактерии демонстрируют поразительную эффективность. Основной способ их размножения, бинарное деление. Этот процесс устроен проще, чем деление эукариотической клетки, но от этого он не менее отлажен.

Всё начинается с репликации. Кольцевая молекула ДНК, прикреплённая к мембране, удваивается, и каждая копия прикрепляется к своей точке на цитоплазматической мембране. Клетка начинает удлиняться, и между двумя точками прикрепления ДНК постепенно формируется поперечная перегородка. Она растёт от периферии к центру, сжимая цитоплазму, пока не разделит материнскую клетку на две абсолютно идентичные дочерние. Весь цикл у кишечной палочки при благоприятных условиях занимает около 20 минут. Такая скорость приводит к экспоненциальному росту популяции: из одной клетки за сутки теоретически может получиться несколько миллиардов.

Однако бинарное деление даёт лишь точные копии родительского генома. Для появления новых признаков, например устойчивости к антибиотикам, бактериям нужен обмен генетической информацией. Этот процесс называется конъюгацией. Он не является размножением в строгом смысле слова: количество клеток не увеличивается. Но биологическое значение его огромно.

Конъюгация происходит через специальные структуры, пили. Клетка-донор, несущая особую плазмиду (например, F-фактор), образует пиль, который прикрепляется к клетке-реципиенту и стягивает их вместе. Через образовавшийся контактный мостик передаётся одна из нитей плазмиды. Реципиент получает новую генетическую информацию и сам становится донором. Так гены устойчивости к антибиотикам могут быстро распространяться внутри бактериальной популяции и даже

между разными видами. Этот механизм был открыт в 1946 году Джошуа Ледербергом и Эдвардом Татумом на примере кишечной палочки; за эту работу они позже получили Нобелевскую премию.

Отдельная стратегия выживания, спорообразование. Когда условия становятся невыносимыми (заканчиваются питательные вещества, наступает засуха или жара), некоторые грамположительные бактерии, такие как бациллы и клостридии, запускают сложный процесс. Часть цитоплазмы с одной копией ДНК отделяется, окружается плотной многослойной оболочкой из пептидогликана и кератиноподобных белков. Вода из этой структуры удаляется, метаболизм практически останавливается. Так формируется спора, удивительно устойчивая форма жизни. Споры выдерживают кипячение, радиацию и даже вакуум, сохраняя жизнеспособность десятилетиями. Попав в благоприятную среду, спора прорастает, и из неё вновь появляется вегетативная клетка.

Выбор способа размножения диктуется средой. В тёплом питательном бульоне бактерии будут делиться бинарно, наращивая биомассу. При угрозе выживания они прибегнут к конъюгации, чтобы обменяться генами защиты, или уйдут в спячку, образовав споры. Такая гибкость делает бактериальную популяцию практически неуязвимой и позволяет ей осваивать любые экологические ниши на планете.

4. Значение размножения и строения

Перед нами организм, который за три с лишним миллиарда лет эволюции отточил механизмы выживания до совершенства. Всё, что мы разобрали выше (жёсткая клеточная стенка, эффективный метаболизм, стремительное размножение), работает на одну цель: максимально широкое распространение и сохранение вида в любых условиях.

Уникальное строение клетки позволяет бактериям осваивать среды, непригодные для других форм жизни. Пептидогликановый каркас, о котором шла речь ранее, выдерживает колоссальное осмотическое давление. Оно достигает 20-25 атмосфер, и без такой защиты клетка просто лопнула бы. Благодаря этому бактерии thriving в горячих источниках с температурой свыше 90°C, в толще ледников, в нефтяных скважинах и в растворах с концентрацией соли, смертельной для большинства эукариот. Форма клетки, будь то палочка, кокк или извитая спирилла, не случайна. Она увеличивает площадь поверхности для всасывания питательных веществ, что критично для микроскопического организма.

Однако выживание одиночной клетки, лишь половина успеха. Способность к быстрому размножению и горизонтальному переносу генов делает бактериальные популяции невероятно пластичными. За сутки одна кишечная палочка при благоприятных условиях даёт потомство, которое по массе сравнимо с целой планетой. Такая скорость генераций означает, что мутации накапливаются и закрепляются мгновенно по эволюционным меркам. Каждый новый цикл деления создаёт генетическое разнообразие, а обмен плазмидами между клетками позволяет передавать полезные признаки не по вертикали, а «по горизонтали». Именно так, через плазмиды, распространяется устойчивость к антибиотикам. Клинически это выглядит пугающе: резистентность к новому препарату может возникнуть и распространиться среди больничных штаммов быстрее, чем фармакологи успевают разработать альтернативу.

Человек давно научился использовать эту биологическую машинерию в своих целях. Биотехнология стоит на плечах бактерий. Начиная с 1940-х годов, когда были налажены промышленные методы культивирования плесневых грибов, а затем и бактерий, мы получаем антибиотики в тоннах. Но этим дело не ограничивается. Кишечная палочка, модифицированная генами человеческого инсулина, производит этот жизненно важный гормон с 1982 года. Сегодня бактериальные ферменты, такие как амилазы и протеазы, добавляют в стиральные порошки, используют в пищевой промышленности для производства сыров и йогуртов. С помощью бактерий синтезируют аминокислоты, витамины и биопластик.

Ирония судьбы заключается в том, что именно глубокое понимание механизмов размножения бактерий даёт нам оружие против них самих. Знание того, что клетка делится бинарно, позволило создать антибиотики, блокирующие синтез пептидогликана (например, пенициллин). Эти препараты не убивают бактерию напрямую, а мешают ей строить новую клеточную стенку, делая дочерние клетки беззащитными перед осмотическим шоком. Понимание метаболических путей, вроде синтеза фолиевой кислоты, которой у бактерий нет, но есть у человека, привело к созданию сульфаниламидов. Каждое новое поколение антибиотиков появляется благодаря знанию конкретных молекулярных мишеней внутри бактериальной клетки. Борьба с инфекциями, это гонка вооружений, где наше понимание бактериальной физиологии и генетики определяет, кто выйдет победителем в этой гонке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Строение бактериальной клетки — Википедия — https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8

2. Строение и размножение бактерий: основные аспекты — https://egevideo.ru/stati/rasteniya-v-ege-po-biologii/stroenie-i-razmnozhenie-bakteriy/

3. Строение и особенности прокариот — Биология с Марией Семочкиной — https://vc.ru/id2175713/877790-stroenie-i-osobennosti-prokariot

4. Общая микробиология — https://studfile.net/preview/16442129/page:29/

5. Прокариоты (бактерии): строение, питание и размножение — https://ege-hub.ru/blog/prokarioty-bakterii

6. Бактерии (5–7 кл.) • Биология — https://foxford.ru/wiki/biologiya/bakterii5-7

7. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология — https://dokumen.pub/5998602277-978-5-9986-0227-6.html

8. Прокариоты: что это, описание, классификация, размножение ... — https://ru.ruwiki.ru/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%BE%D1%82%D1%8B