Особенности строения и процессов жизнедеятельности прокариот

Размеры . Прокариоты - это маленькие клеточные организмы. По размеру прокарио- ческие клетки, как правило, в 10 раз меньше, чем клетки эукариот. Средние размеры этих существ составляют от 0,1 до 10 мкм. Однако среди микроорганизмов есть свои бактерии "гиганты", например, спирохеты могут иметь длину 500 мкм и быть видимыми невооруженным глазом. Наименьшими свободноживущими бактериями является микоплазмы (только 0,12-0,15 мкм), которые примерно равны по размеру к крупнейшим вирусов. Мелкий размер важен для прокариот, так как ускоряет транспортировку питательных веществ и выделение продуктов обмена через поверхность клетки.

Форма . Прокариоты отличаются простотой формы и всю их разнообразие по этому признаку можно свести к нескольким группам: шаровидные, палочковидные, извилистые и нитчатые. Шаровидные прокариоты - коки - бывают сферические, эллипсовидные, бобоподибни и ланцетовидные. По характеру разделения, размещением и свойствами клеток делятся на микрококки (одиночные клетки), диплококки (пара клеток), стрептококки (цепочки клеток), Тетракок (четыре клетки), сарцины (пакеты по 8-16 и более клеток), стафилококки (скопление клеток в виде виноградной грозди). Палочковидные прокариоты принято делить на бациллы (палочковидные с эндоспоры в центре клетки) и клостридии (палочковидные с эндоспоры на конце клетки). К извилистых прокариот принадлежат вибрионы (в виде запятой), спириллы (в виде спирали в 2-3 оборота) и спирохеты (в виде спирали больше чем в 3 оборота). Нитчатыми есть прокариоты в виде нитей из многих клеток, соединенных с помощью слизи, чехлов, плазмодесмам тому подобное. Они могут плавать в воде или быть прикрепленными к субстрату. Вся эта разнообразие форм бактерий определяется структурой их клеточной стенки и цитоскелета. Эти формы важны для функционирования бактерий, поскольку они могут влиять на способность бактерий получать питательные вещества, прикрепляться к поверхностям, двигаться и спасаться от хищников. Итак, подавляющее большинство прокариот являются микроскопическими и по сравнению с разнообразием форм, существует в мире макроорганизмов, морфологические типы прокариотических организмов достаточно ограничены.

Строение . Прокариотические клетки состоят из следующих основных частей, как поверхностный аппарат, цитоплазма и нуклеоид. Внешне клетки расположена клеточная стенка, которая обеспечивает ее структурную целостность и защиту от внутреннего давления, вызванного намного выше концентрациями белков и других молекул внутри клетки, по сравнению с окружающими. Прокариотическая клеточная стенка отличается от стенки всех других организмов наличием муреин, который относительно пористый и не противодействует проникновению малых молекул. У бактерий выделяют два основных типа бактериальных клеточных стенок. Клеточная стенка грам- положительных бактерий характеризуется наличием очень толстого слоя муреин, который отвечает за содержание красителя при окраске по методу Грама. В отличие от грамположительных бактерий, грамотрицательные

Основные формы бактерий: А - монококи;  Б - дипломы и Тетракок;  В - сарцины;  Г - стрептококки;  Д - стафилококки;  Е, Е - палочковидные бактерии;  Ж - вибрионы;  С - спириллы;  И - спирохеты

Основные формы бактерий: А - монококи; Б - дипломы и Тетракок; В - сарцины; Г - стрептококки; Д - стафилококки; Е, Е - палочковидные бактерии; Ж - вибрионы; С - спириллы; И - спирохеты

