Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии»
|
Скачать 4.4 Mb.
|
| Тема 3. Строение клетки прокариот. (1 час) Прежде всего, необходимо отметить основные признаки, отличающие прокариотическую клетку от эукариотической. Клетки прокариот очень малы. Подавляющее большинство бактерий имеет форму палочек не более 1 мкм толщиной и 5 мкм длиной. Многие псевдомонады имеют ширину 0,4-0,7 мкм и длину 2-3 мкм. Диаметр микрококков составляет всего лишь 0,5 мкм. Среди бактерий очень немного «гигантов» (Chromatium okenii, Thiospirillum jenense, Achromatium и др.), и все такие формы растут сравнительно медленно. Компартментализация клетки значительно менее выражена, чем у эукариотических клеток (рис. 9). ДНК не окружена ядерной мембраной, а органеллы типа митохондрий и хлоропластов отсутствуют. Область ядра, видимая на электронной микрофотографии ультратонкого среза клетки в виде сетчатой структуры из тонких нитей, непосредственно граничит с заполненной рибосомами цитоплазмой (рис. 10). У многих бактерий впячивания плазматической мембраны образуют определенные структуры во внутреннем пространстве протопласта (внутриклеточные мембраны). С плазматической мембраной связаны процессы дыхания или фотосинтеза, доставляющие клетке энергию, т.е. функции, за которые в эукариотических клетках ответственны мембраны митохондрий и хлоропластов. Рибосомы прокариот меньше, чем цитоплазматические рибосомы эукариот; они относятся к типу 70S. Вся генетическая информация протоцита содержится в одной-единственной нити ДНК - «бактериальной хромосоме». Эта молекула ДНК у всех до сих пор исследованных бактерий имеет вид кольцевой нити; длина ее контура составляет от 0,25 до 3 мм. Гистонов нет. У многих бактерий была, кроме того, обнаружена внехромосомная ДНК; она со стоит из небольших, тоже замкнутых в кольцо молекул ДНК, получивших название плазмид. Информация, содержащаяся в плазмидах, не является необходимой для клеток. Бактерии, как правило, размножаются путем деления надвое (бинарное деление). Клетка удлиняется, а затем происходит образование поперечной перегородки, постепенно врастающей снаружи внутрь (или перетяжки), после чего дочерние клетки расходятся. У многих бактерий, однако, после деления в определенных условиях среды дочерние клетки некоторое время остаются связанными между собой, образуя характерные группы. При этом в зависимости от ориентации плоскостей деления и числа делений возникают различные формы, например у сферических бактерий - пары клеток (Diplococcus), цепочки (Streptococcus), пластинки или же пакеты (Sarcina). Палочковидные бактерии также могут образовывать пары или цепочки клеток. Размножение почкованием встречается у прокариот как исключение. Делению клетки предшествует удвоение, или репликация, бактериальной хромосомы. Однако диплоидная фаза в клеточном цикле ограничена очень короткой стадией. Таким образом, прокариоты - гаплоидные организмы.  Рис. 9. А. Схема строения прокариотической клетки (бактериальная клетка в продольном разрезе). Г ли- гранулы гликогена; Ж-жгутик; Кпс -капсула; К Cm -клеточная стенка; Ли-липидные капельки; ЯГМ-поли-р-гидроксимасля-ная кислота; Яи-пили; Ялз-плазмида; ЯМ-плазматическая мембрана; ЯФ-гранулы полифосфата; Ри- рибосомы и полисомы; Я-ядро (нуклеоид); S-включения серы. Б. Различные цитоплазматические структуры.  Рис. 10. Электронная микрофотография ультратонкого среза клетки Escherichia Клетки прокариот, за немногими исключениями (Mycoplasma), окружены клеточной стенкой. Основной «каркас» стенки состоит из пептидогликана, или муреина. Это характерный для прокариот гетерополимер, который не встречается у эукариот. Многие прокариоты подвижны - они перемещаются путем плавания или скольжения. Органами движения плавающих бактерий служат особые «бактериальные» жгутики. Эти жгутики устроены значительно проще, чем у эукариот, и состоят из одной-единственной фибриллы. По форме, за немногими исключениями, все бактерии можно отнести к сферическим, цилиндрическим (палочковидным) или искривленным цилиндрическим. Основными формами считаются поэтому кокки, прямые палочки и изогнутые палочки (рис. 11). Как прямые палочки под микроскопом выглядят бактерии, относящиеся к родам Pseudomonas и Bacillus. Спириллы имеют штопорообразную форму. Вибрионами (Vibrio) называют искривленную палочку. Для некоторых бактерий характерны отклонения от этих основных форм. Для рода Corynebacterium и для коринеформных бактерий характерна булаво-образная или изменчивая неправильная форма. У многих видов Mycobacterium встречаются намеки на ветвление клетки. Стрептомицеты образуют даже мицелий, подобный грибному, но отличающийся от последнего меньшим диаметром клетки (менее 1 мкм, тогда как у грибов более 5 мкм).  Рис. 11. Формы одноклеточных бактерий. 