Размеры и форма клеток бактерий
Ворсинки, или фимбрии
Генетический материал прокариот
Подавляющее большинство прокариот являются одноклеточными организмами. Только среди цианобактерий
встречаются как одноклеточные (Chroococcus, Microcystis,
Gloeocapsa), так и многоклеточные формы (Oscillatoria, Lyngbya,
Anabaena, Nostoc). У многоклеточных форм клетки соединены при помощи плазмодесм и
особью является не клетка, а отдельный трихом (нить).
Нити Anabaena и Nostoc среди ряда основных овальных или округлых клеток имеются более
крупные и бесцветные – гетероцисты.
В среднем линейные размеры бактериальных клеток находятся в пределах 0,5–3 мкм, но есть среди бактерий и свои «гиганты» и «карлики». В частности, клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba имеют диаметр до 500 мкм; бактерии Achromatium oxaliferum имеют в длину 15–100 мкм при поперечнике примерно 5–33 мкм, а длина клеток спирохет может быть до 250 мкм. Самые мелкие из известных бактерий – микоплазмы, имеющие диаметр клеток 0,1–0,15 мкм.
Для бактерий характерны три основные формы клеток: кокковидная, палочковидная и извитая (рисунок 4).
Рисунок 4 – Основные формы бактерий:
1 – монококки; 2 – диплококки; 3 – стрептококки; 4 – стафилококки; 5 – сарцины; 6 – бациллы; 7 – спириллы; 8 – вибрионы
Кокковидные бактерии обычно имеют форму правильного шара диаметром 1,0–2,0 мкм, но могут быть овальными, эллипсоидными, бобовидными. Кокковидные бактерии способны делиться в нескольких плоскостях, при этом после деления клетки могут не расходиться и формировать различного вида скопления. Если деление кокков происходит в одной плоскости, то могут образовываться пары клеток – диплококки и цепочки клеток разной длины – стрептококки. Кокки, делящиеся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и не расходящиеся после этого, образуют тетрады кокков – тетракокки. Когда деление клеток происходит в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, образуются пакеты из восьми кокков в виде тюков кубической формы – сарцины. У некоторых видов бактерий при делении кокков в нескольких плоскостях могут образовываться неправильные по форме скопления, напоминающие гроздья винограда – стафилококки.
Палочковидные клетки сильно различаются по величине отношения
длины клетки к ее поперечнику. Делясь только в одной плоскости, клетки могут располагаться поодиночке –
монобациллы, образовывать пары – диплобациллы или цепочки – стрептобациллы.
Извитые клетки различаются количеством образуемых витков. В зависимости от формы и количества витков различают: вибрионы, изогнутые клетки наподобие запятой; спириллы, имеющие 3–5 крупных витков; спирохеты – клетки с большим количеством мелких витков.
Известны и клетки иных типов: клетки с выростами; булавовидной формы; веретенообразные; ланцетовидные; разветвленные и неразветвленные нитчатые формы; имеющие вид замкнутого или незамкнутого кольца; ветвящиеся. Среди архебактерий встречаются необычные плоские клетки, имеющие вид пластинок и коробочек разнообразной геометрической формы, сходные с кусочками битого стекла.
Для микоплазм и некоторых других бактерий при прохождении цикла развития наблюдается изменение формы клетки (в виде палочек, кокков или обнаруживают слабое ветвление), т. е. плеоморфизм (морфологическая изменчивость).
Цитоплазма вместе с цитоплазматической мембраной составляют протопласт клетки, снаружи от него расположены поверхностные структуры. К их числу относятся клеточная стенка, капсулы, чехлы, слизистые слои, жгутики, ворсинки.
Клеточная стенка является обязательным структурным элементом бактериальной клетки, исключение составляют микоплазмы, протопласты, сферопласты и L-формы бактериальных клеток.
Основным компонентом клеточной стенки большинства бактерий является муреин.
Муреин – гетерополимер класса пептидогликанов, построенный из цепочек, в которых чередуются остатки N-ацетил-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенные между собой гликозидными связями (рисунок 5).
Рисунок 5 – Структура молекулы пептидогликана
Остатки N-ацетилмурамовой кислоты соединены с тетрапептидом,
в составе которого обнаруживаются аминокислоты: L-аланин, D-глута-
миновая кислота, мезо-диаминопимелиновая кислота и D-аланин. Гетерополимерные цепи связаны
между собой и образуют мешкообразную гигантскую молекулу – муреиновый мешок, который выполняет функцию
опорного каркаса клеточной стенки.
