Клеточная стенка

Микроорганизмы обитают в различных условиях, поэтому они должны быть устойчивыми к изменениям температуры, pH, давлению, составу среды. В значительной степени такая устойчивость клеток обеспечивается клеточной стенкой, имеющей достаточно жесткую (ригидную) структуру (каркас). Благодаря ей клетка выдерживает высокое внутреннее (тургорное) осмотическое давление (5—20 МПа, а у грамположительных и до 30 МПа). За счет этой жесткости клетки сохраняют форму. С долей условности клеточную стенку можно назвать «живой кожей» бактерий в противоположность «мертвому веществу» капсулы.

Некоторые бактерии в качестве наружного слоя клеточной стенки дополнительно имеют внешнюю мембрану — гликокаликс (от греч. glykys — сладкий + kalyx — раковина) и полисахариды (декстраны и леваны); основная функция глико кал икса — адгезия к различным субстратам.

Существуют микробы, которые совсем утратили клеточную стенку, — это микоплазмы (раньше их называли PPL О — Pleuropnemonia — like organisms). Функции клеточной стенки выполняет трехслойная ЦПМ. Мико плазмы относят к отделу Tenercutes (буквально — «нежнокожие») семейства Mycoplasmataceae класса Mollicutes («мягкокожие»), объединяющего микоплазмы, ахолеплазмы, анаэроплазмы и уреаплазмы. Микоплазмы отличает полиморфизм, или плеоморфизм (от греч. pleo — большое количество, morfe — формы); эти бактерии образуют кокковидные, ветвящиеся, крупные «многоядерные» формы, а также псевдомицелий (от греч. mykes — гриб, plasma — нечто, имеющее форму). Они характеризуются большой репродуктивностью на питательных средах (наименьший размер их репродуктивных единиц 125— 250 нм), устойчивостью к пенициллинам, неспособностью переходить в какие-либо бактериальные родительские формы. Микоплазмы по форме могут быть кольцевидными, нитчатыми, палочковидными, спиральными, гранулярными.

Отсутствие клеточной стенки может быть временным явлением, возникающим под действием ферментов, антибиотиков, ультразвука и др. При этом содержимое клетки — цитоплазма приобретает округлую форму: из грамотрицательных бактерий образуются протопласты, полностью лишенные клеточной стенки; если стенки остаются хотя бы частично, то это — сферопласты. L-формы бактерий (по названию института им. Листера в Шотландии) являются дефектными по клеточной стенке. Бактерии во многих отношениях сходны с микоплазмами; они представляют собой особые формы хорошо известных бактерий, возникающие в результате разрушения клеточной оболочки или утраты способности к ее образованию. Описаны L-формы самых разнообразных видов бактерий (как бацилл, так и кокков), в том числе Proteus, Escherichia, Neisseria, Nocardia и др. Сферопласты и протопласты обладают наиболее характерными отличительными признаками, свойственными L-формам и микоплазмам (PPLО).

Обычно по прекращении действия агента, вызвавшего разрушение клеточной стенки, 1-формы рано или поздно возвращаются (ревертируют, от лат. reversio — возврат) в исходные родительские формы, особенно в присутствии желатина или агар-агара. При определенных условиях культивирования некоторые Т-формы удается поддерживать достаточно долго без реверсии. Однако микоплазмы нельзя отождествлять с протопластами, сфероплас- тами и Т-формами бактерий, так как между ними нет генетического родства. Дефектные по клеточной стенке бактерии в отличие от микоплазм способны продолжать синтез некоторых клеточ- но-стеночных веществ, присущих родительским клеткам (например, капсульный полисахарид и Л/-протеин у Т-форм стрептококков).

Основные функции клеточной стенки:

  • • защищает бактерии от внешних воздействий, обладает ригидностью и придает им характерную форму, поддерживает гомеостаз (постоянство) внутри клетки;
  • • через клеточную стенку бактерий осуществляется транспорт питательных веществ и выделение продуктов обмена (метаболитов);
  • • на поверхности клеточной стенки располагаются рецепторы для бактериофагов, бактериоцинов и различных химических веществ, обладающих адгезивными свойствами;
  • • определяет тинкториальные свойства бактерий, так как она способна по-разному воспринимать красители (например, окраска по Граму);
  • • нарушение синтеза компонентов клеточной стенки приводит к гибели бактерии или образованию Т-форм.

