Прокариоты (бактерии)

Классификация живых организмов

Строение бактериальной клетки

Характеристика:• Не имеют оформленного ядра, мембранных органоидов, цитоскелета и центросомы. 

• Наследственная информация заключена в виде кольцевой молекулы ДНК (бактериальной хромосомы), не связанной с белками–гистонами

 • Аппарат синтеза белка – рибосомы 70S типа

 • Имеют небольшие внехромосомные кольцевые ДНК, содержащие дополнительные гены устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды (например, устойчивость к антибиотикам), и участвующие в процессе конъюгации (обмене генетической информацией) – плазмиды 

• Мелкие размеры (меньше, чем эукариоты)

• Отсутствует циклоз (неподвижная цитоплазма)

• Имеют короткие выросты (пили, фимбрии), обеспечивающие прикрепление к различным поверхностям (субстрату) и связи с другими клетками (межклеточное распознавание)

• Имеется жгутик (один или несколько) для передвижения

• Не характерны митоз и мейоз, т.к. отсутствует ядро и не происходит кариокинез (характерный для митоза/мейоза) • Клеточная стенка из муреина (пептидогликана) • Имеют слизистую капсулу: обычно состоит из полисахаридов и/или полипептидов

Функции слизистой капсулы:

• Обеспечивает дополнительную защиту от механических повреждений, высыхания, а у болезнетворных бактерий — еще и от действия иммунной системы организма-хозяина (например, от поглощения путем фагоцитоза лейкоцитами)

• Способствует прилипанию к различным поверхностям (субстрату)

• Служит для формирования колоний из одиночных бактерий 

Биохимические процессы проходят либо в цитоплазме, либо на внутренней стороне мембраны, где локализованы специальные для данных процессов ферменты (например, ферменты дыхания). У некоторых бактерий для увеличения площади рабочей поверхности наблюдаются впячивания мембраны*

*Во многих учебных пособиях впячивания мембраны называют мезосомами, НО в настоящее время большинство ученых считают, что ч– это артефакты, т.е. искусственные структуры, которые образовались при подготовке микропрепарата к исследованию (при воздействии фиксаторов, красителей и тд) За употребление данного термина на экзамене могут снять балл

Строение жгутика бактерии

Жгутик прокариот представляет собой трубковидную структуру из белка флагеллина, не покрытую плазмалеммой, а также снабженную крючком и базальным телом, закрепляющим жгутик в клеточной оболочке. Базальное тело функционирует* как мотор жгутика, по типу корабельного винта.

* Для движения прокариотического жгутика используется не энергия АТФ, как у эукариот, а энергия, которая выделяется в процессе транспорта ионов водорода (Н+ ) через плазмалемму

Строение клеточной стенки бактерий

Клеточная стенка бактерий в основном состоит из муреина (пептидогликана). Линейные цепи муреина состоят из чередующихся остатков двух производных глюкозы — N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидными связями.

Параллельно расположенные полисахаридные цепи сшиваются друг с другом короткими пептидными мостиками между остатками N-ацетилмурамовой кислоты. Действие многих антибактериальных средств основано на разрушении структуры муреина или подавлении его синтеза. Например, лизоцим (фермент слюны) расщепляет гликозидные связи между остатками N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, что в итоге вызывает гибель бактерий.

Классификация бактерий по Граму

Грамположительные бактерии

Поверх плазмалеммы имеют толстый муреиновый слой. При окраске по Граму окрашиваются в сине-фиолетовый цвет.

Грамотрицательные бактерии

Снаружи от тонкой клеточной стенки имеется наружная мембрана (дополнительная липидная капсула), обладающая, как и цитолемма, избирательной проницаемостью (т. е. является дополнительным барьером, ограничивающим доступ различных веществ в клетку). Пространство межу цитолеммой и наружной мембраной – периплазматическое. При окраске по Граму окрашиваются в красный цвет.

Клеточная оболочка у грамположительных бактерий включает в себя плазмалемму и клеточную стенку, а у грамотрицательных – плазмалемму, клеточную стенку и дополнительную липидную капсулу (наружную мембрану)

Формы бактериальных клеток

Дыхание бактерий 

Существуют аэробные бактерии (используют кислород в процессе дыхания) и анаэробные бактерии (не используют кислород в процессе дыхания). Многие бактерии способны к брожению* *Более подробно про аэробные и анаэробные организмы, а также про брожение мы говорили на теме «энергетический обмен веществ».

Бактерии по типу питания

1) Автотрофные бактерии - самостоятельно синтезируют органические вещества из неорганическихВ зависимости от источника энергии делятся на: 

• Фототрофы (фотосинтетики) – используют энергию солнечного света (содержат хлорофилл). Пример: цианобактерии (сине-зеленые водоросли) – одноклеточные или формируют колонии и многоклеточные нити.

• Хемотрофы (хемосинтетики) – используют энергию окисления неорганических соединений. Примеры: хемосинтезирующие бактерии (серобактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и водородные бактерии)

2) Гетеротрофные бактерии – используют готовые органические вещества

В зависимости от источника готовой органики делятся на:

• Сапротрофы – извлекают питательные вещества из мертвого органического материала

Примеры: почвенные бактерии – бактерии гниения (амоннифицирующие бактерии, сенная палочка), денитрифицирующие бактерии; бактерии брожения (молочнокислые (болгарская палочкая), маслянокислые и тд)

• Симбионты – используют органические вещества живых организмов, принося им пользу

Примеры: клубеньковые бактерии, бактерии нормальной микрофлоры животных (кишечная палочка)

3) Паразиты – используют органические вещества живых организмов, нанося им вред (вызывают различные заболевания)

Примеры: бактерии, вызывающие заболевания:

• холера (холерный вибрион)

• чума (чумная палочка)

• тиф

• сибирская язва

• столбняк (столбнячная палочка)

• туберкулез (туберкулезная палочка)

• коклюш

• стрептококковая инфекция

• стафилококковая инфекция

• ангина

• сальмонеллез

• ботулизм

Способы питания у живых организмов

Все живые организмы в зависимости от того, каким образом они получают питательные вещества (т.е. по способу поступления данных веществ), можно классифицировать на

• Осмотрофы – способ питания – осмотрофный (осмотический/голофитный) – питаются путем всасывания растворенных питательных веществ (не могут поглощать/захватывать твердые частицы, т.к. имеют клеточную стенку)Примеры: бактерии, грибы и растения 
• Голозои – способ питания – голозойный (анимальный) – питаются путем поглощения твердых частицПример: животные

Экологические группы бактерий

Продуценты - организмы, образующие органические вещества из неорганических – преобразуют энергию солнечного света или окисления неорганических веществ в энергию химических связей органических соединений

Автотрофные организмы •

Фотоавтотрофы – осуществляют фотосинтез – синтез органических веществ из неорганических с использованием энергии солнечного света

• Хемоавтотрофы – осуществляют хемосинтез - синтез органических веществ из неорганических с использованием энергии окисления неорганических соединений

2) Консументы - Организмы, потребляющие органические вещества и осуществляющие перенос веществ и энергии по цепям питания: симбиотические бактерии и паразитические бактерии

3) Редуценты - организмы, разлагающие органические вещества до неорганических, тем самым замыкая круговорот веществ сапротрофные бактерии

Азотофиксирующие бактерии

Азот входит в состав важнейших для живых организмов соединений – белков (аминогруппа аминокислот), нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и АТФ – азотистые основания. Азотфиксация – процесс фиксации молекулярного азота и его включения в доступные для усвоения соединения. Эукариоты не способны к фиксации свободного азота из атмосферы, т.к. у них нет для этого специального фермента – нитрогеназы. Способностью фиксировать молекулярный азот атмосферы обладают специальные азотофиксирующие бактерии, к которым относятся:

• некоторые цианобактерии

• клубеньковые бактерии*

Клубеньковые бактерии поселяются в специальных утолщениях (клубеньках) на корнях бобовых растений и образуют с ними взаимовыгодные отношения (симбиоз): 

• Бактерии: фиксируют свободный молекулярный азот атмосферы и переводят его в связанную форму (аммиак/соли аммония), доступную для усвоения растениями, который далее используют азот из данных соединений для синтеза собственных органических соединений, содержащих азот.

• Растения: обеспечивают бактерии жилищем (клубеньками) и органическими веществами (глюкозой).

Размножение бактерий

Бактерии размножаются бесполым путем с помощью простого бинарного деления. Бактерии размножаются очень быстро – в благоприятных условиях процесс деления происходит раз в 20-30 минут.

• Кольцевая ДНК (бактериальная хромосома), прикрепленная к плазмалемме в определенной точке, реплицируется – образуются две идентичные дочерние хромосомы, также прикрепленные к цитоплазматической мембране, каждая из которых перемещается

• Специальные моторные белки перемещают дочерние хромосомы в противоположных направлениях, и расстояние между молекулами ДНК увеличивается

• Плазмалемма впячивается (врастает) внутрь клетки между двумя разошедшимися хромосомами, и в этой же области происходит достраивание клеточных стенок будущих дочерних клеток

• Бактериальная клетка разделяется надвое, и в каждой оказывается по одной кольцевой ДНК

Конъюгация

• Также для бактерий характерен половой процесс – конъюгация.

• Во время конъюгации происходит обмен генетической информацей между бактериями (передача плазмид через пили).

• Количество особей при этом не увеличивается (поэтому конъюгация – половой процесс, а не размножение).

Спорообразование

• При наступлении неблагоприятных условий бактерии образуют споры и распространяются в среде

• Спорообразование происходит путем уплотнения участка цитоплазмы, содержащего бактериальную хромосому, и формирования вокруг этого участка прочной многослойной оболочки. При этом происходит обезвоживание клетки и замедление всех метаболических процессов

• Споры могут сохранять жизнеспособность в течение многих лет и прорастать, когда условия вновь становятся благоприятными

Спорообразование у прокариот не является способом бесполого размножения, а служит для перенесения неблагоприятных условий

Значение бактерий

Являются редуцентами, минерализуют органические вещества до неорганических, возвращая их в почву и тем самым замыкая круговорот веществ (участвуют в круговороте веществ).

Бактерии-паразиты вызывают различные заболевания живых организмов (растений и животных), и таким образом регулируют численность организмов и/или целых популяций.

Автотрофные бактерии являются продуцентами - вырабатывают первичное органическое вещество для питания гетеротрофов.

Цианобактерии (фотоавтотрофы) в качестве побочного продукта фотосинтеза выделяют в атмосферу молекулярный кислород для дыхания аэробов. Некоторые из цианобактерий способны к фиксации молекулярного азота и его преобразованию в доступные для организмов соединения (т.е. способны к азотофиксации). Участвуют в почвообразовании и повышения плодородия почв (азотофиксирующие, аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии)

Некоторые бактерии (клубеньковые бактерии, бактерии в толстом кишечнике человека) являются симбионтами и обитают в других орагнизмах, принося им пользу.

- Используются в пищевой промышленности для получения кисломолочных продуктов, при квашении, виноделии, сыроделии (молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое и другие виды брожения).

- Используются в сельском хозяйстве для приготовления силоса, компоста, препаратов для борьбы с вредителями.

- Используются в коммунальном хозяйстве для очистки сточных вод, т.к. по способу питания они являются осмотрофами и способны путем всасывания поглощать из воды взвешенные частицы.

- Используются в фармацевтике для получения вакцин, витаминов, гормонов, лекарств.

- Используются в энергетике и добывающей промышленности для получения биогаза

Археи

Археи – древнейшие представители живых существ, которые в большинстве случаев обитают в экстремальных условиях, где другие организмы существовать не могут (соленые озёра, воды термальных источников и т.д.)

По внешним признакам сходны с бактериями, поэтому первоначально были отнесены к бактериям (назывались «архебактерии»), однако потом выяснилось, что ДНК архей связана с гистонами, а ферменты, отвечающие за репликацию, транскрипцию и трансляцию, очень похожи на аналогичные ферменты эукариот. Поэтому сейчас их выделили в отдельное Царство, наравне с бактериями и эукариотическими организмами. По типу питания чаще всего – хемосинтетики.  Клеточная стенка Архей содержит особое вещество – псевдомуреин.

Выживать в экстремальных условиях археям позволяет особое строение мембраны – гидрофобные участки фосфолипидов «сшиваются», образуя единый фосфолипидный слой, который гораздо стабильнее обычного бислоя бактерий и эукариот

Сравнительная характеристика прокариот и эукариот