В 1884 г. датский ученый Г.Х. Грам предложил способ окраски, который является важным диагностическим методом в микробиологической практике. Метод основан на способности некоторых видов бактерий образовывать в клетке прочные соединения основного красителя генцианового фиолетового с йодом. Эти виды бактерий при дальнейшей обработке их 96 %-м этанолом или ацетоном сохраняют фиолетовую окраску и носят название грамположительных. В отличие от них другие виды бактерий не образуют столь прочного соединения краски с йодом, легко обесцвечиваются под действием спирта, имеют цвет дополнительного красителя и называются грамотрицательными.
Г.Х. Грам
(1853–1938)
Клеточная стенка грамположительных и грамотрицательныхбактерий различается по химическому составу и ультраструктуре (рисунок 6).
Рисунок 6 – Схематическое строение клеточной стенки:
А – грамположительные бактерии; Б – грамотрицательные бактерии; 1 – цитоплазматическая мембрана; 2 – муреин; 3 – периплазматическое пространство; 4 – наружная мембрана; 5 – нуклеоид
Клеточная стенка грамположительных бактерий плотно прилегает кцитоплазматической мембране и представляет собой гомогенный плотный слой толщиной варьирует от 20 до 80 нм в зависимости от вида. Муреин в клеточной стенке грамположительных бактерий составляет от 50 до 90 % ее сухой массы. С муреином связаны тейхоевые кислоты – полимеры, образованные остатками спирта рибита или глицерина, связанными фосфодиэфирными мостиками. В составе клеточной стенки грамположительных бактерий в небольшом количестве также обнаружены полисахариды, белки и липиды. К грамположительным бактериям относятся: Bacillus subtilis, Sarcina ventriculi, Streptococcus lactis, Staphyloccocus aureus, Clostridium pasterianum и др.
Клеточная стенка грамотрицательных бактерий многослойна, толщина ее составляет от 14 до 17 нм. Внутренний слой клеточной стенки представлен муреином, на долю которого приходится от 1 до 10 % сухой массы клеточной стенки. Внешний слой клеточной стенки (наружная мембрана) образован фосфолипидами, липопротеинами и белками. Содержание липидов в наружной мембране составляет в среднем 22 % сухой массы клеточной стенки. В наружной мембраненаходятся трансмембранные белки (порины), которые насквозь пронизывают мембрану. Порины осуществляют транспорт через мембрану гидрофильных низкомолекулярных веществ. В клеточной стенке грамотрицательных бактерий отсутствуют тейхоевые кислоты. Электронно-прозрачный слой, или периплазматическое пространство, разделяет компоненты клеточной стенки у грамотрицательных бактерий, а также отделяет клеточную стенку от цитоплазматической мембраны. К грамотрицательным бактериям относятся: Escherichia coli, Erwinia carotovora, Proteus vulgaris, Yersinia pestis, Pseudomonas aeruginosa и др.
Основными функциями клеточной стенки являются: формообразующая, защитная, обеспечение связи с окружающей средой, проведение веществ в цитоплазму и выделение метобалитов в окружающую среду.
Слизистые вещества на поверхности клеточной стенки продуцируют многие микроорганизмы. Слизистые вещества по химической природе являются полисахаридами. Особенно обильное их образование наблюдается у многих микроорганизмов при выращивании на среде с сахарозой. Различают слизи, капсулы, слизистые чехлы, между которыми упрокариот обнаружено много переходных форм.
Слизистое вещество следует рассматривать как продукт жизнедеятельности, поверхностных слоев цитоплазмы, выделяемый клеточной оболочкой наружу. В слизистом веществе капсул обнаружены полисахариды: декстраны, галактаны, целлюланы. Кроме полисахаридов в состав капсул входят полипептиды, состоящие главным образом из цепочек молекул глютаминовой кислоты. Химический состав капсул различных бактерий характеризуется строгой специфичностью.
В зависимости от толщины слизистого слоя принято различать микрокапсулу толщиной до 0,2 мкм (она видима лишь в электронном микроскопе). Связь микрокапсулы с клеточной стенкой настолько прочна, что ее иногда предлагают рассматривать как элемент клеточной стенки. Макрокапсула представлена слоем слизи толщиной более 0,2 мкм.
Слизью называют вещество, окружающее клетку, имеющее аморфный, бесструктурный вид и легко отделяющееся от поверхности бактериальной клетки, а по толщине часто превосходящее.
В отличие от капсул и слизистых слоев, слизистые чехлы имеют сложную тонкую структуру; в их составе выявляют несколько слоев разного строения и сложного химического состава. Чехлы ряда бактерий, метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений металлов, часто инкрустированы их окислами.
Слизистые образования не являются обязательными структурами бактериальной клетки. Их появление или разрушение не приводят к какому-либо нарушению клеточной активности. Слизистые образования выполняют ряд функций в клетке: защищают клетку от неблагоприятных факторов внешней среды, механических повреждений, высыхания; создают дополнительный осмотический барьер; повышают вирулентность у некоторых бактерий, препятствуя адсорбции бактериофагов на клетках бактерий; являются источником запасных питательных веществ; объединяют клетки в цепочки, колонии; обеспечивают прикрепление клеток к поверхности субстрата.
Жгутики представляют собой спирально закрученные нити, состоящие из субъединиц белка флагеллина. Жгутик состоит из нити (филамент, флагелла), крюка и базального тельца (рисунок 7).
Рисунок 7 – Схема строения жгутика:
А – жгутик грамотрицательных бактерий; Б – жгутик грамположительных бактерий; ЦПМ – цитоплазматическая мембрана; ВМ – наружная мембрана клеточной стенки
С помощью базального тельца, в которое входит центральный стержень и кольца, жгутик закреплен в цитоплазматической мембране и клеточной стенке. Количество колец зависит от строения клеточной стенки: у грамположительных бактерий два кольца – S, М (S-кольцо располагается в пептидогликановом слое клеточной стенки, М-кольцо – в цитоплазматической мембране); у грамотрицательных бактерий имеются четыре кольца – L, Р, S, М (L-кольцо закреплено в наружной мембране, Р-кольцо – в муреиновом слое клеточной стенки, S-кольцо – в периплазматическом пространстве, М-кольцо – в цитоплазматической мембране клетки).
По расположению и числу жгутиков на поверхности клетки бактерии подразделяют на: монотрихи – имеют один жгутик (род Vibrio); лофотрихи – несут на одном или на обоих полюсах клетки пучок жгутиков (род Pseudomonas); амфитрихи – имеют по жгутику на обоих полюсах клетки (род Spirillum); перитрихи – большое количество жгутиков, располагающихся по всей поверхности клетки (род Bacillus, род Clostridium) (рисунок 8).
Рисунок 8 – Типы жгутикования бактерий:
1 – монотрих; 2 – лофотрих; 3 – амфитрих; 4 – перитрих
Ворсинки, или фимбрии – поверхностные структуры, состоящие из белка пилина и не выполняющие функцию движения. По размерам они короче и тоньше жгутиков. Число фимбрий на поверхности клетки колеблется от 1–2 до нескольких тысяч, их имеют как кокковидные, так и палочковидные бактерии. Они имеют вид полых белковых трубочек длиной от 0,5 до 10 мкм. Различают два типа ворсинок.
Фимбрии общего типа обеспечивают прикрепление клетки к поверхности субстрата, участвуют в поступлении крупномолекулярных соединений в цитоплазму клетки.
Специфические ворсинки (половые пили, F-пили) обнаружены у клеток-доноров, содержащих половой фактор (F-плазмиду) или другие донорспецифические плазмиды. Такие клетки способны синтезировать одну-две F-пили на клетку для образования конъюгационных пар при переносе генетического материала от клетки донора в клетку реципиента.
Цитоплазматическая мембранасоставляет в зависимости от вида бактерий 8–15 % сухой массы клетки. Химический состав ее представлен белково-липидным комплексом, в котором на долю белков приходится 50–75 %, на долю липидов – 15–50 %. Главным липидным компонентом мембраны являются фосфолипиды. Белковая фракция цитоплазматической мембраны представлена структурными белками, обладающими ферментативной активностью. Белковый состав цитоплазматической мембраны разнообразен. Так, в цитоплазматической мембране бактерий Escherichia coli содержится около 120 различных белков. Кроме того, в составе мембран обнаружено небольшое количество углеводов.
Цитоплазматическая мембрана бактерий по химическому составу в целом сходна с мембранами эукариотических клеток, но мембраны бактерий богаче белками, содержат необычные жирные кислоты и в основном не имеют стеринов.
К строению цитоплазматической мембраны бактерий приложима жидкостно-мозаичная модель, разработанная для мембран эукариот. Согласно этой модели, мембрана состоит из бислоя липидов. Гидрофобные «концы» молекул фосфолипидов и триглицеридов направлены внутрь, а гидрофильные «головки» – наружу. В двойной слой липидов встроены белковые молекулы. По расположению и характеру взаимодействия с липидным бислоем белки цитоплазматической мембраны подразделяются на интегральные, периферические и поверхностные (рисунок 9).
Рисунок 9 – Модель строения цитоплазматической мембраны:
1 – молекулы липидов; а – гидрофильная головка; б – гидрофобный «хвост»; 2 – молекулы белков: в – интегральные; г – периферические; д – поверхностные
Функции цитоплазматической мембраны следующие:
– поддержание внутреннего постоянства цитоплазмы клетки, что достигается за счет уникального свойства – полупроницаемости цитоплазматической мембраны (проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не проницаема для ионизированных соединений);
– обеспечивает транспорт веществ в клетку и вывод их наружу;
– несет электронтранспортную цепь и ферменты окислительного фосфорилирования;
– участвует в синтезе клеточной стенки и капсулы;
– является местом закрепления жгутиков и обеспечивает энергию для их работы.
У прокариот разных таксономических групп обнаружены мезосомы, которые образуются при впячивании (инвагинации) цитоплазматической мембраны в цитоплазму (рисунок 10). По форме различают ламеллярные (пластинчатые), везикулярные (в виде пузырьков), тубулярные (трубчатые) мезосомы и мезосомы смешанного типа.
Рисунок 10 – Строение бактериальной клетки:
1 – запасные липиды; 2 – гранулы полифосфата; 3 – мезосомы; 4 – базальное тельце жгутика; 5 – нить жгутика; 6 – капсула; 7 – клеточная стенка; 8 – цитоплазматическая мембрана; 9 – мезосомы; 10 – рибосомы; 11 – гранулеза; 12 – цитоплазма; 13 – нуклеоид; 14 – запасная сера
К функциям мезосом относится:
– усиление мембранзависимых функций клетки. В мембранах мезосом находятся ферменты, участвующие в энергетическом метаболизме бактерий, и фотосинтетические пигменты, обеспечивающие фотосинтез у прокариот (парахроматофор);
– участие в репликации ДНК и обеспечение расхождения ее копий по дочерним клеткам;
– участие в процессе инвагинации и формирования поперечной перегородки при клеточном делении.
Цитоплазма – это содержимое клетки, окруженное цитоплазматической мембраной, представленной двумя фракциями. Гомогенная фракция (цитозоль), содержит набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций. Гетерогенная фракция цитоплазмы представлена структурными элементами: рибосомами, внутрицитоплазматическими включениями, запасными веществами, нуклеоидом.
Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S. Они образованы двумя субъединицами – 30 S и 50 S. По величине и некоторым другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами митохондрий и хлоропластов. Меньшая субъединица 30 S содержит молекулу 16 S pPHK и обычно 21 молекулу различных белков. Субъединица 50 S состоит из двух типов молекул рРНК (23 S и 5 S) и около 35 молекул различных белков.
Бактериальная клетка содержит от 5 до 50 тыс. рибосом, число их тем больше, чем больше скорость роста клетки. Рибосомы служат местом синтеза белка. Синтез белка осуществляется полирибосомами (полисомами), состоящими из рибосом, информационной (иРНК) и транспортных (тРНК). Полирибосомы могут быть связаны с мембранными структурами или же находиться свободно в цитоплазме.
Внутирицитоплазматические включения – активно функционирующие структуры, к которым относятся хлоросомы, фикобилисомы, аэросомы, карбоксисомы, магнитосомы.
Хлоросомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий принимают непосредственное участие в фотосинтезе и содержат пигменты, поглощающие кванты света и передающие энергию возбуждения на фотореакционные центры. Это эллипсовидные образования, окруженные однослойной белковой мембраной.
Аэросомы, или газовые вакуоли, обнаружены у бактерий, обитающих в воде. Аэросомы снижают удельную массу бактериальной клетки и благодаря этому поддерживают ее во взвешенном состоянии в водоеме. Аэросома представляет собой скопление газовых пузырьков веретенообразной формы. Их оболочка состоит только из белка, т. е. устроена не так, как обычная мембрана. Белковые молекулы ориентированы таким образом, что внутренняя сторона оказывается гидрофобной, а наружная – гидрофильной.
Карбоксисомы, или полиэдрические тела, содержатся в клетках некоторых автотрофных бактерий. Они имеют форму многогранника диаметром 90–100 нм, окруженного однослойной белковой оболочкой. В карбоксисомах содержится рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза – фермент, катализирующий фиксацию СО2 в цикле Кальвина в процессе фото- и хемосинтеза.
Магнитосомы содержатся в клетках водных бактерий, способных ориентироваться в магнитном поле и перемещаться в направлении линий магнитного поля. В их состав входит 0,4 % железа (по сухому веществу). Магнитосомы располагаются в клетках вблизи мест прикрепления жгутиков.