Толщина клеточной стенки в целом колеблется от 0,01 до 0,04 мкм и составляет около 20% сухого вещества бактериальной клетки. Чтобы обнаружить ее под микроскопом, необходимо предварительно химически обработать ее и окрасить. В электронном микроскопе она отчетливо выступает и легко отличима. Клеточную стенку легко можно разрушить ультразвуком, ферментом лизоцимом, тонкой иглой и т.д. Толщина стенок у грамположитель- ных бактерий достигает 15—8 нм, у грамотрицательных — около 8 нм. У грибов клеточная стенка достигает 1 мкм. Однако архитектоника клеточной стенки у грамотрицательных видов от этого не становится проще, а скорее наоборот — сложнее (рис. 3.13).

Мембранные структуры серобактерий

Рис. 3.13. Мембранные структуры серобактерий:

ЦПМ — цитоплазматическая мембрана; П — периплазматическое пространство; КС — клеточная стенка; МО — мембранные образования. Электронная микроскопия, срезы клетки (увел. 90 000 х)

По химическому составу (табл. 3.3) опорный каркас клеточной стенки бактерий — пептидогликан (муреин) — гетерополимер, состоящий из повторяющихся дисахаридных групп, соединенных поперечными и боковыми цепочками (рис. 3.14). «Остов» молекулы пептидогликана — дисахарид. Его образуют N-ацетилглю-

Таблица 3.3

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК ГРАМПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ И ГРАМОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПРОКАРИОТ

Компонент

клеточной

стенки

Грамполо-

жительные

прокариоты

Грамотрицательные прокариоты

Внутренний слой (пептидо- гликановый)

Внешний слой (наружная клеточная мембрана)

Пептидогликан

+

+

-

Тейхоевые кислоты

+

-

-

Полисахариды

+

-

+

Белки

+

-

+

Липиды

+

-

+

Липополисахариды

-

-

+

Липопротеиды

-

+

+

Структура пептидогликана (муреина) Escherichia coli

Рис. 3.14. Структура пептидогликана (муреина) Escherichia coli

Цепочки, состоящие из чередующихся N-ацетилглюкозамина (N-АцГлю) и N-ацетилмурамовой кислоты (N-АцМур), связаны между собой аминокислотными мостиками. Слева — детальное строение фрагмента пептидогликана. Справа — схематическое изображение структуры однослойного муреинового мешка

козамин и N—ацетилмурамовая кислота, соединенные через (3- гликозидные связи. К молекуле N-ацетилмурамовой кислоты присоединяются олигопептиды, образующие боковые цепочки.

Поверхность микроорганизмов, представленная клеточной стенкой, не бывает гладкой. Гетерополимерные пептидогликано- вые цепочки, соединенные пептидными связями, образуют гигантскую мешковидную макромолекулу («муреиновый мешок»), покрывающую все тело бактерии. На поверхности «муреинового мешка» и в его толще располагаются различные вещества, характер и содержание которых лежит в основе разделения бактерий на грамположительные и грамотрицательные.

Грамотрицательные бактерии имеют два слоя — пластичный и ригидный. Ригидный слой образован одним, редко двумя слоями пептидогликана, на котором расположены фосфолипиды, липо- полисахариды и белки, образующие пластичный слой. Толщина последнего значительно превышает размеры монослоя пептидогликана, составляющего менее 10% сухой массы клеточной стенки (у Е.соИ) компоненты пептидогликана расположены мозаично и могут образовывать дополнительную внешнюю мембрану или переходить в капсулу. Строение муреинового мешка у всех грам- отрицательных бактерий одинаковое. Наряду с этим опорным каркасом служат большие количества липопротеинов, липополисаха- ридов и других липидов, которые как бы наклеены снаружи на муреиновый каркас. Они связаны ковалентно и составляют до 80% сухой массы клеточной стенки (рис. 3.15).

Фосфолипиды пластичного слоя прикреплены к пептидогли- кану липопротеинами, пересекающими периплазматическое пространство. Основное отличие внешнего фосфолипидного слоя от внутреннего ригидного — высокое содержание липополисахари-

Схематическая модель строения клеточной стенки трамотрицательных (а) и грамположительных (б) бактерий [Поздеев, 2001]

Рис. 3.15. Схематическая модель строения клеточной стенки трамотрицательных (а) и грамположительных (б) бактерий [Поздеев, 2001]

дов. Липополисахариды состоят из липидной части {липид А), базисной части молекулы полисахарида (сердцевина) и боковых полисахаридных цепей. Иммуногенные свойства проявляют боковые полисахаридные цепи и сердцевина. Боковые полисахаридные цепи отвечают за антигенную специфичность молекулы липопо- лисахаридов и называются О-Аг. Липидная же часть термоустойчива и отвечает за их биологические эффекты. Структура липо- полисахарида имеет большое диагностическое значение, поскольку разные виды патогенных грамотрицательных бактерий отличаются друг от друга составом боковых цепей липополисахаридов внешней мембраны.

