Особенности строения клетки бактерии

Питание бактерий

Бактерии возникли на заре формирования жизни на Земле. Именно они «открыли» различные способы питания. Лишь потом, с усложнением организмов, четко выделились два крупных царства: Растения и Животные. Они отличаются между собой в первую очередь по способу питания. Растения являются автотрофами, а животные — гетеротрофами. У бактерий же встречаются оба типа питания.

Питание — это способ получения клеткой или организмом необходимых органических веществ. Их можно получить из вне или синтезировать самостоятельно из неорганических веществ.

Автотрофные бактерии

Автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических. Процесс синтеза требует энергии. В зависимости от того, откуда автотрофные бактерии получают эту энергию их делят на фотосинтезирующие и хемосинтезирующие.

Фотосинтезирующие бактерии используют энергию Солнца, улавливая его излучение. В этом они сходны с растениями. Однако, если у растений в процессе фотосинтеза выделяется кислород, то у большинства фотосинтезирующих бактерий он не выделяется. То есть бактериальный фотосинтез анаэробен. Также зеленый пигмент бактерий отличается от аналогичного пигмента растений и называется бактериохлорофиллом. У бактерий нет хлоропластов. В основном фотосинтезирующие бактерии обитают в водоемах (пресных и соленых).

Хемосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ из неорганических используют энергию различных химических реакций. Энергия выделяется не во всех реакциях, а только в экзотермических. Некоторые такие реакции протекают в бактериальных клетках. Так в нитрифицирующих бактериях протекает реакция окисления аммиака в нитриты и нитраты. Железобактерии окисляют закисное железо в окисное. Водородные бактерии окисляют молекулы водорода.

Гетеротрофные бактерии

Гетеротрофные бактерии не способны синтезировать органические вещества из неорганических. Поэтому вынуждены получать их из окружающей среды.

Бактерии, питающиеся органическими остатками других организмов (в том числе мертвыми телами), называются бактериями-сапрофитами. По-другому их называют бактериями гниения. Таких бактерий много в почве, где они разлагают перегной до неорганических веществ, которые впоследствии используются растениями. Молочнокислые бактерии питаются сахарами, превращая их в молочную кислоту. Маслянокислые бактерии разлагают органические кислоты, углеводы, спирты до масляной кислоты.

Клубеньковые бактерии живут в корнях растений и питаются за счет органических веществ живого растения. Однако они связывают азот из воздуха и обеспечивают им растение. То есть в данном случае имеет место симбиоз. Другие гетеротрофные бактерии-симбионты обитают в пищеварительном аппарате животных, помогая переваривать пищу.

Существует много бактерий-паразитов. Такие бактерии живут в других живых организмах, питаются за их счет и наносят вред организму-хозяину.

ИЗУЧЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Многие бактерии нетрудно выращивать в т.н. культуральной среде, в состав которой могут входить мясной бульон, частично переваренный белок, соли, декстроза, цельная кровь, ее сыворотка и другие компоненты. Концентрация бактерий в таких условиях обычно достигает примерно миллиарда на кубический сантиметр, в результате чего среда становится мутной.

Для изучения бактерий необходимо уметь получать их чистые культуры, или клоны, представляющие собой потомство одной-единственной клетки. Это нужно, например, для определения того, какой вид бактерии инфицировал больного и к какому антибиотику данный вид чувствителен. Микробиологические образцы, например, взятые из горла или ран мазки, пробы крови, воды или других материалов, сильно разводят и наносят на поверхность полутвердой среды: на ней из отдельных клеток развиваются округлые колонии. Отверждающим культуральную среду агентом обычно служит агар – полисахарид, получаемый из некоторых морских водорослей и почти ни одним видом бактерий не перевариваемый. Агаровые среды используют в виде «косячков», т.е. наклонных поверхностей, образующихся в стоящих под большим углом пробирках при застывании расплавленной культуральной среды, или в виде тонких слоев в стеклянных чашках Петри – плоских круглых сосудах, закрываемых такой же по форме, но чуть большей по диаметру крышкой. Обычно через сутки бактериальная клетка успевает размножиться настолько, что образует легко заметную невооруженным глазом колонию. Ее можно перенести на другую среду для дальнейшего изучения. Все культуральные среды должны быть перед началом выращивания бактерий стерильными, а в дальнейшем следует принимать меры против поселения на них нежелательных микроорганизмов.

Чтобы рассмотреть выращенные таким способом бактерии, прокаливают на пламени тонкую проволочную петлю, прикасаются ею сначала к колонии или мазку, а затем – к капле воды, нанесенной на предметное стекло. Равномерно распределив взятый материал в этой воде, стекло высушивают и два-три раза быстро проводят над пламенем горелки (сторона с бактериями должна быть обращена вверх): в результате микроорганизмы, не повреждаясь, прочно прикрепляются к субстрату. На поверхность препарата капают краситель, затем стекло промывают в воде и вновь сушат. Теперь можно рассматривать образец под микроскопом.