Запасные вещества– это продукты клеточного метаболизма, не выделяющиеся наружу, а откладывающиеся внутри клетки, содержатся в клетках в осмотически инертной форме, т. е. не растворимы в воде. В условиях, благоприятных для роста, когда в этих веществах возникает потребность, они снова включаются в метаболизм.
К запасным веществам относятся полифосфаты, полисахариды, жиры, сера. Эти вещества накапливаются, если в питательной среде находятся соответствующие исходные соединения.
Из полисахаридов в клетках микроорганизмов откладываются гликоген, крахмал и крахмалоподобное вещество – гранулоза. Запасные вещества полисахариды образуются из молекул D-глюкозы, которые связаны гликозидными связями. Много крахмала имеют клетки бактерий вида Acetobacter pasteurianus. Гранулоза содержится в большом количестве в клетках бактерий рода Clostridium. Гликоген, или «животный крахмал», синтезируется у бактерий Escherichia coli, у бактерий рода Salmonella, у бацилл, дрожжей и других микроорганизмов. Запасные полисахариды используются микроорганизмами в качестве источников углерода и энергии.
Жиры накапливаются в виде гранул или капелек, преломляющих свет по-иному, чем содержимое цитоплазмы, и поэтому хорошо различимы в световом микроскопе. Запасное жироподобное вещество многих бактерий – поли-β-гидроксимасляная кислота, которая является хорошим источником углерода и энергии. Микроорганизмы могут накапливать также триглицериды (нейтральные жиры). Особенно много их запасается в клетках дрожжей и других грибов. Кроме того, микобактерии могут содержать до 40 % восков.
Полифосфаты откладываются в гранулах, называемых волютиновыми зернами. Полифосфаты играют роль фосфатных депо и источников энергии.
У многих пурпурных и бесцветных серобактерий, зеленых серных бактерий и других, окисляющих сульфид до сульфата, в процессе метаболизма в клетке откладывается молекулярная сера в виде шариков, сильно преломляющих свет. Количество накопляемой серы зависит от содержания H2S в окружающей среде. В условиях отсутствия H2S сера, находящаяся в клетке, окисляется до SO2. Сера служит источником энергии и донором электронов.
Специфическими запасными веществами цианобактерий являются цианофитиновые гранулы, состоящие из полипептида, в который входят аргинин и аспарагиновая кислота в эквимолярных количествах. Цианофитиновые гранулы служат резервом азота, который используется цианобактериями при его недостатке в среде.
Генетический материал прокариот представлен молекулой (молекулами) ДНК, уложенной в компактную структуру и локализованной в ограниченных участках цитоплазмы, не имеющей, в отличие отэукариот, собственной ядерной мембраны. Учитывая эти особенности, генетический аппарат прокариот принято называть нуклеоидом. При применении световой микроскопии нуклеоид выглядит как бобовидное тело с хорошо очерченными контурами, занимающее центральную часть бактериальной клетки, длиной около 1 мкм. Полностью «уложенный» нуклеоид представляет собой достаточно компактное образование. Стабилизирующую роль в такой организации играют специфические основные белки, сходные по аминокислотному составу и другим свойствам с гистонами эукариот.
Замкнутая в кольцо молекула ДНК нуклеоида (исключение: виды актиномицетов и некоторые другие имеют линейную ДНК) включает несколько тысяч генов, расположенных линейно, и приравнивается к бактериальной хромосоме. У большинства видов бактерий клетка содержит одну хромосому, поэтому большинство бактерий – гаплоидные организмы. Однако клетки бруцелл, Rhodobacter sphaeroides, Agrobacterium tumefaciens, Leptospira interrogans имеют по две неодинаковые хромосомы, клетки Burkholderia cepacia – три разные хромосомы. Поэтому термины «нуклеоид» и «хромосома» не всегда совпадают. В зависимости от условий нуклеоид бактериальной клетки может состоять из одной или нескольких копий одной и той же хромосомы. Например, у Azotobacter chroococcum в экспоненциальной фазе роста на одну клетку приходится 20–25 копий хромосомы.
Обычно деление бактериальной клетки по времени осуществляется после завершения цикла репликации молекулы ДНК. Однако в интенсивно растущих культурах репликация ДНК может опережать деление клетки и нередко в ней содержится ДНК в 4–8 раз больше, чем масса одной хромосомы.
Плазмиды – стабильно наследуемые внехромосомные генетические элементы, способные к автономной репликации. Молекулярная масса плазмид составляет около 20 % молекулярной массы хромосомы этих бактерий. Плазмиды бактерий представляют собой двухцепочечные суперскрученные ковалентнозамкнутые кольцевые молекулы ДНК. Благодаря такой структуре они не подвергаются действию клеточных нуклеаз. Существуют также линейные плазмиды, на которые нуклеазы не действуют, поскольку их концевые участки защищены специфическими белками.
Плазмиды не являются жизненно важными наследственными структурами бактериальной клетки. При элиминации
плазмид с помощью
УФ-облучения, митомицина С, акридиновых красителей и других агентов жизнеспособность бактерий
сохраняется.
Важнейшим свойством плазмид являются: способность к автономной репликации; трансмиссивность (способность передаваться из клетки в клетку при конъюгации); способность интеграции в бактериальную хромосому осуществляется с помощью IS-элементов и транспозонов, несовместимость (родственные плазмиды не могут существовать в одной клетке); поверхностное исключение (если в клетке уже имеется плазмида, контролирующая соответствующий признак, то при конъюгации плазмидная ДНК другой клетки проходит через клеточную стенку с трудом).
Плазмиды придают клеткам различные фенотипические признаки: устойчивость к антибиотикам, ионам тяжелых металлов, мутагенам (R-плазмиды); способность вызывать биодеградацию камфоры, ксилола, нафталина, салицилата, толуола и других неприродных и природных соединений (ксенобиотиков) (плазмиды биодеградации или D-плазмиды); способность синтезировать антибиотики, бактериоцины, пигменты, инсектициды, гемолизины, токсины, фибринолизины, сероводород, поверхностные антигены (Col-плазмиды); способность использовать в качестве источника углерода различные углеводы и необычные аминокислоты; способность вызывать образование опухолей у растений (Ti-плазмиды); способность конъюгировать с реципиентными штаммами бактерий или донорные свойства;способность конъюгировать с реципиентными штаммами бактерий (F-плазмида) и др.
Плазмиды бактерий широко применяются в генетической инженерии. С их помощью можно получить рекомбинантные молекулы ДНК, вероятность образования которых в природе крайне низка или возникновение их вообще невозможно.
У бактерий существует горизонтальный перенос генов, при котором из клетки-донора в клетку-реципиента передается часть генетического материала (хромосомы), в результате образуется неполная зигота, или мерозигота. Затем переданный фрагмент хромосомы донора спаривается с хромосомой реципиента с последующей рекомбинацией. За рекомбинацией следует процесс репликации ДНК и деления клетки, в результате чего возникают клетки-рекомбинанты, содержащие только рекомбинантную хромосому.
Существуют три основных вида обмена генетической информацией, или горизонтального переноса генов:
конъюгация, трансформация и транс-
дукция. Эти процессы отличаются друг от друга способом транспортировки ДНК.
Конъюгация – вид рекомбинации генетического материала, при котором перенос генетической информации от клетки-донора к клетке-реципиенту осуществляется при непосредственном контакте клеток. Конъюгация у бактерий была открыта в 1946 г. Э. Тейтумом и Д. Ледербергом на примере двух штаммов Escherichia соli, неспособных расти на минимальной питательной среде. Первый штамм был ауксотрофен по биотину и метионину, другой – по треонину, лейцину и тиамину. После смешения указанных штаммов и последующего посева на плотную питательную среду появились колонии бактерий, способные самостоятельно синтезировать все пять названных факторов роста. Возникновение прототрофных клеток, размножающихся на минимальной питательной среде, произошло благодаря рекомбинации двух генотипов родительских ауксотрофных штаммов.
Конъюгация описана у бактерий из родов Escherichia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas, Nokardia (рисунок 11).
Рисунок 11 – Конъюгация у Escherichia coli
При конъюгации перенос генетического материала обеспечивается конъюгативными плазмидами (F-плазмида, F-фактор или половой фактор), ответственными за перенос генетического материала, синтез половых пилей, за перенос самой плазмиды или мобилизацию переноса хромосомной ДНК из клетки в клетку. F+ клетки (клетки-доноры) содержат F-фактор в виде свободной плазмиды. Клетки-реципиенты (F– клетки) F-фактор не содержат.
F+ клетки и F– клетки сближаются и между ними образуется конъюгационный мостик, в образовании которого участвуют F-пили. Передача плазмиды или хромосомы начинается с однонитевого разрыва в области плазмиды, которая называется точкой начала передачи. Для того чтобы произошла передача хромосомных генов, плазмида F должна интегрироваться в хромосому. Разорванная ДНК разматывается на этом участке, и однонитевая ДНК, начиная с 5'-конца, переносится в реципиентную клетку. Одновременно на обеих нитях плазмидной и хромосомной ДНК синтезируются комплементарные им нити. Благодаря этому в клетке-доноре восстанавливается целостность хромосомы и F-плазмиды.
Процесс переноса хромосомных генов при конъюгации может осуществляться также при участии содержащихся в хромосоме конъюгативных транспозонов.
Движение бактерий.Большинство бактерий передвигаются при помощи жгутиков. Если клетка имеет много жгутиков, они при движении собираются в пучок, который образует своеобразный пропеллер. Пучок жгутиков, быстро вращаясь против часовой стрелки, создает силу, заставляющую бактерию двигаться почти по прямой линии. Так как у грамположительных бактерий наружная пара колец отсутствует, то считают, что для вращения жгутиков необходимо наличие только внутренней пары (кольца S и М) путем их вращения относительно друг друга. Это вращение передается крючку и далее основной нити жгутика. Движение жгутика происходит за счет энергии трансмембранного электрохимического потенциала, которая преобразуется в механическую энергию.
Своеобразный тип движения характерен для спирохет. В периплазматическом пространстве этих грамотрицательных бактерий находятся пучки нитчатых структур – аксиальные фибриллы, которые, как и жгутики, состоят из белка флагеллина. Эти структуры обеспечивают движение спирохет как в жидкой среде, так и на разделе фаз жидкой и плотной сред.
Клетка содержит по два набора фибрилл, прикрепленных субполярно у каждого полюса клетки. Каждая аксиальная фибрилла тянется практически вдоль всей длины клетки, а в центральной части клетки аксиальные фибриллы перекрываются (рисунок 12). Фибриллы, вращаясь или сокращаясь, обусловливают характерное для спирохет движение: путем изгибания, вращения вокруг оси, волнообразно, винтообразно.
Рисунок 12 – Строение спирохет:
А – общий вид; Б – аксиальные фибриллы в клеточной стенке
У некоторых прокариот установлен скользящий тип передвижения. Способность к скольжению выявлена у некоторых микоплазм, миксобактерий, цианобактерий, нитчатых серобактерий и др. Общим для всех микроорганизмов, способных к скольжению, является выделение слизи. Согласно гипотезе реактивного движения, скользящее передвижение обусловлено выделением слизи через многочисленные слизевые поры в клеточной стенке. Кроме того, у ряда таких прокариот в составе клеточной стенки между пептидогликановым слоем и наружной мембраной выявлен тонкий слой белковых молекул. Скольжение нитчатых форм сопровождается одновременным их вращением, поэтому каждая точка на поверхности трихома описывает при движении спираль.
Для подвижных бактерий характерны таксисы, т. е. направленная двигательная реакция в ответ на определенный фактор. В зависимости от природы фактора различают хемотаксис (движение относительно источника химического вещества), фототаксис (движение относительно источника света), магнитотаксис (способность передвигаться по силовым линиям магнитного поля Земли или магнита) и вискозитаксис (способность передвигаться в направлении изменения вязкости раствора) и т.д.
Размножение бактерий. Рост клетки является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы и размеров клетки. Но рост клетки не беспределен. После достижения критических размеров клетка подвергается делению.
Для прокариот характерно прямое бинарное деление клетки.
В норме делению клетки бактерий всегда предшествует репликация молекулы ДНК, происходящая по полуконсервативному механизму. Полуконсервативный механизм предполагает, что родительская двойная спираль раскручивается и каждая полинуклеотидная цепь служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Таким образом, новая двойная молекула оказывается «гибридом» старой и вновь синтезированной цепи.
Процесс репликации начинается с присоединения к специфическим точкам на мембране участков ДНК, определяющих начало и конец ее репликации. В местах, где происходит присоединение хромосомы к мембране, локализованы ферменты, обеспечивающие репликацию ДНК. Контакт ДНК с ЦПМ осуществляется посредством мезосом. Репликация, начавшаяся в точке прикрепления, идет затем в двух противоположных направлениях, образуя характерную для кольцевой хромосомы промежуточную структуру.
В зоне репликации (репликативной вилке) на небольшом участке происходит разрыв водородных связей, обеспечивающих поддержание двунитевой структуры ДНК. На подготовленных таким путем однонитевых участках, служащих матрицами, начинается синтез комплементарных нитей. Время удвоения хромосомы Escherichia соli занимает приблизительно 40 мин.
Возникающие дочерние хромосомы остаются прикрепленными к мембране. Репликация молекулы ДНК происходит параллельно с синтезом ЦПМ на этом участке, в результате чего происходит сегрегация (разделение) дочерних хромосом в пространстве и расхождение к полюсам материнской клетки (рисунок 13).
У большинства грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий деление протопласта происходит путем синтеза поперечной перегородки, приводящее чаще к образованию двух одинаковых дочерних клеток (равновеликое бинарное поперечное деление). При таком способев середине клетки сначала имеет место кольцевое впячивание ЦПМ, сопровождающееся формированием мезосом разного внешнего вида. Они образуются в месте закладки поперечной перегородки и активно участвуют в процессах синтеза пептидогликана и других компонентов клеточной стенки. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя, ее наружные слои синтезируются позднее.
Рисунок 13 – Деление бактериальной клетки
А – репликация ДНК; Б – сегрегация дочерних хромосом; В – деление протопласта при помощи перегородки; 1 – ДНК; 2 – белковая субъединица; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – клеточная стенка; 5 – досинтез цитоплазматической мембраны в районе мезосомы; 6 – досинтез клеточной стенки
Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки (неравновеликое бинарное поперечное деление). У Escherichia соli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки.
Покоящиеся формы у бактерий. Для перенесения неблагоприятных условий бактерии формируют ряд покоящихся форм.
Цисты – это шарообразные толстостенные клетки, формирование которых характерно для бактерий рода Azotobacter. В цисту превращается вся вегетативная клетка.
Миксоспоры образуются также путем превращения всей клетки. Формирование миксоспор характерно для бактерий рода Myxococcus.
Экзоспоры возникают путем почкования материнской клетки. Они сходны по своим свойствам с эндоспорами бацилл. Образование экзоспор характерно для метанокисляющих бактерий.
Эндоспоры образуют грамположительные бактерии, формируются эндогенно, т.е. внутри материнской клетки, которая называется спорангием. Бактериальная эндоспора отличается от вегетативной клетки тем, что она характеризуется повышенной резистентностью к нагреванию, действию ультрафиолетовых лучей, антибиотиков и других факторов. Поскольку одна клетка образует одну эндоспору, увеличения числа бактерий при ее прорастании не происходит. Эндоспоры представляют собой стадию покоя и приспособлены к перенесению неблагоприятных условий (рисунок 14).
Рисунок 14 – Эндоспора в клетке Bacillus subtilis
Процесс образования эндоспор включает следующие этапы:
1. Подготовительный этап – в вегетативной клетке бактерий, переходящей к спорообразованию, прекращаются ростовые процессы, завершается репликация ДНК и изменяется метаболизм, в клетке накапливается дипиколиновая кислота.
2. Этап формирования споры начинается с особого неравного деления клетки. Цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки образует инвагинацию и отделяет часть протопласта материнской клетки, в результате чего этот протопласт содержит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Протопласт будущей споры обрастает цитоплазматической мембраной материнской клетки, а образующаяся структура носит название проспора.
Проспора расположена внутри материнской клетки и ограничена от нее двумя мембранами. Каждая из этих мембран участвует в синтезе стенки споры: мембрана протопласта споры синтезирует снаружи от себя стенку зародышевой клетки; мембрана, происходящая от материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кортекс. Кортекс состоит из многослойного муреина, но более кислого, чем муреин клеточной стенки материнской клетки. Также материнской клеткой синтезируется дополнительная наружная оболочка споры, которая в значительной степени представлена полипептидами. У большинства видов спорообразующих бактерий эндоспора заключена еще в один дополнительный наружный слой – экзоспориум, в состав которого входят белки, липиды, углеводы.
По мере формирования многослойных покровов проспора превращается в эндоспору, которая состоит из нуклеоида, уплотненной цитоплазмы и покровов.
3. Этап созревания споры. Спора приобретает характерную форму и занимает определенное положение в клетке, в результате чего бактериальная клетка принимает иную форму. Различают три типа спорангиев: бациллярный – споры в клетке располагаются центрально (род Bacillus), клостридиальный – споры в клетке располагаются субтерминально (вид Clostridium botulinum), плектридиальный – споры в клетке располагаются терминально и со спорой могут принимать форму веретена или теннисной ракетки (вид Clostridium tetani).
Споры освобождаются при лизисе спорангия. Зрелые споры не проявляют метаболической активности. Они чрезвычайно устойчивы к воздействию высокой температуры, разного рода излучений и химических агентов.
При попадании в благоприятные условия споры прорастают в вегетативные клетки. Прорастания спор начинается с поглощения воды и гидратации структур споры, сопровождающихся активацией ферментов и возрастанием дыхания. Литические ферменты разрушают многослойные покровы споры, в среду выделяются дипиколинат кальция, аминокислоты и пептиды. В месте разрыва оболочки споры образуется ростовая трубка новой вегетативной клетки. В формировании клеточной стенки молодой клетки участвует внутренняя мембрана споры и частично кортекс. Прорастание спор длится около 4–5 ч.