Имеют ли бактерии ядро, или особенности строения прокариотических клеток

Бактериальная клетка: особенности

Форму бактерии определяет клеточная стенка. Ее размер вместе с капсулой в некоторых случаях может быть больше, чем расположившаяся внутри клетка. Стенка имеет избирательную проницаемость и способна пропускать внутрь необходимые вещества и выводить из нее продукты метаболизма. Снаружи нее часто можно обнаружить жгутики или ворсинки – выпячивания мембраны, позволяющие организму самопроизвольно передвигаться.

Наличие клеточной стенки характерно для группы бактерий, которые называют грамположительными. Под клеточной стенкой расположена мембрана. А вокруг молекулы ДНК она отсутствует, и это позволяет утверждать, что бактерии не имеют оформленного мембраной ядра.

Цитоплазма

Под этой сложной оболочкой бактерии находится цитоплазма – гелевая масса различной плотности, в толще которой находятся включения:

• рибосомы, продуцирующие белок;
• небольшие мембранные структуры;
• жировые включения (гликоген);
• полифосфатные соединения (волютин);
• полисахариды;
• бета-оксимасляная кислота.

Состав включения зависит от потребности бактерии в источниках энергии и питательных веществах. Некоторые бактерии имеют цитоскелет – систему трубочек, способную ориентировать внутри клетки ее основные компоненты. В частности, они позволяют правильно располагаться молекуле ДНК во время репликации, несмотря на то, что бактерии не имеют в клетке настоящего ядра и гистонов.

Нуклеоид

Отсутствие оформленного ядра определяет простой процесс воспроизведения генетической информации – кольцевая молекула ДНК просто удваивается перед делением клетки, и по одной копии оказывается в дочерних организмах.

Однако существует особенность передачи генетической информации, которая делает бактерии уникальными для генетиков и молекулярных биологов. Возможность их функционирования как раз связана с тем, что бактерии не имеют в клетке ядра. Внутри клеток обнаружены нехромосомные элементы, способные к передаче информации в обход ядра. Наиболее изучены среди них такие:

1. Плазмиды.
2. Транспозоны и IS-элементы (вставные последовательности).
3. Умеренные фаги.

Любопытно, что размер генетической информации, обнаруженный в мобильных элементах, существенно превышает ее число в главной молекуле ДНК. Именно они имеют прямое отношение к:

• защитным реакциям бактерий,
• их быстрому привыканию к лекарственных препаратам,
• способности синтезировать антибиотики и необычные для бактерий сахара и использовать для питания некоторые не свойственные для своего вида источники.

Ничего подобного плазмидам бактерий у эукариотических организмов нет, поскольку они имеют оформленное ядро, препятствующее контакту основного генома с неядерными элементами. Они способны к самостоятельному воспроизведению и имеют для этого собственный набор необходимых генов.

Таким образом, бактерии не имеют ядра, и это позволяет им обмениваться генетической информации «по горизонтали», быстро перенося полезные гены внутри существующей популяции клеток и существенно повышая их адаптивность к изменениям окружающей среды.

Чем наполнена клетка

Бактериальная цитоплазма является хранилищем питательных веществ. Это густая субстанция, которая снабжена рибосомами. Под микроскопом в цитоплазме можно различить скопления органических и минеральных веществ.

В зависимости от функциональности бактерий количество клеточных рибосом может достигать десятков тысяч. Рибосомы имеют специфическую форму, стенки которой лишены какой-либо симметрии и достигают диаметра 30 нм.

Рибосомы получили своей название благодаря рибонуклеиновым кислотам (РНК). При размножении именно рибосомы воспроизводят генетическую информацию, записанную в ДНК.

Рибосомы стали центром, который руководит процессом биосинтеза белка. Благодаря биосинтезу неорганические вещества превращаются в биологически активные. Процесс проходит в 4 этапа:

1. Транскрипция. Происходит образование рибонуклеиновых кислот из двойных нитей ДНК.
2. Транспортировка. Созданные РНК транспортируют аминокислоты в рибосомы в качестве исходного материала для синтеза белка.
3. Трансляция. Рибосомы сканируют информацию и строят полипептидные цепи.
4. Формирование белка.

Рибосома прокариот

Ученые до сих пор не изучили детально строение и функциональность клеточных рибосом у бактерий. Их полная структура еще не известна. Дальнейшая работа в области исследования рибосом даст полную картину о том, как работает молекулярная машина по синтезу белка.

Защитная система «стоп-вирус»

Казалось бы, нет злоумышленников, которые могут атаковать такую крошку, как бактерия. Нет врага, способного поселиться внутри одноклеточного организма. Оказывается, есть. И называется он вирусом.

Этот инфекционный агент не имеет оформленной клеточной структуры и может вести активную жизнедеятельность только внутри живых клеток. В том числе и внутри бактерий.

Тщательные научные эксперименты показали, что пробить клеточную оболочку для вируса не составляет никакого труда благодаря своеобразному буру. Он представляет собой белковое копье с наконечником из иона железа.

Нуклеиновая кислота, впрыснутая вирусом, молниеносно распространяется по всему микроорганизму. Вирусные частички очень быстро разрушают его. И если бы отсутствовал защитный механизм, то бактерия очень быстро погибла.

«Малыши» выработали свою охранную систему, которая называется бактериальным иммунитетом. С ее помощью микроорганизм фиксирует все данные касательно вирусов. Впоследствии он использует ее для обороны от атакующих противников.

Бактериальная хромосома имеет четкую последовательность спирали ДНК, где определенные участки попеременно повторяются. Если иммунная защита обнаруживает присутствие в клетке чужеродной ДНК, то включается механизм уничтожения пришельца. Разрушение вражеского компонента происходит с помощью особого белкового комплекса.

Всякая система может иногда давать сбои. Нет исключений и у иммунной защиты бактерий. Иногда ДНК вируса повреждает спираль ДНК микроба, и возникает так называемое аутоиммунное заболевание. Справедливости ради следует отметить, что такие инциденты достаточно редки и являются скорее исключением из правил.

Форма нуклеоида и его положение

Одна из основных характеристик нуклеоида – хранителя ДНК бактерии – его кольцевое строение. Однако уже сегодня, по результатам современных исследований, бактериологи различают разные формы устройства нуклеоид. Он может выглядеть как:

• бобовидное тело;
• клубок спутанных толстых веревок;
• кораллоподобная структура с ветвями, ширящимися по всему пространству микроорганизма.

Форма нуклеоида зависит от того, какие белки упаковывали макромолекулу ДНК в хромосому.

В связи с тем, что ядро в бактерии отсутствует, в процессе эволюции был создан способ крепления нуклеоида к цитоплазматической мембране. Это крепление обеспечивает быструю и надежную репликацию хромосом.

Также есть данные, полученные лабораторным путем, что далеко не все ДНК, которые содержатся в прокариотах, имеют кольцевую структуру. Так, например, ДНК спирохеты бореллия (Borrelia burgdorferi), возбудителя клещевого спирохетоза, имеет линейное строение.

Все основные параметры нуклеоида, который содержит наследственную информацию бактерии, активно изучаются, и сегодня этот клеточный органоид характеризуется как:

• кольцевая структура (имеются исключения в виде линейных макромолекул);
• одиночная хромосома (имеются исключения).

Геном микроорганизмов

Процесс самовоспроизведения, во время которого происходит копирование важных данных из одного источника на другой, называют репликацией. Результатом этого действия (свойственного в том числе и для клеток бактерий) является создание себе подобной структуры. Участниками репликации (репликонами) у прокариотов считаются:

• кольцевая молекула ДНК,
• плазмиды.

Нуклеотиды ДНК у клеток бактерий расположены в определенной последовательности. Такое строение позволяет выстроить порядок аминокислот в белке. В каждом гене содержится уникальное число и расстановка нуклеотидов.

Все свойства и особенности прокариот определены их комплексом генов (генотипом). Если вести речь о микроорганизмах, то для них генотип и геном являются практически синонимами.

Фенотип является результатом взаимодействия совокупности генов и условий обитания. Он находится в зависимости от конкретных условий окружающей среды, но контролируется непосредственно генотипом. Это обусловлено тем, что все возможные изменения уже определены набором генов, составляющим участок кольцевой молекулы ДНК.

Генотип может меняться не только в зависимости от влияния окружающей среды. К его модификации могут приводить различные мутации или перестановки генов в строении молекулы ДНК. Исходя из этого, выделяют ненаследственную (средовую) изменчивость и наследственную (модификационную) форму изменений генотипа. Если нуклеотиды в кольцевой молекуле ДНК перестроились или были частично утеряны под воздействием мутации, то такое строение будет необратимым. А когда «виновником» изменений становятся факторы окружающей среды, то с их устранением исчезнут и вновь приобретенные качества.

Бактериальная хромосома

Кольцевая молекула ДНК в клетках различных представителей класса бактерий отличается по размерам. Но имеет схожее строение, как и функции, во всех случаях.

1. Бактериальная хромосома у прокариотов всегда одна.
2. Она находится в цитоплазме.
3. Если в клетках у эукариотов молекула ДНК имеет линейное строение и считается более длинной (в ней имеется до 1010 пар оснований), то у бактерий она замкнута в кольцо. И еще бактериальная хромосома прокариот короче (5106 пар оснований).
4. В одной кольцевой молекуле ДНК находится информация обо всех нужных функциях для жизнедеятельности бактерий. Эти гены можно поделить на 10 групп (по принципу процессов, которые они контролируют в клетке). Можно отобразить данную классификацию в виде таблицы.

Процессы жизнедеятельности в клетках прокариот	Число изученных генов, которые находятся в клетке бактерий и отвечают за определенные процессы
Доставка клетке различных соединений и питательных веществ	92
Проведение синтеза фосфолипидов, жирных и аминокислот, нуклеотидов, витаминов и других соединений	221
Организация работы аппарата по синтезу белков	164
Синтез оболочки	42
Расщепление сложных органических веществ и другие реакции для выработки энергии	138
Катаболизм (переработка, расщепление) макромолекул белков, углеводов и жиров	22
Способность направленного движения к полезным веществам и от раздражителя (хемотаксис), подвижность бактерий в целом	39
Выработка АТФ (универсальная форма химической энергии, присущая любой живой клетке). Как упоминалось ранее, данный процесс у эукариотов протекает в митохондриях и является для этих органоидов основным родом деятельности	15
Репликация нуклеиновых кислот, в том числе и генов	49
Иные гены, в том числе и с неизученными функциями	110

Вообще, одна хромосома способна нести в себе около 1000 известных генов.

Плазмиды

Трансмиссивные репликоны способны передаваться из одной клетки в другую. Они несут в своей кольцевой молекуле ДНК некоторые признаки, которые причисляют к категории фенотипических изменений:

• выработка устойчивости к антибиотикам;
• способность продуцировать колицины (белковые вещества, способные уничтожать микроорганизмы того же рода, что послужили источником их возникновения);
• переработка сложных органических веществ;
• синтез антибиотических веществ;
• способность проникать в организм и вызывать заболевания;
• возможность преодолевать защитные механизмы, размножаться и распространяться в организме;
• умение вырабатывать токсины.

Последние три «навыка» называют факторами патогенности, знания о которых содержит в себе кольцевая молекула ДНК плазмид. Именно благодаря этим факторам болезнетворные бактерии становятся опасными для человеческого организма.

Таким образом, кольцевая молекула ДНК, имеющаяся у всех прокариот, одна несет в себе целый комплекс навыков, полезных для их выживания и жизнедеятельности.

Нуклеоид – замена ядру в клетке бактерии

Если упрощенно описать живую клетку, то самая простая схема будет выглядеть следующим образом: отделенное мембраной от внешнего мира пространство, наполненное внутриклеточным веществом, в котором протекают биохимические процессы, способные организовать самостоятельное размножение биоструктуры. Эта миссия является определяющей для существования органической жизни.

Передача наследственной информации может осуществляться двумя разными путями, в зависимости от устройства внутриклеточного хранилища, в котором эта информация содержится:

1. У эукариотов роль такого хранилища играет оформленное ядро, которое состоит из мембраны, изолирующей ДНК от остального пространства клетки, и самой макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, упакованной в хромосому. Ядро считается органеллой эукариотической клеточной структуры.
2. В прокариотических (бактериальных) клеточных конструкциях ДНК никак не отделена от остального внутриклеточного вещества, а только компактно упаковано в нуклеоид – кольцевую хромосому с генетической информацией, выполняющую роль ядра.

Есть гипотеза, согласно которой предок оформленного эукариотического ядра – бактерия-симбионт. На заре зарождения ядерных организмов эта бактерия-симбионт стала частью прототипа эукариотической клеточной конструкции и сумела наладить эффективное сотрудничество по передаче наследственной информации.

Строение клетки эукариот

Бактерия снабжала эукариотическую клетку при делении наследственной информацией, а в качестве вознаграждения за труд получала те питательные вещества, которые синтезировались большим эукариотом, а со временем стала ядром.

Так это было на самом деле или нет, ученым еще предстоит разобраться, а на сегодня они имеют почти полное представление о нуклеоиде бактерии и о тех функциях, которые он выполняет в бактериальной клетке.

Вездесущие микроорганизмы в генной инженерии

Генная инженерия только начинает внедряться в нашу реальность. Тем не менее уже достигнуты достаточно ощутимые результаты, которые качественно улучшают человеческую жизнь. Например, синтетическим путем получен такой жизненно важный препарат, как инсулин.

Не остались в стороне от научно-технического прогресса и крошки-бактерии. Дело в том, что основная часть работы проводилась именно на спиралях ДНК этих микроорганизмов.

В бактериях наследственная информация накапливалась в течение миллиардов лет. В переданных из поколения в поколение данных практически нет изменений. Бактериальные плазмиды можно перенести из одной молекулы в другую, не исказив исходных данных. Так, гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, при внедрении в микрофлору кишечника значительно увеличивают ее жизнеспособность в неблагоприятных условиях.

Одним из феноменальных достижений генной инженерии стал синтез противовирусного препарата «Интерферон». Человеческий организм выделяет этот белок при попадании в него вирусной инфекции. Но при осложненном течении заболевания естественного интерферона может быть недостаточно. И тогда на помощь человеку придет синтезированная форма препарата.

Запустить «Интерферон» в массовое производство помогли именно бактерии. Посудите сами: из одного литра бактериальной культуры получается такое количество препарата, на которое бы потребовались тысячи литров человеческой крови.

Разработки генных инженеров идут дальше. Уже проводятся работы по конструированию генов, носящих противоопухолевый код. Генная терапия применяется при лечении наследственных заболеваний.

Не обделили своим вниманием ученые и сельское хозяйство. Проводятся работы по созданию новых кормовых культур, которые, например, увеличивают надои молока

Разработана вакцина, которая не дает возможности вирусу герпеса атаковать поголовье домашнего скота и свести на нет все усилия животноводов.

И во многом своими достижениями человек обязан крошечным бактериям. Невидимые помощники оказывают неоценимую услугу человечеству в борьбе с такими подлинными трагедиями, как недостаток пищи или заболевания, калечащие и уничтожающие людей.

Особенности доядерных микроорганизмов

Как становится понятным из определения прокариот, основное качество их строения заключается в отсутствии ядра. Кольцевая молекула ДНК отвечает за сохранность и передачу всей информации, которая понадобится новой клетке, созданной в процессе деления. Структура цитоплазмы очень плотная и она неподвижна. В ней нет ряда органоидов, которые выполняют важные функции в клетках эукариот:

• митохондрий,
• лизосом,
• эндоплазматической сети,
• пластидов,
• комплекса Гольджи.

В цитоплазме хаотично расположены рибосомы, которые «заняты» на производстве белков

Немаловажной является миссия по производству энергии. Ее синтез происходит в митохондриях, но строение бактерий исключает их наличие

Поэтому функцию данных органоидов взяла на себя именно цитоплазма.

В митохондриях имеется одна особенность, делающая их несколько схожими с бактериями, – в них хранится митохондриальная ДНК. Ее строение напоминает бактериальные хромосомы. ДНК в митохондриях собрана в отдельный кольцевой нуклеоид. Некоторые особо длинные органоиды могут содержать до десяти таких молекул. Когда в подобных митохондриях начинается процесс деления, то от них отделяется участок, содержащий в себе один нуклеоид. И в этом можно также найти сходство с бинарным делением бактерий.

Процесс копирования

В теоретических конструкциях, разработанных микробиологами в те годы, когда изучать сложные молекулярные процессы экспериментальным путем было очень сложно или практически невозможно, копирование дезоксирибонуклеиновой кислоты может осуществляться тремя способами:

1. Консервативный, при котором двойная родительская спираль не раскручивается, а двойная дочерняя спираль полностью образовывается из нового материала.
2. Дисперсивный, при котором родительская макромолекула распадается на фрагменты, а дочерние формируются на нуклеотидных последовательностях этих фрагментов как на матрицах.
3. Полуконсервативный. Согласно этой модели, двойная спираль раскручивается, и каждая цепь спирали служит матрицей для дочерних ДНК. Формируется так называемый гибрид старой макромолекулы и цепи, созданной из новых компонентов.

Когда в 1957 году был найден способ отслеживания процессов, происходящих в бактериальной ДНК при ее репликации, было установлено, что дезоксирибонуклеиновая кислота реплицируется полуконсервативным путем, то есть через раскручивание и использование раскрученных участков в качестве матриц для синтеза новых макромолекул.

Сам процесс репликации бактериальной ДНК очень схож с репликацией ДНК остальных органических механизмов. Происходит он по следующей схеме:

1. ДНК-хеликазы раскручивают и разрывают двойную спираль, двигаясь вдоль сахарофосфатного остова дезоксирибонуклеиновой кислоты.
2. Ферменты полимеразы катализируют реакции присоединения к однонитевым фрагментам дезоксирибонуклеиновой кислоты комплиментарных нуклеиновых оснований.

После репликации происходит удвоение всех основных частей клетки: органелл, цитоплазматической мембраны, клеточной стенки, и бактериальная клетка распадается надвое.

Клетки архей – варианты безъядерного существования

Ближайшие родственники бактерий – археи, еще недавно назывались архебактериями и только недавно были выделены в отдельный таксон. Внешне они имеют сходное строение. Основные различия были обнаружены относительно недавно, когда оказалось, что не только угловатая форма клетки и склонность к экстремальным условиям существованиям отличает эти микроорганизмы, но и особенности биохимических реакций, обеспечивающих их питание.

Как и бактерии, археи не имеют оформленного ядра. Их транскрипция (синтез на основании ДНК однонитевой РНК, с которой в дальнейшем считываются белки) и трансляция (собственно процесс считывания) сопряжены. Их РНК-полимераза (фермент, считывающий РНК с ДНК) по своему строению напоминает эукариотическую и состоит из 9-12 субъединиц (эубактерии имеют ферменты с четырьмя субъединицами).

Отсутствие ядра – не единственная особенность архей. Их репликация не имеет точки начала, характеризующейся определенной последовательностью нуклеотидов, которые распознаются ферментом. Обычно вне зависимости от того, имеют ли бактерии или другие организмы ядро или нет, удаление точек прикрепления фермента снижает скорость размножения. В случае с археями все происходит наоборот – при отсутствии этих точек они начинают размножаться еще быстрее.

Такой нетрадиционный способ возможен благодаря наличию у архебактерий ферментов, позволяющих участкам генома обмениваться фрагментами между собой. У многих бактерий, которые не имеют ядра, есть несколько точек начала рекомбинации, и их активность определяет, используются они в данный момент или нет. Удаление этих точек приводит в действие механизм, эффективность которого тем выше, чем ниже активность точек начала рекомбинации.

Секретная генетическая информация

Вся наследственная информация закодирована в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Именно в ней содержится инструкция, определяющая рост, деление и функциональность клеток. Например, несмотря на очень маленькие размеры, для бактерий характерно достаточное разнообразие форм:

• шаровидная;
• палочковидная;
• изогнутая;
• закручена в тройную спираль.

И благодаря генетической информации, заключенной в спирали ДНК, дочерние клетки будут принимать форму материнской. Природа так методично отработала механизм размножения, что практически нет сбоев. В процессе деления образуется дочерняя спираль, которая идентична по своей хромосомной структуре материнской. Процесс этот называется репликацией.

Возможность размножаться – это ведущее свойство клетки. Чтобы качественно выполнять возложенную на нее функцию, она должна иметь достаточно сложное строение. На деле так оно и есть – каждая молекула содержит в себе более 1000 различных соединений.

Внутри молекул химические реакции происходят сами по себе достаточно медленно. Поэтому, чтобы живые организмы на Земле не прекратили свое существование, молекулы оснащены специальными катализаторами (ферментами). К сожалению, универсального фермента нет, и каждый отвечает только за проведение определенной химической реакции.

Генетический фонд в безопасности

Четко оформленного ядра, которое бы содержало ДНК, у бактерий нет. Но это не значит, что генетическая информация у микроорганизмов без ядерной оболочки имеет хаотичное расположение. Нитевидная двойная спираль ДНК уложена аккуратным клубком в центре клетки.

Благодаря наследственной информации, которая записана в ДНК, происходит размножение бактерий. Размножаются микроорганизмы делением. Скорость, с которой эти крошки способны делиться, впечатляет: каждые 20 минут их количество увеличивается вдвое! В благоприятных условиях они способны образовывать целые колонии, а вот нехватка питательных веществ негативно влияет на увеличение численности бактерий.

Хранение клеточного генетического материала

Как у всех представителей органической жизни, наследственная (генетическая) информация бактерий хранится в их ДНК. Что такое генетическая информация? Какая структура хранит наследственную информацию?

1. Генетическая информация – это определенная последовательность нуклеотидов. Другого секрета в ядре нет. Копируя эту последовательность, клетка синтезирует самые разнообразные белки. Они же решают все остальные вопросы организма, начиная с организационных, заканчивая снабжением клетки строительным материалом.
2. Макромолекула ДНК – четыре нуклеиновых основания (аденин, гуанин, тимин и цитозин), объединенные в двойную спираль сахаром дезоксирибозой и остатками фосфорной кислоты. Именно нуклеиновые основания кодируют последовательность сборки белков независимо от того, есть оформленное ядро в клетке или нет.

Дезоксирибонуклеиновая кислота бактерий имеет такое же строение, как молекулы – хранители наследственной информации всех остальных живых существ на планете. Так же, как все другие органические клетки, бактерия образует из ДНК хромосомы. Но это не значит, что других отличий нет.

Фундаментальным отличием бактерии является то, что у нее нет клеточного ядра, наследственная информация бактерии не собрана в клеточное ядро, это просто кольцевая молекула, которая прилеплена к одной из стенок цитоплазматической мембраны.

Однако то обстоятельство, что ядра нет, не препятствует активным процессам репликации и трансляции с использованием этого хранителя наследственной информации. Чтобы понять, как происходит передача информации, нужно понимать, что такое хромосомы, гены и клеточное ядро.

Ген – участок макромолекулы, на котором записана последовательность нуклеотидов, позволяющая собирать один определенный вид белка. Другой информации в генах нет.
Хромосома – комбинация цепи ДНК с белками гистонами, которые ее структурируют и придают ей определенную форму перед тем, как клетка начинает делиться. В фазе, когда деление не происходит, в клетке (или в ядре, если речь идет о ядерных эукариотах) как таковых хромосом нет.
Клеточное ядро – это клеточная структура, которая содержит наследственную информацию, структурированную в хромосому, когда клетка готовится к делению. В ней инициируется сам процесс деления

Важно помнить, что у бактерий клеточного ядра нет.

Если в эукариотической клетке при делении используются обособленные, специально формирующиеся для удобства деления структуры, то как же происходит размножение бактерий в условиях неоформленного кажущегося сумбура в отсутствие клеточного ядра?