Цитоплазма бактерий — Справочник химика 21
Цитоплазма бактерий. Все содержимое клетки, ограниченное клеточной стенкой, называется протопластом. Протопласт состоит пз цитоплазматической мембраны и живого вещества клетки — цитоплазмы, или протоплазмы. Цитоплазма бактерий является бесцветной, прозрачной, слегка вязкой. [c.249]
Плазмиды наиболее часто используют в качестве векторов. Плазмиды -небольшие кольцевые двухцепочечные ДНК из цитоплазмы бактерий, они могут содержать от 2 до 100 тыс. пар оснований. Каждая плазмида имеет гены, которые могут реплицироваться, транскрибироваться, транслироваться независимо от хромосомных генов, но одновременно с ними. Плазмиды можно перемещать из одной клетки в другую их можно встраивать в другие гены, которые затем переносятся вместе с плазмидой и становятся частью генома клетки-хозяина. [c.61]
Рибосомы находятся в цитоплазме клеток.
Достигнув определенных размеров, диктуемых соотношением объемов ядра и цитоплазмы, бактерии переходят к бесполому размножению путем простого деления, т. е. путем деления на две идентичные дочерние клетки (рис. 2.11). Клеточному делению предшествует репликация [c.27]
Не промывая, препараты подсушивают фильтровальной бумагой и докрашивают 0,25%-ным раствором светлого зеленого или хризоидина. Затем промывают водой и высушивают. На препарате К цитоплазма бактерий окрашена в желто-коричневый цвет, включения волютина — в вишнево-красный.
На препарате Щ гранулы волютина обсцвечены. [c.51]
Ртутьредуктаза представляет собой флавопротеин, локализованный в цитоплазме бактерий. [c.460]
Цитоплазма бактерий окрашивается в желтый, а волютин — в темно-синий, почти черный цвет. [c.51]
В цитоплазме бактерий не обнаружены эндоплазматическая сеть и митохондрии, ио имеются рибосомы 703. У гетеротрофных бактерий есть мезосомы — мембранные структуры — производные цитоплазматической мембраны. Нуклеоид в отличие от ядра высших организмов не окружен ядерной мембраной и не содержит ядрышка, он может быть разветвленной формы, имеет одну хромосому, состоящую из кольцевой ДНК, не связанной с гистонами. У бактерий обнаружены дополнительные генетические элементы, содержащие ДНК в виде плазмид, которые могут быть автономны в цитоплазме или включены в хромосомы. Эта особенность плазмид используется в генной инженерии.
Матрикс митохондрии Или цитоплазма бактерии [c.78]
А хН-зависимая аккумуляция 5 в отсеке, заряженном отрицательно (например, в матриксе митохондрии или в цитоплазме бактерии), описывается уравнением (34) [c.146]
В клетке бактерий обособленное ядро отсутствует, хотя ядерные белки (нук-леопротеиды) находятся в цитоплазме бактерий в большом количестве. [c.20]
Бактерии настолько малы, что находятся на грани разрешения обычного светового микроскопа. Их линейные размеры достигают всего лишь порядка 1 мкм. Поэтому в течение долгого времени было трудно при непосредственном визуальном наблюдении получить информацию об их внутренней структуре. Однако с появлением электронного микроскопа оказалось возможным выявить детальное строение бактериальной клетки, как это можно видеть на приведенной электронной микрофотографии (фиг. 21). Следует отметить, что увеличение на этой микрофотографии в пять раз больше, чем на предыдущей микрофотографии (фиг. 20). Следовательно, размер всей бактериальной клетки не превышает размера митохондрий, находящихся в цитоплазме клеток эукариотов. Хотя в прокариотической клетке нет истинного ядра, ДНК в ней явно локализована в определенном участке клетки, которую иногда называют центральным телом. Окружающая это тело часть клетки o epжит много РНК. Как и в эукариотической клетке, основная масса РНК в клетке прокариотов сосредоточена в рибосомах — гранулярный фон на большей части клеток (фиг. 21). Эндоплазматической же сети в клетках прокариотов нет. По 4юрмальной аналогии с областью клетки эукариотов, в которой сосредоточена ДНК, содержащее ДНК пентральное тело бактерии часто называют ядром , остальную часть клетки обычно называют цитоплазмой бактерии. Это парадоксальное распространение терминов, используемых для эукариотов, на бактерии, отличающиеся от клеток высших форм отсутствием именно этих структур, настолько устоялось в молекулярной генетике, что в дальнейшем нельзя будет избежать употребления этих неточных слов.
Тесная связь между функциями ядра и цитоплазматическими эндосимбионтами была продемонстрирована в конце 60-х годов у Amoeba proteus К. Джеоном. Культура А. proteus была случайно заражена бактериями, которые проникли в цитоплазму простейшего и размножались там до численности 150 тыс. шт. на клетку. Большинство амеб погибло, однако часть из них выжила и активно делилась в присутствии инфицировавшей их цитоплазму бактерии. Число бактериальных клеток в амебе достигало теперь примерно 50 ООО. [c.249]
Трехмерная структура и расположение в мембране. Я+ — АТФ-синтазный комплекс так велик, что выдается в воду на довольно большое расстояние с одной стороны мембраны. Выступающая часть, которая представляет собой фактор Fi, обращена в цитоплазму бактерий, матрикс митохондрии или строму хлоропласта. [c.132]
Давайте обратимся к механизму транспорта К+ и Ыа+ через бактериальную мембрану. Известно, что между цитоплазмой бактерии и внешней средой существует разность электрических потенциалов, поддерживаемая работой белков-генераторов в бактериальной мембране. Откачивая протоны изнутри клетки наружу, белки-генераторы тем самым заряжают внутренность бактерии отрицательно. В этих условиях накопление ионов К+ внутри клетки могло бы происходить просто за счет электрофореза — движения Боложительно заряженного иона калия в отрицательно заряженную цитоплазму бактерии.
Цитоплазматическая мембрана является трехслойной структурой и окружает наружную часть цитоплазмы бактерий. По структуре она похожа на цитоплазматическую мембрану клеток животных состоит из двойного слоя липидов, главным образом фосфолипидов со встроенными поверхностными и интефальны-ми белками, как бы пронизываюш.ими насквозь структуру мембраны. Некоторые из них являются пермеазами, участвующими в транспорте веществ. Цитоплазматическая мембрана является динамической структурой с подвижными компонентами, поэтому ее представляют как мобильную, текучую структуру. Она участвует в регуляции осмотического давления, транспорте веществ и энергетическом метаболизме клетки (за счет ферментов цепи переноса электронов, АТФ-азы и др.). [c.25]
Цитоплазма бактерий занимает основной объем клетки и состоит из растворимых белков. Рибосомы бактерий имеют коэффициент седиментации 70 5 в отличие от рибосом, характерных для эукариотических клеток (80 8). Поэтому некоторые антибиотики, действие которых основано на подавлении синтеза белка путем связывания их с рибосомами бактерий, не оказывают влияния на синтез белка эукариотических клеток. В цитоплазме имеются различные включения — полисахариды, поли-р-масляная кислота и полифосфаты (волютин). Они накапливаются при избытке питательных веществ в окружающей среде и выполняют роль запасных веществ для питания и энергетических потребностей. Зерна волютина выявляются у дифтерийной палочки в виде интенсивно прокрашивающихся полюсов клетки. [c.25]
Генетика микроорганизмов как учение о наследственности и изменчивости имеет характерные особенности, соответствующие их сфоению и биологии. Наиболее изучена генетика бактерий, характерными чертами которых являются малые размеры и большая скорость размножения бактериальной клетки, что позволяет проследить генетические изменения в течение небольшого промежутка времени на большом числе популяций. Бактериальная клетка имеет одинарный набор генов (нет аллелей). Хромосома бактерий является полинуклеотидом (две полинуклеотидные цепочки ДНК) длиной 1000 мкм и мол. массой около 1,5—2 10 Д. Она суперспирализована и замкнута в кольцо содержит от 3000 до 5000 генов. Аналогично хромосоме в цитоплазме бактерий располагаются ковалентно замкнутые кольца ДНК, называемые плазмидами (внехромосомные факторы наследственности). Масса плазмид значительно меньше массы хромосом. Хромосома и плазмида способны к автономному самокопированию — репликации, поэтому их называют репликонами. Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи. Термин геном в отношении микроорганизмов — почти синоним понятия генотип .
Респираторные патогены и антимикробные препараты: взаимодействие в современных условиях
Микроорганизмы — доминирующая форма жизни на Земле!
Не примитивная, а — главная! У человека 1014 эукариотических клеток и 1015 — бактерий.
Ж.-К. Пешере
Инфекционные болезни были постоянным спутником человечества на протяжении всей его истории и, очевидно, останутся таковыми в обозримом будущем. Поэтому современная медицина немыслима без антибактериальных препаратов, которые успешно используются при лечении различных заболеваний.
Расширение и углубление знаний о строении, физиологии, биохимии и генетике бактерий настраивают практического врача на восприятие современных данных об избирательном действии антибиотиков на определенные виды бактерий и механизмах возникновения резистентности возбудителей инфекций.
Бактерии имеют довольно сложную структуру, определяющую многообразие их функциональной деятельности. По типу клеточной организации бактерии относятся к прокариотам. Прокариоты (Procariota: греч. pro — перед чем-либо + karion — ядро) — организмы, клетки которых не имеют оформленного клеточного ядра, то есть для них характерно отсутствие ядерной оболочки (кариолеммы), а следовательно, имеет место смешивание или соприкосновение их ядерного содержимого с протоплазмой клетки. Генетический аппарат представлен кольцевой хромосомой из ДНК (нуклеоид). Прокариоты в отличие от эукариот не имеют мембранных органоидов — митохондрий, лизосом.
Любая бактерия состоит из трех компартментов (отсеков): поверхностных структур, клеточной оболочки, цитоплазмы (рис. 1).
Поверхностные структуры бактерий — капсулы, жгутики и реснички (пили) — являются их постоянными признаками и используются для идентификации микроорганизмов.
Адгезины, пили (факторы колонизации) — это микробные продукты, ассоциированные с поверхностью бактериальной клетки и отвечающие за прикрепление к эпителию слизистых оболочек, что, собственно, и является началом инфекционного процесса. При некоторых инфекциях возбудитель проникает в поверхностные клетки эпителия (пенетрация), преодолевает эпителиальный барьер и оказывается в подлежащих тканях, то есть во внутренней среде организма. Взаимодействия бактерии и клетки организма-хозяина обусловлены несколькими типами связей, различных по специфичности и своей природе. Выделяют связи, основанные на взаимодействии электростатических сил, а также обусловленные гидрофобными свойствами поверхности и лиганд-рецепторными взаимодействиями.
Заряд. Бактериальные и эукариотические клетки заряжены отрицательно, но поверхностные микроворсинки снижают заряд бактерий и уменьшают электростатические силы отталкивания.
Гидрофобность. Бескапсульные бактерии обладают высокой гидрофобностью, усиливающей адгезивность; гидрофобные участки обладают сродством к лигандам на поверхности эукариотических клеток, что и обусловливает прочность связи.
Специфические взаимодействия. На поверхности бактерий имеются молекулы, способные к стереоспецифическому связыванию с комплементарными молекулами на мембранах эукариотических клеток (например, гемагглютинины или тейхоевые кислоты).
Капсула или слизистый слой, покрывающий тело многих бактерий, ингибирует начальные этапы защитных реакций — распознавание и поглощение. В большинстве случаев капсула состоит из полисахаридов. Капсулы некоторых палочек (бацилл) (B.anthracis, B.subtilis) состоят из полипептидов, в частности из полиглутаминовой кислоты. Капсулы экранируют бактериальные структуры, активирующие систему комплемента, а также структуры, распознаваемые иммунокомпетентными клетками.
Гидрофильность капсул затрудняет их поглощение фагоцитами, а само капсульное вещество защищает бактерию от действия лизосомальных ферментов и токсичных пероксидов фагоцитирующих клеток. Большое значение имеет легкая отделяемость капсул или слизистого слоя от поверхности бактерий, так как при взаимодействии с подобными субстанциями фагоциты оказываются ложно связанными, то есть лиганды взаимодействия практически не фиксируются на бактериальной клетке (например, на поверхности Pseudomonas aeruginosa).
Жгутики. Весьма существенным фактором инвазивности является подвижность микроорганизмов, обусловливающая их проникновение в клетки и межклеточные щели.
Клеточная оболочка большинства бактерий состоит из клеточной стенки и находящейся под ней цитоплазматической мембраны; некоторые бактерии дополнительно в качестве наружного слоя клеточной стенки имеют внешнюю мембрану.
Клеточная стенка у бактерий тонкая, эластичная и ригидная, сложный структурный элемент. Она отсутствует у некоторых бактерий (например, L-форм и микоплазм).
Структура и состав элементов клеточной стенки определяют ее способность воспринимать красители, т.е. тинкториальные свойства. В основу одного из принципов дифференциации бактерий положена их способность воспринимать и удерживать внутри своей клетки красящий комплекс генцианового фиолетового с йодом либо терять его после обработки спиртом (окраска по Граму). Соответственно выделяют следующие группы бактерий: грамположительные (окрашиваются в фиолетово-синий цвет) и грамотрицательные (красного цвета после дополнительного окрашивания фуксином или сафранином).
Клеточная стенка бактерий во многом определяет их антигенную характеристику. По антигенам лейкоциты «узнают» бактерии и синтезируют к ним антитела. Липополисахариды клеточной стенки дают возможность бактериям прилипать к эпителиальным клеткам, а также склеиваться между собой.
В составе клеточной стенки имеются два слоя: наружный — пластичный и внутренний — ригидный. Основу клеточной стенки у всех бактерий составляет пептидогликан — уникальное химическое соединение. Состоит пептидогликан из остова и набора пептидных цепочек — боковых и поперечных. Остов пептидогликана одинаков и включает молекулы аминосахаров — N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты. Боковые цепочки представлены тетрапептидом, а поперечные — пентапептидом. В тетрапептидной боковой цепочке у большинства грамотрицательных бактерий имеется диаминопимелиновая кислота — уникальный компонент клеточной стенки, обнаруженный только у прокариот. Боковые тетрапептиды связаны с N-ацетилмурамовой кислотой остова. Связывание боковых тетрапептидов между собой происходит путем образования поперечных пентаглициновых мостиков.
Особенности строения клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий представлены на рис. 2. У грамположительных бактерий — несложно организованная, но мощная клеточная стенка, состоящая из множественных (≈ 40) слоев пептидогликана (на его долю приходится до 90 % сухой массы клеточной стенки), включающих уникальные полимеры тейхоевых кислот, которые являются главными поверхностными антигенами грамположительных бактерий. Клеточная стенка большинства грамположительных бактерий не содержит липидов, не прикрывается никакими защитными барьерами.
Грамотрицательные бактерии имеют более тонкую (по сравнению с грамположительными бактериями) клеточную стенку, включающую бимолекулярный слой пептидогликана (5–10 % сухой массы стенки) и не содержащую тейхоевой кислоты. Структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий сложнее. О-антиген и эндотоксин — главные факторы патогенности во внешней мембране, являющиеся одним из механизмов неспецифической устойчивости грамотрицательных бактерий к антибиотикам. Липополисахарид представляет собой исключительный структурный полуконсервативный компонент, занимающий около 75 % поверхности наружной мембраны.
Цитоплазматическая мембрана является сложной трехслойной полифункциональной структурой, имеющей выраженную избирательную проницаемость. Белки цитоплазматической мембраны разделяют на структурные и функциональные; последние включают ферменты (70–90 %), участвующие в окислительно-восстановительных процессах и необходимые для энергетического и пластического метаболизма, а также некоторые специализированные энзимы. Цитоплазматическая мембрана содержит РНК и липоиды, представленные главным образом фосфолипидами. В цитоплазматической мембране бактерий расположена система электронного транспорта, обеспечивающая энергетические процессы в клетке: диффузию, транспорт, обусловленный фосфорилированием, и активный транспорт.
Цитоплазма бактерий — это матрикс, служащий для реализации жизненно важных реакций. Она содержит ДНК, рибосомы и запасные гранулы; остальное пространство занимает коллоидная фаза, ее основные составляющие — растворимые ферменты и РНК. Разнообразные органеллы, характерные для эукариотической клетки, у бактерий отсутствуют, а их функции выполняет бактериальная цитоплазматическая мембрана. В цитоплазме распределены немембранные органеллы — рибосомы.
Рибосомы бактерий — это сложные глобулярные образования, состоящие из различных молекул РНК и многих связанных с ними белков почти в равном соотношении. Все образование функционирует как локус синтеза белков в бактерии.
Диаметр бактериальных рибосом составляет около 20 нм, константа седиментации — 70 S (единиц Сведберга), а у эукариот — 80 S. Рибосомы бактерий состоят из двух субъединиц (молекул белка из нескольких полипептидных цепей) с коэффициентом седиментации 50 S для одной и 30 S для другой. Объединение субъединиц происходит перед началом синтеза белка.
Плазмиды резистентности представляют собой внехромосомные молекулы ДНК (эписомы). Они способны к независимому делению и кодируют устойчивость у различных бактерий [1]. Плазмиды включают один и более генов, кодирующих синтез ферментов, обусловливающих инактивацию или модификацию лекарственных препаратов (например, β-лактамазы, инактивирующие пенициллины и цефалоспорины либо ацетилтрансферазы, нарушающие структуру хлорамфеникола), а также работу бактериальных насосов, опосредующих быструю элиминацию препаратов (например, тетрациклинов) из клетки. Гены множественной устойчивости могут кодировать транспозоны, интегрированные в плазмиды. Плазмиды грамотрицательных бактерий, опосредующих резистентность к одному или нескольким препаратам одновременно, а также к ионам тяжелых металлов, определяют как R-факторы (от англ. resistance — устойчивость). Плазмиды способны вызывать состояние эпидемической резистентности путем передачи соответствующих дочерних популяций плазмид посредством бактериальной конъюгации или трансдукции.
Токсины. Важнейшими факторами патогенности считают продукты метаболизма различных микроорганизмов; спектр их активности необычайно широк — от веществ, облегчающих распространение по тканям, до продуктов, селективно повреждающих активность определенных клеток. Их традиционно разделяют на эндотоксины и экзотоксины, хотя подобная классификация не совсем корректна; более правильной была бы систематизация по химическому составу либо по механизму действия: например, на поражающие клеточную мембрану (цитолизины) и действующие на различные внутриклеточные мишени. К сожалению, химический состав значительной части токсинов и комплекс оказываемых ими биологических эффектов изучены недостаточно.
Экзотоксины — это секреторные продукты (обычно белковой природы), наиболее часто проявляющие активность ферментов. Они вырабатываются живой микробной клеткой, диффундируют из клетки в окружающую их среду. Нередко экзотоксины служат единственным фактором вирулентности микроорганизма и ответственны за клинические проявления инфекции. Экзотоксины продуцируют как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии. Высокая токсичность экзотоксинов обусловлена особенностью структуры их фрагментов, имитирующей строение субъединиц гормонов, ферментов или нейромедиаторов. Экзотоксины проявляют высокую иммуногенность и вызывают образование специфических нейтрализующих антител (антитоксины).
Связывание и проникновение экзотоксинов в определенной степени напоминают механизм действия белковых и гликопротеиновых гормонов, что обусловлено родством их молекулярных структур. Внутриклеточной мишенью для эффекторной части токсина обычно является жизненно важная система, например биосинтеза белка (для А-токсина синегнойной палочки) либо аденилатциклазная система (для термолабильного токсина кишечной палочки или экзотоксина Bordetella pertussis). Основными типами подобных продуктов считают цитотоксины (например, энтеротоксины или дерматонекротоксины), мембранотоксины (например, гемолизины и лейкоцидины), функциональные блокаторы, эксфолиатины и эритрогенины. Нередко патогенные бактерии синтезируют несколько экзотоксинов, проявляющих различное действие (летальное, гемолитическое, цитотоксическое и т.д.).
Эндотоксины имеются только у грамотрицательных бактерий. Они представлены липидными и полисахаридными остатками и считаются интегральными компонентами клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Большая часть эндотоксинов высвобождается и действует при разрушении бактериальной клетки под действием антибиотика. Эндотоксин запускает синтез около 20 различных биологически активных соединений, которые опосредуют патогенез эндотоксикоза, обладает пирогенным действием. Высвобождение провоспалительных медиаторов играет ключевую роль в генерировании лихорадки, артериальной гипотензии, септического шока и полиорганной недостаточности, в повреждении ткани. При попадании значительного количества токсина в кровоток возможен эндотоксиновый шок, обычно заканчивающийся смертью больного. Бактериальные эндотоксины проявляют сравнительно слабое иммуногенное действие, и иммунные сыворотки не способны полностью блокировать их токсические эффекты. Некоторые бактерии могут одновременно синтезировать экзотоксины и выделять (при гибели) эндотоксины (например, токсигенные штаммы Escherichia coli).
Экзоферменты. Весьма важными факторами патогенности следует считать экзоферменты — специфические белковые катализаторы (например, лецитиназа, гиалуронидаза, коллагеназа и др.), нарушающие гомеостаз клеток и тканей, что приводит к их повреждению. Способность к образованию экзоферментов во многом определяет инвазивность бактерий — возможность проникать через слизистые, соединительнотканные и другие барьеры.
Бактериальная гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость различных тканей. Этот фермент синтезируют бактерии родов Clostridium, Streptococcus, Staphylococcus и др. К этой же группе следует отнести и бактериальные энзимы, разлагающие антибиотики. Ферменты, разрушающие субстраты слизи, которая покрывает эпителиальные клетки слизистых оболочек, способствуют высвобождению рецепторов, с которыми взаимодействуют микроорганизмы.
Микроорганизмы, способные проникать в ткани макроорганизма, размножаться там, вызывать заболевание и нарушать постоянство внутренней среды организма, его нормальных физиологических функций, называют патогенными. Патогенность — это потенциальная, генетически детерминированная способность микробов вызывать инфекционный процесс в организме хозяина. Для каждого вида патогенных микробов характерны определенные факторы патогенности: а) инвазивность — способность преодолевать защитные барьеры и диссеминировать в организме [5]; б) гемолитическая, липолитическая, лецитиназная активность; в) способность вызывать разрушение тканей и противостоять защитным силам организма; г) продукция токсических компонентов.
Степень выраженности факторов патогенности у конкретных штаммов обусловливает их вирулентность. Роль микроорганизма как возбудителя заболевания определяется его вирулентностью в сочетании с патогенностью.
Вирулентность — совокупность свойств микроорганизма, способствующих возникновению заболевания, определяется количеством (инфицирующая доза), способностью к размножению (жизнеспособность) и токсичностью микроорганизмов или их продуктов. Для определения нового класса факторов вирулентности, включающих те бактериальные структуры, которые обладают цитокининдуцирующей активностью, предложен термин «бактериальные модулины». Вирулентность — это количественная характеристика степени патогенности данного штамма микроорганизма. Ее можно рассматривать как фенотипическое проявление генотипа патогенного микроорганизма.
Факторы вирулентности и механизмы регуляции их экспрессии (выраженности признака, определяемого данным геном) должны вырабатываться при непосредственном контакте с мембраной эпителиальной клетки. Микроорганизмы становятся вирулентными либо в результате постепенного накопления и селекции мутаций и формирования филогенетических отдельных линий, либо вследствие приобретения новой генетической информации из окружающей среды. Если спонтанная мутация приводит к улучшению свойств, которые облегчают проникновение бактерии в организм человека, то она получает преимущество перед другими микроорганизмами. Такая мутация дает возможность закрепляться, и бактериальная клетка размножается.
В настоящее время известно, что многие факторы патогенности кодируются генами. Данные о структурной организации многих генов дают основание предполагать, что патогенные бактерии отличаются от родственных непатогенных наличием относительно больших блоков генетического материала, которые были получены ими и закреплены не в результате медленной адаптации, а в результате скачкообразного изменения генома за счет приобретения дополнительной генной информации. Эти блоки стали называть островками патогенности. Они включают не один какой-то фактор патогенности, но и другие гены, ответственные за проявления патогенности. Островки патогенности способны к горизонтальному распространению. Они детерминируют синтез таких факторов патогенности, как токсины, факторы адгезии, инвазии, а также кодируют синтез транспортной системы III типа, ответственной за доставку факторов патогенности из микроорганизма непосредственно в эукариотическую клетку (рис. 3).
В последние годы появились сообщения об очень интересном феномене — существовании у микроорганизмов транспортных систем. Всего известно пять таких систем, и они доставляют факторы вирулентности непосредственно внутрь клеток хозяина. Наиболее полно изучена транспортная система III типа, которая обеспечивает транспорт токсических веществ через внешнюю мембрану микроорганизма и через цитоплазматические мембраны клеток хозяина. По существу, это молекулярный шприц, при помощи которого микроб протыкает цитоплазматическую мембрану клетки хозяина и вводит туда токсические вещества. Под электронным микроскопом эта совершенная система действительно выглядит как настоящий молекулярный шприц, имеющий иглу, канюлю и резервуар. Такие транспортные системы III типа выявлены у грамотрицательных микроорганизмов. Нечто подобное в 2000 г. было описано и у грамположительных микробов: так называемые цитолизин-опосредованные транспортные системы (рис. 4).
В последние годы в этиологической структуре возбудителей респираторных инфекций возросла значимость атипичных патогенов — внутриклеточных микроорганизмов (микоплазмы, хламидии, легионеллы). В 1962 г. M.pneumoniae получила современное таксономическое название, L.pneumophila была идентифицирована в 1976 г., Chlamydophila pneumoniae — в 1984 г. (и получила современное название в 1999 г.). Факт проникновения патогена внутрь клеток хозяина доказывает несостоятельность гуморального иммунологического барьера.
Микоплазмы в микросистематике организмов занимают промежуточное положение между бактериями и вирусами: по химическому составу они похожи на бактерии, а по характеру вызываемых поражений — на вирусы, но в отличие от вирусов растут на искусственных питательных средах. Клетки микоплазм характеризуются выраженным полиморфизмом, что обусловлено отсутствием ригидной клеточной стенки. Плазматическая мембрана находится в жидкокристаллическом состоянии (ее молекулы способны перемещаться). Микоплазмы требовательны к условиям культивирования. Они продуцируют гемолизины, различные ферменты и продукты метаболизма, адгезины, экзо- и эндотоксины — факторы патогенности микоплазм. Патогенными для человека являются 5 видов: M.pneumoniae, M.hominis, M.genitalium, M.incognitus, M.fermentans.
Хламидии и хламидофилы являются облигатными внутриклеточными патогенами. Вне клеток хозяина их метаболические функции сведены к минимуму. Они не способны синтезировать высокоэнергетические соединения («энергетические паразиты»). Бактериоподобные хламидофил характеристики хламидий/ (содержание ДНК и РНК, наличие клеточной стенки, сходной по строению со стенками грамотрицательных бактерий, но лишенной пептидогликанов, сохранение морфологической сущности на всем протяжении жизненного цикла, деление вегетативных форм, характер энзиматической активности, чувствительность к ряду антибиотиков, наличие общего родоспецифического антигена) позволили классифицировать их как бактерии [3, 4]. В настоящее время различают два рода: Chlamydia и Clamydophila и выделяют три патогенных вида: C.trachomatis — представитель рода Chlamydia; C.pneumoniae и C.psittaci — представители рода Chlamydophila [4].
Несмотря на то что хламидии обладают всеми клеточными механизмами синтеза ДНК, РНК и белков, они зависят от клетки-хозяина в отношении снабжения их нуклеотидами, аминокислотами, ферментами для синтеза АТФ. Хламидии постоянно конкурируют со своим хозяином за витамины, кофакторы, питательные вещества и энергетические соединения.
Хламидии имеют жизненный двухфазный цикл, уникальность которого обусловлена наличием двух основных форм: элементарное тельце (ЭТ) — инфекционная форма, адаптированная к внеклеточному выживанию за счет низкой метаболической активности; ретикулярное тельце (РТ) — репродукционная внутриклеточная форма. После образования РТ хламидийная клетка начинает бинарно делиться. В своем развитии хламидии совершают своеобразный круговорот: РТ происходят из ЭТ, а также дают им начало (рис. 5).
Жизненный цикл хламидий обычно завершается в течение 48–72 ч [2]. Однако при определенных условиях возможна L-подобная трансформация и персистенция хламидий. Персистенция подразумевает долговременную ассоциацию хламидий с клеткой-хозяином; хламидийные клетки находятся в жизнеспособном состоянии, но культурально не выявляются.
Термин «персистентная инфекция» означает отсутствие явного роста хламидий, предполагая их существование в измененном состоянии, отличном от их типичных внутриклеточных морфологических форм. В персистентном состоянии происходит задержка роста хламидий, которая коррелирует с уменьшением метаболической активности. При этом останавливаются рост и деление, а также задерживается дифференциация в ЭТ, что и приводит к скрытому (латентному) состоянию. Ограниченная метаболическая активность может влиять на биохимические и антигенные характеристики персистирующего микроорганизма, который становится недоступным для выявления с помощью обычных диагностических тестов. Однако возбудитель в фазе покоя сохраняет способность возобновить активный рост и процесс реорганизации в инфекционные формы.
Исследования последних лет подтвердили, что отклонения от типичного цикла развития хламидий в значительной степени зависят от изменений внешней среды, таких как дисбаланс необходимых питательных веществ (преимущественно аминокислот), присутствие антимикробных агентов и некоторых других. Изучение иммунологически индуцированной персистенции показало, что прецедент персистенции могут индуцировать многие факторы иммунной системы: интерфероны, интерлейкины-4, -5, фактор некроза опухолей α, макрофаги и др.
Ключевую роль во взаимодействии хламидий с иммунной системой организма-хозяина, определяющую течение заболевания и влияющую на персистенцию микроорганизма, играет синтез γ-интерферона (ИФН-γ). В настоящее время установлено, что высокие уровни ИФН-γ могут полностью задерживать рост хламидий и, кроме того, способствовать лизису инфицированных клеток с выходом нежизнеспособных форм возбудителя, что и лежит в основе освобождения от инфекции.
Признание легионеллы (L.pneumophila) респираторным патогеном относится к 1976 г. Название ее связано со вспышкой атипичной пневмонии среди участников конгресса американских легионеров в Филадельфии.