бактерии содержат очень тонкий слой муреин, отвечающий за неспособность клеточных стенок содержать краситель. В дополнение к слою муреин, грам-отрицательные бактерии имеют вторую, так называемую внешнюю мембрану, находящегося снаружи от клеточной стенки. Среди прокариот обнаружены и такие виды, клеточная стенка которых отличается от грамположительных и грамотрицательных типов. Например, оболочка архей может состоять только из белка, или по особым пептидогликанов, или кислого Гетерополисахариды. Во многих прокариот клеточная оболочка снаружи окружена слоем слизистой вещества, получивший название капсулы. Она защищает клетки от высыхания, механических повреждений, препятствует проникновению вирусов, обеспечивает связь между соседними клетками в колониях и т. К структурам поверхностного аппарата прокариотической клетки принадлежат ворсинки и жгутики. Ворсинки - это небольшие полые вырасти клетки, которые обеспечивают ее прикрепления к различным организмов и субстрата. их еще называют пили, или фимбрии. На поверхности тела многих прокариот есть специальные выросты, называемые жгутиками. Это органеллы движения в жидкой среде. Число жгутиков, размеры и размещение их для определенных видов прокариот являются постоянными признаками и поэтому имеют важное таксономическое значение.

Обязательным компонентом поверхностного аппарата прокариотической клетки является цитоплазматическая мембрана. По химическому составу мембрана является белково-липидной. В мембранах многих прокариот обнаружены специфические жирные кислоты, которых нет в мембранах эукариот. Цитоплазматическая мембрана является основным барьером на границе с внешней средой, она осуществляет транспортную, рецепторную и другие функции. У прокариот, источником энергии для которых процессы дыхания или фотосинтеза, внутри клетки формируются внутриклеточные выпячивание мембраны с упорядоченным расположением ферментов и фотосинтезирующих пигментов.

Они получили название мезосом то фотосинтетических мембран.

В цитоплазме прокариотических клеток есть такие структурные элементы, как рибосомы, цитоскелет, магнетосомы, плазмиды, включение и другие. Рибосомы - это немебранни органеллы, которые являются местом синтеза белков в клетке.

Цитоскелет выполняет много функций, в основном отвечая за форму клетки и за внутриклеточное транспортировки. Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны. Поэтому ядерный аппарат, который принято называть нуклеоидом, содержится в цитоплазме и состоит из кольцеобразной молекулы ДНК. Нуклеоидом у прокариот еще называют бактериальной хромосомой и с ней связаны сохранения, передачи и реализация их наследственной информации. В клетках многих прокариот рядом

Схематическое строение обобщенной прокариотической клетки: 1 - клеточная стенка;  2 - цитоплазматическая мембрана;  3 - слизистая капсула;  4 - фимбрии;  5 - цитоплазма;  6 - нуклеоид;  7 - включение;  8 - цитоскелет;  9 - жгутик;  10 - плазмиды;  11 - эндоспоры;  12 - рибосомы;  13 - фотосинтетическое мембраны;  14 - газовые вакуоли;  15 - мезосомы.

Схематическое строение обобщенной прокариотической клетки: 1 - клеточная стенка; 2 - цитоплазматическая мембрана; 3 - слизистая капсула; 4 - фимбрии; 5 - цитоплазма; 6 - нуклеоид; 7 - включения; 8 - цитоскелет; 9 - жгутик; 10 - плазмиды; 11 - эндоспоры; 12 - рибосомы; 13 - фотосинтетическое мембраны; 14 - газовые вакуоли; 15 - мезосомы.

с этой хромосомой содержатся и внехромосомные кольцевые молекулы ДНК, получивших название плазмид. Они обусловливают некоторые наследственные свойства бактерий, например, способность к конъюгации, устойчивость к антибиотикам и тому подобное. В цитоплазме прокариот разных видов содержатся также включение, которые функционируют как структуры. К ним относятся хлоросомы с бактериохлорофилл в зеленых бактерий, фикобилисомы с пигментами в цианобактерий, магнитосомы в магнетотаксичних бактерий для ориентирования вдоль линий магнитного поля Земли, газовые вакуоли (аеросомы) для плавучести во многих плавающих прокариот и др. К включений, которые выполняют роль запасных веществ, относятся гликоген, крахмал, гранулезы, волютин, жиры и др.

