Бактерії- одні з найдавніших організмів Землі. Незважаючи на простоту своєї будови, вони живуть у всіх можливих довкіллях. Найбільше їх налічується у ґрунті (до кількох мільярдів бактеріальних клітин на 1 грам ґрунту). Багато бактерій у повітрі, воді, харчових продуктах, усередині тіл та на тілах живих організмів. Бактерії були виявлені в тих місцях, де інші організми жити не можуть (на льодовиках, вулканах).
Зазвичай бактерія – це одна клітина (хоча бувають колоніальні форми). Причому ця клітина дуже дрібна (від часток мкм до кількох десятків мкм). Але головною особливістю бактеріальної клітини є клітинного ядра. Іншими словами, бактерії належать прокаріотам.
Бактерії бувають рухомими та нерухомими. У разі нерухомих форм пересування здійснюється за допомогою джгутиків. Їх може бути кілька, а може лише один.
Клітини різних видів бактерій можуть сильно відрізнятися між собою формою. Бувають кулясті бактерії ( коки), паличкоподібні ( бацили), схожі на кому ( вібріони), звивисті ( спірохети, спірили) та ін.
Будова бактеріальної клітини
У клітин багатьох бактерій є слизова капсула. Вона виконує захисну функцію. Зокрема, захищає клітину від висихання.
Як і у клітин рослин, у бактеріальних клітин є клітинна стінка. Однак, на відміну від рослин, її будова та хімічний склад дещо інший. Клітинна стінка складається із шарів складного вуглеводу. Її будова така, що дозволяє проникати різним речовинам усередину клітини.
Під клітинною стінкою знаходиться цитоплазматична мембрана.
Бактерії відносяться до прокаріотів, тому що в їхніх клітинах немає оформленого ядра. Вони не мають і хромосом, характерних для клітин еукаріотів. До складу хромосоми входить як ДНК, а й білок. У бактерій їх хромосома складається лише з ДНК і є кільцеву молекулу. Такий генетичний апарат бактерій називається нуклеоїд. Нуклеоїд знаходиться прямо у цитоплазмі, зазвичай у центрі клітини.
У бактерій немає справжніх мітохондрій та ряду інших клітинних органел (комплексу Гольджі, ендоплазматичної мережі). Їх функції виконують вп'ячування клітинної цитоплазматичної мембрани. Такі вп'ячування називаються мезосомами.
У цитоплазмі є рибосоми, а також різні органічні включення: білки, вуглеводи (глікоген), жири. Також клітини бактерій можуть містити різні пігменти. Залежно від наявності тих чи інших пігментів або їх відсутності, бактерії можуть бути безбарвними, зеленими, пурпуровими.
Харчування бактерій
Бактерії виникли на зорі формування життя Землі. Саме вони відкрили різні способи харчування. Лише потім, з ускладненням організмів, чітко виділилися два великі царства: Рослини та Тварини. Вони відрізняються між собою насамперед за способом харчування. Рослини є автотрофами, а тварини – гетеротрофами. У бактерій зустрічаються обидва типи харчування.
Харчування - це спосіб отримання клітиною чи організмом необхідних органічних речовин. Їх можна отримати з-за або синтезувати самостійно з неорганічних речовин.
Автотрофні бактерії
Автотрофні бактерії синтезують органічні речовини із неорганічних. Процес синтезу потребує енергії. Залежно від того, звідки автотрофні бактерії отримують цю енергію, їх ділять на фотосинтезуючі та хемосинтезуючі.
Фотосинтезуючі бактерії використовують енергію Сонця, уловлюючи його випромінювання. У цьому вони подібні до рослин. Однак, якщо у рослин у процесі фотосинтезу виділяється кисень, то більшість фотосинтезирующих бактерій не виділяється. Тобто бактеріальний фотосинтез анаеробен. Також зелений пігмент бактерій відрізняється від аналогічного пігменту рослин і називається бактеріохлорофілом. У бактерій немає хлоропластів. В основному фотосинтезуючі бактерії мешкають у водоймах (пресних та солоних).
Хемосинтезуючі бактеріїдля синтезу органічних речовин із неорганічних використовують енергію різних хімічних реакцій. Енергія виділяється не у всіх реакціях, а лише у екзотермічних. Деякі такі реакції протікають у бактеріальних клітинах. Так у нітрифікуючі бактеріїпротікає реакція окислення аміаку в нітрити та нітрати. Залізобактеріїокислюють закисне залізо в окисне. Водневі бактеріїокислюють молекули водню.
Гетеротрофні бактерії
Гетеротрофні бактерії не здатні синтезувати органічні речовини із неорганічних. Тому змушені отримувати їх із навколишнього середовища.
Бактерії, що живляться органічними залишками інших організмів (у тому числі мертвими тілами), називаються бактеріями-сапрофітами. Інакше їх називають бактеріями гниття. Таких бактерій багато у ґрунті, де вони розкладають перегній до неорганічних речовин, які згодом використовуються рослинами. Молочнокислі бактерії харчуються цукрами, перетворюючи їх на молочну кислоту. Маслянокислі бактерії розкладають органічні кислоти, вуглеводи, спирти до олійної кислоти.
Бульбякові бактерії живуть у корінні рослин і харчуються за рахунок органічних речовин живої рослини. Однак вони зв'язують азот із повітря та забезпечують їм рослину. Тобто в цьому випадку має місце симбіоз. Інші гетеротрофні бактерії-симбіонтимешкають у травному апараті тварин, допомагаючи перетравлювати їжу.
У процесі дихання відбувається руйнація органічних речовин із вивільненням енергії. Ця енергія згодом витрачається різні процеси життєдіяльності (наприклад, на рух).
Ефективним способом одержання енергії є кисневе дихання. Однак деякі бактерії можуть одержувати енергію без кисню. Таким чином, існують аеробні та анаеробні бактерії.
Аеробним бактеріямнеобхідний кисень, тому вони мешкають у місцях, де він є. Кисень бере участь у реакції окислення органічних речовин до вуглекислого газу та води. У процесі такого дихання бактерії одержують відносно велику кількість енергії. Такий спосіб дихання характерний для переважної кількості організмів.
Анаеробні бактеріїне потребують кисню для дихання, тому можуть мешкати в безкисневому середовищі. Енергію вони одержують за рахунок реакції бродіння. Цей спосіб окислення малоефективний.
Розмноження бактерій
Найчастіше для бактерій характерне розмноження шляхом розподілу їх клітини надвоє. Перед цим відбувається подвоєння кільцевої молекули ДНК. Кожна дочірня клітина одержує одну з цих молекул і, отже, є генетичною копією материнської клітини (клоном). Таким чином, для бактерій характерно безстатеве розмноження.
У сприятливих умовах (за достатньої кількості поживних речовин та сприятливих умов навколишнього середовища) бактеріальні клітини діляться дуже швидко. Так, від однієї бактерії за добу можуть утворитися сотні мільйонів клітин.
Хоча бактерії розмножуються безстатевим шляхом, у ряді випадків у них спостерігається так званий статевий процес, що протікає у формі кон'югації. При кон'югації дві різні бактеріальні клітини зближуються, між ними цитоплазмами встановлюється зв'язок. Частини ДНК однієї клітини переходять у другу, а частини ДНК другої клітини – у першу. Таким чином, при статевому процесі у бактерій відбувається обмін генетичної інформації. Іноді бактерії обмінюються не ділянками ДНК, а цілими молекулами ДНК.
Суперечки бактерій
Переважна більшість бактерій у несприятливих умовах утворюють суперечки. Суперечки бактерій - це переважно спосіб переживання несприятливих умов і спосіб розселення, а чи не спосіб розмноження.
При утворенні суперечки цитоплазма бактеріальної клітини стискається, а сама клітина покривається щільною товстою захисною оболонкою.
Суперечки бактерій зберігають життєздатність протягом тривалого часу і здатні переживати дуже несприятливі умови (вкрай високі та низькі температури, висихання).
Коли суперечка потрапляє у сприятливі умови, відбувається її набухання. Після цього захисна оболонка скидається і з'являється звичайна бактеріальна клітина. Буває, що при цьому відбувається поділ клітини і утворюється кілька бактерій. Тобто спороутворення поєднується із розмноженням.
Значення бактерій
Величезна роль бактерій у кругообігу речовин у природі. Насамперед це стосується бактерій гниття (сапрофітів). Їх називають санітарами природи. Розкладаючи залишки рослин та тварин, бактерії перетворюють складні органічні речовини на прості неорганічні (вуглекислий газ, воду, аміак, сірководень).
Бактерії підвищують родючість ґрунту, збагачуючи його азотом. У нітрифікуючих бактеріях протікають реакції, у яких з аміаку утворюються нітрити, та якщо з нітритів - нітрати. Бульбякові бактерії здатні засвоювати атмосферний азот, синтезуючи азотисті сполуки. Вони живуть у корінні рослин, утворюючи бульбочки. Завдяки цим бактеріям рослини отримують необхідні їм азотисті сполуки. В основному в симбіоз з бульбочковими бактеріями вступають бобові рослини. Після їх відмирання ґрунт збагачується азотом. Це нерідко використовується у сільському господарстві.
У шлунку жуйних тварин бактерії розкладають целюлозу, що сприяє ефективнішому травленню.
Велика позитивна роль бактерій у харчовій промисловості. Багато видів бактерій використовуються для отримання молочнокислих продуктів, вершкового масла та сиру, квашення овочів, а також у виноробстві.
У хімічній промисловості бактерії використовуються для одержання спиртів, ацетону, оцтової кислоти.
У медицині за допомогою бактерій отримують низку антибіотиків, ферментів, гормонів та вітамінів.
Однак бактерії можуть завдавати і шкоди. Вони не просто псують продукти харчування, але своїми виділеннями роблять їх отруйними.
Структурними компонентами клітини є оболонка бактерій, що складається з клітинної стінки, цитоплазматичної мембрани та іноді капсули; цитоплазма; рибосоми; різні цитоплазматичні включення; нуклеоїд (ядро). Деякі види бактерій мають, крім того, суперечки, джгутики, вії (пили, фімбрії) (рис. 2).
Клітинна стінкаобов'язкове утворення бактерій більшості видів. Її будова залежить від виду та приналежності
бактерій до груп, що диференціюються під час забарвлення за методом Грама. Маса клітинної стінки становить близько 20% сухої маси усієї клітини, товщина – від 15 до 80 нм.
Мал. 3. Схема будови бактеріальної клітини
1 – капсула; 2 – клітинна стінка; 3 – цитоплазматична мембрана; 4 – цитоплазма; 5 – мезосоми; 6 – рибосоми; 7 – нуклеоїд; 8 – внутрішньоцитоплазматичні мембранні утворення; 9 – жирові краплі; 10 - полісахаридні гранули; 11 - гранули поліфосфату; 12 - включення сірки; 13 - джгутики; 14 - базальне тільце
Клітинна стінка має пори діаметром до 1 нм, тому вона напівпроникна мембрана, через яку проникають поживні речовини і виділяються продукти обміну.
Ці речовини можуть проникати внутрішньо мікробної клітини лише після попереднього гідролітичного розщеплення специфічними ферментами, що виділяються бактеріями у зовнішнє середовище.
Хімічний склад клітинної стінки неоднорідний, але є постійним для певного виду бактерій, що використовується при ідентифікації. У складі клітинної стінки виявлені азотисті сполуки, ліпіди, целюлоза, полісахариди, пектинові речовини.
Найбільш важливим хімічним компонентом клітинної стінки є складний полісахаридпептид. Його ще називають пептидоглікан, глікопептид, муреїн (від лат. murus - Стінка).
Муреїн являє собою структурний полімер, що складається з молекул глікану, утворених ацетилглюкозамін і ацетилмурамової кислотою. Синтез його в цитоплазмі лише на рівні цитоплазматичної мембрани.
Пептидоглікан клітинної стінки різних видів має специфічний амінокислотний склад і, залежно від цього, певний хемотип, що враховують при ідентифікації молочнокислих та інших бактерій.
У клітинній стінці грамнегативних бактерій пептидоглікан представлений одним шаром, тоді як у стінці грампозитивних бактерій він формує кілька шарів.
У 1884 р. Gram запропонував метод фарбування тканини, який використовували для фарбування клітин прокаріотів. Якщо при фарбуванні за Грамом фіксовані клітини обробити спиртовим розчином фарби кристалічного фіолетового, а потім розчином йоду, то ці речовини утворюють з муреїном стійкий пофарбований комплекс.
У гоампозитивних мікроорганізмів забарвлений фіолетовий комплекс під впливом етанолу не розчиняється і відповідно не знебарвлюється, при дофарбуванні фуксином (фарба червоного кольору) клітини залишаються забарвленими у темно-фіолетовий колір.
У грамнегативних видів мікроорганізмів генціанвіолет розчиняється етанолом і вимивається водою, а при дофарбуванні фуксином клітина забарвлюється у червоний колір.
Здатність мікроорганізмів фарбуватись аналіновими барвниками і за методом Грама називають тинкторіальними властивостями . Їх необхідно вивчати в молодих (18-24 годинних) культурах, тому що деякі грампозитивні бактерії у старих культурах втрачають здатність позитивно забарвлюватися методом Грама.
Значення пептидогликана у тому, що завдяки йому клітинна стінка має ригідністю, тобто. пружністю і є захисним каркасом бактеріальної клітини.
При руйнуванні пептидоглікану, наприклад, під дією лізоциму клітинна стінка втрачає ригідність і руйнується. Вміст клітини (цитоплазма) разом із цитоплазматичною мембраною набуває сферичної форми, тобто стає протопластом (сферопластом).
З клітинною стінкою пов'язані багато як синтезуючі, і руйнівні ферменти. Компоненти клітинної стінки синтезуються у цитоплазматичній мембрані, а потім транспортуються у клітинну стінку.
Цитоплазматична мембранарозташовується під клітинною стінкою та щільно прилягає до її внутрішньої поверхні. Вона є напівпроникною оболонкою, що оточує цитоплазму і внутрішній вміст клітини -протопласт. Цитоплазматична мембрана – це зовнішній ущільнений шар цитоплазми.
Цитоплазматична мембрана є головним бар'єром між цитоплазмою та навколишнім середовищем, порушення її цілісності призводить до загибелі клітини. До її складу входять білки (50-75%), ліпіди (15-45%), у багатьох видів – вуглеводи (1-19%).
Головним ліпідним компонентом мембрани є фосфо-і гліколіпіди.
Цитоплазматична мембрана з допомогою локалізованих у ній ферментів здійснює різноманітні функції: синтезує мембранні ліпіди – компоненти клітинної стінки; мембранні ферменти – вибірково переносять через мембрану різні органічні та неорганічні молекули та іони, мембрана бере участь у перетвореннях клітинної енергії, а також у реплікації хромосом, у перенесенні електрохімічної енергії та електронів.
Таким чином, цитоплазматична мембрана забезпечує вибіркове надходження у клітину та видалення з неї різноманітних речовин та іонів.
Похідними цитоплазматичної мембрани є мезосоми . Це сферичні структури, що утворюються при закручуванні мембрани у завиток. Вони розташовуються з двох сторін – у місці утворення клітинної перегородки або поряд із зоною локалізації ядерної ДНК.
Мезосоми функціонально еквівалентні мітохондріям клітин вищих організмів. Вони беруть участь в окислювально-відновних реакціях бактерій, відіграють важливу роль у синтезі органічних речовин, у формуванні клітинної стінки.
Капсулає похідним зовнішнього шару клітинної згонки і є слизову оболонку, що оточує одну або кілька мікробних клітин. Товщина її може досягати 10 мкм, що багато разів перевищує товщину самої бактерії.
Капсула виконує захисну функцію. Хімічний склад капсули бактерій різний. У більшості випадків вона складається зі складних полісахаридів, мукополісахаридів, іноді поліпептидів.
Капсулоутворення, як правило, є видовою ознакою. Однак поява мікрокапсул часто залежить від умов культивування бактерій.
Цитоплазма- Складна колоїдна система з вмістом великої кількості води (80-85%), в якій дисперговані білки, вуглеводи, ліпіди, а також мінеральні сполуки та інші речовини.
Цитоплазма являє собою вміст клітини, оточений цитоплазматичною мембраною. Її поділяють на дві функціональні частини.
Одна частина цитоплазми знаходиться в стані золю (розчину), має гомогенну структуру та містить набір розчинних рибонуклеїнових кислот, білків-ферментів та продуктів метаболізму.
Інша частина представлена рибосомами, включеннями різної хімічної природи, генетичним апаратом, іншими внутрішньоцитоплазматичними структурами.
Рибосоми– це субмікроскопічні гранули, що є нуклеопротеїновими частинками сферичної форми діаметром від 10 до 20 нм, молекулярною масою близько 2-4 млн.
Рибосоми прокаріотів складаються з 60 % РНК (рибонуклеїнової кислоти), що знаходиться в центрі, і 40 % білка, що покриває нуклеїнову кислоту ззовні.
Включення цитоплазмиє продуктами обміну, а також резервними продуктами, за рахунок яких клітина живе в умовах нестачі поживних речовин.
Генетичний матеріал прокаріотів складається з подвійної нитки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) компактної структури, розташованої в центральній частині цитоплазми і не відокремленої від неї мембраною. ДНК бактерій за будовою не відрізняється від ДНК еукаріотів, але так як вона не відокремлена від цитоплазми мембраною, генетичний матеріал називають нуклеоїдомабо генофором. Ядерні структури мають сферичну чи подковообразную форму.
Спорибактерій є формою, що покоїться, не розмножується. Вони формуються всередині клітини, є утворенням круглої або овальної форми. Спори утворюють переважно грампозитивні бактерії, паличкоподібної форми з аеробним та анаеробним типом дихання у старих культурах, а також у несприятливих умовах зовнішнього середовища (недолік поживних речовин та вологи, накопичення продуктів обміну в середовищі, зміна рН та температури культивування, наявність або відсутність ін) можуть переключатися на альтернативну програму розвитку, у результаті утворюються суперечки. При цьому у клітині утворюється одна суперечка. Це свідчить про те, що спороутворення у бактерій є пристосуванням для збереження виду (індивідуума) і не є способом їхнього розмноження. Процес спороутворення відбувається, як правило, у зовнішньому середовищі протягом 18-24 год.
Зріла суперечка становить приблизно 0,1 об'єму материнської клітини. Суперечки у різних бактерій розрізняються за формою, розміром, розташуванням у клітині.
Мікроорганізми, у яких діаметр суперечки не перевищує ширини вегетативної клітини, називають бацилами, бактерії, що мають суперечки, діаметр яких більший за поперечник клітини в 1,5-2 рази, називають клостридіями.
Усередині мікробної клітини спору може розташовуватися в середині центральне положення, на кінці термінальне і між центром і кінцем клітини субтермінальне розташування.
Джгутикибактерій є локомоторними органами (органами руху), з яких бактерії можуть пересуватися зі швидкістю до 50-60 мкм/с. При цьому за одну з бактерій перекривають довжину свого тіла в 50-100 разів. Довжина джгутиків перевищує довжину бактерій у 5-6 разів. Товщина джгутиків становить у середньому 12-30 нм.
Число джгутиків, їх розміри та розташування постійні для певних видів прокаріотів і тому враховуються при їх ідентифікації.
Залежно від кількості та місцезнаходження джгутиків бактерії поділяють на монотрихи (монополярні монотрихи) – клітини з одним джгутиком на одному з кінців, лофотрихи (монополярні політрихи) – пучок джгутиків розташовується на одному з кінців, амфітрихи (біполярні політрихи) – джгутики розташовуються на кожному з полюсів, перитрихи – джгутики розташовані по всій поверхні клітини (рис. 4) та атрихи – бактерії, позбавлені джгутиків.
Характер руху бактерій залежить від кількості джгутиків, віку, особливостей культури, температури, наявності різних хімічних речовин та інших факторів. Найбільшу рухливість мають монотрихи.
Джгутики частіше є у паличкоподібних бактерій, вони не є життєво необхідними структурами клітини, тому що існують безжгутикові варіанти рухливих видів бактерій.
Головними відмінностями прокаріотичної (бактеріальної) клітини від еукаріотичної є відсутність оформленого ядра (тобто ядерної мембрани), відсутність внутрішньоклітинних мембран, ядерців, комплексу Гольджі, лізосом, мітохондрій.
Основними структурами бактеріальної клітини є:
Нуклеоїд – спадковий (генетичний) матеріал бактеріальної клітини, представлений 1 молекулою ДНК, замкненою в кільце і суперспіралізованою (скручена в пухкий клубок). Довжина ДНК близько 1мм. Обсяг інформації близько 1000 генів (ознаки). Нуклеоїд не відокремлений від цитоплазми мембраною.
Цитоплазма – колоїд, тобто. водяний розчин білків, вуглеводів. Ліпідів, мінеральних речовин, в яких знаходяться рибосоми, включення, плазміди.
На рибосомах відбувається біосинтез білка. Рибосоми прокаріотів відрізняються від еукаріотичних дрібнішими розмірами (70 S).
Включення - запасні поживні речовини бактеріальної клітини, а також скупчення пігментів. До запасних поживних речовин належать: гранули волютину (неорганічного поліфосфату), глікоген, гранульозу, крохмаль, краплі жиру, скупчення пігменту, сірки, кальцію. Включення зазвичай утворюється при вирощуванні бактерій на багатих поживних середовищах і зникає при голодуванні.
Клітинна мембрана – обмежує цитоплазму. Сосотоіт з подвійного шару фосфоліпідів та вбудованих мембранних білків. КМ крім бар'єрної та транспортної функцій виконують роль центру метаболічної активності (на відміну від еукаріотичної клітини). Білки мембрани, відповідальні за перенесення необхідних речовин у клітину, називають пермеазами. На внутрішній поверхні КМ знаходяться ферментні ансамблі, тобто упорядковані скупчення молекул ферментів, відповідальних за синтез енергоносіїв – молекул АТФ. КМ може утворювати вп'ячування в цитоплазму, які називають мезосомами. Існує два види мезосом:
Септальні – утворюють поперечні перегородки у процесі поділу клітини.
Латеральні – служать збільшення поверхні КМ і підвищення швидкості обмінних процесів.
Нуклеоїд, ЦП та КМ утворюють протопласт.
Однією з відмінних властивостей бактерій є дуже високий внутрішньоклітинний осмотичний тиск (від 5 до 20 атм), що є результатом інтенсивного обміну речовин. Тому для захисту від осмотичного шоку бактеріальна клітина оточена міцною клітинною стінкою.
За будовою клітинної стінки всі бактерії поділяються на дві групи: Мають одношарову клітинну стінку - Грам-позитивні. Ті, що мають двошарову клітинну стінку - Грам-негативні. Назви Грам+ і Грам мають свою передісторію. У 1884 році датський мікробіолог Ганс Христиан Грам розробив оригінальний метод забарвлення мікробів, в результаті якого одні бактерії забарвлювалися в синій колір (грам+), а інші в червоний (грам-). Хімічна основа різного забарвлення бактерій методом Грама було з'ясовано порівняно недавно – близько 35 років тому вони. Виявилося, що Г- та Г+ бактерії мають різну будову клітинної стінки. Будова клітинної стінки Г+ бактерій. Основу клітинної стінки Г+ бактерій складають 2 полімери: пептидоглікан та тейхоєві кислоти. Пептидоглікан являє собою лінійний полімер, в якому чергуються залишки мурамової кислоти та ацетилглюкозаміну. З мурамовою кислотою ковалентно пов'язаний тетрапептид (білок). Нитки пептидоглікану пов'язані між собою через пептиди і утворюють міцний каркас - основу клітинної стінки. Між нитками пептидоглікану знаходиться інший полімер - тейхоєві кислоти (гліцерол ТК і рибітол ТК) - полімер поліфосфатів. Тейхоєві кислоти виступають на поверхні клітинної стінки та є головними АГ Г+ бактерій. Крім цього, до складу клітинної стінки Г+ бактерій входить рибонуклеат Mg. Стінка Г-бактерій складається з 2-х шарів: внутрішній шар представлений моно-або бислоем пептидоглікану (тонкий шар). Зовнішній шар складається з ліпополісахаридів, ліпопротеїну, білків, фосфоліпідів. ЛПС всіх Г-бактерій мають токсичні та порогові властивості і називаються ендотоксинами.
При дії деяких речовин, наприклад пеніциліну, порушується синтез пептидогліканового шару. При цьому з Г+ бактерій утворюється протопласт, а з Г-сферопласт (оскільки зберігається зовнішній шар клітинної стінки).
За певних умов культивтрування клітини, позбавлені клітинної стінки, зберігають здатність до зростання та поділу, і такі форми називають L-формами (за назвою. Інституту Лістера, де було відкрито це явище). У деяких випадках після усунення фактора, що гальмує синтез клітинної стінки L-форми, можуть перетворитися на вихідні форми.
Багато бактерій синтезують слизову речовину, що складається з мукополісахаридів, яка відкладається із зовнішнього боку клітинної стінки, оточуючи бактеріальну клітину слизовим чохлом. Це капсула. Функція капсули – захист бактерій від фазоцитозу.
Поверхневі структури бактеріальної клітини.
Органи прикріплення до субстрату (адгезії) – пили (фімбрії) чи вії. Починаються від мембрани клітини. Складаються з білка піліну. Число пилок може досягати 400 на 1 клітину.
Органи передачі спадкової інформації – F-пили чи sex-пили. F-пили утворюються тільки в тому випадку, якщо клітина не плазміду, т.к. білки F-пили кодує ДНК плазміди. Вони є тонкою довгою трубочкою, яка прикріплюється до іншої бактеріальної клітини. Через канал, що утворився, плазміда переходить у сусідню бактеріальну клітину.
Органи руху – джгутики – являють собою спіральні нитки. Їхня довжина може перевищувати їх діаметр у 10 і більше разів. Джгутики складаються з білка флагеліну. Основа джгутика пов'язана з клітинною мембраною у вигляді базального тільця. Базальне тільце складається із системи кілець, які обертаючись передають обертальний рух джгутику. За розташуванням джгутиком бактерії діляться на моно-, лофо-, амфі-, перитрихи.
Бактерії – мікроскопічні одноклітинні організми. Будова бактеріальної клітини має особливості, що є причиною виділення бактерій в окреме царство живого світу.
Оболонки клітини
Більшість бактерій має три оболонки:
- клітинна мембрана;
- клітинна стінка;
- слизова капсула.
Безпосередньо із вмістом клітини – цитоплазмою, стикається клітинна мембрана. Вона тонка та м'яка.
Клітинна стінка – щільна, товстіша оболонка. Її функція - захист та опора клітини. Клітинна стінка та мембрана мають пори, через які в клітину надходять необхідні їй речовини.
Багато бактерій мають слизову капсулу, яка виконує захисну функцію та забезпечує злипання з різними поверхнями.
ТОП-4 статтіякі читають разом з цією
Саме завдяки слизовій оболонці стрептококи (один із видів бактерій) прилипають до зубів і викликають карієс.
Цитоплазма
Цитоплазма – це внутрішній вміст клітини. На 75% складається із води. У цитоплазмі знаходяться включення – краплі жиру та глікогену. Вони є запасними поживними речовинами клітини.
Мал. 1. Схема будови бактеріальної клітини.
Нуклеоїд
Нуклеоїд означає «подібний до ядра». У бактерій немає справжнього, або, як ще кажуть, оформленого ядра. Це означає, що у них немає ядерної оболонки та ядерного простору, як у клітин грибів, рослин та тварин. ДНК знаходиться у цитоплазмі.
Функції ДНК:
- зберігає спадкову інформацію;
- реалізує цю інформацію, керуючи синтезом білкових молекул, притаманних цього виду бактерій.
Відсутність істинного ядра – найважливіша особливість бактеріальної клітини.
Органоїди
На відміну від клітин рослин та тварин, бактерії не мають органоїдів, побудованих з мембран.
Але клітинна мембрана бактерій у деяких місцях проникає до цитоплазми, утворюючи складки, які називаються мезосомою. Мезосома бере участь у розмноженні клітини та обміні енергії та як би замінює мембранні органоїди.
Єдиний органоїд, що є у бактерій – рибосоми. Це маленькі тільця, які розміщені у цитоплазмі та синтезують білки.
У багатьох бактерій є джгутик, за допомогою якого вони переміщуються в рідкому середовищі.
Форми бактеріальних клітин
Форма клітин бактерій різна. Бактерії як кулі називаються коками. У вигляді коми – вібріонами. Паличкоподібні бактерії – бацили. Спірили мають вигляд хвилястої лінії.
Мал. 2. Форми клітин бактерій.
Бактерії можна побачити лише під мікроскопом. Середні розміри клітки 1-10 мкм. Зустрічаються бактерії завдовжки до 100 мкм. (1 мкм = 0,001 мм).
Спороутворення
При настанні несприятливих умов бактеріальна клітина перетворюється на сплячий стан, що називається спорою. Причинами спороутворення можуть бути:
- знижені та підвищені температури;
- посуха;
- нестача харчування;
- небезпечні життя речовини.
Перехід відбувається швидко, протягом 18-20 годин, а перебувати клітка може спори може сотні років. При відновленні нормальних умов бактерія за 4-5 годин проростає зі суперечки та переходить у звичайний режим життєдіяльності.
Мал. 3. Схема утворення суперечки.
Розмноження
Бактерії розмножуються поділом. Період від народження клітини до її розподілу становить 20-30 хвилин. Тому бактерії поширені Землі.
Що ми дізналися?
Ми дізналися, що, загалом, клітини бактерій подібні до клітин рослин і тварин, вони мають мембрану, цитоплазму, ДНК. Основною відмінністю бактеріальних клітин є відсутність оформленого ядра. Тому бактерії називають доядерними організмами (прокаріотами).
Тест на тему
Оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.1. Усього отримано оцінок: 528.
Для вивчення будови бактеріальної клітини поряд зі світловим мікроскопом застосовують електронно-мікроскопічні та мікрохімічні дослідження, що дозволяють визначити ультраструктуру бактеріальної клітини.
Бактеріальна клітина (рис. 5) складається з наступних частин: тришарової оболонки, цитоплазми з різними включеннями та ядерної речовини (нуклеоїду). Додатковими структурними утвореннями є капсули, суперечки, джгутики, пилки.
Мал. 5. Схематичне зображення будови бактеріальної клітини. 1 – оболонка; 2 – слизовий шар; 3 – клітинна стінка; 4 – цитоплазматична мембрана; 5 – цитоплазма; 6 – рибосома; 7 – полісома; 8 – включення; 9 – нуклеоїд; 10 - джгутик; 11 - пили
Оболонкаклітини складається із зовнішнього слизового шару, клітинної стінки та цитоплазматичної мембрани.
Слизовий капсульний шар знаходиться зовні клітини та виконує захисну функцію.
Клітинна стінка - один із основних структурних елементів клітини, що зберігає її форму і відокремлює клітину від навколишнього середовища. Важливою властивістю клітинної стінки є вибіркова проникність, яка забезпечує проникнення в клітину необхідних поживних речовин (амінокислот, вуглеводів та ін.) та виведення з клітини продуктів обміну. Клітинна стінка зберігає всередині клітини постійний осмотичний тиск. Міцність стінки забезпечує муреїн, речовина полісахаридної природи. Деякі речовини руйнують клітинну стінку, наприклад, лізоцим.
Бактерії, повністю позбавлені клітинної стінки, називаються протопластами. Вони зберігають здатність до дихання, поділу, синтезу ферментів; до впливу зовнішніх факторів: механічного пошкодження, осмотичного тиску, аерації та ін Зберегти протопласти можна тільки в гіпертонічних розчинах.
Бактерії із частково зруйнованою клітинною стінкою називаються сферопластами. Якщо придушити процес синтезу клітинної стінки за допомогою пеніциліну, то утворюються L-форми, які у всіх видів бактерій являють собою кулясті великі та дрібні клітини з вакуолями.
Цитоплазматична мембрана щільно прилягає до клітинної стінки із внутрішньої сторони. Вона дуже тонка (8-10 нм) і складається з білків та фосфоліпідів. Це прикордонний напівпроникний шар, через який здійснюється живлення клітини. У мембрані знаходяться ферменти пермеази, що здійснюють активне перенесення речовин, та ферменти дихання. Цитоплазматична мембрана утворює мезосоми, що беруть участь у розподілі клітини. При поміщенні клітини гіпертонічний розчин мембрана може відокремитися від клітинної стінки.
Цитоплазма- Внутрішній вміст бактеріальної клітини. Вона є колоїдною системою, що складається з води, білків, вуглеводів, ліпідів, різних мінеральних солей. Хімічний склад та консистенція цитоплазми змінюються залежно від віку клітини та умов навколишнього середовища. У цитоплазмі знаходяться ядерна речовина, рибосоми та різні включення.
Нуклеоїд, ядерна речовина клітини, її спадковий апарат. Ядерна речовина прокаріотів, на відміну від еукаріотів, не має власної мембрани. Нуклеоїд зрілої клітини є подвійною ниткою ДНК, згорнутою в кільце. У молекулі ДНК закодовано генетичну інформацію клітини. За генетичною термінологією ядерна речовина одержала назву генофор або геном.
Рибосоми знаходяться в цитоплазмі клітини та виконують функцію синтезу білка. До складу рибосоми входить 60% РНК та 40% білка. Кількість рибосом у клітині досягає 10000. З'єднуючись разом, рибосоми утворюють полісоми.
Включення – гранули, що містять різні запасні поживні речовини: крохмаль, глікоген, жир, волютин. Вони розташовані у цитоплазмі.
Клітини бактерій у процесі життєдіяльності утворюють захисні органели – капсули та суперечки.
Капсула- Зовнішній ущільнений слизовий шар, що примикає до клітинної стінки. Це захисний орган, який з'являється у деяких бактерій при попаданні в організм людини і тварин. Капсула оберігає мікроорганізм від захисних факторів організму (збудники пневмонії та сибірки). Деякі мікроорганізми мають постійну капсулу (клебсієли).
Споризустрічаються лише у паличкоподібних бактерій. Вони утворюються при попаданні мікроорганізму в несприятливі умови довкілля (дія високих температур, висихання, зміна рН, зменшення кількості поживних речовин у середовищі тощо). Спори знаходяться всередині бактеріальної клітини і представляють ущільнену ділянку цитоплазми з нуклеоїдом, одягнений власною щільною оболонкою. За хімічним складом вони відрізняються від вегетативних клітин малою кількістю води, збільшеним вмістом ліпідів та солей кальцію, що сприяє високій стійкості спор. Спороутворення відбувається протягом 18-20 год; при попаданні мікроорганізму у сприятливі умови суперечки протягом 4-5 год проростає у вегетативну форму. У бактеріальній клітині утворюється лише одна суперечка, отже, суперечки є органами розмноження, а служать переживання несприятливих умов.
Спороутворюючі аеробні бактерії називаються бацилами, а анаеробні – клостридіями.
Спори відрізняються за формою, розмірами та розташуванням у клітині. Вони можуть розташовуватися центрально, субтермінально та термінально (рис. 6). У збудника сибірки спору розташовується центрально, її розмір не перевищує діаметра клітини. Спор збудника ботулізму розташований ближче до кінця клітини - субтермінально і перевищує ширину клітини. У збудника правця округла суперечка розташовується на кінці клітини - термінально і значно перевищує ширину клітини.
Джгутики- органи руху, характерні для паличкоподібних бактерій. Це тонкі ниткоподібні фібрили, що складаються з білка – флагеліну. Довжина значно перевищує довжину бактеріальної клітини. Джгутики відходять від базального тільця, розташованого в цитоплазмі, і виходять на поверхню клітини. Наявність їх можна виявити за визначенням рухливості клітин під мікроскопом, у рідкому живильному середовищі або при фарбуванні спеціальними методами. Ультраструктуру джгутиків вивчено в електронному мікроскопі. За розташуванням джгутиків бактерії ділять на групи (див. рис. 6): монотрихи - з одним джгутиком (збудник холери); амфітрихи - з пучками чи одиничними джгутиками на обох кінцях клітини (спірили); лофотрихи - з пучком джгутиків на одному кінці клітини (фекальний лугоутворювач); перитрихи – джгутики розташовані по всій поверхні клітини (кишкові бактерії). Швидкість руху бактерій залежить від кількості та розташування джгутиків (найактивніші монотрихи), від віку бактерій і впливу навколишніх факторів.
Мал. 6. Варіанти розташування спор та джгутиків у бактерій. I – суперечки: 1 – центральне; 2 – субтермінальне; 3 – термінальне; II - джгутики: 1 - монотрихи; 2 – амфітрихи; 3 – лофотрихи; 4 - перитрихи
Пили або фімбрії- ворсинки, що розташовані на поверхні бактеріальних клітин. Вони коротші і тонші за джгутики і також мають спіральну структуру. Складаються пили з білка – пиліна. Одні пили (їх кілька сотень) служать для прикріплення бактерій до клітин тварин і людини, з іншими (поодинокими) пов'язана передача генетичного матеріалу клітини в клітину.
Мікоплазми
Мікоплазми - клітини, що не мають клітинної стінки, але оточені тришаровою ліпопротеїдною цитоплазматичною мембраною. Мікоплазми можуть бути сферичної, овальної форми, у вигляді ниток та зірок. Мікоплазми за класифікацією Берги виділено окрему групу. Нині цим мікроорганізмам приділяється дедалі більшу увагу як збудникам захворювань запального характеру. Розміри їх різні: від кількох мікрометрів до 125-150 нм. Дрібні мікоплазми проходять через бактеріальні фільтри і називаються формами, що фільтруються.
Спірохети
Спірохети (див. рис. 52) (від латів. speira - вигин, chaite - волосся) - тонкі, звивисті, рухливі одноклітинні організми, що мають розміри від 5 до 500 мкм завдовжки і 0,3-0,75 мкм завширшки. З найпростішими їх ріднить спосіб руху шляхом скорочення внутрішньої осьової нитки, що складається з пучка фібрил. Характер руху спірохет різний: поступальний, обертальний, згинальний, хвилеподібний. В іншому будова клітини є типовою для бактерій. Деякі спірохети слабо забарвлюються аніліновими барвниками. Спірохети поділяють на пологи за кількістю та формою завитків нитки та її закінчення. Крім сапрофітних форм, поширених у природі та організмі людини, серед спірохет є хвороботворні – збудники сифілісу та інших захворювань.
Ріккетсії
Віруси
Серед вірусів виділяють групу фагів (від латів. phagos - пожирає), що викликають лізис (руйнування) клітин мікроорганізмів. Зберігаючи властиві вірусам властивості та склад, фаги відрізняються структурою віріона (див. розділ 8). Вони не викликають захворювань людини та тварин.
Контрольні питання
1. Розкажіть про класифікацію мікроорганізмів.
2. Назвіть основні властивості представників царства прокаріотів.
3. Перерахуйте та охарактеризуйте основні форми бактерій.
4. Назвіть основні органели клітини та їх призначення.
5. Дайте коротку характеристику основних груп бактерій та вірусів.