Бактериальная клетка - особенности строения, состав и функции

Размер и форма

Бактерии, которые относятся к прокариотам, считаются самыми мелкими живыми организмами, известными сегодня науке. Они могут иметь разные формы тела, которые влияют на процессы их жизнедеятельности. Их составляющие делятся на постоянные и непостоянные. Структурные компоненты прокариотов отличаются от растительных и животных клеток. В учебниках биологии часто приводятся таблицы и рисунки с обозначениями структур, по которым можно найти различия между разными организмами.

Размер бактерий варьируется в пределах 0,2−10 мкм. Но есть разновидности, достигающие до 600 мкм в длину и 100 мкм в диаметре, которые можно увидеть невооружённым глазом. Микроорганизмы с размером тела меньше 0,5 мкм называются нанобактериями. Они могут проходить через мембранные фильтры. Многим из них, например, микоплазмам и хламидиям, характерен паразитический образ жизни. А есть такие, что относятся к хищным разновидностям.

Разделяют бактериальные клетки по форме:

• сферические (кокки);
• палочковидные (бациллы);
• изогнутые (вибрионы);
• спиралевидные (спириллы);
• спирально извитые (спирохеты).

Коккобациллы отличаются формой, промежуточной между сферической и палочковидной. Бактерии могут образовывать устойчивые комбинации в виде пары палочек (диплобациллы) или кокков (диплококки), которые можно рассмотреть в микроскоп. Цепочки палочек называются стрептобациллами, а сочетания кокков — стрептококки. Некоторые организмы соединяются в розетки, гроздья или сети. Среди необычных форм встречаются звёздчатые варианты. Существуют прокариоты, которые в течение жизненного цикла меняют морфологию. Некоторые микроорганизмы включают клетки, несущие стебельки и иные придатки.

Клеточная стенка

Микроорганизмы группируют на грамположительные и грамотрицательные, в зависимости от особенностей строения. Бактериальная клетка окружена жёсткой клеточной стенкой, которая состоит из пептидогликана (муреина). Этот полимер представляет собой полисахаридные цепи, соединённые пептидными сшивками.

Клеточная стенка считается жизненно важной частью для бактерий, поскольку любые антибиотики не дают им формироваться. Неправильный рост грамотрицательных видов способствует образованию сферопластов. Эти структурные единицы лишены клеточной стенки или могут быть покрыты дефектным слоем. Однако они могут размножаться, взаимодействовать с бактериофагами, а при благоприятной среде восстанавливаться до нормальной структуры.

Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки и противостоит её внутреннему давлению, поддерживает форму бактерии. Через небольшие отверстия муреина могут проходить только молекулы массой до 50 кДа. При необходимости для белков жгутиков, пилей и ДНК отверстия для их прохождения расширяются, благодаря специфическим гидролазам пептидогликана.

Цитоплазматическая мембрана

Следующий обязательный слой бактериальной клетки — мембрана. Её покрывает клеточная стенка, что видно на схеме.

Клеточную мембрану также именуют цитоплазматической. Она представлена липидным бислоем, через который внутрь клетки поступают питательные вещества.

Мембрана поддерживает осморегуляцию прокариота, обеспечивает секрецию белков и участвует в формировании клеточной стенки. Она поддерживает биосинтез внеклеточных полимеров, получает регуляторные сигналы из внешней среды. Цитоплазматическая мембрана участвует в передаче ДНК, синтезе и разделении дочерних хромосом при размножении бактерий.

Липидный бислой включает разные белки. Его химический состав разнообразнее мембран эукариотических составляющих. В бактериях цитоплазматический слой меняет свойства, варьируя жирные кислоты в составе липидов. Мембрана содержит гопаноиды, которые заменяют стероиды. Пентациклические соединения на основе гопана участвуют в нормализации физических свойств липидного бислоя.

Другие внеклеточные структуры

Внешние структуры бактериальной клетки представлены не только клеточной стенкой и мембраной. У многих видов этих микроорганизмов есть капсула из экзополисахаридов. В ней содержатся линейные или разветвлённые полигликаны и полипептиды. Капсула защищает клетки непатогенных бактерий от высыхания. У патогенных видов она увеличивает вирулентность, поэтому иммунной системе сложно их подавить и уничтожить.

Бактериальные клетки могут иметь и другие внеклеточные структуры:

1. S-слой состоит из упорядоченных белковых субъединиц. Присутствует не у всех микроорганизмов. Есть бактерии, у которых он выступает единственной плотной оболочкой. S-слой не участвует в образовании формы бактерий. Он защищает их тела от внешних факторов и препятствует попаданию экзогенных молекул.
2. Жгутик. Подвижность бактерий обусловлена наличием одного или нескольких жгутиков, которые расположены на поверхности. Белковые структуры могут находиться на противоположных полюсах тельца или быть собраны в пучки. У некоторых бактерий они разбросаны по всей поверхности. Клетка движется, когда жгутик начинает вращаться по часовой стрелке или против неё.
3. Пили (фимбрии). Белковые структуры в виде ворсинок расположены на поверхности большинства бактерий. Пили участвуют в конъюгации микроорганизмов, прикреплении их к субстрату и иным клеткам. Они помогают адаптироваться прокариотам к новым условиям. Фимбрии могут быть тонкими и напоминать нити. Встречаются клетки, у которых пили представляют собой толстые палочкообразные структуры с осевыми отверстиями.

У разных видов бактерий могут быть дополнительные внеклеточные образования. Если слизистая структура покрывает не отдельную бактерию, а скопление структурных единиц, её называют чехлом. Такая оболочка встречается у хламидий и цианобактерий.

Некоторые грамотрицательные бактерии обладают шипами, которые представляют собой полые белковые структуры. Они состоят из спирально уложенных молекул спинина и прикреплены к мембране. Шипы могут быть конической или конусообразно-цилиндрической формы.

Есть виды бактерий, которые характеризуются газовыми вакуолями. Объёмные структуры, наполненные газом, имеют сферическую, игольчатую или цилиндрическую форму. Они прикрепляются к поверхности клетки и содержат запасной кислород, если в окружающей среде его очень мало.

Компоненты цитоплазмы

Внутри цитоплазматической мембраны заключена сложная динамическая система, называемая цитоплазмой. Она представляет собой специфический водный раствор с различными включениями.

Компоненты цитоплазмы:

• Рибосомы. Размер круглых органоидов варьируется в пределах 15−20 нм. Рибосомы синтезируют белок из аминокислот. Это основная функция структуры. Рибосома также соединяет белоксинтезирующую систему и транспортирует РНК.
• Мезосомы. Мембранное образование характерно для большинства прокариотов. Структуры характеризуются формой трубочек, пузырьков или петель. Главная функция мезосом — создание энергии. Частицы участвуют в делении бактериальных клеток и формировании спор.
• Гранулы. Эти частицы выступают дополнительным источником энергии для бактерий. В них содержатся полисахариды, небольшой объём жира и крахмал. Гранулы могут быть любой формы.

В центре прокариотов находится нуклеоид, который заменяет ядро. Он хранит основную часть клеточной информации микроорганизма. Нуклеоид представлен кольцом из молекулы ДНК длиной примерно 1 мкм. Он способен сохранить до 1000 признаков. С помощью этой структуры признаки и свойства передаются от бактерии потомству.

Плазмиды напоминают молекулы ДНК, но в них отсутствуют хромосомные факторы наследственности. Основная функция внутриклеточных структур — передача их свойств другим микроорганизмам. Плазмиды способны сохранять генетическую устойчивость к антибиотикам. Также они устойчивы к ультрафиолету и тяжёлым металлам. Обычно обладают кольцевой формой, но не исключена и линейная.

Деление клеток

Размножение одноклеточных микроорганизмов, в том числе и бактерий, происходит путём деления клетки. Сначала она удлиняется, а внутри неё появляется поперечная перегородка. Затем структура разделяется на 2 равные по размеру дочерние клетки, которые потом расходятся.

Главное отличие размножения клетки бактерий в том, что в процессе размножения участвует реплицированная ДНК. При бинарном делении образуется перегородка под названием септа. Она помогает разделить дочерние части, постепенно расслаиваясь в середине материнской клетки.

Также у некоторых микроорганизмов может наблюдаться неравноценное деление. Например, у грамотрицательной бактерии Caulobacter crescentus одна дочерняя структурная единица подвижная и обладает жгутиком для хемотаксиса. А вторая клетка остаётся прикреплённой к субстрату с помощью стебелька. Подвижные микроорганизмы сначала пребывают в свободном плавании, а потом делятся на части. Репликация хромосом и размножение бактерий происходит на стадии прикреплённой клетки.

При благоприятных условиях микроорганизмы быстро растут и размножаются. Популяция некоторых видов бактерий может удваиваться через каждые 10 минут.

Строение бактериальных клеток довольно простое, хотя за много лет существования их структура достаточно усложнилась. Учёные открыли больше 10 тыс. этих видов прокариотов, однако они считают, что на планете есть ещё много нераскрытых микроорганизмов.