Представитель атипичной внутриклеточной флоры L.pneumophila — это аэробная грамотрицательная плеоморфная палочка, образует эндотоксины, имеет типоспецифический антиген, представляющий собой белково-липополисахаридный комплекс, и перекрестно реагирующие антигены. Род Legionella в настоящее время насчитывает более 36 видов. Естественные среды ее обитания — открытые водоемы и питьевая вода. В организм человека Legionella spp. попадают в аэрозолях, образующихся в потоках воздуха, особенно при наличии разветвленной централизованной системы кондиционирования воздуха. Возбудитель хорошо размножается в бассейнах, душевых установках, водонапорных и водоохлаждающих башнях, в небулайзерах.
На протяжении последних десятилетий отмечается тенденция к росту заболеваемости микотическими инфекциями. Этому способствует нарушение функции иммунной системы вследствие некоторых факторов.
Патогенные грибы представляют собой эукариотические гетеротрофные спорообразующие организмы, не имеющие хлорофилла.
Организация бактериальной клетки такова, что она позволяет ей координировать все процессы жизнедеятельности, за определенный срок удваивать свою биомассу и размножаться путем бинарного деления. Наличие общих закономерностей в метаболизме разных микроорганизмов сочетается с существенными различиями в путях и способах превращения веществ и энергии. На этом основаны их дифференцирование и идентификация — важнейшие этапы в микробиологической диагностике.
Гетеротрофные бактерии используют различные органические вещества в качестве источника энергии. Сапрофиты питаются органическими соединениями отмерших организмов, а паразиты используют в качестве источника питания, а иногда и среды обитания другие организмы, причиняя им вред. Аэробы получают необходимую энергию благодаря окислению в процессе дыхания, используя свободный кислород. Анаэробные бактерии не используют в метаболизме свободный кислород. Подавляющее большинство микроорганизмов составляют факультативные анаэробы, также растущие в аэробной среде. Оптимальным условием жизнедеятельности большинства микроорганизмов является температура 30–40 °С, pH 6,8–7,4 при достаточной влажности.
Эндогенные бактерии — грамотрицательные (Bacteroides spp., Prevotella spp., Fusobacterium spp., Veillonella spp.) и грамположительные (Peptostreptococcus spp., Clostridium spp., Actinomyces spp.) — являются составной частью микрофлоры человека, особенно в менее оксигенированных участках, например в криптах миндалин, десневых бороздках или в десневых карманах. В развитии нозокомиальных инфекций разных локализаций принимают участие B.melaninogenicus и B.fragilis, Clostridium spp., Peptostreptococcus spp. и другие значимые микроорганизмы.
С учетом современных достижений клинической бактериологии и знаний инфекционной патологии органов дыхания правильная и своевременная диагностика — ключ к назначению адекватной антибактериальной терапии.
К наиболее частым внебольничным (преимущественно) бактериальным инфекциям дыхательных путей и ЛОР-органов относятся: острый средний отит, острый бактериальный риносинусит, острый тонзиллофарингит, обострение хронического бронхита, внебольничная пневмония.
Цель антимикробной терапии — полная ликвидация (эрадикация) бактерий — возбудителей инфекций. Лечение, которое не ведет к эрадикации возбудителя, приводит к селекции и распространению резистентных патогенных микроорганизмов, что неизбежно снижает эффективность последующего лечения. Порочный круг замыкается…
К основным бактериальным возбудителям внебольничных инфекций дыхательных путей и ЛОР-органов относятся как типичные микроорганизмы: Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis, Streptococcus pyogenes, так и атипичные: Chlamydophila pneumonia, Mycoplasma pneumonia, Legionella pneumophilа. Сравнительно редко обнаруживают другие бактерии: представителей рода Streptococcus (кроме Streptococcus pneumoniae), Staphylococcus spp., представителей семейства Enterobacteriaceae.
Критерии выбора оптимального антибиотика для эмпирической терапии респираторных инфекций: высокая природная активность препарата в отношении предполагаемых возбудителей, создание терапевтических концентраций в тканях и жидкостях органов дыхания, низкий уровень приобретенной резистентности, оптимальный профиль безопасности, удобство применения (лучший комплайенс), оптимальное соотношение стоимость/эффективность, доказанная эффективность в контролируемых клинических исследованиях.
Для получения антимикробного эффекта антибиотики должны связываться с соответствующими мишенями в бактериальных клетках. В идеале они должны избирательно подавлять рост микроорганизмов или уничтожать их, то есть действовать на структурные компоненты или метаболические процессы в клетках определенных родов и видов микроорганизмов при сохранении жизнеспособности клеток хозяина.
По механизму действия на микроорганизмы антимикробные препараты разделяют на четыре основные группы (табл. 1).
Антимикробные препараты не связываются с эукариотической клеткой, имеющей совокупность принципиальных отличительных структурно-химических характеристик по сравнению с респираторными патогенами: снаружи клетка покрыта плазматической мембраной; ядро окружено ядерной оболочкой; рибосомы, связанные с гранулярной эндоплазматической сетью, участвуют в синтезе белков-ферментов, выводимых из данной клетки («экспортируемых» белков: белков плазмы крови, гормонов и др.) и необходимых для внутриклеточного пищеварения.
К сожалению, полимиксины действуют не строго селективно. Заряженные полярные «головки» молекул липидов мембран (внешняя плазматическая, все внутриклеточные мембраны и мембранные органеллы клеток человеческого организма) поглощают полимиксины, что может привести к побочным реакциям (нейротоксичность, нефротоксичность, нейромышечная блокада и др.)
Противогрибковые полиены связываются со стеринами в клеточной мембране паразитических грибов и, к сожалению, со стеринами в биологических мембранах человека (основной стерин — холестерин).
В амбулаторных условиях пероральные формы антибиотиков являются приоритетными, так как они более удобные для больного, более выгодные по стоимости, дают меньшее количество побочных эффектов. Предпочтение следует отдавать препаратам с оптимальной кратностью приема.
В современной противомикробной терапии инфекций дыхательных путей и ЛОР-органов критериям выбора препаратов отвечают три основные группы антибиотиков.
Ингибиторозащищенные аминопенициллины расширяют спектр антимикробной активности в отношении штаммов бактерий, продуцирующих β-лактамазы.
Современные макролиды имеют широкий спектр антимикробного действия (азитромицин стоит на первом месте среди макролидов по активности в отношении Н.influenzae), уникальную тканевую/клеточную кинетику, оказывают суб-МПК- и постантибиотический эффект, противовоспалительное и иммуномодулирующее действие, благоприятно влияют на взаимодействие с защитными механизмами макроорганизма. Лидирующие позиции занимает азитромицин, у которого самый длинный период полувыведения (T1/2) — 35–50 ч, при многократном приеме достигающий 96 ч, что позволяет назначать антибиотик краткими курсами 1 раз в сутки.
Цефалоспорины II–III поколения. Среди цефалоспоринов можно выделить следующие препараты для приема внутрь: II поколение (цефаклор, цефуроксима аксетил), III поколение (цефиксим, цефподоксима проксетил, цефтибутен).
Цитоплазма | справочник Пестициды.ru
Клетка бактерии, как и у всех прокариот, не смотря на микроскопические размеры, включает все основные структурные компоненты, необходимые для осуществления обмена веществ. К основным структурным компонентам бактериальной клетки относятся цитоплазма и цитоплазматическую мембрана, составляющие протопласт. Снаружи протопласта располагаются поверхностные структуры: клеточная стенка, капсулы, чехлы, слизистые слои, жгутики, ворсинки[1].
Схема строения бактериальной клеткиСхема строения бактериальной клетки
1. Капсула.; 2. Клеточная стенка.; 3. Цитоплазматическая мембрана.; 4. Мезосома.; 5. Цитоплазма.; 6. Нуклеоид.; 7. Рибосомы.; 8. Внутриплазматические включения.; 9. Жгутик.; 10. Фимбрии[1].
Структура цитоплазмы
Цитоплазма ограничена цитоплазматической мембраной. Она представляет собой полужидкую коллоидную массу гранулярной структуры, на 70–80% состоящую из воды и заполняющую внутреннюю полость клетки[2][3].
Цитоплазма состоит из двух фракций:
- цитозоль – имеет гомогенную структуру, содержит набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций;
- вторая – представлена структурными элементами, к которым относятся рибосомы, нуклеоид, мембранные структуры, внутриплазматические включения[1].
Свойства цитоплазмы
Цитоплазма является средой, связывающей все внутриклеточные структуры в единую систему[3].
Цитоплазма, благодаря наличию различных органических соединений, характеризуется повышенной вязкостью. Вязкость цитоплазмы в 800–8000 раз больше вязкости воды и близка в вязкости глицерина[3].
Молодые клетки имеют более низкую вязкость. У стареющих бактерий этот показатель повышается и напоминает по консистенции гель[3].
Степень вязкости цитоплазмы характеризует не только возраст, но и физиалогическую активность бактериальной клетки[3].
Повышение вязкости цитоплазмы у старых бактериальных культур – один из факторов, обуславливающих снижение физиологической активности клетки[3].
Раскрыт способ, которым иммунитет защищается от возбудителей пневмонии
Биологи изучили один из механизмов, при помощи которого клетки иммунной системы организма борются с возбудителями пневмонии — бактериями легионеллами. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда и опубликована в журнале Cell Reports.
Воспаление легких (пневмония) может возникать по разным причинам и связано с большим количеством заболеваний. Среди них, например, легионеллез — повсеместно распространенное инфекционное заболевание, которое вызывают бактерии Legionella pneumophila. Эти микроорганизмы обитают в воде, в том числе в жидкостях кондиционеров, в бойлерах и душевых установках, и могут быть паразитами некоторых амеб. После того как человек вдыхает зараженный пар, бактерии проникают внутрь легочных макрофагов — клеток, которые поглощают и переваривают патогенные организмы. Однако легионеллы селятся в мембранных пузырьках (вакуолях), которые не сливаются с пищеварительными лизосомами, а потому макрофаги их не обезвреживают. Кроме того, легионеллы могут запускать гибель клетки, в результате чего развивается поражение легких с осложнением на все органы, что может привести к смерти.
«В этой работе мы сделали упор на изучение механизмов, с помощью которых макрофаги реагируют на бактерии, находящиеся как во внутренней среде клетки, цитоплазме, так и в вакуолях. Это можно было осуществить на модели такого социально значимого заболевания, как пневмония», — рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник Петрозаводского государственного университета Александр Полторак.
В ответ на проникновение в цитоплазму бактерий и особенно фрагментов их клеточной стенки — липополисахаридов — в клетке активируется фермент каспаза 11. Она запускает каскад реакций, в результате которых макрофаг разрывается и гибнет. Таким образом, клетка жертвует собой, чтобы не допустить размножения бактерий. В случае патогенов, которые обитают внутри вакуолей, каспаза 11 не запускается, однако это компенсирует иной механизм. В его основе лежит процесс, в ходе которого макрофаг активируют специальные белки интерфероны. Зараженная вирусами клетка выделяет их в качестве предупреждающего сигнала. В ответ ее соседи заранее активируют свои защитные механизмы.
В случае бактериального вторжения это тоже помогает. Так, в макрофагах начинают активно работать специфические гуанилат-связывающие белки (GBPs), которые могут находить легионеллы в вакуолях и уничтожать, «натравливая» на них каспазу 11. Ранее ученые считали, что все происходит именно так.
Применяя разнообразные подходы к исследованию белков и ДНК и РНК, а также микроскопические методы, ученые установили, что синтез и активность GBPs (равно как и каспазы 11) регулирует сам макрофаг. Этот процесс происходит независимо от выделяемых при инфекции интерферонов. Более того, клетка вырабатывает последние на высоком уровне и при отсутствии опасности. В результате GBPs постоянно присутствуют в цитоплазме и всегда готовы к встрече с патогенной бактерией. Также ученые установили, что GBPs помогают макрофагу обнаружить и обезвредить легионеллы, создавая утечки их наследственного материала из вакуоли, где они недоступны для защитных систем. После такого выхода запускаются специальные сенсорные пути, а макрофаг может начать полноценную борьбу.
Работу
выполнили сотрудники Петрозаводского государственного университета,
Университета Тафтса (США), Исследовательского центра по питанию человека
и проблемам старения (США), Медицинского центра Университета Дюка
(США), Осакского университета (Япония) и Медицинского института Говарда
Хьюза (США).
Бактерии в кишечнике передали свои антигены с помощью везикул клеток эпителия
Сегментированные нитчатые бактерии, вставленные в эпителиальную клетку
Ivaylo Ivanov, Columbia University
Международная группа исследователей описала механизм, с помощью которого сегментированные нитчатые бактерии в кишечнике передают свои антигены. Они заякориваются в клетках эпителия кишечника, и в местах контакта мембрана клетки формирует везикулы с бактериальным белком. С его помощью бактерии определяют развитие особого типа иммунных клеток, защищающих кишечник от инфекций. Статья опубликована в Science.
В кишечнике млекопитающих живут сообщества микроорганизмов, которые помогают животным переваривать различные соединения (например, клетчатку), синтезировать витамины и защищаться от патогенных форм. Симбионты влияют на метаболизм, физиологию и иммунитет организма. Для этого им необходимо общаться с клетками хозяина. Так, бактерии выделяют короткоцепочечные жирные кислоты, одной из функций которых является синтез слизи клетками кишечника, ароматические углеводороды, подавляющие активность иммунной системы, и многие другие вещества.
Долгое время считалось, что бактерии кишечника не контактируют напрямую с энтероцитами — клетками эпителия. Это оказалось неверным для сегментированных филаментных (нитчатых) бактерий (СФБ). Их первый «головной» сегмент буквально входит в энтероцит, не повреждая его мембрану, а в месте контакта происходит перестройка клеточного скелета. СФБ также способствуют размножению Т-хелперов 17, которые в том числе защищают кишечник от бактериальной или грибковой инфекции.
Международная группа исследователей из Канады, США и Японии под руководством Памелы Бьоркман (Pamela Bjorkman) из Калифорнийского технологического института и Ивайло Иванова (Ivaylo Ivanov) из Колумбийского университета изучила механизм взаимодействия СФБ с энтероцитами с помощью электронной томографии и трехмерной реконструкции изображений. Ученые также описали новый способ взаимодействия бактерий с клетками хозяина. В месте их тесного контакта происходит эндоцитоз — впячивание мембраны энтероцита и образование пузырька — везикулы. Ученые назвали его MATE (microbial adhesion-triggered endocytosis) — эндоцитоз, обусловленный бактериальной адгезией.
Электронная томография контакта СФБ (SFB) с энтероцитом. Изображения соответствуют разным уровням.
Mark S. Ladinsky et al., 2019
Электронная томография и реконструкция контакта бактерии (SFB) и энтероцита (IEC). На изображении D черной стрелкой показана отшнуровка везкул. Изображение E подтверждает, что цитоплазма бактерии не попадает в везикулу (показана черными стрелками). F, в везикуле заметна электронно-плотная структура. G, H, реконструкция контакта, розовый — мембрана бактерии, зеленый — мембрана энтероцита.
Mark S. Ladinsky et al., 2019
Реконструкция контакта, розовый — мембрана бактерии, зеленый — мембрана энтероцита. В формируемых MATE везикулах показано присутствие бактериального белка (cargo). Мембрана бактерии не заходит в везикулы.
Mark S. Ladinsky et al., 2019
Интересно, что эти пузырьки содержат бактериальный белок P3340, который отвечает за развитие специфичных Т-хелперов 17. Исследователи рассмотрели молекулярные механизмы образования MATE везикул. Оказалось, что для этого нужны белковый комплекс динамин, который образует кольцо вокруг шейки пузырька и отшнуровывает его, и CDC42, участвующий в перестройке цитоскелета. Ученые получили мышей, у которых в энтероцитах не работал ген CDC42, и заселили их кишечник СФБ. У таких мышей бактерии нормально контактировали с клетками, однако из-за отсутствия CDC42 образование MATE везикул нарушилось, они были меньше, а в слизистой оболочке кишечника было снижено количество Т-хелперов 17. Исследователи подтвердили, что MATE везикулы, несущие бактериальный антиген P3340, нужны для размножения Т-хелперов 17.
Не только микробиота кишечника млекопитающих обладает суперспособностями. Бактерии кишечника нематод синтезируют вещества, которые отпугивают комаров, в том числе переносчиков малярии, желтой лихорадки, лихорадок денге и Зика.
Екатерина Харыбина
Структура бактериальной клетки
Дата: 21.11.2019
Бактерии относятся к прокариотам и поэтому имеют довольно простой тип строения, имеется всего одна внутренняя полость с органеллами, ограниченная цитоплазматической мембраной, нет даже ядерной мембраны. Ядро содержит гаплоидный набор генов (одинарный). Ядро бактериальной клетки не содержит мембраны и митотического аппарата, распологается в цитоплазме. В бактериальном ядре содержится ДНК, которая может иметь различную форму в зависимости от условий культивирования бактерии и ее стадии развития: форма грубых скоплений, компактных бус, тяжей. Например, в стадии предшествующей делению клетки имется 2 нуклеоида, а в стадиии логарифмического роста – 4 нуклеоида. В ядерной хромосоме заложены все свойства и жизненно-важные функции клетки. Кроме ДНК в ядре содержатся РНК и белки. Бактериальная цитоплазма представлена сложной коллоидной массой, состоящей на 70-80% из воды, а остальная часть представлена белками, углеводами, липидами, минералами, ферментами, цитоплазматическими ДНК и РНК. В цитоплазме расположены все клеточные органеллы (рибосомы, полисомы, нуклеоид, лизосомы, включения). Цитоплазма ограничена цитоплазматической мембраной. При старении клетки цитоплазма уплотняется, становится ячейстой, увеличивается количество вакуолей с клеточным соком. В цитоплазме содержатся жизненно-важные и нежизнено-важные органеллы клетки. К жизненно-важным органеллам относятся
—ядро
—цитоплазма
—рибосома
—клеточная стенка
—цитоплазматическая мембрана
Рибосома представлена мелкими частицами в виде зерен, состоящими на 60% из РНК и на 40% из протеина. Рибосомы локализованны в цитоплазме и мембранных структурах. Рибосомы сливаясь между собой образуют полисомы. Рибосомы ответственны за синтез белка. Бактериальная клеточная стенка имеет слоистое строение. Это плотная структура, ее основой служит пептидогликан, представленная одной гигантской молекулой. Пептидогликан состоит из паралалльных полисахаридных гликановых цепей, связанных между собой диаминокислотами. Диаминокислоты определяют таксономию бактерии. Пептидогликан образует жесткую основу клетки. Толщина клеточной стенки у грамотрицательных и грамположительных бактерии различная: у грамположительных она составляет 20-60 нанометров, пептигогликан у них многослойный; у грамотрицательных бактерии 10-20 нанометров, пептигогликан состоит из 1-2 слоев. По сути этим и обьясняется различие в окраске у грамотрицательных и грамположительных клеток: при окраске по Граму в последовательности генцианвиолет, затем йод, образующийся комплекс генцианвиолет+йод задерживается в многослойном пептидогликане и в последующем этапе не вымывается спиртом, поэтому при микроскопировании мы видим фиолетовую окраску бактериальной клетки, а у грамотрицательных бактерии данный комплекс обесцвечивается и вымывается спиртом, а клетка после окрашивания фуксином принимает розовую окраску. Помимо этого в клеточной стенке грамположительных бактерии содержится большое количество тейхоевых кислот, которые обеспечивают ее прочность. Клеточная стенка выполняет разделительную функцию, защищая клетку от различных вредных факторов окружающей среды; она принимает участие в росте и делении клетки, обеспечивает форму бактериальной клетке, именно благодаря ей бактерии классифицируются по морфологии на кокковидные, палочковидные, извитые формы. Бактериальные клетки без клеточной стенки принимают безформенную шаровидную форму. Разрушение клеточной стенки может произойти полностью или частично под действием различных внешних факторов. Бактерии полность лишившиеся клеточной стенки называются протопластами, а частично лишенные клеточной стенки – сферопластами. Эти клетки принимая шаровидную форму могут делиться и синтезировать нуклеиновые кислоты, но они очень чувствительны к факторам внешней среды (механическим воздействиям, встряхиванию, действию поваренной соли и др). Микробные клетки без клеточной стенки сохранившие свою жизнеспособность называют L-формами. Угнетение синтеза синтеза клеточной стенки ведет к нарушению координации между ее ростом и делением, поэтому L-формы могут быть нитевидными, шаровидными, сигарообразными. Различают стабильные и нестабильные L-формы: у нестабильных L-форм способность синтезировать клеточную стенку восстанавливается сразу после прекращения воздействия трансформирующего агента; у стабильных L-форм восстановления клеточной стенки не происходит. Некоторые виды бактерии образуют L-форму случайно: спонтанно или индуцированные антибиотиками они образуясь в макроорганизме могут привести к развитию хронических инфекций. При этом персистирующие формы скапливаются в какой-то защищенной зоне макроорганизма и могут приводить к рецидивирующим инфекциям. Цитоплазматическая мембрана – это липидно-белковый комплекс, состоящии из 3 слоев:
—липидного на 15-30%
—протеинового на 50-70%
—полисахаридного на 2-5%
Цитоплазматическая мембрана находится под клеточной стенкой , ее толщина составляет 5-7,5 нанометров, при инвагинации она образует мезосомы. Мезосомы участвуют в образовании перегородки и делении клетки. у грамотрицательных бактерии мезосомы образуют небольшие инвагинации, а у грамположительных образуют мешок или трубку, с боков входящую в цитоплазму клетки. Цитоплазматическая мембрана выполняет следующие функции:
—за счет полупроницаемости играет роль осмотического барьера
—транспортирует растворенные вещества в клетку
—участвует в синтезе белка
Нежизненно-важные структуры бактериальной клетки образуют:
—плазмиды
—капсула
—включения
—жгутики
—фимбрии
—споры
Плазмиды — это внехромосомные факторы наследственности, детерминирующие определенные свойства клетки, могут находиться в встроенном в хромосому форме или автономно представляющие собой инть ДНК. Плазмида может состоять из 200 генов определяющих одно свойство. Плазмиды переходят из одного состояния в другое, им присуща трансмиссивность, то есть способность самим переносить генетический материал. Основными плазмидами играющими важную роль в жизнедеятельности бактерии являются:
—R-плазмида или плазмида множественной лекарственной устойчивости
—Col-плазмида (энтеробактерии) определяет продукцию колицинов
—Ent-плазмида кодирует свойство продукции энтеротоксина
—Hly-плазмида определяет свойство к продукции гемолизина
—Большая плазмида инвазии определяет инвазивные свойства бактерии
Бактериальная клетка может существовать и без плазмиды, но у нее снизятся факторы патогенности. Капсула – поверхностная структура клетки, состоящая на 90% из воды и на 10% из липидов и углеводов. Поскольку вода не удерживает красители капсула не воспринимает краску.Капсула образуется в макроорганизме и защищает бактерию от фагоцитоза и действия антибиотиков. Наличие капсулы является видовы признаком. Различают макрокапсулу (видовой признак у Streptococcus pneumoniae и Klebsiella pneumoniae) и микрокапсулу, не сказывающуюся на культуральных свойствах микроорганизма, но она обладая капсульным К-антигеном будет мешать агглютинации, поэтому эти культуры предварительно кипятят, чтобы разрушить К-антиген. Включения – это запасные питательные вещества, откладывающиеся в бактериальной клетке в виде капелек или молекул (зерна воллютина, зерна Эрнста-Бабеша, фосфолипиды). Жгутики необходимы бактериальной клетке для передвижения, поскольку клетка со жгутиками может быстрее попасть к месту скопления питательных веществ. Это полуцилиндрические структуры, состоящие из белка флагеллина. Жгутики крепко закреплены в мембране клетки с помощью крючка и базального тельца. При отсутствии агглютинации с Н-сыворотками жгутики можно восстановить (на МПБ или желчном бульоне). Разрушение жгутиков может произойти и при сильном растирании культуры по стеклу бактериальной петлей. По количеству и расположению жгутиков различают следующие формы:
—монотрихи (имеется один жгутик на однм из полюсов бактериальной клетки)
—лофотрих (имеется пучок жгутиков на одном из полюсов бактериальной клетки)
—перетрих (жгутики расположены по всей поверхности клетки)
—амфитрих (по одному жгутику расположено на противоположных полюсах бактериальной клетки)
Активность движения бактерии зависит от таксиса (направленного перемещения), различают 3 вида таксиса:
1 хемотаксис (движение вызванное различной концентрацией химических веществ)
2 фототаксис (движение обусловленное разницей освещений)
3 аэротаксис (движение к источнику кислорода)
Фимбрии или пили, реснички – это короткие и тонкие образования, они тоньше жгутиков и выполняют функцию адгезии на слизистой определенного органа. У одной бактериальной клетки может быть до несколько сотен пили. Пили состоят из белковых субьединиц пилина. Различают два вида пили:
—common-пили – это пили общего назначения для прикрепления к слизистым оболочкам, они определяют органотропность
—sex-пили принимающие участие в образовании мостика приконьюгации между двумя бактериальными клетками, их количество может достигать до двух десятков. Споры – это структура, позволяющая пережить бактериальной клетке неблагоприятные условия факторов внешней среды. Спорообразование – это родовой признак. Есть только два рода бактерии, образующих споры это Bacillus иClostridium. В споре вода находится в связанном состоянии, ферменты бездействуют. Говоря иначе спора – это анабиотическое состояние бактерии. В таком состоянии она способна жить десятилетиями, при этом сохраняя способность восстановиться снова в вегетативное состояние при попадании в благоприятные условия (организм человека или животного). У рода Bacillus спора находится в центре клетки и не деформирует форму самой клетки, а у клостридии спора может распологаться по разному: терминально (на конце палочки), субтерминально (ближе к концу палочки). Спорообразование проходит в 4 стадии:
1 подготовительная (вокруг ядра появляется зона уплотнения)
2 стадия предспоры (цитоплазматическая мембрана растет в глубинуклетки, охватывая зону уплотнения)
3 стадия образования оболочки (предспора покрывается плотной многослойной оболочкой, состоящей из пептидогликанаи сверху из белков и липидов)
4 стадия созревания (образуется плотное образование с нуклеоидом в центре, остальная часть клетки отмирает)
Спорообразование длится в течение 18-20 часов. Споры плохо окрашиваются красителями. Споры выдерживают кипячение в течение 5-6 часов, устойчивы к дезинфектантам, солнечному свету, высушиванию. Они гибнут лишь при автоклавировании горячим паром под давлением при 1 атмосфере в течение 1 часа. Их прорастанию способствует дробная стерилизация.
Автор: Тайша Әсем Шарафиқызы
ГП на ПХВ Областная инфекционная больница
бактериологическая лаборатория –бак лаборантка
20.11.2019г
Строение и жизнедеятельность бактерий
строение и жизнедеятельность бактерий бактерии относительно просто устроенные микроскопические одноклеточные организмы форма бактерий в зависимости от формы клетке бактерии различают шарообразные коки палочковидные бациллы изогнутой в виде запятой вибрионы спиралевидные с перил и очень часто бактерии образуют скопления виде длинных изогнутых цепочек гроб и пленок некоторые бактерии имеют один или несколько жгутиков среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы подвижное передвигается за счет волнообразных сокращений или при помощи жгутиков строение бактерий бактериальная клетка окружена плотной оболочкой благодаря которой сохраняют постоянную форму по составу и строению клеточные оболочки бактерий существенно отличаются от оболочек растений оформленного ядра отделенного от цитоплазмы ядерной оболочкой в клетке нет ядерное вещество у большинства бактерий распределена в цитоплазме и так все что наполняет бактериальную клетку жидкая субстанция это цитоплазму сверху это цитоплазма отграничена от внешней среды оболочкой клетка имеет жгутики при помощи которых она передвигается внутри клетки ядерное вещество и включение вакуоли запасными питательными веществами распространение бактерий практически нет места на земле где бы не встречались бактерии они живут во льдах антарктиды при температуре минус 83 градуса горячих источниках температура которых достигает 85 градусов особенно много их в почве в одном грамме почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий число бактерий различна в воздухе и проветриваемых и не проветриваем помещений так в классе после проветривания перед началом урока бактерий в 13 раз меньше чем той же комнате после урока условия жизни бактерии разнообразные одним из них необходим кислород воздуха другие в нем не нуждаются и способны жить в без кислородной среде питание бактерий большинство бактерий питаются готовыми органическими веществами лишь некоторые из них например сине-зеленые и лица на бактерии способны создавать органические вещества из неорганических они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере земли по способу питания бактерий питающиеся готовыми органическими веществами делят на две группы сапрофиты от греческого со прос гнилой и трофи питания пищи получающие органические вещества из от мер ших организмов или выделений живых организмов и паразиты от греческого паразит ос нахлебник и так сапрофиты питающиеся отмершей организмами и паразиты питающийся органикой живых организмов паразитизму бактерию распространен очень широко существуют даже бактерии паразитирующий в теле бактерии других видов среди бактерий паразитов много болезнетворных вызывающих различных заболеваний у растений животных и человека вот разнообразные виды бактерий сняты под электронным микроскопом вот этой бактерии хорошо видно оболочка жгутики ядерное вещество и мелки вагончики но тут шикарные жгутики на всем теле бактерий чтобы могла передвигаться быстро размножение размножаются бактерии делением одной клетки на две при благоприятных условий деления клеток у многих бактерий может происходить через каждые 20-30 минут при таком быстром размножение потомство одной бактерии за пять суток способна образовать массу который можно было бы заполнить все моря и океаны однако в природе этого не происходит так как большинство бактерий быстро погибает под действием солнечного света при высушивании недостатке пищи нагревании от 65 до 100 градусов цельсия под действие дезинфицирующих веществ в результате борьбы между видами и так далее так далее лишь у некоторых видов бактерий образуются особые клетки споры от греческого спора 7 и при помощи которых они могут размножаться но здесь размножение пока с размножение прямым делением клетка делится пополам в неблагоприятных условиях при недостатке пищевая безмен температуры цитоплазма бактериальной клетки сжимаясь отходит от материнской оболочки округляется и образуют внутри неё на своей поверхности новую более плотную оболочку такую бактериальную клетку тоже называют порой от греческого если помнишь спора 7 и споры некоторых бактерий сохраняются очень долго в самых неблагоприятных условиях они выдерживают высушивание жару мороз и сразу погибают даже в кипящей воде споры легко разносятся ветром водой и так далее их много в воздухе в почве благоприятных условиях спора прорастает и становится жизни деятельной бактерии споры у подавляющего большинства бактерий это приспособление к выживанию в неблагоприятных условиях внизу схема образования спор всего вам доброго удачи до свидания
Цитоплазма— обзор | Темы ScienceDirect
4.1 Нацеливание на цитоплазму
Цитоплазма очень вязкая, что затрудняет перенос макромолекул внутри клетки. Некоторые исследования подтвердили участие актиновых филаментов в интернализации НЧ и идентифицировали роль микротрубочек в цитоплазматическом переносе полиплексов и липоплексов посредством везикулярного транспорта в перинуклеарную область (Sauer et al., 2009; Tammam et al., 2016). Несколько факторов могут влиять на способность NP диффундировать через цитоплазму.Например, эффективность диффузии НЧ зависит от их размера и формы. Меньшие сферические НЧ показали более высокую диффузию по сравнению с более крупными несферическими НЧ (Tammam et al., 2016). Более того, пегилирование резко улучшило перемещение по цитоплазме из-за его слабого взаимодействия с цитоплазматическими органеллами. Однако, чтобы преодолеть негативный эффект ПЭГилирования на ускользание от эндосом, цепи ПЭГ конъюгированы на поверхность NP через расщепляемые линкеры (Jhaveri and Torchilin, 2016).
Различные типы наноносителей были изучены для доставки через цитоплазму (Таблица 14.1). Однако липосомы являются наиболее широко изученным типом наносистем, и в литературе описаны различные стратегии, способствующие доставке активных молекул в цитоплазму клеток-мишеней. Использование фузогенных липидов в кислых условиях облегчает взаимодействие и слияние эндосомальных мембран, что приводит к доставке груза в цитоплазму (Jhaveri and Torchilin, 2016). Фузогенные липосомы, чувствительные к pH, оказались эффективными системами доставки антигена для иммунотерапии рака.Mansourian et al. (2014) включили хелпер-фузогенный липид DOPE в катионные липосомы, состоящие из DOTAP-холестерина, для усиления цитозольной доставки пептида, производного от p5 HER-2 / neu (p5), и для стимулирования ответа цитотоксических Т-лимфоцитов (CTL). Эта сложная липосома усиливала ответ CTL и подавляла прогрессирование опухоли.
Другой подход к доставке НЧ по цитоплазме включает использование катионных наноносителей и CPP. Они также известны как домены трансдукции белков, представляющие собой короткие катионные пептиды с доменами из 20 аминокислот, с большим количеством остатков лизина и аргинина, которые опосредуют транслокацию через клеточные мембраны и усиливают доставку грузов, модифицированных с помощью CPP, внутрь клетки (Torchilin, 2008a). ).CPP может доставлять множество макромолекул, включая наноносители, белки, нуклеиновые кислоты и лекарства.
Было предложено множество механизмов интернализации CPP; тем не менее, не было установлено ни одного единственного пути в качестве механизма для опосредованного CPP поглощения (Jhaveri and Torchilin, 2016). CPPs или конъюгаты CPP-карго могут использовать один или несколько, как энергозависимых, так и энергонезависимых, механизмов транслокации через клеточные мембраны (Jhaveri and Torchilin, 2016). СРР по отдельности или связанные с небольшими молекулами обычно взаимодействуют с поверхностью анионной клетки посредством электростатического взаимодействия, быстро интернализируясь в клетки посредством энергонезависимой трансдукции через липидный бислой (Herbig et al., 2005; Торчилин, 2008б). Напротив, CPP, конъюгированные с большими грузами, в основном интернализуются посредством холестерин-зависимого макропиноцитоза (Al Soraj et al., 2012; Wadia et al., 2004). Сообщалось также о механизмах, опосредованных клатрином и кавеолином (Buhl et al., 2014; Mager et al., 2012). Было показано, что СРР, такие как ТАТ, полиаргинин, пенетратин, транспортан, антеннапедия и митоген-активированный белок, доставляют широкий спектр терапевтических грузов к клеткам-мишеням, включая лекарства, белки, антитела, нуклеиновые кислоты, наноносители и контрастные вещества для МРТ. как in vitro, так и in vivo (Farkhani et al., 2014; Олсон и др., 2010; Торчилин, 2008а). Наиболее часто используемым СРР является пептид ТАТ, полипептид из 86 аминокислот с богатой цистеином областью, полученной из белка ТАТ ВИЧ (Gump and Dowdy, 2007).
Пептид ТАТ был конъюгирован с несколькими различными молекулами и наноносителями для направленной доставки в ткани и клетки. Несколько ТАТ-конъюгированных НЧ были использованы для доставки миРНК, увеличения захвата и специфического опосредованного миРНК нокдауна целевого гена, такого как НЧ золота (Huang et al., 2016b), липоплексы (Daniels et al., 2013), НЧ хитозана (Malhotra et al., 2013) и дендримеры. Липосомы, модифицированные TATp (TATp-L), также использовали для доставки ДНК в культуры DC (Pappalardo et al., 2014). Включение последовательностей остатков гистидина и цистеина в структуру ТАТ для доставки ДНК увеличило эффективность трансфекции генов до 7000 раз, поскольку присутствие гистидина и цистеина, по-видимому, способствует эндосомному ускользанию и стабильности комплексов ТАТ / ДНК (Lo and Wang , 2008).Конъюгация CPP с гистидинами способствует ускользанию от эндосом из-за эффекта «протонной губки» в кислых эндосомах, вызывая осмотическое набухание и лизис или слияние мембран, что приводит к образованию пор (Martin and Rice, 2007).
Другой CPP, октааргинин (R8), который имитирует ТАТ, был использован для модификации поверхности липосом, нагруженных ПЭГ-илированным DOX, коммерчески доступных как DOXIL или Lipodox. Он усилил противоопухолевую активность и улучшил внутриклеточную доставку и эндосомный выход DOX по сравнению с немодифицированными липосомами, что привело к более высокой доставке DOX в цитоплазму и его возможному накоплению в ядре (Biswas et al., 2013а, б). В другом примере Steinbach et al. (2016) использовали CPP (MPG) для связывания клеток и интернализации PLGA NP. Все NP были интернализованы посредством клатрин-опосредованного процесса. Кроме того, две разные поверхностные группы НЧ (авидин и 1,2-дистеароил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин [DSPE]) были конъюгированы для оценки интернализации клетки. В целом, NP, модифицированные как авидином, так и DSPE-CPP, значительно увеличивают интернализацию. Эти результаты демонстрируют многообещающие варианты реализации этой стратегии.
Другой механизм эндосомального ускользания — это дестабилизация эндосомальной мембраны с помощью фузогенных пептидов (Varkouhi et al., 2011). Они состоят из короткого пептидного домена из 20–30 аминокислот и обычно происходят из вирусов с оболочкой. Они вызывают ускользание от эндосом, претерпевая конформационные изменения за счет протонирования концевых доменов при кислом pH и слияния с мембраной, вызывая дестабилизацию мембраны и перемещение в цитоплазму (Shete et al., 2014). Аминоконцевой участок субъединицы 2 гемагглютинина вируса гриппа содержит слитую пептидную последовательность, которая использовалась в качестве модели для нескольких синтетических пептидов, включая пептиды, содержащие последовательности GALA или KALA (Rajendran et al., 2010). Эти пептиды используются в цитозольной доставке различных препаратов для лекарств и нуклеиновых кислот через конформационные изменения, обусловленные pH, приводящие к эффективному разрушению эндосомальных мембран (Lee et al., 2001; Min et al., 2006; Parente et al., 1990; Сасаки и др., 2008). Другие слитые пептиды включают производный от гриппа diINF-7, который использовался для индукции эндосомного ускользания, конъюгированного с липидными носителями для доставки siRNA (Oliveira et al., 2007) и белка (Mastrobattista et al., 2002) и для доставки генов. с полимерными векторами (Funhoff et al., 2004; Jiang et al., 2007). Т-домен дифтерийного токсина (Ariansen et al., 1993) был использован для повышения эффективности трансфекции полиплексов PEI (Kakimoto et al., 2009).
Еще один многообещающий подход к цитозольной доставке основан на окислительно-восстановительных или ферментативных связях, которые разрушаются в цитоплазме из-за высокого окислительно-восстановительного потенциала или высоких концентраций внутриклеточных ферментов (Chang et al., 2016; Джавери, Торчилин, 2016) .Zhao et al. (2014) разработали окислительно-восстановительную систему доставки на основе коллоидного мезопористого кремнезема (CMS), в которой 6-меркаптопурин был конъюгирован с CMS. Комплекс показал более высокое клеточное поглощение посредством эндоцитоза, опосредованного рецептором CD44, в клетках колоректальной карциномы человека (HCT) -116. Это исследование предлагает новую стратегию для системы целевой доставки лекарств, реагирующей на раздражители.
Цитоплазма бактериальных клеток | Sciencing
Бактерии — это одноклеточные организмы, которые могут вызывать заболевания у людей, но они также необходимы для нашего хорошего здоровья, поскольку они играют важную роль в нашем пищеварении.Бактерии — это прокариотические клетки; у них нет ядра, окруженного мембраной. Вместо того, чтобы иметь ДНК в хромосомах, генетическая информация бактерий содержится в петле клеточного материала, называемой плазмидой. Плазмида, ядерные материалы, вода, ферменты, питательные вещества, отходы и рибосомы — все циркулируют внутри бактерии в густой жидкости, называемой цитоплазмой.
Назначение цитоплазмы
Бактерии имеют простую внутреннюю организацию, которая состоит из специализированных частей, а не отдельных органов, окруженных мембранами.Эти специализированные части называются органеллами. В цитоплазме органеллы осуществляют процессы, необходимые для жизнедеятельности бактерии. Компоненты цитоплазмы отвечают за рост клеток, метаболизм, удаление отходов и репликацию (размножение) клетки.
Бактериальный геном
Геном является наиболее важным элементом цитоплазмы. Он расположен в центральной части клетки, называемой нуклиоидом. Геном — это сгусток или клубок ДНК, который контролирует все функции бактериальной клетки и производит белки, необходимые бактерии для выживания.Сгусток ДНК не содержится в отдельном, обнесенном стенками ядре в бактериальных клетках, как в клетках животных и растений; бактериальная ДНК свободно плавающая.
Рибосомы
Рибосомы представляют собой органеллы гранулированной формы, которые отвечают за чтение инструкций или указаний в длинных цепях ДНК и управление производством бактериальных белков. Большое количество рибосом свободно плавает в цитоплазме. Когда они необходимы, рибосомы выполняют свою задачу, прикрепляясь к генетическому материалу, обеспечивая платформу для синтеза белка, а затем улетая, пока они снова не потребуются.
Плазмиды
Плазмиды — это небольшие генетические структуры, обнаруженные у многих бактерий, которые содержат нити спиральной ДНК. Плазмидная ДНК не используется при воспроизводстве. Вместо этого плазмиды выполняют другие специфические и важные функции. Когда бактерии размножаются, плазмиды обладают особыми свойствами, такими как устойчивость к антибиотикам, устойчивость к тяжелым металлам и факторам, необходимым для заражения животных или растений. Эти свойства наделяют бактерии определенными преимуществами и защитой.
Гранулы для хранения
Гранулы для хранения представляют собой области для хранения питательных веществ и других энергопроизводящих веществ. Эти вещества являются запасами гликогена (полисахарид или углеводный источник энергии), липидов (жиров), полифосфата (стабилизатор, который помогает удерживать воду) или, в некоторых случаях, серы или азота.
Бактериальная цитоплазма и клеточная мембрана: структура и компоненты — видео и стенограмма урока
Клеточная мембрана
Ответ — клеточная мембрана .Клеточная мембрана представляет собой бислой фосфолипидов, который полностью окружает бактериальную клетку. Слово «полностью» здесь важно, потому что любой разрыв бислоя приведет к гибели бактерий. Фактически, некоторые из наших любимых антибактериальных чистящих средств убивают бактериальные клетки, разрушая или проделывая отверстия в клеточной мембране, позволяя содержимому бактериальных клеток выливаться наружу.
Двухслойная структура фосфолипидов имеет как гидрофильные, или водоотталкивающие, так и гидрофобные, или водостойкие компоненты.Гидрофильные компоненты выстраиваются на внешней и внутренней поверхности мембраны, контактируя с окружающей средой снаружи и внутренним содержимым клетки внутри. Гидрофобные части мембраны ориентируются внутрь бислоя, стабилизируя и внося свой вклад в структуру. На изображениях и рисунках может показаться, что клеточная мембрана представляет собой жесткую структуру, но на самом деле она имеет консистенцию оливкового масла. Итак, мембрана, будучи стабильной, движется как жидкость.Достаточно взглянуть на бутылку заправки для салата — гидрофобное масло остается отдельно от воды, но если вы опустите бутылку, вы увидите, что масляный слой жидкий и движется свободно.
Возвращаясь к нашему освежающему плаванию, когда вы запустили свое идеальное пушечное ядро в бассейн, вы, вероятно, закрыли рот. Вы же не хотите, чтобы вода в бассейне испортила погружение. Но после изнурительного плавания вы, возможно, вылезли из бассейна и направились прямо к своей бутылке с водой. Вы решили впускать воду из бутылок в свое тело, но не допускали попадания воды в бассейн.Точно так же мембрана бактериальной клетки представляет собой высокоселективный барьер . Этот барьер предотвращает простую диффузию материалов в ячейку и из нее. Это позволяет клетке поглощать химические вещества и питательные вещества, необходимые для выживания, сохраняя при этом жизненно важные компоненты клетки отдельно от окружающей среды.
Итак, прежде мы сказали, что клеточная мембрана — это просто бислой фосфолипидов. Хотя это правда, история намного сложнее. Разве не все в биологии ?! Клеточная мембрана — это не гладкая структура, как поверхность воздушного шара.Вместо этого вокруг клетки торчат белки, сахара и сложные структуры, необходимые бактериям для жизни. Фактически, клеточная мембрана состоит примерно на 40% из фосфолипидов и на 60% из белков! Эти белки встроены в мембрану и имеют решающее значение для транспортировки питательных веществ внутрь и продуктов жизнедеятельности. Некоторые из этих белков также являются важными ферментами, необходимыми для клеточного метаболизма. И другие дополнительные белки служат якорными точками для внеклеточных придатков, таких как жгутики и пили. Итак, обнаружено множество различных типов белков, связанных с клеточной мембраной.
Цитоплазма
Мы постоянно говорим, что клеточная мембрана удерживает «внутреннее» клетки отдельно от «внешнего». Итак, что на самом деле находится внутри клетки и почему это так важно?
Цитозоль — это водоподобная жидкость, обнаруженная в бактериальных клетках. Цитозоль содержит все остальные внутренние соединения и компоненты, необходимые бактериям для выживания. Жидкость и все ее растворенные или взвешенные частицы называются цитоплазмой клетки.Белки, аминокислоты, сахара, нуклеотиды, соли, витамины, ферменты, ДНК, рибосомы и внутренние бактериальные структуры — все это плавает вокруг клетки в цитоплазме. Все эти компоненты жизненно важны для жизни клетки и содержатся в клеточной мембране.
Площадь и объем поверхности
Бактериальные клетки крошечные. Средняя бактериальная клетка составляет всего около 1 микрометра на 3 микрометра. Размер клетки влияет на несколько аспектов выживания бактерий. Например, скорость, с которой клетка может принимать пищу и выводить отходы, обратно пропорциональна размеру клетки.
Погодите — что это значит ?! Это означает, что по мере того, как клетка становится больше, скорость поглощения пищи и выведения отходов замедляется. Средняя бактериальная клетка имеет большую площадь поверхности клеточной мембраны и небольшой объем внутренней цитоплазмы. Вся эта открытая поверхность клеточной мембраны может эффективно поглощать питательные вещества и доставлять их в цитоплазму, где они необходимы.
Но что произойдет, если ячейка станет больше? На самом деле существуют некоторые виды бактерий, которые развили невероятно большие клетки, почти видимые невооруженным глазом! Что ж, по мере того, как ячейка становится больше, объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности.Так что теперь усвоение пищи затруднено, потому что площадь поверхности клеточной мембраны меньше по сравнению с объемом клетки. Но не бойтесь; У бактерий есть хитрость, чтобы справиться с этой проблемой, и все это зависит от клеточной мембраны.
Помните, что клеточная мембрана отвечает за площадь поверхности. А что, если бы клетка могла увеличить эту площадь поверхности? Бактериальная клетка может увеличивать площадь поверхности клеточной мембраны лишь с небольшим изменением объема цитоплазмы, делая множество инвагинаций и клеточной мембраны.«Инвагинация» — это просто причудливое слово для «сворачивания мембраны». Создавая крошечные складки на клеточной мембране, площадь поверхности резко увеличивается без значительного изменения объема цитоплазмы, обеспечивая большую поверхность для поглощения питательных веществ.
Чтобы представить, как это работает, попробуйте передать свой внутренний джазовый образ 1980-х годов, включая гетры! Но, допустим, мы немного сошли с ума и решили продолжать добавлять гетры. Для этого мы сжимаем первую грелку для ног и добавляем новую под ней, сжимаем ее и добавляем еще одну, пока мы не перестанем подходить! Теперь у нас есть тот же объем (наша нога), покрытый вместо одной плоской гладкой грелки для ног, а множеством свернутых и скрученных грелок.Мы значительно увеличили площадь поверхности (все эти складки) при сохранении того же объема.
Резюме урока
Давайте подведем итоги этого урока. Мы узнали три важных вещи. Во-первых, мы узнали, что клеточная мембрана представляет собой бислой фосфолипидов, содержащий множество белков, которые действуют как селективный барьер, удерживая окружающую среду снаружи и жизненно важные компоненты клетки внутри.
Во-вторых, мы узнали, что студенистый материал внутри клетки называется цитоплазмой и представляет собой жидкость на водной основе, называемую цитозолем, которая содержит все важные витамины, питательные вещества и механизмы клетки.
Наконец, мы узнали, что площадь поверхности клетки имеет решающее значение для способности клетки поглощать достаточное количество питательных веществ и что, если клетка становится слишком большой, она может увеличить площадь поверхности мембраны за счет множества крошечных складок, называемых инвагинациями.
Результаты обучения
По завершении этого урока вы сможете:
- Пересмотреть структуру и функцию мембраны бактериальной клетки
- Назовите состав цитоплазмы бактериальной клетки
- Отчет о важности площади поверхности клеточной мембраны
- Определить, как и почему мембрана бактериальной клетки может увеличивать свою площадь поверхности
Бактериальная цитоплазма как эффективный клеточный компартмент для производства функциональных аффинных реагентов на основе VHH и рекомбинантных антител, подобных IgG Camelidae | Фабрики микробных клеток
Bradbury ARM, Sidhu S, Dübel S, McCafferty J: За пределами естественных антител: сила in vitro технологий отображения . Nat Biotechnol 2011, 29: 245-254.
Артикул Google ученый
де Марко A: Методики выделения альтернативных связывающих веществ с улучшенной клинической эффективностью по сравнению с обычными антителами. Crit Rev Biotech. 2013, 33: 40-48. 10.3109 / 07388551.2012.665353.
Артикул Google ученый
Abulrob A, Sprong H, Van Bergen en Henegouwen P, Stanimirovic D: гематоэнцефалический барьер, переносящий однодоменное антитело: механизмы транспорта и антигенные эпитопы в эндотелиальных клетках головного мозга человека. J Neurochem. 2005, 95: 1201-1214. 10.1111 / j.1471-4159.2005.03463.x.
Артикул Google ученый
Ванейкен И., Д’Хуйветтер М., Хернот С., Де Вос Дж., Ксавье С., Девугдт Н., Кавелье В., Лахут Т.: Иммуно-визуализация с использованием нанотел.Curr Op Biotechnol. 2011, 22: 1-5. 10.1016 / j.copbio.2011.06.009.
Артикул Google ученый
Oliveira S, van Dongen GA, Stigter-van Walsum M, Roovers RC, Stam JC, Mali W., van Diest PJ, van Bergen en Henegouwen PM: Быстрая визуализация ксенотрансплантатов опухоли человека с помощью оптических изображений с помощью ближнего -инфракрасное флуоресцентное нанотело рецептора противоэпидермального фактора роста. Mol Imaging. 2012, 11: 33-46.
Google ученый
Palmer DB, George AJ, Ritter MA: Отбор антител к детерминантам клеточной поверхности на эпителиальных клетках тимуса мышей с использованием библиотеки фагового дисплея. Иммунология. 1997, 91: 473-478. 10.1046 / j.1365-2567.1997.00262.x.
Артикул Google ученый
de Marco A: Выбор подходящих тегов повышает эффективность применения выбранных связующих: создание удобных для пользователя плазмид экспрессии. Meth Mol Biol.2012, 911: 507-522. 10.1007 / 978-1-61779-968-6_32.
Артикул Google ученый
Mazor Y, Van Blarcom T, Iverson BL, Georgiou G: E-клональные антитела: отбор полноразмерных антител IgG с использованием бактериального периплазматического дисплея. Nat Protoc. 2008, 3: 1766-1777. 10.1038 / nprot.2008.176.
Артикул Google ученый
De Marni M, Monegal A, Venturini S, Vinati S, Carbone R, de Marco A: микроматрицы, не зависящие от очистки антител (PIM), путем прямого определения бактерий на предметных стеклах, обработанных TiO 2 . Методы 2012, 56: 317-325.
Артикул Google ученый
Arbabi-Ghahroudi M, Tanha J, MacKenzie R: Прокариотическая экспрессия антител. Раковые метастазы Rev.2005, 24: 501-519. 10.1007 / s10555-005-6193-1.
Артикул Google ученый
де Марко A: Стратегии успешной рекомбинантной экспрессии белков, зависимых от дисульфидной связи, в Escherichia coli . Microb Cell Fact 2009, 8:26.
Артикул Google ученый
Кацуда Т., Сонода Х., Кумада Й., Ямаджи Х .: Производство фрагментов антител в Escherichia coli . Методы Mol Biol 2012, 907: 305-324.
Артикул Google ученый
Zarschler K, Witecy S, Kapplusch F, Foerster C, Stephan H: продукция с высоким выходом функциональных растворимых однодоменных антител в цитоплазме Escherichia coli . Microb Cell Fact 2013, 12:97.
Артикул Google ученый
Simmons LC, Reilly D, Klimowski L, Raju S, Meng G, Sims P, Hong S, Shields RL, Damico LA, Rancatore P, Yansura DG: Экспрессия полноразмерных иммуноглобулинов в Escherichia coli : быстрое и эффективное производство агликозилированных антител. J Immunol Meth 2002, 263: 133-147.
Артикул Google ученый
Макино Т., Скретас Г., Канг Т. Х., Георгиу Г.: Комплексная инженерия Escherichia coli для усиленной экспрессии антител IgG. Metab Eng 2011, 13: 241-251.
Артикул Google ученый
Nguyen VD, Hatahet F, Salo KE, Enlund E, Zhang C, Ruddock LW: Предварительная экспрессия сульфгидрилоксидазы значительно увеличивает выходы эукариотических белков, содержащих дисульфидную связь, экспрессируемых в цитоплазме E.coli . Microb Cell Fact 2011, 10: 1-13.
Артикул Google ученый
Veggiani G, de Marco A: Улучшенное количественное и качественное производство однодоменных внутрител, опосредованное коэкспрессией сульфгидрилоксидазы Erv1p. Prot Expr Purif. 2011, 79: 111-114. 10.1016 / j.pep.2011.03.005.
Артикул Google ученый
де Марко A: Последние достижения в области рекомбинантной экспрессии белка с дисульфидной связью в бактериях.Факт о микробной клетке. 2012, 11: 129-10.1186 / 1475-2859-11-129.
Артикул Google ученый
Matos CF, Branston SD, Albiniak A, Dhanoya A, Freedman RB, Keshavarz-Moore E, Robinson C: Экспорт с высоким выходом нативного гетерологичного белка в периплазму посредством пути транслокации tat в Escherichia coli . Biotechnol Bioeng 2012, 109: 2533-2542.
Артикул Google ученый
Aronson DE, Costantini LM, Snapp EL: Superfolder GFP флуоресцирует в окислительной среде при нацеливании через транслокон Sec. Движение. 2011, 12: 543-548. 10.1111 / j.1600-0854.2011.01168.x.
Артикул Google ученый
Dammeyer T, Timmis KN, Tinnefeld P: Векторы широкого диапазона хозяев для экспрессии белков с (Twin-) Strep-tag, His-tag и сконструированы, оптимизированный для экспорта желтый флуоресцентный белок. Факт о микробной клетке.2013, 12: 49-10.1186 / 1475-2859-12-49.
Артикул Google ученый
Mazmanian SK, Liu G, Ton-That H, Schneewind O: Сортаза Staphylococcus aureus : фермент, который прикрепляет поверхностные белки к клеточной стенке. Science 1999, 285: 760-763.
Артикул Google ученый
Мао Х., Харт С.А., Шинк А., Поллок Б.А.: Сортазопосредованное лигирование белков: новый метод белковой инженерии.J Am Chem Soc. 2004, 126: 2670-2671. 10.1021 / ja039915e.
Артикул Google ученый
Ta HT, Prabhu S, Leitner E, Jia F, von Elverfeldt D, Jackson KE, Heidt T., Nair AK, Pearce H, von Zur Muhlen C, Wang X, Peter K, Hagemeyer CE: Ферментативный сингл -цепочечная маркировка антител: универсальный подход к целевой молекулярной визуализации и поиску клеток при сердечно-сосудистых заболеваниях. Circ Res. 2011, 109: 365-373. 10.1161 / CIRCRESAHA.111.249375.
Артикул Google ученый
Botosoa EP, Maillasson M, Mougin-Degraef M, Remaud-Le Saëc P, Gestin JF, Jacques Y, Barbet J, Faivre-Chauvet A: Распознавание гаптенов антител на поверхности функционализированных липосом, изученных SPR : Стерические препятствия пегилированных фосфолипидов в скрытых липосомах, подготовленных для направленной доставки радионуклидов. J Drug Deliv. 2011, 2011: 368535-10.1155 / 2011/368535.
Артикул Google ученый
Триллинг А.К., Хармсен М.М., Руигрок В.Дж., Зуилхоф Х., Биквилдер Дж.: Влияние равномерной ориентации молекулы захвата на чувствительность биосенсора: зависимость от свойств анализируемого вещества. Biosens Bioelectron. 2013, 40: 219-226. 10.1016 / j.bios.2012.07.027.
Артикул Google ученый
Gurszka A, Martinelli C, Sparacio E, Pelicci PG, de Marco A: Одновременное использование N- и C-концевых антител против нуклеофозмина 1 в экспериментах по иммунофлюоресценции позволяет точно оценить его субклеточную локализацию при острой болезни. больные миелоидным лейкозом.Лейкемия. 2012, 26: 159-163. 10.1038 / leu.2011.177.
Артикул Google ученый
Parra-Palau JL, Pedersen K, Peg V, Scaltriti M, Angelini PD, Escorihuela M, Mancilla S, Sanchez Pla A, Ramony Cjal S, Baselga J, Arribas J: главная роль p95 / 611 -CTF, карбокси-концевой фрагмент HER2, в понижающей модуляции рецептора эстрогена при HER2-положительном раке молочной железы. Cancer Res. 2010, 70: 8537-8546. 10.1158 / 0008-5472.CAN-10-1701.
Артикул Google ученый
M # x00FC; ller KM, Arndt KM, Pl # x00FC; ckthun A: Модель и моделирование поливалентного связывания с фиксированными лигандами. Анальная биохимия. 1998, 261: 149-158. 10.1006 / abio.1998.2725.
Артикул Google ученый
Kijanka M, Warnders FJ, El Khattabi M, Lub de Hooge M, van Dam GM, Ntziachristos V, de Vries L, Oliveira S, van Bergen en Henegouwen PMP: быстрое оптическое отображение ксенотрансплантатов опухоли груди человека с использованием VHHs против HER2 сайт-напрямую конъюгированы с IRDye800CW для хирургии под визуальным контролем.Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2013, 40: 1718-1729. 10.1007 / s00259-013-2471-2.
Артикул Google ученый
Jörgensen ML, Friis NA, Just J, Madsen P, Petersen SV, Kristensen P: Экспрессия одноцепочечных вариабельных фрагментов, слитых с Fc-областью кроличьего IgG, в Leishmania tarantolae . Microb Cell Fact 2014, 13: 9.
Артикул Google ученый
Lebendiker M, Danieli T, de Marco A: Путеводитель по науке о белке; предложение по повышению осведомленности о качестве рекомбинантных белков. BMC Res Notes. 2014 г., 7: 585-10.1186 / 1756-0500-7-585.
Артикул Google ученый
Hatalet F, Nguyen VD, Salo KE, Ruddock LW: Нарушение восстановительных путей не является существенным для эффективного образования дисульфидной связи в цитоплазме E. coli.Факт о микробной клетке. 2010, 9: 67-
Google ученый
Djender S, Beugnet A, Schneider A, de Marco A: биотехнологические применения рекомбинантных однодоменных антител оптимизированы за счет C-концевого слияния с последовательностью EPEA (C tag). Антитела. 2014, 3: 182-191. 10.3390 / antib3020182.
Артикул Google ученый
Schlegel S, Rujas E, Ytteberg AJ, Zubarev RA, Luirink J, de Gier JW: Оптимизация продукции гетерологичных белков в периплазме E.coli, регулируя уровни экспрессии генов. Факт о микробной клетке. 2013, 12: 24-10.1186 / 1475-2859-12-24.
Артикул Google ученый
Де Мейер Т., Мюлдерманс С., Депикер А: Продукты на основе нанотел как инструменты исследования и диагностики. Trends Biotechnol. 2014, 32: 263-270. 10.1016 / j.tibtech.2014.03.001.
Артикул Google ученый
Ponsel D, Neugebauer J, Ladetzki-Baehs K, Tissot K: Высокая аффинность, способность к развитию и функциональный размер: Святой Грааль создания комбинаторной библиотеки антител.Молекулы. 2011, 16: 3675-3700. 10.3390 / молекулы16053675.
Артикул Google ученый
Ollis AA, Zhang S, Fisher AC, DeLisa MP: сконструированные олигосахарилтрансферазы со значительно ослабленной специфичностью к акцепторным сайтам. Nat Chem Biol 2014, DOI: 10.1038 / nchembio.1609.
Google ученый
Moutel S, El Marjou A, Vielemeyer O, Nizak C, Benaroch P, Dübel, Perez F: система с несколькими видами Fc для продукции рекомбинантных антител.BMC Biotechnol. 2009, 9: 14-10.1186 / 1472-6750-9-14.
Артикул Google ученый
Monegal A, Ami D, Martinelli C, Huang H, Aliprandi M, Capasso P, Francavilla C, Ossolengo G, de Marco A: Иммунологические применения однодоменных рекомбинантных антител ламы, выделенных из наивной библиотеки. Prot Engineer Des Sel. 2009, 22: 273-280. 10.1093 / белок / gzp002.
Артикул Google ученый
Sala E, de Marco A: Отбор оптимизированных протоколов очистки белков путем сочетания мелкомасштабной экспрессии и эксклюзионной хроматографии миниатюрных размеров. Prot Expr Purif. 2010, 74: 231-235. 10.1016 / j.pep.2010.05.014.
Артикул Google ученый
6.1A: Химический анализ микробной цитоплазмы
Цели обучения
- Описать ультраструктуру микробной цитоплазмы
Цитоплазматическая мембрана бактерий играет роль в проницаемости и сохранении энергии в структуре микробных клеток.Цитоплазматические мембраны бактерий состоят из бислоя фосфолипидов; этот слой отличается от такового у эукариот отсутствием стеринов. Однако мембраны могут содержать соединения, называемые гопаноидами, а также различные жирные кислоты.
Жирные кислоты, присутствующие в цитоплазматической мембране, подразделяются на классы, основанные на добавлении функциональных групп; метильные или гидроксильные группы являются двумя примерами таких групп. Сама цитоплазма заключена внутри мембраны.У бактерий ему не хватает структур, наблюдаемых в эукариотических клетках, включая митохондрии, ядро или хлоропласты. Компоненты микробной цитоплазмы включают макромолекулы, более мелкие молекулы, различные неорганические ионы и цитоплазматические включения. Макромолекулы, входящие в бактериальную цитоплазму, включают белки, молекулы ДНК, РНК. Меньшие молекулы включают предшественников макромолекул и витаминов. Ниже приводится обзор компонентов, обнаруженных в цитоплазме микробов, на основе химического анализа.
Рисунок: Типичная прокариотическая клетка : Структура типичной прокариотической клетки. Обратите внимание на расположение цитоплазмы и ее компонентов.Цитозоль является основным компонентом цитоплазмы; это жидкая часть цитоплазмы, которая не заключена в мембраносвязанный компонент. Цитозоль обычно состоит из воды, солей и органических молекул. Элементы, обнаруженные в цитозоле, включают углерод, водород, азот, кислород, фосфор и серу. Эти элементы имеют решающее значение для метаболических процессов, используемых микробами.
Макромолекулы, обнаруженные в бактериальной цитоплазме, включают нуклеоидную область, рибосомы, белки и ферменты. Область нуклеоида — это область внутри клетки, в которой находится генетический материал. Прокариоты могут иногда содержать дополнительный хромосомный фрагмент ДНК, называемый плазмидой. Рибосомы, как и рибосомы у эукариот, отвечают за синтез белка. В отличие от эукариот, прокариоты, особенно бактерии, обычно содержат одну цитозоль-специфичную рибосому. Эукариоты имеют несколько типов рибосом, включая митохондрии и цитозоль).
Другая группа веществ, обнаруженных в цитоплазме, включает мелкие частицы, называемые включениями. Эти включения характеризуются зернистостью и нерастворимостью. Они приостановлены в цитозоле. Включения различаются в зависимости от типа клеток. Обычно включения служат запасным материалом. У прокариот, например, в клетках много липидных капель, которым требуются механизмы хранения липидов. Эти липидные капли хранят молекулы, такие как жирные кислоты, которые присутствуют в цитоплазматической мембране прокариот. E. coli предлагает еще один пример бактериальных включений. Эти включения E. coli состоят из белковых агрегатов. Кроме того, включения могут содержать запасы фосфатов, серы или фотосинтетических пигментов.
Ключевые моменты
- Цитозоль содержит жидкую часть цитоплазмы и не содержится в связанном с мембраной компоненте.
- Макромолекулы в цитоплазме включают ДНК, рибосомы и белки.
- Цитоплазматические включения в цитоплазме имеют зернистый вид и различаются в зависимости от типа клеток.
Ключевые термины
- гопаноидов : группа пентациклических соединений, которые проявляют различные функции у прокариот
4.4A: Клеточная стенка бактерий
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Ключевые моменты
- Ключевые термины
Цели обучения
- Напомним характеристики клеточной стенки бактерий
Бактериальные клетки не имеют ядра, связанного с мембраной.Их генетический материал обнажен внутри цитоплазмы. Рибосомы — их единственный тип органелл. Термин «нуклеоид» относится к области цитоплазмы, где расположена хромосомная ДНК, обычно к единственной кольцевой хромосоме. Бактерии обычно одноклеточные, за исключением случаев, когда они существуют в колониях. Эти предковые клетки воспроизводятся посредством бинарного деления, дублируя свой генетический материал, а затем по существу расщепляясь, образуя две дочерние клетки, идентичные родительской. Стенка, расположенная за пределами клеточной мембраны, обеспечивает клеточную поддержку и защиту от механического воздействия или повреждения в результате осмотического разрыва и лизиса.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Стенка бактериальной клетки: анатомия структуры бактериальной клетки. (CC BY-SA; через Wikimedia)Основным компонентом бактериальной клеточной стенки является пептидогликан или муреин. Эта жесткая структура пептидогликана, специфичная только для прокариот, придает форму клетки и окружает цитоплазматическую мембрану. Пептидогликан — это огромный полимер дисахаридов (гликанов), сшитых короткими цепями мономеров идентичных аминокислот (пептидов). Костяк молекулы пептидогликана состоит из двух производных глюкозы: N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM) с пентапептидом, выходящим из NAM, который незначительно варьируется среди бактерий.Нити NAG и NAM синтезируются в цитозоле бактерий. Они связаны межпептидными мостиками. Они переносятся через цитоплазматическую мембрану с помощью молекулы-носителя, называемой бактопренолом. От пептидогликана внутрь все бактериальные клетки очень похожи. В дальнейшем мир бактерий делится на два основных класса: грамположительные (грамм +) и грамотрицательные (грамм -). Клеточная стенка обеспечивает важные лиганды для адгезии и рецепторы для вирусов или антибиотиков.
Ключевые моменты
- Клеточная стенка — это слой, расположенный за пределами клеточной мембраны растений, грибов, бактерий, водорослей и архей.
- Клеточная стенка пептидогликана, состоящая из дисахаридов и аминокислот, обеспечивает структурную поддержку бактерий.
- Стенка бактериальной клетки часто является мишенью для лечения антибиотиками.
Ключевые термины
- бинарное деление : Процесс, при котором клетка делится бесполым путем с образованием двух дочерних клеток.
Цитоплазма бактерий: 6 компонентов
Следующие пункты выделяют шесть основных компонентов цитоплазмы бактерий. Компоненты: 1. Рибосомы 2. Молекулярные шапероны 3. Нуклеоиды 4. Плазмиды 5. Цитоплазматические включения 6. Споры и цисты.
Компонент № 1. Рибосомы:Все живые клетки содержат рибосомы, которые служат местом синтеза белка. Большое количество рибосом означает высокую скорость синтеза белка и наоборот.Цитоплазма прокариотической клетки содержит около 10 000 рибосом, что составляет до 30% от общей сухой массы клетки. Наличие большого количества рибосом придает цитоплазме зернистый вид.
Рибосомы эукариот прикреплены к клеточной мембране, тогда как мезосомы прокариот свободны в цитоплазме. Прокариотические рибосомы меньше и менее плотны, чем эукариотические рибосомы.
Рибосомы прокариот часто называют рибосомами 70S, а рибосомы эукариот — рибосомами SOS.Буква «S» относится к единице Сведберга, которая указывает относительную скорость осаждения во время ультрацентрифугирования. Скорость осаждения зависит от размера, формы и веса частиц.
(а) Подразделения:В целом ультраструктура рибосом показывает, что они состоят из двух субъединиц, большей 508-субъединицы и меньшей 30S-субъединицы. Каждая субъединица состоит из белка и рибосомальной РНК (рРНК).
Их ассоциация и диссоциация зависят от концентрации ионов Mg ++.Структура рибосомы очень сложна. Белки и РНК переплетены. Джеймс А. Лейк (1981) представил структуру и функцию рибосомы.
По его словам, меньшая субъединица рибосомы состоит из головки, основания и платформы. Платформа и голова отделяются от основания с помощью щели. Более крупная субъединица состоит из гребня, центрального выступа и ножки; первые два разделены впадиной (рис. 4.16).
Рис 4.16. Трехмерная модель рибосомы E.coli, показанная в двух разных ориентациях (A и B)
(b) Химический состав:Рибосомы E. coli состоят из трех типов РНК, 5S, 16S и 23S и 53 белков. Субъединица SOS состоит из 5S и 23S РНК и 34 белков; Субъединица 30S состоит из 16S РНК и 21 белка. Длина 5S-РНК составляет 120 нуклеотидов, 16S-РНК — около 1600 нуклеотидов, а 23S-РНК — около 3200 нуклеотидов.
Последовательность оснований 5S РНК была строго консервативной на протяжении всей эволюции, а последовательность оснований 16S образует двухцепочечные шпильки.Только 30-35% оснований 16S образуют однонитевые петли. Происходит взаимодействие между рРНК и клеточной РНК (мРНК и тРНК) (рис. 4.17).
Из 30S РНК E. coli был выделен 21 белок, обозначенный от SI до S21. Аналогичным образом из более крупной субъединицы (50S) был выделен 31 белок (от LI до L34). Белковая карта рибосом, показывающая их участки на двух субъединицах, представлена на рис. 4.18.
Функция рибосомы в синтезе белка — это хорошо установленный факт.Однако они не носят специфический характер. Рибосомы одного вида могут использоваться для синтеза белка у других видов.
Существует несколько антибиотиков, таких как стрептомицин, неомицин и тетрациклин, которые ингибируют синтез белка на рибосомах. Даже антитела могут убить прокариотические микроорганизмы, но не эукариотические микроорганизмы. Это связано с различиями в прокариотических и эукариотических рибосомах.
Компонент № 2. Молекулярные шапероны:В течение многих лет считалось, что полипептиды после синтеза сворачиваются в нативную стадию, и это сворачивание не определяется его аминокислотами.Теперь ясно, что существуют определенные белки-помощники, называемые молекулярными шаперонами или шаперонами, которые распознают вновь образованные полипептиды и складываются в их правильную форму.
Белки быстро складываются во вторичную структуру. Эта необычно открытая и гибкая структура называется расплавленной глобулой. Это отправная точка для медленного процесса, который приводит к правильной третичной структуре.
Есть несколько шаперонов, участвующих в правильном сворачивании белков у бактерий. Шапероны впервые были идентифицированы у E.coli, не позволяющий реплицироваться, фаг лямбда. В E. coli по крайней мере четыре шаперона, а именно DnaK, DnaJ, GroEL и GroES, и стрессовый белок GrpE участвуют в процессе сворачивания.
Они играют важную роль, потому что после синтеза белка цитоплазматический матрикс заполняется растущими полипептидами и белками. Возможно, что эти полипептиды сворачиваются и образуют нефункциональный комплекс. Сопровождающие проверяют неправильное складывание и способствуют правильному складыванию. Шапероны находятся как в клетках прокариот, так и в клетках эукариот.
Рис. 4.19. Механизм сворачивания полипептидов шаперонами.
После синтеза полипептида достаточной длины из рибосомы, DnaJ связывается с развернутой цепью (рис. 4.19). DnaK в комплексе с АТФ присоединяется к полипептиду. Эти два шаперона предотвращают сворачивание полипептида. После связывания DnaK с полипептидом АТФ гидролизуется до АДФ, что увеличивает способность DnaK связываться с развернутым пептидом.
Когда синтез полипептида завершен, белок GrpE связывается с комплексом DnaK-полипептид и заставляет DnaK высвобождать АДФ.После этого АТФ связывается с DnaK, а DnaK и DnaJ высвобождаются из полипептида. Во время этих событий полипептид сворачивается и достигает своей окончательной нативной конформации. На этом этапе, если полипептид частично свернут, он связывается с DnaJ и DnaK и снова повторяет тот же процесс.
В основном DnaK и DnaJ переносят полипептид в GroEL и GroES, где происходит окончательное сворачивание. GroEL представляет собой комплекс в форме длинной полой бочки из 14 субъединиц, которые уложены в два кольца, тогда как GroES содержит четыре субъединицы, размещенных в одном кольце, и может объединяться с обоими концами GroEL.АТФ связывается с GroEL и изменяет способность последнего к связыванию полипептидов. GroES связывается с GroEL и помогает в связывании и высвобождении рефолдингового пептида.
Белки теплового шока:Когда клетки E. coli подвергаются воздействию высокой температуры, метаболических ядов и других стрессовых условий, концентрация шаперонов увеличивается. В культурах E. coli при температуре от 30 до 40 ° C в течение 5 минут вырабатываются 20 различных шаперонов, часто называемых белками теплового шока.
Они защищают клетку от теплового повреждения и стресса и способствуют правильному сворачиванию полипептидов. У гипо-термофилов (например, Pyrodictum occultum), которые растут при температуре около 110 ° C, присутствует большое количество шаперонов.
Мутант E. coli, устойчивый к фагу X, продуцирует два слегка измененных шаперона, таких как белки теплового шока 60 и 70 (hsp60 и hsp70). Эукариотические клетки имеют семейства белков hsp60 и hsp70, и разные члены семейства функционируют в разных органеллах.
Митохондрии содержат собственные молекулы hsp60 и hsp70, которые отличаются от тех, которые функционируют в цитозоле. Специальный hsp70 помогает сворачивать белки в эндоплазматическом ретикулуме. Другая функция шаперонов — транспорт белков через мембрану.
Компонент № 3. Нуклеоиды (бактериальная хромосома):Как и у эукариот, у прокариот основной краситель окрашивает ядерный материал и выявляет плотные центрально расположенные тела неправильной формы.При наблюдении под электронным микроскопом было обнаружено, что эта центральная область не отделена от цитоплазмы мембраной и помимо фибрилл ДНК состоит из ядерной структуры. Эукариоты содержат хорошо организованное ядро, в котором генетический материал заключен в ядерную мембрану.
Следовательно, материал ДНК не закрыт никаким покрытием. Следовательно, бактериальная хромосома известна как хроматиновые тельца или нуклеоиды (рис. 4.20). Нуклеоид представляет собой одну длинную кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, лишенную высококонсервативного гистонового белка.Гистон присутствует в эукариотах, поэтому эукариотическая ДНК превращается в бусинчатые структуры, то есть в нуклеосомы.
К концу 1960-х ядерный материал был детально изучен. В 1963 г. Дж. Кэрнсу удалось выделить ДНК E. coli в условиях, сводящих к минимуму ее расслоение. Авторадиографические исследования показали, что ДНК представляет собой очень длинные нити длиной около 1 мм.
Несколько ниток были круглыми. Hobot (1985) обнаружил, что полностью расширенный E.coli длиной 1 мм (4 × 10 6 × 3,4 Å) с молекулярной массой 3 × 10 9 Дальтон. С помощью электронного микроскопа они также наблюдали уплотнение хромосомы в нуклеоиды неправильной формы.
Нуклеоид представляет собой структуру коралловой (коралловидной) формы, ветви которой распространяются далеко в цитоплазму и по всей площади клетки. Используя последовательные срезы, удалось реконструировать свободную от рибосом область нуклеоида.
Можно наблюдать два типа ядерных тел: нуклеоид, связанный с оболочкой, и нуклеоид без оболочки.С первым типом связано большое количество РНК, белков, липидов и пептидогликана, тогда как со вторым типом их меньше.
Обычно количество нуклеоидов на бактериальную клетку равно одному, но у некоторых бактерий количество может доходить даже до четырех и более. Молекула ДНК присутствует в 10-80 суперспиралях. Уорсель и Бург (1972) предложили структуру свернутой хромосомы E. coli и представили ее в виде семи петель, каждая из которых закручивается в суперспираль. Эти петли удерживаются вместе ядром ДНК (рис.4.21).
Рис. 4.21: Модель, представляющая процесс сворачивания и суперспирализации бактериальной хромосомы.
Суперспирализация может быть индуцирована ферментативно. Возможно, это может быть фактором образования нуклеоидов. Было обнаружено, что складчатая структура прикреплена к фрагменту клеточной мембраны. Это показывает, что бактериальная хромосома остается связанной с точкой клеточной мембраны. Это помогает в разделении вновь реплицированных молекул ДНК.
Компонент № 4. Плазмиды:В 1950-х годах, работая над процессом конъюгации, было обнаружено, что мужской пол у бактерий определяется трансмиссивным генетическим элементом. Когда мужские и женские бактерии соединяются, каждая самка превращается в мужчину. Это унаследованное свойство мужчин называется фактором фертильности, который передается от клетки к клетке. Следовательно, F — отдельный генетический элемент.
В 1952 г. Дж. Ледерберг ввел термин плазмида в качестве генетического названия этого элемента.Следовательно, плазмиды можно определить как небольшие кольцевые самореплицирующиеся двухцепочечные молекулы ДНК, присутствующие в бактериальной клетке в дополнение к ее хромосоме. Он независимо реплицируется во время деления клеток и наследуется обеими дочерними клетками. Следовательно, его функция не регулируется бактериальной хромосомой.
В 1960 году Якоб Шеффер и Уоллман впервые использовали термин эписома для обозначения внехромосомного генетического элемента, который интегрировал бактериальную хромосому во время репликации.Количество плазмид колеблется от одной до сотен и более на бактериальную клетку.
Плазмида содержит 5-100 генов, определяющих несколько биологических функций. При определенных обстоятельствах они придают бактериальной клетке особые характеристики и помогают им выжить. Они могут даже проиграть, не повредив бактериальной клетке.
Плазмиды представляют собой кольцевую молекулу ДНК, но в стадии покоя спираль закручивается в правом направлении через каждые 400-600 пар оснований и образует суперспирали.Скрученная форма называется ковалентно замкнутой кольцевой ДНК. После расщепления витков эта форма превращается в открытую кольцевую форму двухцепочечной молекулы ДНК (рис. 4.22).
Цитоплазма прокариотических и эукариотических клеток содержит несколько резервных отложений, которые называются включениями. Некоторые включения являются общими для большинства бактерий, а некоторые — только для определенных видов.Эти включения служат основой для идентификации бактерий. Shiveley (1974) дал прекрасное описание телец включения прокариот.
Тельца включения бывают двух типов (а) свободные тела включения (например, гранулы полифосфата и гранулы цианофека) и (б) однослойные неединичные тела включения, заключенные в мембрану (такие как гранулы поли-P-гидроксибутирата, гранулы гликогена, сера). гранулы, карбоксисомы и газовые вакуумы). Мембрана телец включения состоит из белков или липидов.Аллен (1984) сделал обзор включений цианобактериальных клеток.
Некоторые включения обсуждаются здесь:
(а) Гранулы волютина:Гранулы волютина также известны как гранулы полифосфата или метахроматические гранулы, потому что после окрашивания бактерий синим красителем (например, метиленовым синим) эти гранулы приобретают окраску и приобретают красновато-пурпурный цвет. Полифосфат — это линейный полимер ортофосфатов, соединенных сложноэфирными связями.
Эти гранулы обнаружены в водорослях, грибах, простейших и бактериях. Они присутствуют в большом количестве в Corynebacterium diphtheriae, поэтому его легко диагностировать. Гранулы волютина состоят из полифосфатов, то есть неорганических фосфатов, которые используются в синтезе АТФ.
Фосфат включен в нуклеиновую кислоту. Обычно они образуются, когда клетки растут в среде, богатой фосфатами. Растущие клетки Aerobacter aero-genes содержат следы неорганического фосфата при дефиците питательных веществ; когда синтез нуклеиновой кислоты прекращается, накапливается большое количество фосфата.
(b) Гранулы полисахарида:Гранулы полисахарида содержатся в простейших, дрожжах, грибах и водорослях. Их можно определить с помощью раствора йода. После реакции с йодом гликоген становится красновато-коричневым, а крахмал — синим.
(c) Липидные включения:Липиды в большом количестве обнаруживаются в нескольких видах Bacillus, Azotobacter, Mycobacterium, Spirillum и т. Д. Они присутствуют в качестве запасающего материала и представляют собой полимер поли β-гидроксимасляной кислоты.Он образуется при конденсации ацетил-КоА.
В Bacillus megaterium поли β-гидроксибутират (ПОБ) составляет 60% от общего сухого веса, когда бактерия растет на ацетате или бутирате (ПОБ). Мономеры поли-β-гидроксибутирата связаны сложноэфирной связью, образуя длинный поли-β-гидроксибутират. полимер.
Химическая структура поли β-гидроксибутирата представлена на рис. 4.25. Полимер поли-пара-гидроксибутирата накапливается в виде гранул диаметром 0,2-0,7 мкм.
Общий термин поли-β-гидроксибутират обозначает все классы полимеров-резервуаров для хранения углерода, действующих как источник энергии и биосинтеза.Естественно, они встречаются как в архее, но не в Эукарии. Наличие липидных включений можно продемонстрировать с помощью жирорастворимых красителей, например суданового красителя.
(d) Гликоген:
Гликоген — еще один продукт хранения прокариот. Это полимер субъединиц глюкозы, похожий на крахмал. Единицы глюкозы связаны α (1 → 4) гликозидными связями. Разветвленные цепи связаны α (1 → 6) гликозидными связями. Гликоген также является резервуаром для углерода и энергии.
(e) Карбоксисомы (многогранные тела):Карбоксисомы содержатся в фотосинтезирующих бактериях, нитрифицирующих бактериях, цианобактериях и термобациллах. Это полиэдрические или гексагональные включения, содержащие рибулозо-1,5-би-фосфаткарбоксилазу. Этот фермент необходим для фиксации углекислого газа во время фотосинтеза.
(f) Гранулы серы:Гранулы серы также временно хранятся некоторыми бактериями, которые также называют вторым типом неорганических телец включения.Примером являются фотосинтезирующие пурпурные серные бактерии (например, Thiobacillus, Thiospirillum, Thiocapsa и Chromatium), которые встречаются в анаэробных, богатых сульфидами зонах озера.
Они окисляют H 2 O до S и осаждаются внутри в виде гранул серы внутри инвагинированных структур плазматической мембраны. Сера окисляется до сульфата, поскольку источник восстановленной серы становится ограниченным. На рис. 4.26 показаны внутриклеточные гранулы серы, обнаруженные в Chromatium vinosum.
(г) Магетосомы:
Магнитосомы представляют собой внутриклеточные цепочки из 40-50 частиц магнетита (Fe 3 O 4 ) диаметром около 40-100 нм, обнаруженных у магнитотактических бактерий (рис.4.27). Эти бактерии представляют собой подвижные спириллы с высоким уровнем микроаэрофильности, выделенные из пресноводных местообитаний, таких как Aquaspirillum magnototacticum. Кроме того, было обнаружено, что некоторые бактерии, изолированные из сульфидных местообитаний, обладают магнитосомами, содержащими грейгит (Fc 3 S 4 ) и пирит (FeS 2 ).
Магнитосомы окружены мембраной, содержащей фосфолипиды, белки и гликопротеины. Мембранные белки магнитосомы осаждают Fe 3+ в виде Fe 3 O4 3 в магнитосоме.Форма магнитосом варьируется от квадратной до прямоугольной или шиповидной.
Каждая частица железа представляет собой крошечный магнит. Следовательно, бактерии используют свои магнитосомы для определения направлений на север и вниз. С помощью магнитосомы они подплывают к богатым питательными веществами отложениям или находят оптимальную глубину в пресной воде и морских местообитаниях. Кроме того, магнитосомы также обнаруживаются в некоторых эукариотических водорослях, головах птиц, дельфинах, зеленых черепахах и других животных для облегчения навигации.
(ч) Пузырьки газа:Есть много прокариотических микроорганизмов, обитающих в плавучих формах в озерах и море и обладающих газовыми пузырьками.Газовые везикулы — это заполненные газом структуры, содержащие тот же газ, в котором находятся во взвешенном состоянии организмы. Газовые пузырьки обеспечивают плавучесть и удерживают клетки в плавающей форме.
Самый интересный феномен «плавания и опускания» обнаруживается у цианобактерий, вызывающих цветение воды в озерах, таких как Microcystis aquaticus и Anabaena flosaquae. Кроме того, газовые пузырьки также обнаруживаются у некоторых пурпурных и зеленых фототрофных бактерий и некоторых архебактерий, таких как гало-бактерии, например.Thiopedia и Amoebobacter.
Газовые везикулы выглядят как веретена разного размера (300-700 × 60-110 нм) и числа (от нескольких до сотен на ячейку). Они содержат жесткую мембрану и внутреннюю полую структуру (рис. 4.28). Мембрана состоит только из белков, называемых GvpA и GvpC. Они имеют толщину 2 нм и непроницаемы для воды и растворенных веществ; но они проницаемы для большинства газов.
Газовые пузырьки не могут сопротивляться высокому гидростатическому давлению и могут схлопываться, что приводит к потере плавучести.Свернувшиеся пузырьки не могут вернуться к нормальной форме. Газовые пузырьки достигают плотности около 5-20% клетки. Присутствие газовых пузырьков у фотоавтотрофных микроорганизмов обеспечивает механизм, позволяющий приспосабливаться к водяному столбу, чтобы двигаться в определенной области, чтобы спастись от высокой или низкой интенсивности света.
(i) Везикулы хлоробия (хлоросомы):У Heliobacteria (строгие анаэробные фототрофы зеленого цвета) бактериохлорофиллы связаны с цитоплазматической мембраной.Но у зеленых бактерий фотосинтетический аппарат другой. Эти бактерии состоят из серии цилиндрических плоских пластин (ламелей) или эллипсоидных пузырьков, называемых хлоросомами или пузырьками хлоробия (рис. 4.29). Структура хлоросом различна у разных бактерий.
Хлоросомы прикреплены к цитоплазматической мембране. У них отсутствует двухслойная тонкая мембрана, называемая неединичной мембраной. В зависимости от вида бактерий в хлоросомах присутствуют бактериохлорофиллы a, c, d или e.Но большая часть бактериохлорофилла а (и компонента цепи переноса электронов) находится в цитоплазматической мембране. Хлоросомы — место фотосинтеза.
Компонент № 6. Споры и цисты:Определенные виды бактерий производят метаболически спящие структуры, известные как споры. Споры могут быть эндоспорами (т.е. продуцированными внутри клетки) или экзоспорами (т.е. произведенными вне клетки). После восстановления подходящих условий споры прорастают и производят вегетативные клетки.
Кроме того, некоторые бактерии, такие как Azotobacter, образуют спящие с толстыми стенками и устойчивые споры, известные как цисты. Кисты развиваются после дифференцировки вегетативной клетки. В какой-то степени кисты напоминают эндоспоры, различающиеся по структуре и химическому составу.
(a) Эндоспоры:Образование эндоспор ограничено шестью видами бактерий, включая две грамположительные бактерии, такие как Bacillus (например, B. megaterium, B. spharericus) и Clostridium (C.тетани). Они образуют эндоспоры при недостатке воды или истощении необходимых питательных веществ в окружающей среде.
Таким образом, эндоспоры представляют собой очень прочные и обезвоженные тела покоя, образующиеся внутри плазматической мембраны клеток. Они имеют дополнительные слои с толстыми стенками, которые состоят из пептидогликана (рис. 4.30).
Frankein и Bradlay (1957) сообщили о спорах у большинства видов Bacillus и Clostridium, которые различались по поверхностному слою.Поверхность может быть гладкой или ребристой. Ван ден Хофф и Анинга (1956) обнаружили, что покров со спорами состоит из внешнего и внутреннего слоев, разделенных пространством. Внешний слой называется экзиной, а внутренний слой — интиной. Центральное ядро отделено от интины обычным неосмофильным пространством или корой.
Некоторые эндоспоры могут оставаться жизнеспособными в течение 100 лет. Опасными патогенами являются несколько видов бактерий, образующих эндоспоры. Эндоспоры имеют большое практическое значение в пищевой, промышленной и медицинской микробиологии.Для уничтожения вегетативных клеток используются несколько физико-химических процессов.
Если эндоспоры образуются, уничтожение химическими веществами бесполезно. В обработанной пище эндоспоры адаптируются и производят токсины, когда преобладают подходящие условия для роста. В таких условиях применяются специальные методы. Обычно эндоспоры трудно окрашивать для удаления. Поэтому для обнаружения обычно используется специально подготовленная окраска, то есть окраска эндоспор Шеффера-Фултона.
Споруляция:
Процесс образования эндоспор называется спороношением или спорогенезом. Обычно это происходит, когда рост бактерий прекращается из-за недостатка питательных веществ. Споруляция — сложный процесс, который проходит в несколько этапов (рис. 4.31). Обычно для завершения процесса споруляции требуется 10 часов. Формирование эндоспор начинается с прорастания плазматической мембраны, известной как споровая перегородка, которая становится двухслойной.
Перегородка спор окружает цитоплазму и хромосому.Образуется структура, полностью заключенная в клетке, которая известна как предспора. Между двумя мембранами укладывается толстый слой пептидогликана.
Вокруг этой структуры образуется толстая белковая оболочка, обеспечивающая устойчивость к эндоспорам. Все эндоспоры содержат ДНК, небольшое количество РНК и большое количество органической кислоты (дипиколиновой кислоты). Эти клеточные компоненты важны для возобновления метаболизма на более поздней стадии.
Прорастание спор:
Эндоспоры могут продуцироваться терминально, субтерминально или центрально в зависимости от вида.После созревания слой стенки растворяется, и эндоспоры высвобождаются (рис. 4.31). Этот процесс называется прорастанием спор. Прорастание происходит только в благоприятных условиях окружающей среды, которые проходят в три этапа: активация, прорастание и рост.
(b) Экзоспоры:
Клетки Methylosinus (бактерии, окисляющие метан) продуцируют экзоспоры посредством почкования на одном конце клетки. Экзоспоры не содержат дипиколиновой кислоты.Они могут противостоять высыханию и нагреванию.
Условия, способствующие прорастанию спор :
Ниже приведены некоторые из условий, которые стимулируют прорастание спор:
(a) Тепловой шок при сублетальной температуре в течение различного периода времени от 1 минуты до 1 часа или более (время нагревания зависит от вида, возраста спор и условий хранения).
