Бактерия , несмотря на свою простоту, содержит хорошо развитую клеточную структуру, которая отвечает за некоторые из ее уникальных биологических структур и патогенности. Многие структурные особенности уникальны для бактерий и не встречаются среди архей или эукариот . Из- за простоты бактерий по сравнению с более крупными организмами и легкости, с которой их можно экспериментально манипулировать, клеточная структура бактерий была хорошо изучена, что выявило множество биохимических принципов, которые впоследствии были применены к другим организмам.
Возможно, наиболее элементарным структурным свойством бактерий является их морфология (форма). Типичные примеры включают:
Форма клеток обычно характерна для данного вида бактерий, но может меняться в зависимости от условий роста. Некоторые бактерии имеют сложные жизненные циклы, включающие производство стеблей и придатков (например, Caulobacter ), а некоторые производят сложные структуры, несущие репродуктивные споры (например, Myxococcus , Streptomyces ). Бактерии обычно образуют отличительные морфологии клеток при исследовании с помощью светового микроскопа и отличительные морфологии колоний при выращивании на чашках Петри .
Возможно, наиболее очевидной структурной характеристикой бактерий является (за некоторыми исключениями) их малый размер. Например, клетки Escherichia coli , бактерии «среднего» размера, имеют длину около 2 мкм ( микрометров ) и диаметр 0,5 мкм, при объеме клетки 0,6–0,7 мкм 3 . [1] Это соответствует сырой массе около 1 пикограмма (пг), предполагая, что клетка состоит в основном из воды. Сухую массу одной клетки можно оценить как 23% от сырой массы, что составляет 0,2 пг. Около половины сухой массы бактериальной клетки состоит из углерода, и также около половины ее можно отнести к белкам. Таким образом, типичная полностью выращенная 1-литровая культура Escherichia coli (при оптической плотности 1,0, что соответствует примерно 10 9 клеток/мл) дает около 1 г сырой клеточной массы. [2] Малый размер чрезвычайно важен, поскольку он обеспечивает большое отношение площади поверхности к объему , что обеспечивает быстрое поглощение и внутриклеточное распределение питательных веществ и выведение отходов. При низком отношении площади поверхности к объему диффузия питательных веществ и отходов через мембрану бактериальной клетки ограничивает скорость, с которой может происходить микробный метаболизм, делая клетку менее эволюционно приспособленной. Причина существования больших клеток неизвестна, хотя предполагается, что увеличенный объем клетки используется в первую очередь для хранения избыточных питательных веществ.
Сравнение типичной бактериальной клетки и типичной человеческой клетки (предполагается, что обе клетки являются сферами):
Клеточная оболочка состоит из клеточной мембраны и клеточной стенки . Как и у других организмов, бактериальная клеточная стенка обеспечивает структурную целостность клетки. У прокариот основная функция клеточной стенки заключается в защите клетки от внутреннего тургорного давления , вызванного гораздо более высокой концентрацией белков и других молекул внутри клетки по сравнению с ее внешней средой. Бактериальная клеточная стенка отличается от всех других организмов наличием пептидогликана , который расположен непосредственно снаружи клеточной мембраны. Пептидогликан состоит из полисахаридного остова, состоящего из чередующихся остатков N-ацетилмурамовой кислоты (NAM) и N-ацетилглюкозамина (NAG) в равных количествах. Пептидогликан отвечает за жесткость бактериальной клеточной стенки и за определение формы клетки. Он относительно пористый и не считается барьером проницаемости для небольших субстратов. Хотя все клеточные стенки бактерий (за несколькими исключениями, такими как внеклеточные паразиты , такие как микоплазма ) содержат пептидогликан, не все клеточные стенки имеют одинаковую общую структуру. Поскольку клеточная стенка необходима для выживания бактерий, но отсутствует у некоторых эукариот , несколько антибиотиков (особенно пенициллины и цефалоспорины ) останавливают бактериальные инфекции, вмешиваясь в синтез клеточной стенки, не оказывая при этом никакого воздействия на клетки человека , у которых нет клеточной стенки, а есть только клеточная мембрана. Существует два основных типа бактериальных клеточных стенок: стенки грамположительных бактерий и стенки грамотрицательных бактерий , которые различаются по характеристикам окрашивания по Граму . Для обоих этих типов бактерий частицы размером около 2 нм могут проходить через пептидогликан. [3] Если клеточная стенка бактерий полностью удалена, она называется протопластом, а если она частично удалена, она называется сферопластом . Бета-лактамные антибиотики, такие как пенициллин, подавляют образование пептидогликановых сшивок в клеточной стенке бактерий. Фермент лизоцим , обнаруженный в слезах человека, также переваривает клеточную стенку бактерий и является основной защитой организма от глазных инфекций.
Грамположительные клеточные стенки толстые, а слой пептидогликана (также известный как муреин ) составляет почти 95% клеточной стенки у некоторых грамположительных бактерий и всего лишь 5-10% клеточной стенки у грамотрицательных бактерий. Пептидогликановый слой поглощает кристаллический фиолетовый краситель и окрашивается в фиолетовый цвет при окрашивании по Граму . Бактерии в группе Deinococcota также могут демонстрировать грамположительное окрашивание, но содержат некоторые структуры клеточной стенки, типичные для грамотрицательных бактерий.
Клеточная стенка некоторых грамположительных бактерий может быть полностью растворена лизоцимами , которые атакуют связи между N-ацетилмурамовой кислотой и N-ацетилглюкозамином. У других грамположительных бактерий, таких как Staphylococcus aureus , стенки устойчивы к действию лизоцимов. [4] Они имеют O-ацетильные группы на углероде-6 некоторых остатков мурамовой кислоты. Матричные вещества в стенках грамположительных бактерий могут быть полисахаридами или тейхоевыми кислотами . Последние очень широко распространены, но были обнаружены только у грамположительных бактерий. Существует два основных типа тейхоевых кислот: рибитолтейхоевые кислоты и глицеролтейхоевые кислоты. Последний более распространен. Эти кислоты являются полимерами рибитолфосфата и глицеролфосфата соответственно и расположены только на поверхности многих грамположительных бактерий. Однако точная функция тейхоевой кислоты обсуждается и не полностью понята. Некоторые из них связаны с липидами, образуя липотейхоевые кислоты . Поскольку липотейхоевые кислоты ковалентно связаны с липидами внутри цитоплазматической мембраны , они отвечают за связывание и закрепление пептидогликана на цитоплазматической мембране . Липотейхоевая кислота является основным компонентом стенки грамположительных клеток. Одной из ее целей является обеспечение антигенной функции. Липидный элемент находится в мембране, где его адгезивные свойства способствуют его закреплению на мембране. Тейхоевые кислоты придают стенке грамположительных клеток общий отрицательный заряд из-за наличия фосфодиэфирных связей между мономерами тейхоевой кислоты.
Снаружи клеточной стенки многие грамположительные бактерии имеют S-слой из «плиточных» белков. S-слой способствует прикреплению и образованию биопленки. Снаружи S-слоя часто находится капсула из полисахаридов. Капсула помогает бактерии избегать фагоцитоза хозяина . В лабораторной культуре S-слой и капсула часто утрачиваются в результате редуктивной эволюции (потеря признака при отсутствии положительного отбора).
Грамотрицательные клеточные стенки намного тоньше, чем грамположительные клеточные стенки, и содержат вторую плазматическую мембрану, расположенную поверх тонкого слоя пептидогликана , который, в свою очередь, примыкает к цитоплазматической мембране . Грамотрицательные бактерии окрашиваются по Граму в розовый цвет . Химическая структура липополисахарида внешней мембраны часто уникальна для определенных подвидов бактерий и отвечает за многие антигенные свойства этих штаммов.
В дополнение к слою пептидогликана клеточная стенка грамотрицательных бактерий также содержит дополнительную внешнюю мембрану, состоящую из фосфолипидов и липополисахаридов , которые обращены во внешнюю среду. Высоко заряженная природа липополисахаридов придает общий отрицательный заряд клеточной стенке грамотрицательных бактерий. Химическая структура липополисахаридов внешней мембраны часто уникальна для определенных штаммов бактерий и отвечает за многие из их антигенных свойств.
Как фосфолипидный бислой , липидная часть внешней мембраны в значительной степени непроницаема для всех заряженных молекул. Однако каналы, называемые поринами, присутствуют во внешней мембране, которые обеспечивают пассивный транспорт многих ионов , сахаров и аминокислот через внешнюю мембрану. Поэтому эти молекулы присутствуют в периплазме , области между плазматической мембраной и внешней мембраной. Периплазма содержит слой пептидогликана и множество белков, ответственных за связывание субстрата или гидролиз и прием внеклеточных сигналов. Считается, что периплазма существует в виде гелеобразного состояния, а не жидкости из-за высокой концентрации белков и пептидогликана, обнаруженных в ней. Из-за своего расположения между цитоплазматической и внешней мембранами полученные сигналы и связанные субстраты доступны для транспортировки через цитоплазматическую мембрану с использованием транспортных и сигнальных белков, встроенных в нее.
Многие некультивируемые грамотрицательные бактерии также имеют S-слой и капсулу . Эти структуры часто теряются при лабораторном культивировании.
Плазматическая мембрана или бактериальная цитоплазматическая мембрана состоит из фосфолипидного бислоя и, таким образом, имеет все общие функции клеточной мембраны, такие как действие в качестве барьера проницаемости для большинства молекул и выполнение функции места для транспорта молекул в клетку. В дополнение к этим функциям прокариотические мембраны также выполняют функцию сохранения энергии как место, вокруг которого генерируется движущая сила протонов . В отличие от эукариот , бактериальные мембраны (за некоторыми исключениями, например, микоплазмы и метанотрофов ) обычно не содержат стеринов . Однако многие микробы содержат структурно родственные соединения, называемые гопаноидами , которые, вероятно, выполняют ту же функцию. В отличие от эукариот , бактерии могут иметь в своих мембранах широкий спектр жирных кислот . Наряду с типичными насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами , бактерии могут содержать жирные кислоты с дополнительными метильными , гидроксильными или даже циклическими группами. Относительные пропорции этих жирных кислот могут модулироваться бактерией для поддержания оптимальной текучести мембраны (например, после изменения температуры).
Грамотрицательные и микобактерии имеют внутреннюю и внешнюю бактериальную мембрану. Как фосфолипидный бислой , липидная часть бактериальной внешней мембраны непроницаема для заряженных молекул. Однако каналы, называемые поринами , присутствуют во внешней мембране, которые обеспечивают пассивный транспорт многих ионов , сахаров и аминокислот через внешнюю мембрану. Поэтому эти молекулы присутствуют в периплазме , области между цитоплазматической и внешней мембранами. Периплазма содержит слой пептидогликана и многие белки, ответственные за связывание субстрата или гидролиз и прием внеклеточных сигналов. Считается, что периплазма существует в гелеобразном состоянии, а не в жидком из-за высокой концентрации белков и пептидогликана, обнаруженных в ней. Из-за своего расположения между цитоплазматической и внешней мембранами полученные сигналы и связанные субстраты доступны для транспортировки через цитоплазматическая мембрана с использованием транспортных и сигнальных белков, встроенных в нее.
Фимбрии (иногда называемые « пили прикрепления ») — это белковые трубки, которые отходят от внешней мембраны у многих представителей Pseudomonadota . Они, как правило, короткие по длине и присутствуют в большом количестве по всей поверхности бактериальной клетки. Фимбрии обычно функционируют для облегчения прикрепления бактерии к поверхности (например, для образования биопленки ) или к другим клеткам (например, к клеткам животных во время патогенеза ). Некоторые организмы (например, Myxococcus ) используют фимбрии для подвижности , чтобы облегчить сборку многоклеточных структур, таких как плодовые тела . Пили похожи по структуре на фимбрии, но намного длиннее и присутствуют на бактериальной клетке в небольшом количестве. Пили участвуют в процессе бактериальной конъюгации , где их называют конъюгационными пилями или « половыми пилями ». Пили типа IV (неполовые пили) также помогают бактериям захватывать поверхности.
S -слой (поверхностный слой) — это слой белков клеточной поверхности, обнаруженный у многих различных бактерий и некоторых архей , где он служит клеточной стенкой. Все S-слои состоят из двумерного массива белков и имеют кристаллический вид, симметрия которого различается у разных видов. Точная функция S-слоев неизвестна, но предполагается, что они действуют как частичный барьер проницаемости для крупных субстратов. Например, S-слой, предположительно, может удерживать внеклеточные белки вблизи клеточной мембраны, предотвращая их диффузию из клетки. У некоторых патогенных видов S-слой может способствовать выживанию внутри хозяина, обеспечивая защиту от защитных механизмов хозяина.
Многие бактерии секретируют внеклеточные полимеры за пределами своих клеточных стенок, называемые гликокаликсом . Эти полимеры обычно состоят из полисахаридов и иногда белка . Капсулы представляют собой относительно непроницаемые структуры, которые нельзя окрашивать красителями, такими как тушь . Это структуры, которые помогают защищать бактерии от фагоцитоза и высыхания . Слизистый слой участвует в прикреплении бактерий к другим клеткам или неодушевленным поверхностям для образования биопленок . Слизистые слои также могут использоваться в качестве запаса пищи для клетки.
Возможно, наиболее узнаваемыми внеклеточными бактериальными структурами являются жгутики . Жгутики — это плетевидные структуры, выступающие из стенки бактериальной клетки и отвечающие за подвижность (перемещение) бактерий. Расположение жгутиков вокруг бактериальной клетки уникально для наблюдаемого вида. Распространенные формы включают:
Бактериальный жгутик состоит из трех основных компонентов: кнутообразная нить, двигательный комплекс и крючок, который их соединяет. Нить имеет диаметр около 20 нм и состоит из нескольких протофиламентов, каждый из которых состоит из тысяч субъединиц флагеллина . Пучок удерживается вместе колпачком и может быть или не быть инкапсулирован. Двигательный комплекс состоит из серии колец, закрепляющих жгутик во внутренней и внешней мембранах, за которыми следует протонный двигатель , который управляет вращательным движением в нити.
По сравнению с эукариотами внутриклеточные особенности бактериальной клетки чрезвычайно просты. Бактерии не содержат органелл в том же смысле, что и эукариоты . Вместо этого хромосома и, возможно, рибосомы являются единственными легко наблюдаемыми внутриклеточными структурами, обнаруженными у всех бактерий . Однако существуют специализированные группы бактерий, которые содержат более сложные внутриклеточные структуры, некоторые из которых обсуждаются ниже.
В отличие от эукариот , бактериальная ДНК не заключена внутри мембраносвязанного ядра , а вместо этого находится внутри цитоплазмы . Процессы, связанные с передачей генетической информации — трансляция , транскрипция и репликация ДНК — поэтому все происходят в одном и том же отсеке и могут взаимодействовать с другими цитоплазматическими структурами, в первую очередь с рибосомами . Бактериальная ДНК может быть расположена в двух местах:
Бактериальная ДНК не упакована с использованием гистонов для формирования хроматина, как у эукариот , а вместо этого существует в виде очень компактной суперспиральной структуры, точная природа которой остается неясной. [6] Большинство бактериальных хромосом являются кольцевыми , хотя существуют некоторые примеры линейных хромосом (например, Borrelia burgdorferi ). Обычно присутствует одна бактериальная хромосома, хотя были описаны некоторые виды с несколькими хромосомами. [5]
Наряду с хромосомной ДНК большинство бактерий также содержат небольшие независимые фрагменты ДНК, называемые плазмидами, которые часто кодируют выгодные признаки, но не являются необходимыми для их бактериального хозяина. Плазмиды могут быть легко получены или потеряны бактерией и могут передаваться между бактериями как форма горизонтального переноса генов .
У большинства бактерий наиболее многочисленной внутриклеточной структурой является рибосома , место синтеза белка во всех живых организмах. Все прокариоты имеют рибосомы 70S (где S = единицы Сведберга ), в то время как эукариоты содержат более крупные рибосомы 80S в своем цитозоле . Рибосома 70S состоит из субъединиц 50S и 30S. Субъединица 50S содержит 23S и 5S рРНК , а субъединица 30S содержит 16S рРНК . Эти молекулы рРНК различаются по размеру у эукариот и связаны с большим количеством рибосомных белков, количество и тип которых может немного различаться между организмами. В то время как рибосома является наиболее часто наблюдаемым внутриклеточным мультипротеиновым комплексом у бактерий, встречаются и другие крупные комплексы, которые иногда можно увидеть с помощью микроскопии .
Хотя это не типично для всех бактерий, некоторые микробы содержат внутриклеточные мембраны в дополнение к (или как расширение) их цитоплазматических мембран. Ранняя идея заключалась в том, что бактерии могут содержать мембранные складки, называемые мезосомами , но позже было показано, что они являются артефактами, производимыми химическими веществами, используемыми для подготовки клеток к электронной микроскопии . [7] Примерами бактерий , содержащих внутриклеточные мембраны, являются фототрофы , нитрифицирующие бактерии и метан - окисляющие бактерии. Внутриклеточные мембраны также обнаружены у бактерий, принадлежащих к плохо изученной группе Planctomycetota , хотя эти мембраны больше напоминают органеллярные мембраны у эукариот и в настоящее время имеют неизвестную функцию. [8] Хроматофоры — это внутриклеточные мембраны, обнаруженные у фототрофных бактерий. Используемые в основном для фотосинтеза, они содержат пигменты бактериохлорофилла и каротиноиды.
Прокариотический цитоскелет — это собирательное название для всех структурных филаментов прокариот . Когда-то считалось, что прокариотические клетки не обладают цитоскелетами , но достижения в области технологий визуализации и определения структуры показали наличие филаментов в этих клетках. [9] Гомологи всех основных белков цитоскелета эукариот были обнаружены у прокариот. Элементы цитоскелета играют существенную роль в клеточном делении , защите, определении формы и определении полярности у различных прокариот. [10]
Большинство бактерий не живут в средах, которые постоянно содержат большое количество питательных веществ. Чтобы приспособиться к этим временным уровням питательных веществ, бактерии используют несколько различных методов хранения питательных веществ во времена изобилия для использования во времена нужды. Например, многие бактерии хранят избыток углерода в форме полигидроксиалканоатов или гликогена . Некоторые микробы хранят растворимые питательные вещества, такие как нитрат, в вакуолях . Сера чаще всего хранится в виде элементарных (S 0 ) гранул, которые могут откладываться как внутриклеточно, так и внеклеточно. Гранулы серы особенно распространены у бактерий , которые используют сероводород в качестве источника электронов. Большинство из вышеупомянутых примеров можно рассмотреть с помощью микроскопа , и они окружены тонкой неединичной мембраной, отделяющей их от цитоплазмы .
Включения считаются неживыми компонентами клетки, которые не обладают метаболической активностью и не ограничены мембранами. Наиболее распространенными включениями являются гликоген, липидные капли, кристаллы и пигменты. Гранулы волютина представляют собой цитоплазматические включения комплексного неорганического полифосфата. Эти гранулы называются метахроматическими гранулами из-за проявления ими метахроматического эффекта; они кажутся красными или синими при окрашивании синими красителями метиленовым синим или толуидиновым синим.
Газовые вакуоли — это связанные с мембраной веретенообразные пузырьки , обнаруженные у некоторых планктонных бактерий и цианобактерий , которые обеспечивают плавучесть этим клеткам за счет снижения их общей плотности клеток . Положительная плавучесть необходима для удержания клеток в верхних слоях водной толщи, чтобы они могли продолжать выполнять фотосинтез . Они состоят из оболочки белка, которая имеет высокогидрофобную внутреннюю поверхность, что делает ее непроницаемой для воды (и не дает водяному пару конденсироваться внутри), но проницаемой для большинства газов . Поскольку газовый пузырек представляет собой полый цилиндр, он может разрушиться при увеличении окружающего давления . Естественный отбор точно настроил структуру газового пузырька, чтобы максимально повысить его устойчивость к изгибу , включая внешний укрепляющий белок GvpC, похожий на зеленую нить в плетеном шланге. Существует простая связь между диаметром газового пузырька и давлением, при котором он разрушается — чем шире газовый пузырек, тем слабее он становится. Однако более широкие газовые пузырьки более эффективны, обеспечивая большую плавучесть на единицу белка, чем узкие газовые пузырьки. Различные виды производят газовые пузырьки разного диаметра, что позволяет им колонизировать разные глубины водной толщи (быстрорастущие, высококонкурентные виды с широкими газовыми пузырьками в самых верхних слоях; медленнорастущие, адаптированные к темноте виды с прочными узкими газовыми пузырьками в более глубоких слоях). Диаметр газового пузырька также поможет определить, какие виды выживут в разных водоемах. Глубокие озера, которые испытывают зимнее перемешивание, подвергают клетки гидростатическому давлению, создаваемому полным водным столбом. Это приведет к отбору видов с более узкими, прочными газовыми пузырьками.
Клетка достигает своей высоты в толще воды, синтезируя газовые пузырьки. По мере того, как клетка поднимается, она может увеличить свою углеводную нагрузку за счет увеличения фотосинтеза. Слишком высоко, и клетка будет страдать от фотообесцвечивания и возможной смерти, однако углеводы, вырабатываемые во время фотосинтеза, увеличивают плотность клетки, заставляя ее тонуть. Ежедневный цикл накопления углеводов в результате фотосинтеза и катаболизма углеводов в темное время суток достаточен для точной настройки положения клетки в толще воды, поднимая ее к поверхности, когда уровень углеводов в ней низок и ей необходимо фотосинтезировать, и позволяя ей тонуть от вредного УФ-излучения , когда уровень углеводов в клетке восполнен. Чрезвычайный избыток углеводов вызывает значительное изменение внутреннего давления клетки, что заставляет газовые пузырьки прогибаться и разрушаться, а клетка тонет.
Бактериальные микрокомпартменты — это широко распространенные, органеллоподобные структуры, состоящие из белковой оболочки, которая окружает и заключает в себе различные ферменты. обеспечивают еще один уровень организации; это компартменты внутри бактерий, окруженные полиэдрическими белковыми оболочками, а не липидными мембранами. Эти «полиэдрические органеллы» локализуют и компартментализируют бактериальный метаболизм, функцию, выполняемую мембраносвязанными органеллами у эукариот.
Карбоксисомы — это бактериальные микрокомпартменты, обнаруженные во многих автотрофных бактериях, таких как Cyanobacteria, Knallgasbacteria, Nitroso- и Nitrobacteria. [11] Они представляют собой белковые структуры, напоминающие по своей морфологии головки фагов , и содержат ферменты фиксации углекислого газа в этих организмах (особенно рибулозобисфосфаткарбоксилазу/оксигеназу, RuBisCO и карбоангидразу). Считается, что высокая локальная концентрация ферментов наряду с быстрым превращением бикарбоната в углекислый газ карбоангидразой обеспечивает более быструю и эффективную фиксацию углекислого газа, чем это возможно внутри цитоплазмы. [12] Известно, что подобные структуры содержат кофермент B12, глицеролдегидратазу , ключевой фермент ферментации глицерина в 1,3-пропандиол, в некоторых энтеробактериях (например, сальмонелла).
Магнитосомы — это бактериальные микрокомпартменты, обнаруженные в магнитотактических бактериях , которые позволяют им чувствовать и выстраиваться вдоль магнитного поля ( магнитотаксис ). Экологическая роль магнитотаксиса неизвестна, но считается, что он участвует в определении оптимальных концентраций кислорода. Магнитосомы состоят из минерала магнетита или грейгита и окружены липидной двухслойной мембраной. Морфология магнитосом видоспецифична. [13]
Возможно, наиболее известная бактериальная адаптация к стрессу — это образование эндоспор . Эндоспоры — это структуры выживания бактерий, которые обладают высокой устойчивостью ко многим различным типам химических и экологических стрессов и, следовательно, позволяют бактериям выживать в средах, которые были бы летальны для этих клеток в их нормальной вегетативной форме. Было высказано предположение, что образование эндоспор позволило некоторым бактериям выживать в течение сотен миллионов лет (например, в соляных кристаллах) [14] [15] , хотя эти публикации были подвергнуты сомнению. [16] [17] Образование эндоспор ограничено несколькими родами грамположительных бактерий, таких как Bacillus и Clostridium . Оно отличается от репродуктивных спор тем, что на клетку образуется только одна спора, что приводит к отсутствию чистого прироста числа клеток при прорастании эндоспор. Расположение эндоспоры внутри клетки является видоспецифичным и может использоваться для определения идентичности бактерии. Дипиколиновая кислота — это химическое соединение, которое составляет от 5% до 15% сухого веса бактериальных спор и участвует в обеспечении термостойкости эндоспор. Археологи обнаружили жизнеспособные эндоспоры, взятые из кишечника египетских мумий, а также из озерных отложений в Северной Швеции, возраст которых оценивается в несколько тысяч лет. [18] [19]