Мембрана бактерії: будова, особливості, функціонал

Зміст

  • Основні функції
  • Будова
  • Склад
  • Транспорт
  • Внутрішні структури

Незважаючи на те, що між прокариотами і еукаріотами існує багато фундаментальних відмінностей, є ряд ознак, за якими ці дві різні біосистеми дуже схожі між собою. Загальне для ядерних клітинних одиниць і доядерних організмів – наявність білкового бар’єру між внутрішньою середовищем клітини і зовнішнім простором, в якому клітина існує. Є гіпотеза, що формування в процесі еволюції клітинної мембрани у бактерії, як у першого живого організму, – одне з найважливіших винаходів природи, в результаті якого стало можливим подальше ускладнення внутрішньоклітинних процесів.

Основні функції
У бактеріальній клітині, як у живому самостійному організмі, протікають всі процеси, пов’язані із забезпеченням клітинних структур енергією і поживними речовинами.

Крім того, будь-яка дія з переробки органіки (харчування) супроводжується формуванням і накопиченням відходів, які необхідно виводити за межі організму.

Вирішення цих трьох важливих завдань покладено на цитоплазматичну мембрану у бактерій:

Доставка в клітинну середу із зовнішнього середовища сполук, які забезпечують загальний метаболізм в організмі бактерії (дихання).
Постачання бактеріальної клітини поживними речовинами для витягання життєзабезпечуючою енергії.
Висновок відходів у зовнішнє ж середу.
Не менш важливими функціями мембранної конструкції є:

забезпечення постійного складу внутрішньоклітинного простору;
кріплення джгутиків;
синтез речовин, необхідних для побудови клітинної стінки.
Дивним є той факт, що, незважаючи на важливість і складність тих функцій, які повинна виконувати цитоплазматическая мембрана, її будова не можна назвати громіздким або хитромудрим. Природа знайшла витончене рішення, щоб, використавши мінімальний ресурс, створити просту і ефективну систему природного захисту бактеріальної клітини та двостороннього транспорту речовин всередину і назовні.
Цитоплазматична мембрана

Будова
Незалежно від того, що ЦПМ (цитоплазматична мембрана) у будь бактеріальної клітці виконує одні й ті ж функції, її будова все ж може мати ряд відмінностей, в залежності від групи прокаріотів, які досліджуються в кожному конкретному випадку.

Структурні відмінності є між будовою плазматичноїмембрани грамнегативних бактерій і грампозитивних.

Тут є необхідність уточнити, що іноді вноситься плутанина у визначення цитоплазматичної мембрани і клітинної стінки бактерії.

Клітинна стінка – окрема структура бактеріальної клітини, яка не визначається як частина ЦПМ, а має своє відокремлене будову, в основі якого – білкові структури муреіна.
Саме ці структури, у разі виявлення грамнегативнихмікроорганізмів, не реагують на забарвлення по Граму, що дозволяє провести первинну ідентифікацію бактерій.

Тому, говорячи про грамнегативних прокаріот, потрібно розуміти, що в даному випадку досліджується ЦПМ, а клітинна стінка, хоча ці клітинні структури і знаходяться один з одним в безпосередній близькості.

Друга важлива відмінність будови ЦПМ грамнегативних бактерій – наявність зовнішньої мембрани.

Якщо взяти за основу дослідження мембранних конструкцій у грампозитивних прокаріотів, то мембрана у цих бактерій складається із:

Двох шарів ліпідів. Ліпіди – органічні жироподібні речовини, які характеризуються різним ступенем водонепроникності (гидрофобностью).
У ці два ліпідних шару в буквальному сенсі вмонтовані білкові молекули, які і відповідають за повідомлення між внутрішнім і зовнішнім простором бактеріальної клітини.
Якщо у грампозитивних бактерій є тільки одна ЦПМ, то у грамнегативних прокаріот їх дві.

ЦПР (цитоплазматична мембрана) грампозитивних бактерій

Зовнішній шар такої клітини складається з:

самої ЦПМ, яка стикається з цитоплазмою;
клітинної стінки, яка складається з муреіна;
зовнішньої мембрани, яка має таку ж бісістему ліпідів з білковими комплексами.
Повідомлення грамнегативних бактеріальних клітин із зовнішнім світом через таку триступеневу структуру не дає переваги цим мікроорганізмам на виживання в більш суворих умовах. Ці мікроби також погано переносять високі температури, середу з підвищеною кислотністю і перепадами зовнішнього тиску.

Хоча, безумовно, і серед грампозитивних, і середграмнегативних прокариотов є термофільні і барофільние групи бактерій, які пристосувалися до виживання в екстремальних умовах.

Окремим освітою ЦПМ є Мезосоми. Це своєрідне впячивание частини самої мембрани всередину клітинного простору. Мезосоми відіграють визначальну роль при розподілі клітки бактерії.

Склад
Відносно просте структурний пристрій ЦПМ бактерій врівноважується складністю тих функцій, які покладені на кожен елемент цієї системи окремо.

Як вже говорилося, мембранна конструкція у мікробів складається з бішару ліпідів. Що представляють собою ці ліпіди, і яку функцію вони виконують:

Ліпідний бішар

Бішар ЦПМ містить певний вид ліпідів – фосфоліпіди. Це складні органічні речовини з вмістом фосфорної кислоти. Особливість цих органічних молекул полягає в тому, що їх основна частина (головка) є гідрофільної (водопроницаемой), а закінчення (хвостик) – гідрофобна (водонепроникне). Цю особливість добре видно на просторової формулою цих молекул.
Структура ЦПМ влаштована так, що гідрофільні головки утворюють зовнішній шар, а гідрофобні хвостики – внутрішній.
Ця структура формує рідкокристалічну модель, на яку мозаїчним чином кріпляться молекули білків.
Білки, як основні структурні елементи, які містить цитоплазматическая мембрана, поділяються на два основних види:
Група периферичних білкових молекул, які контактують як з цитоплазмою, так і з ЦПМ. Основна роль цих комплексів – формувати протонні містки для транспорту всередину клітини і за її межі.
Група інтегральних білків – великі молекули, які повністю занурені в тіло мембрани, а іноді навіть виходять за її межі. ЦПМ містить величезну кількість інтегральних білкових комплексів, які мають міцні зв’язки з бішару ліпідів і не можуть дрейфувати уздовж стінок цитоплазматичної мембрани, як периферійні білки.
Ця проста схема може бути значно ускладнена у різних груп бактерій. Так, наприклад, мембранний комплекс бактерій-фотосинтетиков складається не тільки з зазначених білкових комплексів, у неї також впроваджені фотосинтезуючі апарати. Такі мембранні конструкції навіть мають окрему назву – фотосинтетичні.

Транспорт
Виходячи з того, що ЦПМ складається з білкових молекул, які можуть будувати канали передачі між цитоплазмою і зовнішнім середовищем клітини, особливий інтерес представляє механізм транспорту, який здійснюється через мембранні комплекси.

Механізм транспорту ЦПМ
Активний механізм транспорту ЦПМ

Залежно від того, які види зв’язків використовують ті білки, з яких складається мембрана бактерії, транспорт може бути двох видів:

активний;
пасивний.
Пасивний транспорт – процес, який протікає без витрати енергії кліткою. До таких процесів відноситься транспорт з причини різниці концентрацій в розчині. Молекули більш концентрованого розчину пересуваються в менш концентрований, до тих пір, поки буде встановлено певна рівновага.

Активний транспорт – в ньому беруть участь сполучні білки. Такий транспорт йде з витратою енергії. У грамнегативних бактеріях транспорт здійснюється також за допомогою пермеаз, з яких, в тому числі, складається простір між внутрішньою і зовнішньою мембранами грамнегативних клітин. Пермеази є сполучною ланкою для цих двох бактеріальних структур.

Внутрішні структури
Крім ЦПМ, всередині бактеріальних клітин різних груп можуть бути присутніми відокремлені мембранами включення. Ці огорожі, як і цитоплазматичний бар’єр, складаються з ліпідів і білків. Встановлено, що ці мембрани відіграють роль у метаболічних процесах клітини, а також беруть участь у проходженні циклу Кальвіна (циклу реакції фотосинтезу у прокаріотів).

Посилання на основну публікацію