Чистые культуры бактерий идентифицируют главным образом по их биохимическим признакам, т.е. определяют, образуют ли они из определенных сахаров газ или кислоты, способны ли переваривать белок (разжижать желатину), нуждаются ли для роста в кислороде и т.д. Проверяют также, окрашиваются ли они специфическими красителями. Чувствительность к тем или иным лекарственным препаратам, например антибиотикам, можно выяснить, поместив на засеянную бактериями поверхность маленькие диски из фильтровальной бумаги, пропитанные данными веществами. Если какое-либо химическое соединение убивает бактерии, вокруг соответствующего диска образуется свободная от них зона.

Азотфиксация.

Связывание молекулярного азота (N₂) с образованием аммиака (NH₃) называется азотфиксацией, а окисление последнего до нитрита (NO–₂) и нитрата (NO–₃) – нитрификацией. Это жизненно важные для биосферы процессы, поскольку растениям необходим азот, но усваивать они могут лишь его связанные формы. В настоящее время примерно 90% (ок. 90 млн. т) годового количества такого «фиксированного» азота дают бактерии. Остальное количество производится химическими комбинатами или возникает при разрядах молний. Азот воздуха, составляющий ок. 80% атмосферы, связывается в основном грамотрицательным родом ризобиум (Rhizobium) и цианобактериями. Виды ризобиума вступают в симбиоз примерно с 14 000 видов бобовых растений (семейство Leguminosae), к которым относятся, например, клевер, люцерна, соя и горох. Эти бактерии живут в т.н. клубеньках – вздутиях, образующихся на корнях в их присутствии. Из растения бактерии получают органические вещества (питание), а взамен снабжают хозяина связанным азотом. За год таким способом фиксируется до 225 кг азота на гектар. В симбиоз с другими азотфиксирующими бактериями вступают и небобовые растения, например ольха.

Цианобактерии фотосинтезируют, как зеленые растения, с выделением кислорода. Многие из них способны также фиксировать атмосферный азот, потребляемый затем растениями и в конечном итоге животными. Эти прокариоты служат важным источником связанного азота почвы в целом и рисовых чеков на Востоке в частности, а также главным его поставщиком для океанских экосистем.

Споры

Структура непостоянная. Они могут образовываться в виде защитной реакции клетки на негативные воздействия извне. К таким можно отнести недостаток воды, недостаток веществ, пригодных для питания бактерии.

В зависимости от местонахождения спор в клетке их подразделяют на:

1. Центральные. В данном случае споры располагаются в самом центре. Такое расположение характерно для палочки сибирской язвы и некоторых других бактерий.
2. Субтерминальные. В данном случае споры расположены в конце палочки. Такое расположение спор встречается гораздо реже.

Сама форма спор может быть двух геометрических видов: овальная или круглая.

Форма, размер и расположение – это видовое свойство бактериальной клетки при попадании ее в неблагоприятные условия.

Цикл жизни спор состоит из этапов:

1. Подготовительная стадия. В этот момент изменяется метаболизм в клетке, завершается процесс возобновления ДНК. Клетка при этом имеет минимум два нуклеоида. Один из нуклеоидов попадает в спорогенную зону.
2. Стадия переспоры. В результате процессов, происходящих в мембране, нуклеоид отделяется от остальной клетки. Вместе с мембраной они образуют параспору.
3. Образование оболочек. В этом периоде вокруг параспоры образуется мембрана.
4. Созревание споры. В этот период полностью завершается образование споры и всех ее структур. Определяется ее положение в клеточной структуре.

Спора большей частью состоит из белковых структур. Оболочка обеспечивает споре высокую выживаемость.

Сенсорные функции и поведение.

Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды – на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка – Fe₃O₄). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.

Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.

Пигменты бактерий

Почти все бактерии в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают пигменты.

• Пигмент располагается между клетками и имеет вид зернышек у Bacterium prodigiosum и Staphylococcus aureus.
• У Bacterium violaceum пигмент расположен в оболочке.
• Bacterium pyocyaneum выделяет пигмент в окружающую среду.

Некоторые бактерии растворимы в воде и окрашивают питательную среду. Пигменты стафилококка и сарцин (желтые пигменты) растворимы в спирту, но не растворяются в воде. Не растворяются ни в спирту, ни в воде, пигменты бурого и черного цветов дрожжей и плесени.

Пигменты образуются в условиях присутствия кислорода. Они имеют самые разнообразные цвета. Их физиологическая роль учеными до конца не установлена.

В настоящее время широко изучается химический состав и природа пигментов, которые синтезируют бактерии. Пигменты являются биологически активными веществами — антибиотиками, фитонцидами, стимуляторами роста. Пигменты вместе с другими факторами являются инструментом при их систематике. Русские ученые впервые установили связь между пигментами бактерий и их физиологическими функциями.

Рис. 18. На фото слева направо: бактерия Моргана, синегнойная палочка, неинокулированный контроль, Протеус Мирабилис и кишечная палочка, выращенные на среде Клиглера (содержит цитрат железа).

Рис. 19. На фото колонии микрококков желтого цвета.

Рис. 20. На фото колонии Bacterium prodigiosum кроваво-красного цвета.

Рис. 21. На фото колонии Bacteroides niger черного цвета.

Рис. 22. На фото колонии синегнойной палочки сине-зеленого цвета.

Подробно о бактерияx читай в статьях:

«Строение бактерий»,

«Рост и размножение бактерий»,

«Споры и спорообразование в жизни бактерий».

Как и всему живому, бактериям присущи такие процессы, как питание, дыхание, размножение и спорообразование. Они вырабатывают ферменты и пигменты, по наличию которых проводится их идентификация. За миллионы лет бактерии освоили практически все известные биохимические процессы. Они участвуют в перемещении концентрации и рассеивания химических элементов в биосфере земли и полностью обеспечивают жизнедеятельность человека.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ

• Как размножаются бактерии?
• Велика ли роль бактерий в жизни человека?
• Строение и среда обитания дрожжей
• Все о спорах бактерий
• Эшерихиоз
• Что такое менингококк
• Все про лактобактерии

Статьи раздела «Бактерии»

• Как питаются и дышат бактерии? Зачем бактериям ферменты и пигменты?

Самое популярное

• Все о грибке стопы: симптомы и эффективное лечение современными препаратами
• Грибок кожи головы: как распознать и лечить
• Симптомы и лечение грибка ногтей на руках (онихомикоза)
• Польза и вред кишечной палочки
• Как лечить дисбактериоз и восстановить микрофлору

Статьи раздела «Бактерии»

• Что такое стрептококк

О микробах и болезнях 2020

Оболочка — бактерия

Формы бактерий. а — шаровидные. 1 — микрококки, 2-диплококки, а — стрептококки, 4 — сардины, 5 — стафилококки. б — палочковидные. в — извитые. 1 — вибрионы, 2 — спириллы, 3 — спирохеты.

Оболочка бактерий в основном состоит из азотистых веществ.
 

Оболочки бактерий и вирусов состоят из соединений, содержащих различные функциональные группы, которые в определенных условиях могут вести себя как кислоты или основания.
 

Оболочки бактерий и вирусов состоят из соединений, содержащих различные функциональные группы, которые в определенных условиях могут вести себя как кислоты или основания. Поэтому микроорганизмы взаимодействуют с ионообменными полимерами, адсорбируясь на их поверхности.
 

Как упоминалось ранее, основой оболочки бактерий является мура-мин — пептидогликан, содержащий длинные цепи чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты. Лизоцим гидролизует ( через одну) ( 3 — 1 4-гликозидные связи, содержащие названные остатки, освобождая дисахаридные фрагменты, связанные с пептидными цепочками.
 

Они входят в состав различных каркасных структур оболочки бактерий. Здесь липополисахарид вступает в ассоциативные связи с некоторыми матричными белками, образуя своеобразные липид-белковые комплексы. Они формируют гексагональную решетчатую структуру. Некоторые авторы предлагают рассматривать ее как основу скелета наружной мембраны микробной клетки.
 

Модель молекулы 1-аминокислоты.

Любопытно, что в последние годы удалось найти в составе оболочек бактерий и в продуктах их жизнедеятельности аминокислоты правой, а не левой конфигурации.
 

Способность микроорганизмов усваивать то или иное соединение, по-видимому, главным образом зависит от его способности диффундировать через липидную оболочку бактерий. С этих позиций становится понятной высокая склонность к биодеградации соединений с нормальной цепью. Диффузия изосоединения, особенно с гемзамещенными атомами, а также циклических структур из-за стерических препятствий будет протекать значительно сложнее, и, следовательно, они будут обладать большей устойчивостью к биодеградации. Среди изосоединений при диффузии через оболочку, вероятно, преимущество будут иметь молекулы с наиболее длинным участком цепи, свободной от заместителей.
 

Муропептид бактериальных клеточных стенок.

Антигенные свойства грамположительных бактерий обусловливаются тейхоевыми кислотами и полисахаридами клеточной оболочки. Химический состав оболочек бактерий резко отличен от состава оболочек растений и животных. Этим и обусловлена чувствительность бактерий к таким лекарственным веществам, как антибиотики, не действующим на животные клетки. В состав оболочки входят простети-ческие группы ферментов — коэнзимы, обусловливающие первый этап обмена веществ при контакте бактерий с питательными веществами. В этом слое происходит дробление макромолекул. Типичным компонентом бактериальной оболочки является диа-минопимелиновая кислота.
 

За редким исключением природные а — А. L-ряду и только в оболочках бактерий, в составе некоторых антибиотиков и в метаболитах грибов, а также в коже некоторых видов южноамериканских лягушек и корне женьшеня обнаружены А.
 

Одной из центральных нерешенных проблем в современной биологии является структура и функция защитных оболочек клеток и биомембран, без существования которых немыслима жизнь, а без познания их — разгадка тайн процессов жизни. Растительные и животные клетки, внутриклеточные биомембраны, оболочки бактерий и простейших грибов состоят из частично проницаемых оболочек, построенных из высокомолекулярных соединений, как правило, с включением и других ПАВ.
 

Химический состав оболочки неоднороден и резко отличается от оболочек высших растений. Если оболочка у растений состоит из целлюлозы, то в состав оболочки бактерий входят безазотистые и азотистые соединения.
 

Имеется предположение, что бактерицидные реакции хлора и его соединений носят физиологический характер. Хлор вступает во взаимодействие с протеинами и аминосоединениями, которые содержатся в оболочке бактерии и ее внутриклеточном веществе. Результатом таких взаимодействий являются химические изменения внутриклеточного вещества, распад структуры клетки и прекр аще-ние жизнедеятельности бактерии.
 

Главные источники энергии.

Если для образования (синтеза) клеточных компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс называется фотосинтезом, а способные к нему виды – фототрофами. Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от того, какие соединения – органические или неорганические – служат для них главным источником углерода.

Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H₂O). При этом выделяется свободный кислород (1/₂O₂) и образуется водород (2H+), который, можно сказать, превращает диоксид углерода (CO₂) в углеводы. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H₂S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.

Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H₂.

Если основной источник энергии в клетке – окисление химических веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода – органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода (до воды: 2H₄ + O₂ 2H₂O), железа (Fe2+ Fe3+) или серы (2S + 3O₂ + 2H₂O 2SO₄2– + 4H+), а углерод – из СO₂. Эти организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они «питаются» горными породами.

МЕТАБОЛИЗМ

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии – секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.

Экология.

Бактерий много в почве, на дне озер и океанов – повсюду, где накапливается органическое вещество. Они живут в холоде, когда столбик термометра чуть превышает нулевую отметку, и в горячих кислотных источниках с температурой выше 90° С. Некоторые бактерии переносят очень высокую соленость среды; в частности, это единственные организмы, обнаруженные в Мертвом море. В атмосфере они присутствуют в каплях воды, и их обилие там обычно коррелирует с запыленностью воздуха. Так, в городах дождевая вода содержит гораздо больше бактерий, чем в сельской местности. В холодном воздухе высокогорий и полярных областей их мало, тем не менее они встречаются даже в нижнем слое стратосферы на высоте 8 км.

Густо заселен бактериями (обычно безвредными) пищеварительный тракт животных. Эксперименты показали, что для жизнедеятельности большинства видов они не обязательны, хотя и могут синтезировать некоторые витамины. Однако у жвачных (коров, антилоп, овец) и многих термитов они участвуют в переваривании растительной пищи. Кроме того, иммунная система животного, выращенного в стерильных условиях, не развивается нормально из-за отсутствия стимуляции бактериями. Нормальная бактериальная «флора» кишечника важна также для подавления попадающих туда вредных микроорганизмов.

КЛАССИФИКАЦИЯ

У большинства организмов видом принято считать репродуктивно изолированную группу особей. В широком смысле это означает, что представители данного вида могут давать плодовитое потомство, спариваясь только с себе подобными, но не с особями других видов. Таким образом, гены конкретного вида, как правило, не выходят за его пределы. Однако у бактерий может происходить обмен генами между особями не только разных видов, но и разных родов, поэтому правомерно ли применять здесь привычные концепции эволюционного происхождения и родства, не вполне ясно. В связи с этой и другими трудностями общепринятой классификации бактерий пока не существует. Ниже приведен один из широко используемых ее вариантов.

БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности.

Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих автолиз («самопереваривание») ферментов, если не инактивировать их нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует знания пределов выносливости этих микроорганизмов.

Одна из наиболее распространенных технологий – пастеризация молока, убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез. Молоко выдерживают при 61–63° С в течение 30 мин или при 72–73° С всего 15 с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии. Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки.

Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться. Правда, при замораживании, например, до –25° С численность бактерий через несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания – высушивания) в среде, содержащей белок, например в сыворотке крови.

К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е. помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды, соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно тормозится или прекращается.

Питание.

Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO₂). Включая CO₂ и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH₃), нитраты (NO–₃) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.

Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO₂) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство прокариот, сходны с человеком. См. также УГЛЕРОД.