ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004

5. БУДОВА МІКРОБНОЇ КЛІТИНИ

5.3. ВНУТРІШНЬОКЛІТИННІ СТРУКТУРИ

Рибосоми. Рибосоми є місцем синтезу білка. На електронних мікрофотографіях вони мають вигляд частинок, що лежать у цитоплазмі. Рибосоми бактерій мають розміри 16 х 18 нм. Приблизно 80-85 % всієї бактеріальної РНК міститься в рибосомах. Складаються з білка (35-40 %) та РНК (60-65 %). Оскільки інтактні (цілі, незруйновані) рибосоми бактерій при ультрацентрифугуванні осідають із швидкістю близько 70 одиниць Сведберга (S), їх називають 7OS-рибосомами. Цитоплазматичні рибосоми еукаріот більші — 80S. З мітохондрій еукаріот (наприклад, з мітохондрій дріжджів) можна також виділити рибосоми, які за розмірами схожі на бактеріальні.

Бактеріальна 70S-рибосома складається з двох субодиниць — 30S- та 50S-субодиниці (рис. 5.9). Бактеріальна клітина містить від 5 000 до 50 000 рибосом. Їх кількість тим більша, чим швидше росте клітина. Під час активного синтезу білка на електронних мікрофотографіях можна бачити правильні ланцюжки рибосом. Це рибосоми, нанизані, як намисто, на ланцюги матричної РНК; їх називають полірибосомами або полісомами.

Рис. 59. Схема будови бактеріальної рибосоми

Різниця між рибосомами бактерій (70S) та еукаріот (80S) має вирішальне значення для боротьби з інфекційними хворобами. Деякі антибіотики частково чи повністю пригнічують синтез білка, який відбувається на 70S рибосомах, і не порушують функцій 80S-pибосом.

Вакуолі. Газові вакуолі (аеросоми) характерні для водних бактерій, особливо пурпурових і зелених сіркобактерій, мешканців мулів, окремих ґрунтових бактерій. Газові вакуолі складаються з газових бульбашок, розміщених паралельними рядами, утворюючи стільникоподібну структуру. Газові бульбашки — це порожнисті циліндри, оточені одношаровою білковою мембраною. У цій білковій мембрані гідрофобні амінокислоти повернуті всередину циліндра, а гідрофільні — назовні. Таке розміщення амінокислот перешкоджає проникненню води в бульбашку. Циліндри заповнені газом, склад якого е аналогічним складу газу навколишнього середовища. Аеросоми є регуляторами плавучості бактерій. Вони дають можливість бактеріям, які не мають джгутиків, здійснювати вертикальний рух у водоймах і капілярах ґрунту і таким чином займати найвигідніше положення відносно джерела світла, концентрації розчиненого кисню і поживних речовин, тобто газові вакуолі у бактерій мають пристосувальне значення.

Щодо еукаріотннх клітин, то вони містять велику вакуоль, оточену одношаровою мембраною. Її функції точно не встановлені. Показано, що в ній містяться гідролітичні ферменти, поліфосфати, ліпіди, низькомолекулярні клітинні інтермедіати та іони металів. Ймовірно, що вакуоль є резервуаром для зберігання поживних речовин і гідролітичних ферментів.

Карбоксисомм. Ці структури виявлені в клітинах ціанобактерій, деяких пурпурових бактерій, нітрифікуючих бактерій. Вони являють собою чотири- чи шестигранні включення діаметром до 500 нм. оточені одношаровою білковою мембраною, містять ферменти фіксації вуглекислого газу в циклі Кельвіна.

Магнітосоми. Виявлені в клітинах бактерій, яким притаманний магнітотаксис. Це частинки Fe₃О₄, оточені мембраною, різні за формою, кількістю і характером розміщення в клітині.

Запасні речовини. У багатьох мікроорганізмів у певних умовах середовище відкладаються речовини, які можна розглядати як запасні — полісахариди, жири, поліфосфати та сірка. Це речовини накопичуються, якщо в поживному середовищі містяться певні вихідні сполуки, але разом з тим ріст мікроорганізмів обмежений чи взагалі неможливий із-за браку окремих компонентів живлення чи присутності інгібіторів. Запасні речовини містяться в клітині в осмотично інертній формі — вони нерозчинні у воді. В умовах, сприятливих для росту, коли в цих запасних речовинах виникає потреба, вони знову залучаються до метаболізму. Запасні полісахариди, нейтральні жири, полі-β-гідроксимасляна кислота можуть бути джерелами вуглецю і енергії, тому за відсутності зовнішніх джерел енергії вони можуть продовжити термін існування клітини, а у спороутворювальних видів створити умови для утворення спор навіть за відсутності екзогенних субстратів. Поліфосфати можуть бути резервним джерелом фосфору, в сірка — потенційним донором електронів.

У деяких мікроорганізмів за допомогою кольорової реакції з розчином Люголю вдається ідентифікувати крохмаль (сине забарвлення) або глікоген (коричневе забарвлення). Запасні полісахариди, на відміну від полісахаридів клітинної стінки, утворюються з α-глюкози, молекули глюкози з’єднані 1,4-α-зв’язками. Завдяки α-зв’язкам поліглюкозні ланцюги не витягнуті в довжину, а закручені гвинтоподібно. Крохмалеподібна сполука гранульоза є специфічною запасною речовиною у бактерій роду Clostridium. Глікоген (тваринний крохмаль) схожий на амілопектин, але його ланцюги ще більш розгалужені (за рахунок утворення 1,6-ав'язків). У бактерій глікоген зустрічається частіше, ніж крохмаль. Він також виявлений у дріжджів і грибів.

У клітинах мікроорганізмів часто зустрічаються гранули та краплини жиру. Їх можна фарбувати ліпофільними барвниками — суданом ІІІ та суданом чорним, при цьому вони стають видимими через мікроскоп. Без забарвлення їх можна побачити через мікроскоп завдяки тому, що вони сильно заломлюють світло.

Гранули багатьох бактерій складаються з полі-β гідроксимасляної кислоти. Це поліефір, що містить близько 60 залишків β-гідроксибутирату. Частка цієї речовини в сухій біомасі може досягати 80 %. Полі-β-гідроксимасляну кислоту утворюють аеробні бактерії, а також ціанобактерії та анаеробні фототрофні бактерії. Утворення полі-β-гідроксимасляної кислоти спостерігається у аеробів в умовах браку кисню.

Нейтральні жири (тригліцериди) в особливо великих кількостях відкладаються у вакуолях дріжджів і грибів. Воски (складні ефіри жирних кислот і спиртів з довгим ланцюгом) виявлені у мікобактерій (можуть містити до 40 % восків), нокардій та актиноміцетів. Вміст запасних жирів визначається складом поживного середовища (високим співвідношенням C/N), і ці жири можуть бути виділені безпосередньо з клітин.

Гриби, дріжджі, багато бактерій і зелені водорості здатні накопичувати фосфорну кислоту у вигляді гранул поліфосфату. Такі гранули вперше були описані у бактерій Spirillumvolutans. тому їх часто називають волютиновими гранулами (волютином).

У багатьох бактерій, які окиснюють сульфід до сульфату, сірка тимчасово зберігається у вигляді кульок, що сильно заломлюють світло. Кількість сірки, яка може накопичитись, залежить від вмісту сірководню в навколишньому середовищі: за відсутності сірководню сірка окиснюється до сульфату. Для аеробних сіркових бактерій сірка ε джерелом енергії, а для анаеробних фототрофних пурпурових бактерій — донором електронів.

Нуклеоїд. Питання про наявність ядра у бактерій було дискусійним упродовж багатьох десятиліть. Малі розміри клітин, недосконалість методів дослідження утруднювало виявлення ядерних структур у бактерій, хоча не було сумнівів щодо наявності у них спадкового апарата, оскільки при розмноженні клітини одного виду бактерій давали нащадків того самого виду. Сучасні електронно-мікроскопічні та генетичні дослідження дали змогу встановити, що бактерії мають структури, аналогічні ядрам клітин еукаріот, але відрізняються від них рядом особливостей:

1) ядра бактерій не мають ядерної оболонки (мембрани), і ДНК перебуває в безпосередньому контакті з цитоплазмою;

2) відсутній поділ на хромосоми, і нитка ДНК являє собою аналог хромосоми еукаріот і називається бактеріальною хромосомою (в клітині може бути кілька її копій);

3) відсутній мейоз і мітоз.

У зв’язку з цим ядерний апарат бактерій називають бактеріальним ядром, або нуклеоїдом. Встановлено, що бактеріальна хромосома має форму замкнутого кільця. Це гігантська молекула ДНК з молекулярною масою 10⁹ дальтон. Вона має різну довжину у різних бактерій: у мікоплазм — 0,25, у ціанобактерій — до 3 мм. У клітинах прокаріот може бути кілька нуклеоїдів і кілька копій хромосоми (у Bacillus subtilis — від 2 до 9 хромосом у кількох нуклеоїдах, у Azotobacter vinelandti — близько 40 хромосом в одному нуклеоїді).

Хромосоми бактерій — це високоупорядковані структури двох типів: зв’язані з елементами оболонки та вільні з коефіцієнтами седиментації відповідно 3200-7000S та 1600-2000S. ДНК у цих структурах перебуває в суперспіралізованому стані і утворює 20-140 петель, з’єднаних з щільною центральною ділянкою, яка складається з РНК і є відповідальною за підтримання компактної форми (рис. 5.10). Хромосома бактерій завжди зв’язана з мембраною (кількість місць зв’язку може досягати 20 і більше) безпосередньо із специфічними мембранними білками або через рибосоми, зв’язані з мембраною.

Рис. 5.10. Модель організації нуклеоїду (а) та судом компактної хромосоми Eechenchla coli (б):

1 — петля хромосоми: 2 — РНК, що з'єднує петлі; орі — точка origin на хромосомі бактерії; р - рибосоми; зм — зовнішня мембрана: м - муреїн: цм — цитоплазматична мембрана

На відміну від еукаріот, у прокаріот не спостерігається суттєвих змін у стані нуклеоїду в процесі клітинного циклу, за винятком його ущільнення перед спороутворенням. У бактеріальній клітині синтез ДНК відбувається безперервно і приблизно 1-3 % сухої маси клітини припадає на ДНК.