Жизнедеятельность . Прокариотические микроорганизмы по структуре и функциям являются сложными саморегулируемыми системами. В процессе жизни микроорганизмы, в зависимости от тех субстратов, в которые они попадают, производят адаптивные ферменты. Благодаря этому они могут быстро приспосабливаться к разным условиям. Основные процессы обмена веществ у бактерий (питание, дыхание и выделение) имеют упрощенный характер, поступление питательных веществ, а также удаление продуктов жизнедеятельности, осуществляется просто через клеточную оболочку.

Питание. Для прокариот характерно чрезвычайное разнообразие в типах и способах питания. По современной классификации типы питания прокариот различают в зависимости от источника углерода и энергии. По источнику углерода все микроорганизмы можно разделить на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Многие микроорганизмов является миксотрофов, то есть они способны переходить от одного типа питания к другому. Подавляющее большинство прокариот является гетеротрофами, которые могут добывать органические соединения из отмерших остатков ( сапротрофы ), живых организмов ( паразитотрофы ) и получают благодаря сосуществованию ( симбиотрофы ). По способу использования различных источников энергии среди микробов выделяются следующие группы: а) фототрофы, которые используют солнечный свет как источник энергии; б) хемотрофы, источником энергии для которых являются различные неорганические и органические соединения.

Типы питания прокариот

Атотрофы (для синтеза собственных органических соединений используют Карбон СО 2 )

Гетеротрофы (для синтеза собственных органических соединений используют Карбон готовых органических соединений)

Фотоавтотрофы (и солнечную энергию)

Хемоавтотрофы (и химическую j энергию окисления неорганических соединений)

Фотогетеротро- и фн (и солнечную энергию)

Хемогетеротрофы (и химическую энергию окисления органических соединений

Зеленые и пурпурные сиркобактерии, цианобактерии

Железобактериями, сиркобактерии, нитрифицирующие бактерии, водородные бактерии

Пурпурные несерные бактерии

Салротрофни, паразитотрофни, симбиотрофни бактерии

Принципиальным отличием между фотосинтезом зеленых растений и бактериальным фотосинтезом, который наблюдается в зеленых и пурпурных серобактерий, является то, что последний происходит с участием бактериохлорофилл в анаэробных условиях, кислород не выделяется, как источник водорода эти бактерии используют не воду, а сероводород или другие соединения. кислородный фотосинтез с выделением кислорода осуществляется цианобактериями, которые для этого должны хлорофиллы и фикобилины. У прокариот может быть и третий тип фотосинтеза, который обнаружен в экстремальных галофильных архебактерий. Это бесхлорофильные фотосинтез, осуществляемый с участием бактериородопсином.

Дыхания. Одновременно с процессами питания у прокариот происходят процессы дыхания, суть которых заключается в окислении сложных органических соединений до простых с одновременным выделением энергии. По типу дыхания прокариоты делятся на аэробных и анаэробных. Аэробы - это организмы, которые для дыхания используют молекулярный кислород атмосферы, а организмы, которые могут жить без доступа атмосферного кислорода, является анаэробами. Большинство прокариот является аэробами, но есть и многочисленная группа, которая получает энергию, необходимую для жизни, благодаря процессам брожения. По химической природе продуктов брожения подразделяют на молочнокислое (молочнокислые бактерии родов Lactobacillus, Streptococcus, Bifidobacterium), маслянокислое (бактерии рода Clostridium), пропионовокислое (род Propionibacterium), уксуснокислое (уксуснокислые бактерии рода Acetobacter), метановое (метановые бактерии рода Desulfovibrio, Methanobacterium) и др.

Движение. Существуют два типа подвижных прокариот: ползающие и плавающие. Многие бактерии (спириллы, холерный вибрион) способны к самостоятельному передвижению с помощью органелл движения, которыми являются жгутики простого строения. Количество жгутиков бывает разная (от одного до многих). Такие прокариоты будут плавающими. Некоторые планктонные бактерии содержат газовые вакуоли - немембранные органеллы, содержащие некоторое количество газа. За счет регулирования их относительного объема водные бактерии могут выполнять вертикальные миграции. Ползающие прокариоты (цианобактерии, сиркобактерии) могут передвигаться по твердому субстрату при помощи белковых фибрилл, которые содержатся в клеточной оболочке. Все механизмы передвижения на поверхностях называются вместе бактериальным скольжением. Они включают использование ворсинок и другие, еще неизвестные механизмы. Подвижные бактерии могут приваблюватися или отталкиваться определенными стимулами; такое поведение называется таксисом - например, хемотаксис, фототаксис, механотаксис, магнетотаксис и др.

Размножения. Чаще всего прокариоты размножаются бесполым делением клетки пополам ( бинарный разделение ) : с помощью перегородки и перешнуровуванням. В некоторых одноклеточных цианобактерий обнаружены множественный разделение с образованием большого количества мелких клеток, фрагментацию за счет особых клеток - гетероцист. Некоторые бактерии, хотя тоже размножаются бесполым, формируют более сложные воспроизводящие структуры, облегчающие распространение новых дочерних клеток. Например, образование плодовых тел миксобактерии, создание воздушных гиф представителями рода Streptomyces и почкования. Почкования означает формирование выступления, которое позже отделяется, формируя отдельную клетку. Прокариоты свойственен высокий темп размножения. При благоприятных условиях время генерации (время, в течение которого происходит деление клетки) для многих видов колеблется в пределах от 15 до 30 мин.

Спорообразования. Бактериальные споры - это клетки с пониженным метаболизмом, окруженные многослойной оболочкой, устойчивые к воздействиям, вызывающим гибель обычных клеток. Спорообразования служит как для переживания неблагоприятных условий, так и для расселения бактерий. Попав в соответствующую среду, спора прорастает, превращаясь в вегетативную (что делится) клетку. В большинстве случаев спорообразования у прокариот вызывается недостатком питательных веществ, накоплением в среде вредных продуктов обмена, неблагоприятной температурой, изменением pH и тому подобное. У представителей многих палочковидных бактерий (бациллы, клостридии) внутри клеток образуются округлые или эллиптические эндоспоры. Они имеют центральную часть с ДНК, прекратила жизнедеятельность и не делится, цитоплазму с определенными органеллами, и очень плотную многослойную оболочку. Эндоспоры не проявляют никакого метаболизма и могут выдерживать высокие уровни ультрафиолетового излучения, гамма-излучения, дезинфицирующих средств, нагрев, давления и высушивания. В таком неактивном состоянии прокариоты в некоторых случаях могут оставаться жизнеспособными в течение миллионов лет и выживать даже в космическом пространстве.

Эндоспоры могут вызвать заболевания, например, сибирскую язву может вызвать вдыхание эндоспор Bacillus anthracis. В каждой клетке может образовываться только одна такая спора, а потому спорообразования рассматривается не как способ размножения, а как защитное приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях среды. Споры различных видов различаются по форме, размерам, характеру поверхности, расположением в клетке. Кроме эндоспор, прокариоты имеют свойство образовывать другие формы клеточных структур. Экзоспоры могут образовывать актиномицеты, цисты образуют миксобактерии, спирохеты и др. Они устойчивы к высушиванию и других вредностей, но в меньшей степени, чем эндоспоры.

Обмен наследственной информацией. Некоторым бактериям свойственны половые процессы, за которых не мейоза и не образуются гаметы, нет слияния клеток с образованием диплоидной зиготы, но происходит видоизменение наследственной информации. Это процесс генетической рекомбинации, суть которого заключается в том, что из клетки-донора в клетку-реципиент переносится часть генетического материала. Известно три типа таких процессов:

конъюгация (видоизменение наследственной информации за счет переноса небольших участков ДНК через цитоплазматические мостики)

трансдукция (видоизменение наследственной информации за счет активного переноса вирусами небольших участков ДНК);

трансформация (видоизменение наследственной информации за счет активного поглощения клеткой небольших участков ДНК).

Итак, упрощенные процессы обмена веществ, различные типы и способы питания, быстрое размножение и рост, способность образовывать споры и генетическая рекомбинация обусловливают сохранение и существование прокариот в природе.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >