81

5

ПРОКАРИОТЫ

Клетки прокариот характеризуются относительно

простым строением, однако обладают основными призна-

ками живой клетки: имеют мембрану, генетический аппа-

рат, каталитический аппарат для синтеза органических ве-

ществ, ферменты для расщепления органических веществ.

Плазмалемма образует единый цитоплазматический ком-

партмент, без выраженных подразделений. Клетки содержат

одну единственную хромосому – нуклеоид, которая состоит

из одной кольцевой молекулы ДНК, морфологически

обособленное ядро отсутствует, поэтому их назвали прока-

риотами.

В природе встречаются различные типы бактерий. В зависимо-

сти от формы различаются:

- бациллы - бактерии в форме палочек (Escherichia coli)

- кокки – сферические бактерии (Micrococcus cerulyticus)

- диплококки – две сферические бактерии, окружены одной капсулой

(Diplococcus pneumoniae) – вызывает пневмонию.

- стрептококки – цепи кокков (Streptococcus pyogenes) – вызывают

ангину и скарлатину

- стафилококки – грозди кокков (Staphylococcus aureus) – вызывают

заболевания дыхательных путей

- спириллы – спираль со жгутиками (Spiryllum)

- вибрион – в форме запятой со жгутиками (Vibrio cholerae) – вызыва-

ет холеру.

82

Клеточная оболочка бактерий

В зависимости от структуры клеточной оболочки,

выделяются грамположительные и грамотрицательные

бактерии (рис.5.1).

Рис. 5.1. Структура грамположительных и грамотрицательных бактерий

83

Название зависит от цвета, который получают бакте-

рии при окрашивании по Граму (основной краситель).

Клетки окружены плотной клеточной стенкой, которая со-

стоит из муреина, представляющего собой пептидогликан.

Некоторые бактерии окружены слизистой капсулой, кото-

рая обеспечивает образование колоний. Капсулф, как и

клеточная стенка, выполняет также защитную роль в клет-

ке. Таким образом, штаммы (бактерии одного вида, харак-

теризующиеся определенными свойствами) пневмококков,

обладающих капсулой – вирулентны и вызывают пневмо-

нию, в то же время штаммы, лишенные капсулы – авиру-

лентны, так как они разрушаются фагоцитами.

Грамположительные бактерии

У грамположительных бактерий клеточная оболочка

состоит из плазмалеммы, покрытой толстой клеточной

стенкой, в состав которой входят тейхоевые кислоты, липо-

тейхоевые кислоты и полисахариды.

Плазмалемма имеет структуру сходную с таковой у

эукариот. Фосфолипидный бислой взаимодействует с инте-

гральными белками (белки-каналы) и полуинтегральными

(белки-ферменты). Бактериальные ферменты присоединены

к цитоплазматической поверхности мембраны, они катали-

зируют активный транспорт веществ, процесс аэробного

дыхания, системы превращения энергии. Плазмалемма со-

держит Н+ АТФ-азу, нужные компоненты для синтеза фос-

фолипидов, пептидогликанов, липополисахаридов, содер-

жит белки для связывания молекул ДНК. Бактериальная

плазмалемма представляет собой многофункциональную

структуру, которая может сочетать функции, выполняемые

различными органеллами у эукариот.

В грамположительных бактериях могут быть обна-

ружены мембранные, везикулярные или везикуло-

мембранные структуры – мезосомы, которые образуются в

результате впячивания плазмалеммы. В настоящее время

84

предполагается, что мезосомы являются аналогами мито-

хондрий эукариот и участвуют в процессах аэробного ды-

хания.

Клеточная стенка бактерий состоит из муреина,

представляющего собой полимер, образованный из цепей

N-ацетилглукозамина (NAG), N-ацетомурамовой кислоты

(NAM), связанных между собой аминокислотами (D-

аминокислотами) (рис.5.2).

Толщина клеточной стенки варьирует между 20 - 80

nm (у грамм - положительных бактерий) и составляет до

95% от сухого вещества клетки. На поверхности клеток

расположены и другие компоненты:

- тейхоевые кислоты, представляющие собой

полимеры (носители отрицательных зарядов), плотно свя-

Рис. 5.2. Структура пептидогликана

85

занные с пептидогликаном и задерживающие фиолетовые

кристаллы при окрашивании по Граму;

- липотейхоевые кислоты – полимеры, состо-

ящие из гликофосфатов и гликолипидов, которые прикреп-

лены к плазмалемме: имеют антигенную, цитотоксическую

и адгезивную функции (Streptococcus pyogenes).

Снаружи клеточная стенка покрыта тонким липид-

ным слоем, который защищает ее от воздействия лизоцима

– фермента, способствующего гидролизу межуглеводных

связей и разрушению муреина. Липидный слой защищает

клетку от воздействий пенициллина, который блокирует

процесс формирования связей между компонентами кле-

точной стенки грамположительных бактерий.

Грамотрицательные бактерии

Грамотрицательные бактерии характеризуются

наличием двух мембран: внутренней плазматической

мембраны, которая непосредственно взаимодействует с ци-

топлазмой, и внешней плазматической мембраны тол-

щиной 7,5-10 nm, расположенной снаружи клетки. У боль-

шинства грамотрицательных бактерий внутренняя плазма-

тическая мембрана соединена ковалентно с пептидоглика-

ном посредством липопротеидов. У некоторых бактерий (E.

coli), внешняя и внутренняя мембраны соединены во мно-

гих точках, что приводит к прерывности муреиновой стен-

ки.

Внутренняя плазматическая мембрана грамотрица-

тельных бактерий имеет сходную с плазмалеммой грампо-

ложительных бактерий структуру и функции, но не образу-

ет мезосомы.

В периплазматическом пространстве расположен

муреиновый слой, толщиной в 3-10 nm, ковалентно связан-

ный с внешней плазматической мембраной при помощи не-

которых липопротеидов.

86

Внешняя плазматическая мембрана имеет асиммет-

ричное строение. Фосфоглицериды и кардиолипины распо-

ложены на внутренней стороне мембраны, а липиды А (гид-

рофобные молекулы) – на внешней стороне. Липиды А со-

единены с полисахаридами и образуют внешний липополи-

сахаридный слой оболочки грамотрицательных бактерий.

Липополисахариды представляют собой комплексы,

состоящие из липида А с якорной функцией и углеводород-

ных цепей с антигенными свойствами (антиген О).

В состав наружной мембраны только грамотрица-

тельных бактерий входит специфический белок – порин,

который образует каналы для транспорта гидрофильных

веществ. Эти каналы обладают выборочной проницаемо-

стью и являются препятствием для некоторых антибиотиков

(ампицилин), которые отрицательно воздействуют на грам-

положительные бактерии. Характерной особенностью

наружной мембраны бактерии является неспособность осу-

ществлять активный транспорт из-за отсутствия специали-

зированных ферментных комплексов.

Жгутики и пили

На поверхности бактериальных клеток расположены

нитевидные выросты двух типов: жгутики и пили.

Жгутики имеются обычно на поверхности бактерий,

реже у кокков. Они представляют собой микротрубочки,

толщиной 10 - 60 nm, состоящие из 3 -11 филаментов, ком-

понентом которых является глобулярный белок флагеллин.

В отличие от жгутиков клеток эукариот, жгутики бактерий

не покрыты плазматической мембраной. Они соединяются с

плазмалеммой и клеточной стенкой с помощью одной пары

дисков у грамположительных бактерий и двумя парами

дисков у грамотрицательных. В связи с тем, что флагеллин

не обладает АТФ-азной активностью, жгутики не в состоя-

нии совершать колебательные движения, в отличии от жгу-

тиков эукариот. Движение жгутиков осуществляется в виде

87

вращения вокруг собственной оси. Источником энергии

движения служит градиент Н+ на поверхности плазматиче-

ской мембраны. Жгутики обладают антигенными свойства-

ми (антиген Н).

В зависимости от числа жгутиков различают следующие типы

бактерий:

- монотрихи – с 1 жгутиком (Vibrio сhoдerae);

- лофотрихи – с униполярным пучком жгутиков, расположенным на

одном конце (Bartonella baciliformes);

- амфитрихи – с биполярными пучками жгутиков (Spiririllum

serpens);

- перитрихи – окруженные жгутиками (E.coli).

Пили представляют собой тонкие выросты, распо-

ложенные на поверхности грамотрицательных клеток и со-

стоящие из группы белков – пилинов. Число их варьирует

от нескольких до двухсот на клетку. Существует два типа

пилей: многочисленные короткие, участвующие в прикреп-

лении клеток к субстрату, и 1-6 длинных пилей, названных

секс-пилями или F-пилями, которые участвуют в конъюга-

ции бактерий. В процессе конъюгации происходит обмен

генетической информацией между клетками. Пили также

придают адгезивные свойства тем штаммам, которые пара-

зитируют в других организмах.

Внутриклеточные компоненты

Бактерии не содержат мембранных клеточных ор-

ганелл, таких как ЭПС, АГ, лизосомы, пероксисомы, мито-

хондрии. Некоторые виды бактерий содержат фотосинтези-

рующие мембраны, пузырьки. Бактериальные клетки со-

держат рибосомы с коэффициентом осаждения 70S (30S +

50S), ответственные за синтез белков. Рибосомы могут быть

разбросаны в цитоплазме или ассоциировать с информаци-

онной РНК. В цитоплазме могут находиться резервные ве-

щества в форме гликогена и др.

88

Многочисленные бактерии образуют эндоспоры –

структуры, способствующие выживанию вида в неблаго-

приятных условиях. Были обнаружены споры, сохранивши-

еся в латентном состоянии свыше 25 млн лет. Эндоспоры

имеют толстую клеточную стенку, содержащую белки и

обезвоженную цитоплазму.

Генетический аппарат бактери-

альных клеток

Генетический материал бактериальной клетки

представлен нуклеоидом и плазмидами.

Нуклеоид составляет главную часть бактериального

генома и представлен кольцевой молекулой ДНК, длиной

≈ в 1 μm, включающей около 5х106 нуклеотидных пар. Нук-

леоид прикрепляется к плазматической мембране точкой

начала репликации. Бактерии интенсивно делятся, в связи с

чем репликация ДНК происходит непрерывно. Поскольку

бактерии не содержат микротрубочек и не образуется вере-

тено деления, которое могло бы обеспечить распределение

генетической информации, деление клетки по типу митоза

является невозможным.

Для обеспечения сегрега-

ции нуклеоидов в дочер-

ние клетки, они отделяют-

ся друг от друга в резуль-

тате роста выпячивания

плазматической мембра-

ны, и после образования

разделительной стенки

нуклеоиды попадают в

разные клетки (рис.5.3).

С химической точ-

ки зрения нуклеоид со-

стоит на 80% из ДНК (для

сравнения у эукариот –

Рис. 5.3. Этапы деления бактериальной клетки

89

40%), белков и РНК. Белки нуклеоида имеют основные

свойства, характерные для гистоновых белков, которые

обеспечивают упаковку ДНК у эукариот. Двухцепочечная

ДНК взаимодействует с белками при помощи механизма

скручивания. Каждые 40 тыс. нуклеотидов (40 kb) ДНК фи-

зически ассоциирует с основными белками, образуя петли

(рис.5.4.). Механизм стабилизации гиперспирализованных

структур не совсем ясен, возможно, участие в нем молекул

РНК.

Функционально большинство последовательностей

ДНК представляют уникальные последовательности -

структурные гены. Гены, кодирующие основные классы ри-

босомальной РНК, группируются в тандем и повторяются 7

раз в геноме E.coli.

Плазмиды представляют собой кольцевые молекулы

ДНК, которые реплицируются самостоятельно и составляют

0,05 – 10% бактериального генома. Они ответственны за

синтез различных метаболитов (аминокислот, антибиоти-

ков, факторов устойчивости к антибиотикам и др.). Для ре-

пликации и транскрипции плазмиды используют продукты

экспрессии нуклеоидных генов, в то время как инициация

репликации управляется плазмидными генами. По числу

Рис. 5.4. Этапы конденсации ДНК у прокариот

90

копий в геноме различают плазмиды с малым числом копий

(1-5) – обычно это большие молекулы, число и деятельность

которых находятся под строгим контролем нуклеоида;

плазмиды со средним числом копий (10-50) – молекулы

средних размеров, находятся под частичным контролем

нуклеоида; плазмиды с высоким числом копий (свыше 50) –

малые полуавтономные молекулы.

По роду деятельности в клетке различают:

- плазмиды R которые придают клетке устойчивость к

антибиотикам;

- плазмиды Col, которые обеспечивают синтез колицинов

– белков, способных уничтожать бактерии, не содержащих

эти плазмиды;

- плазмиды F (секс плазмиды) обеспечивают перенос ге-

нов во время коньюгации бактерий.

Генетическая рекомбинация

бактерий

Рекомбинация генетического материала между раз-

ными бактериальными клетками представляет собой источ-

Рис. 5.5. Коньюгация бактерий и перенос фактора F

91

ник генетической изменчивости и является очень важным

процессом для естественного отбора в борьбе за существо-

вание.

Существуют три типа переноса наследственного ма-

териала от одной клетки к другой: конъюгация, трансфор-

мация и трансдукция.

Конъюгация представляет собой процесс переноса

генетического материала от одной бактерии к другой по-

средством пилей. Для этой цели осуществляется контакт

между одной бактерией-носительницей плазмиды F (F+) и

другой, у которой отсутствует плазмида F (F-). Клетка F+

выступает в качестве донора генетического материала, а

клетка F- - акцептора. Из клетки донора передается одноце-

почечная копия плазмиды F. В клетке-акцепторе одноцепо-

чечная молекула превращается в двухцепочечную и прини-

мает кольцевидную форму. В результате обе клетки стано-

вятся F+ и могут в дальнейшем выступать в качестве доно-

ров генетической информации (рис. 5.5).

Рис. 5.6. Интеграция фактора F в бактериальный

геном. Образование бактерий Hfr

92

В некоторых случаях фактор F+ интегрируется в нук-

леоид, а соответствующие штаммы носят название Hfr

(High frequency recombination). Клетка Hfr служит донором

при коньюгации с клеткой

F-, перенося в клетку-

акцептор одноцепочечную

копию целого нуклеоида

(рис.5.6).

В некоторых слу-

чаях процесс коньюгации

прерывается и в результа-

те происходит перенос

только фрагмента нуклео-

ида. Иногда в клетках Hfr,

фактор F вырезается из

нуклеоида, унося с собой

фрагмент нуклеоида. В

таком случае рекомби-

нантная молекула носит

название фактора F'

(плазмида F') (рис.5.7).

Клетки с плазмидой F' мо-

гут участвовать в процессе

коньюгации.

Генетическая трансформация характеризуется

проникновением в клетку бактерии чужеродной ДНК. Клет-

ки, способные к трансформации, называются компетентны-

ми клетками и могут быть получены в лабораторных усло-

виях при инкубации в режиме низких температур в присут-

ствии ионов Са 2+, Cs+ и др. Практическое значение гене-

тической трансформации состоит в возможности внедрения

интересующих нас генов (например, гена инсулина) в бак-

терии с целью получения белков, которые могут быть ис-

Рис. 5.7. Рекомбинация между плазми-дой и нуклеоидом. Образование фак-

тора F'

93

пользованы в качестве медицинских препаратов. В лабора-

торных условиях для трансформации используются плазми-

ды семейств R и Сol. В природе была описана трансформа-

ция пневмококков и кишечной палочки с кольцевой ДНК.

Для того чтобы молекулы ДНК не подвергались гидролизу

ферментами хозяина, они принимают кольцевую форму или

интегрируются в геном хозяина.

Трансдукция представляет собой перенос наслед-

ственной информации от одной клетки к другой при уча-

стии бактериофагов. Лизогенные бактериофаги способны

интегрироваться в геном клетки хозяина. В некоторых слу-

чаях под воздействием экзогенных факторов (облучение,

температура, рН), ДНК бактериофага вырезается из нуклео-

ида, захватывая какой-то его фрагмент. Вырезанная ДНК

вируса с фрагментом нуклеоида переходит в цитоплазму,

вирусные частицы размножаются, что приводит к разруше-

нию клетки-хозяина. Инфицируя другие клетки, бакте-

риофаг переносит часть генетической информации разру-

шенной клетки.

Генетическая рекомбинация у бактерий имеет меди-

цинское значение. В первую очередь речь идет о возможно-

сти получения фармацевтических препаратов с помощью

трансформированных бактерий. Наряду с положительными

эффектами, существуют отрицательные: путем генетиче-

ской рекомбинации в природе возникают популяции пато-

генных бактерий, устойчивых к медицинским препаратам,

что значительно осложняет лечение бактериозов.

Контроль знаний:

1. Дайте определение: прокариота, муреин, нуклеоид,

плазмида, коньюгация, мезосома, трансдукция, трансфор-

мация.

2. Каковы компоненты прокариотической клетки?

3. В чем особенности клеточной оболочки у бактерий?

4. Какова характеристика бактериального генома?

94

5. Какие типы генетической рекомбинации существуют у

бактерий?

6. В чем состоит биологическая и медицинская роль гене-

тической рекомбинации у бактерий?