1 - микрококки; 2 - диплококки; 3 -стрептококки; 4 - стафилококки; 5 - сарцины; б - палочковидные бактерии; 7 -спириллы; 8 - вибрионы. Химический состав одноклеточных организмов. Вес сырой биомассы бактерий определяют после отделения клеток от жидкой питательной среды путем центрифугирования. Осевшая клеточная масса содержит 70-85% воды; таким образом, сухая биомасса составляет 15-30% от сырой массы. Если клетки содержат много запасного материала (липиды, полисахариды, полифосфаты или серу), доля сухой массы больше. Сухое вещество бактерий - это в основном полимеры [белки (50%), компоненты клеточной стенки (10-20%), РНК (10-20%), ДНК (3-4%)], а также липиды (10%). Десять важнейших химических элементов представлены в клетках бактерий примерно следующим образом: углерод-50%, кислород-20%, азот-14%, водород-8%, фосфор-3%, сера-1%, калий-1%, кальций-0,5%, магний -0,5% и железо 0,2%. Бактериальное ядро и другие компоненты генетического аппарата прокариот будут рассмотрены в разделе «Природа генетического материала прокариот». Цитоплазма и мембраны Цитоплазма отделена от клеточной стенки плазматической мембраной. В цитоплазме находятся различные включения (пузырьки, гранулы) и ядро. Как показали электронно-микроскопические и биохимические исследования, цитоплазма - не гомогенный раствор белка; она содержит многочисленные мембраны и разного рода мембранные структуры, а остальное пространство занимают жидкая фаза и рибосомы. Многочасовым центрифугированием при 100000 g можно разделить разбавленную водной средой цитоплазму на «растворимую» фракцию, содержащую главным образом растворимые ферменты и растворимую рибонуклеиновую кислоту (РНК), и фракцию частиц, в которую наряду с мембранами в первую очередь входят рибосомы. Растворимые ферменты катализируют множество различных реакций распада и синтеза. Растворимые рибонуклеиновые кислоты [матричные (мРНК) и транспортные (тРНК)] и рибосомы участвуют в синтезе белка. Рибосомы. Рибосомы служат местом синтеза белка. На электронных микрофотографиях они видны как частицы, лежащие в цитоплазме. Рибосомы бактерий имеют размеры 16 х 18 нм. Примерно 80-85% всей бактериальной РНК находится в рибосомах. Так как интактные рибосомы бактерий при ультрацентрифугировании оседают со скоростью, составляющей около 70 единиц Сведберга (S), их называют 70S-рибосомами. Цитоплазматические рибосомы эукариот, за немногими исключениями, несколько крупнее, и их называют 80S-рибосомами. Рибосомы состоят из двух субчастиц; у бактерий это субчастицы 30S и 50S (рис. 12), образующие 708-рибосомы. По величине и многим другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами митохондрий и хлоропластов. Бактериальная клетка содержит примерно от 5000 до 50000 рибосом; число их тем больше, чем быстрее растет клетка. Во время активного синтеза белков на электронных микрофотографиях тонких срезов клетки можно видеть правильные цепочки рибосом. Это рибосомы, связанные наподобие бус на цепи мРНК; их называют полирибосомами или полисомами. Различия между рибосомами бактерий (70S) и эукариот (80S) имеют решающее значение для борьбы с инфекционными болезнями; некоторые антибиотики частично или полностью подавляют синтез белка, протекающий на рибосомах 70S, но не затрагивают функции рибосом 80S Таблица 2.1. Состав мембран Micrococcus luteus (lysodeikticus) и фототрофных бактерий   Рис. 12. Рибосомы бактерий. Слева - электронная микрофотография рибосом из Е. coll Интактные рибосомы 70S помечены тремя треугольниками, субчастицы 50S-двумя, а субчастицы 30S-одним. Масштабный отрезок 100 нм. Справа-схема построения рибосомы из субчастиц и данные об их составе. Плазматическая мембрана. На электронных микрофотографиях ультратонких срезов бактерий, фиксированных четырехокисью осмия, плазматическая мембрана представляется многослойной. Она состоит из двух осмиофильных и потому темных слоев толщиной 2-3 нм каждый и промежуточного более светлого слоя толщиной 4-5 нм. По своему строению мембраны бактериальных, животных и растительных клеток очень сходны. Это дает основание говорить об универсальной «элементарной мембране» ("unit membrane"). Мембраны можно выделить, подвергнув осмотическому шоку протопласты, полученные с помощью лизоцима. Мембрана богата липидами, в особенности фосфолипидами (табл. 2.1). Составляя всего 8-15% сухого вещества клетки, мембраны содержат 70-90% всех ее липидов. Плазматическая мембрана состоит 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. Они «плавают» в этом слое, будучи погружены в него частично, или же пронизывают его насквозь. Другие белки прикреплены к поверхности мембраны, и их называют периферийными белками (рис. 13). Некоторые мембраны, по-видимому, с одной или с обеих сторон покрыты сетью вытянутых белковых молекул. Мембрану следует представлять себе как очень мягкое, пластичное, почти жидкое образование; изолированные мембраны стремятся образовать замкнутые со всех сторон пузырьки (везикулы); кусочки мембран сливаются краями друг с другом. Плазматическая мембрана играет важнейшую роль в обмене веществ. Она служит осмотическим барьером клетки и контролирует как поступление веществ внутрь клетки, так и выход их наружу. В мембране имеются механизмы активного транспорта и системы субстрат-специфичных пермеаз. По-видимому, липидная пленка элементарной мембраны пронизана «мостиками» (или каналами) из белков, и именно эти белки служат порами, через которые осуществляется регулируемый транспорт веществ. Ферменты переноса электронов и окислительного фосфорилирования, находящиеся у эукариот в митохондриях, у бактерий локализуются внутри или на поверхности плазматической мембраны. Цитохромы, железо-серные белки и другие компоненты электрон-транспортной цепи находятся исключительно в мембранах. Как показало детальное изучение локализации отдельных компонентов, мембрана построена асимметрично: например, цитохром с расположен в ее наружном слое, а АТР-синтаза - на внутренней стороне мембраны. Мембрана характеризуется направленным обменом веществ. По-видимому, мембраны ответственны и за другие биосинтетические процессы, такие как синтез компонентов клеточной стенки и капсулы, а также за выведение внеклеточных ферментов. Наконец, весьма вероятно, что на мембране локализуется центр репликации РНК. Жгутики тоже прикреплены к плазматической мембране.  Рис. 13. Модель структуры плазматической мембраны. В двойной слой липидов погружены интегральные белки. Периферические белки только примыкают к поверхности мембраны.  Рис. 14. Мезосомы. A. Lactobacillus fermentum, электронная микрофотография ультратонкого среза после фиксации четырехокисью осмия и дополнительного контрастирования уранилацетатом. Б. Lactobacillus viridescens (syn. corynoides) с плотно упакованными трубочками, лежащими параллельно или перпендикулярно к плоскости среза. В. Неидентифицированная бактерия, электронная микрофотография, негативный контраст (фосфорновольфрамовая кислота). Внутриклеточные мембраны и ламеллы. У некоторых бактерий мембрана охватывает цитоплазму без складок и впячиваний. У других она образует впячивания, пронизывает цитоплазму или формирует мембранные тельца. У ряда бактерий описаны мезосомы (рис. 14). Правда, в этом случае, вероятно, речь идет об артефактах, связанных с приготовлением препаратов. У Nitrobacter, Nitrosomonas и Nitrosococcus имеются стопки ламелл, состоящие из параллельно расположенных плоских пузырьков, часть которых связана с плазматической мембраной (рис. 15 и 17). Особенно богаты внутриклеточными мембранами фототрофные пурпурные бактерии. На ультратонких срезах фотосинтетические внутренние мембранные системы имеют у них вид трубок, пузырьков или стопок. У Rhodospirillum rubrum или Chromatium клетка почти целиком заполнена пузырьками, которые упакованы в округлые образования (рис. 16). Эти пузырьки, по-видимому, возникают путем впячивания (инвагинации) плазматической мембраны и роста ее в форме рукава. На этом рукаве на равных расстояниях образуются перетяжки, и в результате получаются пузырьки, не отделенные полностью друг от друга. Только при разрушении и гомогенизации клеток эти пузырьки освобождаются, принимая вид изолированных структур, которые раньше иногда называли «хроматофорами». У других пурпурных бактерий пузырьки сильно уплощены и образуют упорядоченные стопки (рис. 16, 17); последние по аналогии со структурой хлоропластов зеленых растений называют стопками тилакоидов. Фотосинтетические мембраны сходны по строению и химическому составу с плазматической мембраной (табл. 2.1), но, кроме того, содержат пигменты, поглощающие свет (бактериохлорофиллы и кароти-ноиды), а также компоненты фотосинтетической электрон-транспортной цепи (цитохромы, убихинон) и фосфорилирующей системы.  Рис. 15. Электронные микрофотографии нитрифицирующей морской бактерии N itrosococcus oceanus: А и В-ультратонкие срезы (после фиксации OsO4 (22000 х), Б-препарат, полученный методом замораживания-травления (81000 x). КСт - клеточная стенка ;ПМ- плазматическая мембрана; СЛ - сдвоенная ламелла.  Рис. 16. Фотосинтетические пигменты у фототрофных пурпурных бактерий связаны с внутриклеточными мембранами. Увеличение поверхности мембран у различных видов бактерий достигается разными путями. У Chromatium okenii эти структуры имеют вид пузырьков, и их называют везикулами или хроматофорами (A). Thiocapsa pfennigii содержит тубулярные фотосинтетические мембраны (Б). У Ectothiorhodospira mobilis мембраны многократно сложены и образуют стопки ламелл (В). КСт-клеточная стенка; ЛС-полисахаридные гранулы; СЛ-стопки ламелл; Т-тубулярные фотосинтетические мембраны; Хр - хроматофоры; S- включения серы.  |
Похожие:
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины основы психодиагностики направление... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы культуры речи» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «основы управления проектами» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями федерального государственного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методического комплекса дисциплины «Основы культуры речи»... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |