Особенности строения прокариотической клетки Домашнее задание: §

Особенности строения прокариотической клетки Домашнее задание: § 14, материалы диска и сайта, записи в тетради – выучить.

Группа прокариот представлена низшими клеточными организмами — бактериями и синезелёными водорослями (цианобактериями). Прокариотические клетки окружены цитоплазматической мембраной, они не имеют оформленного ядра и других мембранных органоидов. Иногда поверхность клеток может быть покрыта слизистой капсулой. У некоторых прокариот могут быть жгутики и ворсинки. Генетический материал прокариотической клетки представлен крупной кольцевой (иногда линейной) двухцепочечной молекулой ДНК. Отличие прокариот от эукариот заключается не только в строении, но и в процессах жизнедеятельности. Энергетические процессы идут в цитоплазме или на специальных структурах — выростах клеточной мембраны. Внутри клеток могут находиться пузырьки газа, запасные вещества и включения в виде гранул и капель. У прокариот, способных к фотосинтезу, имеются для этого специальные структуры.

В клеточной стенке нет муреина. Липиды мембран содержат изопреноидные углеводороды. Являются первыми организмами на Земле. Метаногенные Галобактерии, Серозависимые

Цианобактерии , или синезелёные водоросли, — группа прокариот, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. Накопленная в результате энергия используется в темновых процессах фотосинтеза для производства органических веществ из углекислого газа. Цианобактерии — одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Размер клеток варьирует от 0, 5 мкм до 100 мкм, в тропических морях они часто образуют скопления в виде кустиков до 20 см высотой. Цианобактерии окружены особой слизистой оболочкой, жгутики отсутствуют. Встречаются среди цианобактерий морские, пресноводные, почвенные виды и участники симбиозов. Цианобактерии рода Анабена

Синезелёные водоросли составляют значительную долю океанического фитопланктона, стоят в начале большинства пищевых цепей и производят огромное количество кислорода, а также являются главными участниками «цветения» воды. Известно около 2 000 видов. Цианобактерии, вероятнее всего, внесли огромный клад в формирование современной атмосферы на Земле. Многие виды способны усваивать азот атмосферы. «Цветение» воды Цианобактерии рода Носток

Бактерии — безъядерные микроорганизмы, или прокариоты; подавляющее большинство бактерий — одноклеточные. Многие бактерии способны к фотосинтезу. Бактерии – мельчайшие из организмов, обладающих клеточным строением; их размеры составляют от 0, 1 до 10 мкм. Часть микробиологии, изучающая бактерии, называется бактериологией. На найденном в Антарктиде метеорите обнаружены следы жизнедеятельности Современные виды микроорганизмов – микроорганизмов из космоса. палочковидные бактерии и кокки. Бактерии – древнейшие из известных организмов. Следы жизнедеятельности бактерий и сине-зелёных водорослей (строматолиты) относятся к архею и датируются возрастом 3, 5 млрд. лет.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ Антуан ван Левенгук (1632 -1723) впервые увидел и описал удивительный мир « анималькулей » - микроскопических зверушек. Левенгук обнаружил бактерии в зубном налете. Он видел палочковидные, кокковидные, извитые формы, а также разнообразное движение микробов. Особенно поразило Левенгука большое число микроорганизмов в Антуан ван Левенгук полости рта человека. В дальнейшем Левенгук описал ряд других микроорганизмов (инфузорий), которых находил в специально приготовленных настоях. Открытие Левенгука поразило его современников. Антуан ван Левенгук (1632 - 1723) Микроскоп и техника микроскопии А. Левенгука

Левенгук считается открывателем первых простейших (1674), бактерий (1676), сперматозоидов (1677), дрожжевых грибков (1680), клеточного ядра в красных кровяных тельцах лягушки (1680), паразитирующих жгутиковых (1681) и других микроскопических «противных существ» , как он их называл. В 1695 г. натуралист– самоучка опубликовал книгу «Тайны природы, открытые Антони Левенгуком » , где с присущей ему тщательностью подробно описал все свои наблюдения и опыты. Антони ван Левенгук Первые изображения бактерий в работе А. Левенгука

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ Основателем науки «Микробиология» является французский химик Луи Пастер, который изучил биохимические процессы бактерий, разработал методы диагностики инфекционных заболеваний, меры борьбы с вредным влиянием бактерий и технологию приготовления вакцин. Луи Пастер (1822 – 1895) Немецкий врач Роберт Кох открыл возбудителя туберкулеза и разработал метод выделения чистых культур на плотных питательных средах, выделил туберкулин. Роберт Кох (1843 – 1910)

Электронная микрофотография бактериальной клетки

Клеточная оболочка бактерий капсула Клеточная стенка Цитоплазматическая мембрана Некоторые бактерии имеют капсулу - слизистый слой. Капсула предохраняет бактерию от действия фагоцитов. Клеточная стенка - оболочка, которая оделяет микробную клетку от окружающей среды. Клеточная стенка прочная и эластичная. Цитоплазматическая мембрана имеет типичное строение элементарной мембраны.

Клеточная стенка бактерий — жёсткая оболочка, расположенная снаружи от цитоплазматической мембраны и выполняющая структурные, защитные и транспортные функции. Важнейший компонент клеточной стенки бактерий — муреин , выполняющий опорную и защитную функции. Он имеет сетчатую структуру и образует жёсткий каркас клетки. Муреин состоит из углеводов и белков. Вещества, убивающие бактерий (лизоцим, антибиотики), разрушают муреин или нарушают его образование.

На ультратонких срезах бактерий наружная мембрана имеет вид волнообразной трехслойной структуры, сходной с внутренней мембраной, которую называют цитоплазматической. Основным компонентом этих мембран является бимолекулярный (двойной) слой липидов.

Капсулы бактерий Капсула, микрокапсула, слизь. Капсула — слизистая структура толщиной более 0, 2 мкм, прочно связанная с клеточной стенкой бактерий и имеющая четко очерченные внешние границы. Капсула различима в мазках- отпечатках из патологического материала. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже. Она выявляется при специальных методах окраски мазка (например, по Бурри-Гинсу ), создающих негативное контрастирование веществ капсулы: тушь образует Капсулы пневмококка темный фон вокруг капсулы.

Капсула состоит из полисахаридов ( экзополисахаридов ), иногда — из полипептидов; например, у сибиреязвенной бациллы она состоит из полимеров D - глутаминовой кислоты. Капсула гидрофильна , препятствует фагоцитозу бактерий. Капсула антигенна : антитела против капсулы вызывают ее увеличение (реакция набухания капсулы). Многие бактерии образуют микрокапсулу — слизистое образование толщиной менее 0, 2 мкм, выявляемое лишь при электронной микроскопии. От капсулы следует отличать слизь — мукоидные экзополисахариды , не имеющие четких границ. Слизь растворима в воде. Бактериальные экзополисахариды участвуют в адгезии (прилипании к субстратам). Кроме синтеза экзополисахаридов бактериями, существует и другой механизм их образования: путем действия внеклеточных ферментов бактерий на дисахариды. В результате этого образуются декстраны и леваны. Капсулы клебсиеллы. Окраска по Бурри-Гинсу.

Строение прокариотической клетки 1 - плазмида; 2 - клеточная стенка; 3 - плазматическая мембрана; 4 - нуклеоид; 5 - жгутик; 6 - рибосомы и полисомы.

Содержимое бактериальной клетки, ограниченное цитоплазматической мембраной, прозрачное, водянистое или слегка вязкое вещество нуклеоид называется цитоплазмой. мезосома В цитоплазме находится ядерное вещество – нуклеоид, состоящий из ДНК и белков. Нуклеоид содержит кольцевую молекулу ДНК, которая осуществляет процессы регуляции жизнедеятельности клетки, а ткже участвует в передаче наследственной рибосомы информации при делении. В цитоплазме могут находится плазмиды небольшие участки ДНК кольцевидной формы – плазмиды. В цитоплазме расположены рибосомы – гранулы, состоящие из р-РНК и белка. Рибосомы осуществляют синтез белка. Скопление рибосом - полисомы Мезосомы – это закрученные участки цитоплазматической мембраны, участвуют в процессе образования энергии. Многие бактерии содержат включения - гранулы - крахмала, белка, гликогена, зерна волютина , что часто является важным диагностическим признаком.

Организация генома у прокариот Нуклеоид — эквивалент ядра у бактерий. Он расположен в центральной зоне бактерий в виде двунитевой ДНК, замкнутой в кольцо и плотно уложенной наподобие клубка. Обычно в бактериальной клетке содержится одна хромосома, представленная замкнутой в кольцо молекулой ДНК. Кроме нуклеоида , представленного одной хромосомой, в бактериальной клетке имеются внехромосомные факторы наследственности в виде ковалентно замкнутых колец ДНК — так называемые плазмиды

В цитоплазме расположены рибосомы – гранулы, состоящие из р-РНК и белка. Рибосомы осуществляют синтез белка. Скопление рибосом - полисомы Мезосомы – это закрученные участки цитоплазматической мембраны, участвуют в процессе образования энергии. Многие бактерии содержат включения - гранулы крахмала, белка, гликогена, зерна волютина , что часто является важным диагностическим признаком.

Жгутики и пили бактерий монотрих амфитрих перитрих Большинство бактерий передвигаются пассивно, с помощью водных или воздушных течений. Только некоторые из них имеют органеллы движения – жгутики. По количеству жгутиков выделяют монотрихи , перитрихи , амфитрихи и лофотрихи. Жгутики представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка.

Толщина жгутиков 12 -20 нм, длина 3 -15 мкм. Они состоят из 3 частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (1 пара дисков — у грампо-ложительных и 2 пары дисков — у грамотрицательных бактерий). Дисками жгутики прикреплены к цитоплазматической мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-мотором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка — флагеллина (от flagettum — жгутик), являющегося Н-антигеном. Субъединицы флагеллина закручены в виде спирали. Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (монотрих) у холерного вибриона до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии (перитрих) у кишечной палочки, протея и др.

Пили ( фимбрии , ворсинки) — нитевидные образования, более гонкие и короткие (3 -10 нм х 0, 3 -10 мки ), чем жгутики. Пили отходят от поверхности клетки и состоят из белка пилина, обладающего антигенной активностью. Различают пили, ответственные за адгезию, т. е. за прикрепление бактерий к поражаемой клетке, а также пили, ответственные за питание, водно-солевой обмен и половые (F-пили), или коньюгационные, пили. Пили многочисленны — несколько сотен на клетку. Однако половых пилей обычно бывает 1 -3 на клетку: они образуются так называемыми «мужскими» клетками-донорами, содержащими трансмиссивные плазмиды (F-, R-, Col- плазмиды ). Отличительной особенностью половых пилей является взаимодействие с особыми «мужскими» сферическими бактериофагами.

Строение бактериальной клетки

Спорообразование Споры — своебразная форма покоящихся бактерий, т. е. бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий. Внутри бактериальной клетки образуется одна спора. Клетка спорообразующей бациллы. Образование спор способствует сохранению вида и не является способом размножения, как у грибов. Спорообразующие бактерии рода Bacillus имеют споры, не превышающие диаметр клетки. Бактерии, у которых размер споры превышает диаметр клетки, называются клостридиями , например, бактерии рода Clostridium. Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке — терминальное, т. е. на конце палочки (у возбудителя столбняка), субтерминальное — ближе к концу палочки (у возбудителей ботулизма, газовой гангрены) и центральное (у сибиреязвенной бациллы). Спора долго сохраняется из-за наличия многослойной оболочки, дипиколината кальция и низкого содержания воды.

Спорообразование – процесс обособления ядерного вещества и части цитоплазмы оболочкой, состоящей из липидов солей кальция и минимальным содержанием воды, обладающий сильным лучепреломлением. Спорообразование длится 18 - 20 часов. Оставшаяся часть клетки вскоре отмирает. В споре затухают все обменные процессы. У различных видов бактерий споры различаются по размеру, по форме и по расположению. Возбудитель столбняка несет круглую спору на самом конце палочки. У возбудителя сибирской язвы спора расположена посередине. Возбудитель ботулизма имеет очень большую спору на конце.

Спорообразование длится 18 - 20 часов. Оставшаяся часть клетки вскоре отмирает. В споре затухают все обменные процессы. У споры различных видов бактерий споры различаются по размеру, форме и по расположению. Возбудитель столбняка несет круглую, крупную спору на самом конце палочки. У возбудителя сибирской язвы спора расположена посередине. Возбудитель ботулизма имеет очень большую спору на конце. Возбудитель сибирской язвы с созревающими спорами

Деление бактерий . Скорость деления большинства микроорганизмов - раз в 15 - 30 минут. Кишечная палочка делится раз в 15 - 17 минут; брюшнотифозная палочка раз в 24 минуты, дифтерийная палочка – в 34 минуты, микобактерии туберкулеза раз в 18 часов, а спирохеты - раз в 10 часов. Перед делением ДНК реплицируется, и каждая дочерняя клетка получает по своей копии родительской ДНК.

Фазы роста и деления бактерий Деление грамотрицательной бактерии 1) лаг-фаза (англ. lag — запаздывание) — период между посевом бактерий и началом их размножения, продолжительностью 4 -5 часов; 2) фаза логарифмического (экспоненциального) роста — период интенсивного деления бактерий, продолжительностью 5 -6 часов; 3) фаза стационарного роста, при которой количество жизнеспособных клеток не изменяется, составляя максимальный уровень (М-концентрация); 4) фаза гибели бактерий.

У бактерий описан половой процесс - передача ДНК между неделящимися клетками (посредством захвата «голой» ДНК, при помощи бактериофагов или путём конъюгации – полового процесса, когда бактерии соединяются между собой копуляционными фимбриями), однако увеличения количества особей при этом не происходит. Конъюгация и перенос F-фактора: 1 -репликация, перенос (2) и синтез Микрофотография конъюгации 2 -ой цепи (3). бактерий

Классификация бактерий В настоящее время бактерии выделены в отдельное царство. Наиболее распространённой системой классификации бактерий является система Берги.

КЛАССИФИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ 1. По питанию (способу добывания пищи): Бактерии Автотрофы Гетеротрофы Фотосинтетики Хемосинтетики Сапрофиты Паразиты Имеют пигмент Используют Симбиоты Извлекают Живут и хлорофиллин: энергию, питательные питаются полученную при вещества из внутри Зеленые и окислении мертвого Тесно живого пурпурные неорганических органическог связаны с организма серобактерии веществ: о материала жизнью железобактерии, других, чаще нитрофицирую- высших щие бактерии организмов

Основы классификации бактерий В настоящее время бактерии выделены в отдельное царство. Наиболее распространённой системой классификации бактерий является система Берги. По форме различают шаровидные бактерии, палочковидные и извитые.

Кокки Шаровидные бактерии называются кокки ( coccus - зерно). Размеры кокков 1 -1, 5 мкм. Кокки различаются между собой в зависимости от расположения клеток в мазке, что определяется особенностями их деления. Одиночные – микрококки, в основном, сапрофитные обитатели воздуха, воды и почвы. Диплококки – кокки , лежащие в мазке попарно, это пневмококки, гонококки и менингококки. Стрептококки в мазке лежат в виде цепочки, это возбудители гнойных инфекций – ангины, тонзиллита, пневмонии, отита, послеродового сепсиса и др. . Тетракокки в мазке лежат по четыре клетки, как правило, это не патогенные (не вызывающие заболевания) микробы. Стафилококки в мазке лежат в виде беспорядочных скоплений, напоминающих гроздья винограда. Это возбудители более 270 различных гнойных заболеваний. Размеры кокков 1 -1, 5 мкм.

Бактерии Палочковидные бактерии (от гр. bacteriae - палочка) имеют цилиндрическую форму. Возбудитель Кишечная палочка дизентерии чумы

Извитые формы бактерий имеют вид спирали с завитками - это спириллы. Вибрионы - слабоизогнутые клетки имеющие форму запятой. Спирилла Спирохеты Спирилла Вибрион

3. По дыханию (по степени потребности в молекулярном кислороде) Дыхание бактерий Аэробы Факультативные Анаэробы Используют Могут жить в той или Живут в кислород воздуха другой среде, но бескислородной для окисления предпочитают среде и получают органических (интенсивно энергию в веществ размножаются) результате определенную, брожения (холерный например, (клостридии) вибрион. факультативный микобактерии анаэроб (кишечная туберкулеза) палочка, молочно- кислые бактерии)

Взаимодействие бактерий Симбиоз Антагонизм Метабиоз Развитие одних «Кефирные зерна» Продукты подавляет развитие - молочнокислые жизнедеятельности других за счет бактерии одних бактерий выработки кислот, (разлагают лактозу создают условия для токсинов, ферментов, молока) + дрожжи развития других : антибиотиков: (сбраживают гнилостные – молочнокислые моноуглеводы до нитрофицирующие – бактерии подавляют спиртов) денитрофицирующие – развитие гнилостных аэробы – анаэробы. бактерий в кишечнике.

Значение бактерий Название групп Положительное значение Отрицательное бактерий значение Клубеньковые и Обогащение почвы азотными удобрениями, минерализация - почвенные орг. веществ Гнилостные Санитарная роль Порча продуктов и кормов, (минерализация органических разрушение деревянных останков) построек. Молочнокислые Производство молочнокислых Порча продуктов и кормов продуктов, засолка овощей и силосование кормов Уксуснокислые Получение органических кислот, Порча продуктов и кормов консервирование овощей и фруктов Паразитические Получение вакцин и лечебно- Инфекционные болезни профилактических сывороток растений, животных и человека

Бактерии полезные для человека Сельское хозяйство: Пищевая Бактерии плодородие почвы, промышленность: силосование кормов, хлебопечение, образование перегноя, молочнокислые борьба с вредителями продукты, виноделие, полей, садов и огородов. пивоварение. Химико-биологическая Фармакологическая промышленность промышленность: спирты, орг. кислоты, Очистка сточных вод антибиотики, вакцины, ацетон, ферменты, от органических сыворотки, инсулин, витамины, веществ, получение интерферон и др. искусственный белок метана лекарства

Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических организмов Характеристика Прокариоты Эукариоты Организмы Бактерии, Грибы, растения, животные. цианобактерии , архибактерии. Клеточная Одноклеточные и многоклеточные организация с клеточной дифференцировкой Клеточные Плотная, жесткая, У зеленых растений и грибов стенки содержит клеточная стенка жесткая содержит полисахариды, полисахариды. Основной аминокислоты и липиды. компонент клеточной стенки Основной компонент – растений - целлюлоза, у грибов - муреин. хитин. ДНК Кольцевая ДНК в Длинные ДНК с большим цитоплазме. Нет ядра, количеством некодирующих ограниченного участков организованы в мембраной, ДНК с хромосомы, окружены ядерной белковым комплексом оболочкой. Есть ядрышки. образует нуклеоид. Цитоплазма Отсутствие цитоскелета, Имеется микротрабекулярный движения цитоплазмы, цитоскелет, активное движение эндо- и экзоцитоза цитоплазмы, эндоцитоз и экзоцитоз.

Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических организмов Характеристика Прокариоты Эукариоты Органеллы Органелл мало. Имеются мембранные органеллы - Присутствуют эндоплазматическая сеть, митохондрии, мезосомы и рибосомы пластиды, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы; и немебранные органеллы - рибосомы, центриоли. РНК и белки РНК и белки Синтез и созревание ( процессинг ) РНК синтезируются в происходит в ядре, синтез белков в одном компартменте - цитоплазме. цитоплазме. Жгутики Простые, состоят из Сложные, с расположением одной или нескольких микротрубочек типа 9+2. фибрилл. Деление Бинарное деление. Митоз (или мейоз), амитоз. Метаболизм Анаэробный или Аэробный или вторично анаэробный аэробный