Microbiology

Клеточные органеллы эукариот имеют много фундаментальных общих черт с прокариотическими клетками. Они содержат кольцевые молекулы ДНК, их рибосомы относятся к типу 70S, а мембраны содержат компоненты электрон-транспортной цепи (флавины, хиноны, Fe-S-содержащие белки, цитохромы) и выполняют функцию дыхательного или фотосинтетического преобразования энергии. Согласно симбиотической гипотезе, митохондрии происходят от бесцветных аэробных бактерий, а хлоропласты - от цианобактерий, сделавшихся эндосимбионтами каких-то примитивных эукариотических клеток.

Вес сырой биомассы бактерий определяют после отделения клеток от жидкой питательной среды путем центрифугирования. Осевшая клеточная масса содержит 70-85% воды; таким образом, сухая биомасса составляет 15-30% от сырой массы. Если клетки содержат много запасного материала (липиды, полисахариды, полифосфаты или серу), доля сухой массы больше. Сухое вещество бактерий - это в основном полимеры [белки (50%), компоненты клеточной стенки (10-20%), РНК (10-20%), ДНК (3-4%)], а так­же липиды (10%). Десять важнейших химических элементов представлены в клетках бактерий примерно следующим образом: углерод - 50%, кислород - 20%, азот - 14%, водород - 8%, фосфор - 3%, сера - 1%, калий - 1%, кальций - 0,5%, магний - 0,5% и железо - 0,2%.

Цитоплазма отделена от клеточной стенки плазматической мембраной. В цитоплазме находятся различные включения (пузырьки, гранулы) и ядро. Как показали электронно-микроскопические и биохимические исследования, цитоплазма - не гомогенный раствор белка; она содержит многочисленные мембраны и разного рода мембранные структуры, а остальное пространство занимают жидкая фаза и рибосомы. Много­часовым центрифугированием при 100 000 g можно разделить разбавленную водной средой цитоплазму на «растворимую» фракцию, содержащую главным образом растворимые ферменты и растворимую рибонуклеиновую кислоту (РНК), и фракцию частиц, в которую наряду с мембранами в первую очередь входят рибосомы. Растворимые ферменты катализируют множество различных реакций распада и синтеза. Растворимые рибонуклеиновые кислоты [матричные (мРНК) и транспортные (тРНК)] и рибосомы участвуют в синтезе белка.

Белки состоят из аминокислот, соединенных в определенной последовательности пептидными связями в полипептидные цепи. Эти цепи имеют совершенно определенную пространственную конфигурацию (конформацию), которая стабилизируется дополнительными связями - ковалентными и нековалентными (рис. 2.18). В зависимости от роли, которую играют в поддержании структуры те или иные связи, различают несколько структурных уровней.

Рибосомы служат местом синтеза белка. На электронных микрофотографиях они видны как частицы, лежащие в цитоплазме. Рибосомы бактерий имеют размеры 16x18 нм. Примерно 80-85% всей бактериальной РНК находится в рибосомах. Так как интактные рибосомы бактерий при ультрацентрифугировании оседают со скоростью, составляющей около 70 единиц Сведберга (S), их называют 70S-pи6ocoмами. Цитоплазматические рибосомы эукариот, за немногими исключениями, несколько крупнее, и их называют 80S-рибосомами.

Рибонуклеиновые кислоты отличаются от ДНК как мономерами, из которых они построены, так и вторичной структурой. Центральная ось полинуклеотидной цепи состоит из рибозы и фосфор ной кислоты. Из оснований представлены те же аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина имеется урацил. Кроме того, РНК содержит несколько редких оснований (например, псевдоурацил). РНК в клетках присутствует в одноцепочечной форме; только в отдельных участках цепи основания могут быть спарены.

На электронных микрофотографиях ультратонких срезов бактерий, фиксированных четырехокисью осмия, плазматическая мембрана представляется многослойной. Она состоит из двух осмиофильных и потому темных слоев толщиной 2-3 нм каждый и промежуточного более светлого слоя толщиной 4-5 нм. По своему строению мембраны бактериальных, животных и растительных клеток очень сходны. Это дает основание говорить об универсальной «элементарной мембране» ("unit membrane").

Клеточная стенка у бактерий не жесткая, как стальной панцирь, а тонкая и эластичная, как кожаная покрышка футбольного мяча. Подобно тому, как мячу придает упругость надутая камера, клеточной стенке придает определенную упругость плотно прилегающий к ней изнутри протопласт. Внутреннее давление (тургор) обусловлено осмотическими факторами. Осмотическим барьером служит плазматическая мембрана: она полупроницаема и контролирует проникновение в клетку и выход из нее растворенных веществ. В отличие от плазматической мембраны клеточная стенка проницаема для солей и других низкомолекулярных соединений.

В обычных условиях концентрация Сахаров и солей - осмотически активных веществ - внутри клетки выше, чем в окружающей среде. Содержимое клетки по осмотическому давлению эквивалентно 10 - 20%-ному раствору сахарозы, и в клетку поступает столько воды, сколько допускает растяжимость ее стенки. Если повысить осмотическое давление внешней среды (например, путем добавления Сахаров или мочевины), вода будет оттягиваться из клетки. В конце концов, протопласт сожмется, и плазматическая мембрана отделится от клеточной стенки. Такой процесс, происходящий в гипертонической среде, называют плазмолизом. Именно явление плазмолиза у крупных бактериальных клеток позволяет нам убедиться в том, что плазматическая мембрана у них окружена клеточной стенкой. Как плазматическую мембрану, так и клеточную стенку окрашивает водорастворимый основной краситель виктория синий.

Клеточная стенка, по-видимому, ответствен на также за окрашивание по Граму. Способность или, наоборот, неспособность окрашиваться в темно-фиолетовый цвет при использовании метода, предложенного в 1884 г. Грамом, служит важным таксономическим признаком, с которым коррелируют другие свойства бактерий. Процедура окрашивания по Граму начинается с обработки фиксированных бактериальных клеток основным красителем кристаллическим фиолетовым. Затем следует обработка раствором йода. Йод образует с кристаллическим фиолетовым комплекс, нерастворимый в воде и плохо растворимый в спирте и ацетоне. После этого клетки «дифференцируют», обрабатывая их спиртом: грам-положительные клетки удерживают при этом комплекс краситель - йод и остаются синими, а грам-отрицательные обесцвечиваются. Для того чтобы сделать их видимыми, их дополнительно окрашивают контрастным красителем фуксином.