Белки, входящие в состав пластичного слоя, подразделяют (в зависимости от выполняемых функций) на основные (мажорные) и второстепенные (минорные). К мажорным белкам относят порты, образующие трансмембранные каналы, вовлеченные в транспорт ионов и гидрофильных соединений из внешней среды в периплазму. Минорные белки также могут участвовать в транспорте веществ через пластичный слой (путем облегченной диффузии или активного транспорта молекул). Некоторые белки играют роль рецепторов для вирусов бактерий и бактериоцинов, а также для донорских пилей при конъюгации. Тейхоевые кислоты у грамотрицательных бактерий до сих пор не были обнаружены (табл. 3.3).

Грамположителъные бактерии имеют сравнительно просто организованную и мощную клеточную стенку, доля муреиновой сетки которой составляет 30—70% и более сухой массы клеточной сетки (толщиной в 40 слоев). Она включает лизин или ос-диами- нопимелиновую кислоту и уникальные водорастворимые полимеры тейхоевых кислот, состоящих из 8—50 остатков глицерина или рибита, связанных между собой фосфодиэфирными связями, или мостиками. Тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка) могут составлять до 50% сухой клеточной стенки. Клеточная стенка каждого вида содержит только один тип тейхоевых кислот (за исключением вида Streptomyces). У большей части грамположительных бактерий также имеются периплазматические тейхоевые кислоты, располагающиеся между клеточной стенкой и ЦПМ. Клеточная стенка грамположительных бактерий не содержит липополисахаридов, но может включать различные белки, содержание которых весьма вариабельно.

Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) тесно прилегает к клеточной стенке, это как бы внешний слой цитоплазмы. У некоторых бактерий между той и другой имеется так называемое периплазматическое пространство — полость шириной около 10 нм. У грамположительных бактерий в периплазматическом пространстве могут находиться тейхоевые кислоты . Общая толщина мембраны — 9 нм. Можно предполагать, что между ЦПМ и клеточной стенкой у микроорганизмов отсутствует какая-либо прочная связь. Доказательством служит относительная легкость получения протопластов у грамотрицательных бактерий, окруженных ЦПМ.

ЦПМ играет важную роль в обмене веществ бактерий, выполняя роль осмотического барьера, контролирующего поступление и выход различных веществ из клетки. В общем, ЦПМ — физический, осмотический и метаболический барьер между внутренним содержимым бактериальной клетки и внешней средой. По химическому составу ЦПМ состоит из двух слоев липидов и встроенных в липидную мембрану белковых молекул. Белки ЦПМ составляют 20—75%; их подразделяют на структурные (образуют различные структуры) и функциональные (представлены ферментами, участвующими в синтетических реакциях на поверхности мембраны). Липиды ЦПМ составляют 20—40%, они представлены насыщенными или мононенасыщенными жирными кислотами, но не стеринами, как у эукариотных клеток (рис. 3.16).

Обобщенная модель типичной плазматической мембраны

Рис. 3.16. Обобщенная модель типичной плазматической мембраны:

  • 1 — липиды; 2 — интегральные белки; 3 — периферические белки;
  • 4 — гликопротеиды.

Число полярных «головок» фосфолипидов приблизительно в десять раз больше числа молекул интегральных белков

Для ЦПМ характерна выраженная избирательная проницаемость. В ней располагаются системы активного переноса и суб- стратспецифичных пермеаз. Некоторые белковые молекулы, «вкрапленные» в фосфолипидный бислой, играют роль «пор», через которые движется регулируемый поток веществ. Схематично ЦПМ можно представить как мягкое, пластичное образование, состоящее из двойного липидного слоя. Гидрофобные концы молекул фосфолипидов и триглицеридов направлены внутрь, а гидрофильные «головки» — наружу. Благодаря гидрофобным взаимодействиям между остатками жирных кислот, входящих в состав липидов, и электростатическому взаимодействию между гидрофильными «головками» мембрана стабилизируется. В двойной слой липидов встроены белки — так называемые интегральные белки мембран.

Мембранными образованиями у прокариот являются тилако- иды, фикобилисомы, аэросомы, хлоросомы и карбоксисомы.

Тилакоиды представляют собой системы элементарных мембран, к внешней стороне которых прикреплены фикобилисомы. Тилакоиды в основном состоят из белков и липидов. В тилакои- дах содержатся фотосинтезирующие пигменты (бактериохлорофи- лы и каротиноиды), при помощи которых осуществляется фотосинтез. Фотосинтетические пигменты у фототрофных пурпурных бактерий связаны с внутриклеточными мембранами. В целом бактериальные фотосинтетические мембраны сходны по строению и химическому составу с ЦПМ, содержат пигменты, поглощающие свет, а также компоненты фотосинтетической элект- ронтранспортной цепи (цитохромы, убихинон) и фосфорилиру- ющей системы. У пурпурных серобактерий, например, тилакоиды составляют 40—50% массы клетки.

Хлоросомы (хлоробиум — везикулы) в виде сигарообразных пузырьков обнаруживают у зеленых фотосинтезирующих бактерий. Располагаются они непосредственно под цитоплазматической мембраной. Хлоросомы окружены однослойной мембраной толщиной 3—5 нм. В них сосредоточена часть фотосинтетическо- го аппарата, именно — пигменты, выполняющие функцию антенны.

Карбоксисомы, или полиэдральные тела, обнаруживают у фотосинтезирующих, некоторых хемолитотрофных (например, нитрифицирующих) бактерий, они окружены однослойной мембраной толщиной 3,5 нм и выполняют ключевую роль в процессе фиксации С02. Имеются стопки ламелл, состоящие из параллельно расположенных плоских пузырьков, часть которых связана с плазматической мембраной. На ультратонких срезах фотосинте- тические внутренние мембраны системы имеют вид трубок, пузырьков и стопок.

Аэросомы, или газовые вакуоли, имеются у фототрофных и хемотрофных водных бактерий (цианобактерий, пурпурных серных бактерий, зеленых бактерий, у некоторых архебактерий и др.). Они состоят из газовых пузырьков, представляющих собой полые цилиндрики с конусовидными концами, окруженные мембраной толщиной 2 нм. Пузырьки собираются в регулярные ряды субъединиц. Через мембрану пузырьков проникают все обычные газы. Газовые вакуоли обеспечивают и регулируют плавучесть водных микроорганизмов.

Фикобилисомы — органеллы, располагающиеся на внешней поверхности тилакоидов, выполняют функцию светопоглощения (у цианобактерий). Они имеют размеры порядка 30 х 50 нм. Одна фикобилисома приходится на 2000 молекул бактериохлорофилла. Пигменты в этих органеллах (фикоэритробилин, фикоцианоби- лин, аллофикоцианобилин) ковалентно связаны с белком и представляют собой фикобилинпротеины.

Мезосомы — специализированные структуры. ЦПМ образует специфические инвагинаты — мезосомы, имеющие вид закрученных в спираль или клубок трубчатых образований. Мезосомы образуют поперечные перегородки между делящимися клетками, к ним обычно прикрепляется бактериальная хромосома. Функционально мезосомы отдаленно напоминают митохондрии у эукариот.

Магнитосомы. Из водной среды (донный ил пресноводных водоемов, морей) выделены бактерии, способные ориентироваться в магнитном поле и перемещаться в направлении линий магнитного поля. Они содержат много железа (0,4% сухого вещества массы клеток) в форме магнетита, расположенного в гранулах, которые помещены около мест прикрепления жгутиков. Магнитотоксические бактерии — анаэробы или микроаэрофилы, их полярность очевидно генетически не зафиксирована.

Рибосомы — мелкогранулярные нуклеопротеиновые частицы диаметром 10—20 и до 30 нм, состоящие на 60% из РНК и на 40% из белка. В клетках прокариот и эукариот их содержится большое количество: у бактерий в среднем 104, у грибов 105—106. Молекулярная масса их составляет 2,7 • 103 — 4,4 • 103 кДа. По константе седиментации они относятся к типу 70S (единиц Сведберга), у эукариот — 80S. На рибосомах осуществляется синтез белков. В этом случае они агрегируются в полисомы с более высокими константами седиментации. У эукариот рибосомы образуются в ядре клетки. Рибосомы прокариот и эукариот имеют сходную молекулярную структуру и механизмы функционирования, но различаются, помимо размеров, по составу белков и белковых факторов. Эти различия делают рибосомы эукариот практически резистентными к действию антибиотиков, блокирующих синтез белка у бактерий.

Митохондрия

Рис. 3.17. Митохондрия

Митохондрии имеют изменчивую удлиненно-овальную форму (рис. 3.15). В них происходит собственный синтез белка в ядре эукариотической клетки, т.е. функция митохондрий в значительной мере зависит от генома клетки. Митохондрии осуществляют дыхание, в них локализованы ферменты цикла трикарбо- новых кислот, система окислительного фосфорилирования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >