Як співвідноситься будова бактеріальної клітини і її функції

Зміст

  • Навіщо потрібні одноклітинні організми
  • Як влаштована бактерія
  • Ядро в без’ядерної клітці
  • Каркас для одноклітинних
  • Що таке ЦПМ і мезосоми
  • Рибосоми – основа білкового життя
  • Додаткові структури прокаріот

Будова будь-якого організму (і механізму, до речі, теж) безпосередньо залежить від виконуваних функцій. Наприклад, для людини найпростіший спосіб пересування – ходьба, тому у нас є ноги, автомобіль створений для їзди, тому в нього замість ніг колеса. Точно так само функції клітини бактерії визначають її будову. І кожна з її внутрішніх структур в точності відповідає своїми функціями.

Навіщо потрібні одноклітинні організми
Бактерії стояли біля витоків життя на нашій планеті. Їхній внесок в освіту корисних копалин і родючих грунтів складно переоцінити. Вони підтримують баланс між вуглекислим газом і киснем в атмосфері. Їх здатність руйнувати відмерлі організми дозволяє повертати в природу необхідні поживні речовини. В організмі людини багато процесів, наприклад, травлення, не зможуть протікати без їхньої участі. Але ті ж самі бактеріальні клітини, що допомагають організму вижити, в певних умовах можуть нести хвороби або смерть.

Залежно від призначення бактерії розрізняються по будівлі. Так, мікроорганізми, що виділяють кисень, зобов’язані мати хлоропласти; клітини, здатні пересуватися, завжди оснащені джгутиками; бактерії, які виживають в агресивному середовищі, не можуть обійтися без захисної капсули і т.д. Деякі з структурних елементів клітини існують постійно, інші її компоненти виникають в міру необхідності або притаманні тільки певним видам бактерій. Але кожен елемент її будови є прикладом ідеальної відповідності структури виконуваних функцій.

Як влаштована бактерія
Бактеріальний організм – це всього лише одна клітина. Замість звичних органів, що відповідають за ті чи інші функції, у неї є лише своєрідні включення, іменовані органеллами. Їх набір може бути різним у залежності від виду клітини або умов її існування, але якийсь обов’язковий комплект внутрішніх структури бактерії присутній постійно. Саме вони характеризують клітку як бактеріальну.

найдрібніші мешканці Землі

Бактеріальна клітина відноситься до прокариотам – без’ядерною одноклітинним організмам. Це означає, що в її будові відсутня мембрана, яка відокремлює ядро ​​від цитоплазми. Роль ядра в бактерії виконує нуклеоїд (замкнута молекула ДНК). У прокариотической клітці є основні і додаткові органели (структури). До її основних структурам відносять:

нуклеоїд;
клітинну стінку (грампозитивний або грамнегативний захисний шар);
цитоплазматичну мембрани (тонкий прошарок між клітинною стінкою і цитоплазмою);
цитоплазму, в якій знаходяться нуклеоїд і рибосоми (молекули РНК).
Будова бактерільной клітини

Додатковими органеллами (органоїдами) клітина обзаводиться при несприятливих умовах. Вони можуть з’являтися і зникати в залежності від навколишнього середовища. До необов’язковим структурам клітини відносять капсули, пили, суперечки, різні включення типу плазмід або зерен волютину.

Ядро в без’ядерної клітці
Нуклеоїд («подібний ядру») – один з найважливіших органоидов в прокариотической клітці, що виконує функції ядра. Він відповідає за зберігання та передачу генетичного матеріалу. Нуклеоїд являє собою замкнуту в кільце молекулу ДНК, відповідну одній хромосомі. Ця кільцева молекула виглядає як безладне переплетення ниток. Однак, виходячи з її функцій (точне розподіл генів по дочірнім організмам), стає зрозуміло, що хромосома бактерій має високоупорядоченной структуру.

Нуклеоїд бактеріальної клітини

Як правило, постійної зовнішньої форми ця органела не має, але її можна легко розрізнити на тлі гелеподібної цитоплазми в електронний мікроскоп. При дослідженні за допомогою звичайного світлового мікроскопа бактерію необхідно попередньо офарбити, т. К. В природному стані бактерії прозорі і непомітні на тлі предметного скла. Після спеціального пофарбування область ядерної вакуолі бактерії стає чітко видно.

Молекула ДНК (нуклеоїд) складається з 1,6 х 107 нуклеотидних пар. Нуклеотид – це окремий «цеглинка», ланка, з якого складаються всі ядерні нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК). Таким чином, нуклеотид тільки окрема мала частина нуклеоида. Довжина молекули ДНК в розгорнутому стані може бути в тисячу разів більше, ніж довжина самої бактеріальної клітини.

молекула ДНК

Деякі бактеріальні клітини містять додаткові сховища спадкової інформації – плазміди. Це позахромосомних генетичні елементи, що складаються з дволанцюжкових ДНК. Вони набагато менше нуклеоида і містять «всього» 1500-40 000 пар нуклеотидів. У таких плазмидах може перебувати до сотні генів. Їх існування може бути повністю автономним, хоча в певних умовах додаткові гени легко вбудовуються в основну ланцюжок ДНК.

Каркас для одноклітинних
Клітинна стінка виконує формоутворюючу функцію, т. Е. Одночасно працює «скелетом» для клітини і замінює їй шкіру. Ця жорстка зовнішня оболонка:

захищає бактеріальні «нутрощі»;
відповідає за форму бактерій;
транспортує поживні речовини всередину і виводить відходи назовні.
Зустрічаються бактеріальні клітини округлої (коки), звивистій (вібріони, спірили), палочкообразной форми. Є мікроорганізми схожі на колбочки, зірочки, кубики або мають С-подібний вигляд.

форми бактерій

Механічні та фізіологічні функції (захист і транспорт) бактеріальної клітинної стінки залежать від її будови. Вивчати будову клітинної стінки зручно за допомогою методу Грама. Цей датчанин запропонував спосіб забарвлення бактерій аніліновими барвниками. Залежно від реакції клітинної оболонки на фарбу розрізняють:

Грампозитивні (піддаються фарбуванню) бактерії. Їх оболонка складається з одного шару, зовнішня мембрана відсутня.
Грамнегативнібактерії мають оболонку, не утримує барвник (після промивки стінка знебарвлюється). Їх зовнішня оболонка набагато тонше, ніж у грампозитивних, при цьому вона має два шари – зовнішню мембрану і располагающуюся під нею бактеріальну стінку.
Такий поділ бактерій має велике значення в медичних дослідженнях – найчастіше патогенні мікроби мають грампозитивну стінку. Якщо аналіз виявив грампозитивні бактерії, то є привід для переживань. Грамнегативні клітини набагато безпечніше. Деякі з них постійно присутні в організмі і можуть становити загрозу тільки у випадку неконтрольованого розмноження. Це так звані умовно-патогенні бактерії.

Будова клітинної стінки грампозитивних і грамнегативних бактерій

Зовнішня мембрана грамнегативних бактерій розширює функції бактеріальної стінки. Змінюється її проникність і транспортні властивості. Зовнішня мембрана має різні канали (пори), вибірково пропускають речовини всередину клітини – корисні проходять вільно, а токсини відторгаються. Тобто зовнішній шар грамнегативною клітини виконує функцію «решета» для молекул. Цим можна пояснити велику стійкість грамнегативних організмів до несприятливих умов: всіляким отрут, хімічним речовинам, ферментам, антибіотиків.

У біології «листковий пиріг» з клітинної стінки і цитоплазматичної мембрани називають клітинною оболонкою.

Що таке ЦПМ і мезосоми
Між клітинною стінкою і цитоплазмою розташований ще один органоид – цитоплазматична мембрана (ЦПМ). У її функції входить обмеження внутрішнього вмісту клітини, підтримання її форми, захист від проникнення агресивних факторів і безперешкодний допуск поживних речовин. По суті, це ще одне молекулярне «сито».

Через цитоплазматичну мембрану вільно проходять електрони (енергія) і транспорт матеріалів, необхідних для існування клітини. Розрізняють два активних процесу, що протікають через мембрану:

ендоцитоз – проникнення речовин всередину бактерії;
екзоцитоз – виведення відходів.
ЦПР (цитоплазматична мембрана) у бактерій

У процесі ендоцитозу мембрана утворює внутрішні складки, які потім трансформуються в бульбашки (вакуолі). Залежно від виконуваних функцій розрізняють два види ендоцитозу:

Фагоцитоз («поїдання»). Ця функція доступна деяким видам бактерій, їх називають фагоцитами. Такі клітини створюють з цитоплазматичної мембрани своєрідний мішок, обволікаючий поглинають частки (фагоцитозного вакуоль). Прикладом можуть служити лейкоцити крові, які «з’їдають» чужорідні частинки або бактерії.
Піноцитоз («випивання») – це поглинання рідин. При цьому утворюються бульбашки різного розміру, іноді дуже дрібні.
Екзоцитоз (виведення) діє в протилежному напрямку. З його допомогою з клітки виводяться неперетравлені залишки і клітинний секрет.

Крім цього, цитоплазматична мембрана:

регулює тиск рідини всередині клітини;
приймає і обробляє хімічну інформацію ззовні;
бере участь у процесі поділу клітини;
відповідає за відрощування джгутиків і їх рух;
регулює синтез клітинної стінки.
Внутрішня бактеріальна мембрана залежно від виконуваних кліткою функцій утворює мезосоми (внутрішні складки). Прикладом можуть служити ламелли і тилакоїди в одноклітинних, що живуть за рахунок фотосинтезу. Тилакоїди являють собою стопки плоских мішечків, утворених внутрішніми складками мембрани (мезосоми), в яких протікає фотосинтез, а ламелли – це ті ж витягнуті в довжину мезосоми, що з’єднують між собою стопки тилакоїдів.

Ліпідний бішар

У грампозитивних бактерій мезосоми добре розвинені і досить складно організовані, на відміну від грампозитивних. Розрізняють три види мезосом:

пластинчасті (ламелли);
бульбашки (везикули з запасом поживних речовин);
трубочки (тубулярні мезосоми).
Мікробіологи поки не дійшли остаточного висновку – чи є мезосоми основною структурою бактеріальної клітини або тільки підсилюють виконувані нею функції.

Рибосоми – основа білкового життя
Цитоплазма бактерій – внутрішня напіврідка (колоїдна) складова клітини, в якій знаходяться всі органели (нуклеоїд, плазміди, мезосоми та інші включення). Одна з основних функцій цитоплазми – створювати комфортні умови для рибосом.

Прокаріотів рибосома

Рибосома – найважливіший немембранного органоид клітини, що складається з двох частин: великої і малої субодиниць (поліпептидів, складових білковий комплекс). Функція рибосом – синтез білка в клітині. Рибосоми – це рібонуклеопротеіновие частинки розміром приблизно до 20 нм. У клітці їх може одночасно бути від 5000 до 90 000. Це найменші і найчисленніші органели прокаріотів. Велика частина бактеріальної РНК розташована саме в рибосомах, крім того, до їх складу входять білки.

Рибосоми відповідають за синтез білків з амінокислот. Процес протікає за схемою, закладеної в генетичної інформації РНК. Вважається, що еволюція рибосом почалася в добелковую еру. З часом апарат біосинтезу удосконалювався, але основну функцію в ньому продовжує грати РНК. Таким чином, рибосоми – поставщики основного компонента життєдіяльності білкових форм – самі спираються на РНК, а не на білкову складову.

Проблема зародження життя на Землі представляє своєрідний парадокс – ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота), несуча генетичну інформацію, не може сама себе розмножити, їй потрібен якийсь каталізатор, а білки, відмінний каталізатор, не можуть утворитися без ДНК. Виникає парадокс: курки і яйця або «що було раніше?».

молекула ДНК

Виявилося, на початку була РНК (рибонуклеїнова кислота)! Усі ключові стадії біосинтезу білка (передачу інформації, роботу каталізатора, транспорт амінокислот) взяла на себе РНК, складова основу рибосом. Це послужило одним із доказів існування життя «до ДНК». Гіпотеза про «світ РНК» поки не знайшла експериментального підтвердження, але дослідження нуклеїнових кислот залишаються одним з найбільш «гарячих» напрямків науки.
Додаткові структури прокаріот
Як будь-яка жива істота, бактеріальна клітина прагне убезпечити себе, створюючи різні додаткові елементи. До поверхневих структур належать:

Капсула. Це поверхневий слизовий шар, що утворюється навколо клітки як реакція на навколишнє середовище. Капсула не тільки дає бактерії додатковий захист, але і може містити запас поживних речовин «на чорний день».
Джгутики. Довгі (довше самої клітини) дуже тонкі нитки, прикріплені до ЦПМ і стінці, працюють моторчиком для вільного переміщення бактерій. Можуть розташовуватися по всій поверхні бактерії або рости пучками по її краях.
Пили (ворсинки). Вони відрізняються від джгутиків розмірами (тонше і набагато коротше). У функції пілей не входить переміщення, але вони відповідають за кріплення (прив’язку) бактерій до інших мікроорганізмам або поверхням. Ще пили беруть участь у водно-сольовому обміні і живильному процесі.
Спори. Це гарантія для мікроорганізмів пережити будь-які несприятливі фактори (відсутність води або їжі, агресивне середовище). Вони утворюються всередині бактерій, в основному грампозитивних. Однак цей спосіб забезпечує тільки виживання, але не розмноження (як у випадку грибних спор).
спори бактерій

Внутрішні додаткові включення можуть бути як активними (хлоросоми фотосинтезуючих клітин), так і пасивними (запаси харчування). У бактерій, що живуть у воді, є газові вакуолі, крихітні бульбашки повітря, що відповідають за їх плавучість.

Живильні речовини бактерій відкладаються в різних гранулах (ліпіди, волютин). Ліпіди забезпечують бактерію запасом вуглецю, що дає енергію у відсутності інших джерел. Волютин (зерна, що містять поліфосфати), стає джерелом фосфору, коли в навколишньому середовищі його недостатньо. Запаси волютину теж можуть служити джерелом енергії, хоча їх роль не так значна. Додатковими структурами ціанобактерій є запаси азоту, для серобактерий – відкладення молекулярної сірки. Основна характеристика всіх включень із запасами «на чорний день» – вони обов’язково ізольовані від цитоплазми і не можуть чинити на клітку вплив в нормальних умовах. В іншому випадку може бути передозування хімічних елементів і бактерія постраждає.

Структури бактеріальної клітини, як основні, так і додаткові, чітко виконують свої функції, зберігаючи і продовжуючи її життєздатність. Інформація, що міститься в РНК і ДНК прокаріот, дозволяє клітині швидко реагувати на зміну умов існування і приймати необхідні заходи для збереження мікроорганізму та успішного виконання всіх функцій, закладених у нього природою.

Посилання на основну публікацію