Microbiology

Первые сведения об общей организации и тонкой структуре клетки были получены с помощью оптических методов. По мере совершенствования оптических приборов и улучшения техники микроскопирования рос ли и наши знания о микроморфологии клетки и ее отдельных компонентов.

Структуру и некоторые функции прокариотических клеток мы рассмотрим более подробно. Прежде чем перейти к деталям, отметим основные признаки, отличающие прокариотическую клетку от эукариотической. Как уже было отмечено, клетки прокариот очень малы. Подавляющее большинство бактерий имеет форму палочек не более 1 мкм толщиной и 5 мкм длиной. Многие псевдомонады имеют ширину 0,4-0,7 мкм и длину 2-3 мкм. Диаметр микрококков составляет всего лишь 0,5 мкм. Среди бактерий очень немного «гигантов» (Chromatium okenii, Thiospirillum jenense, Achromatium и др.), и все такие формы растут сравнительно медленно.

Малые размеры бактериальной клетки и наличие двух типов нуклеиновых кислот очень затруднили цитохимическое выявление ядерного материала. Тем не менее классические цитологические методы, а затем и техника ультратонких срезов в сочетании с электронной микроскопией позволили в конце концов установить, что бактерии содержат ДНК и что эта ДНК не распределена диффузно в цитоплазме, а локали­зована в ограниченных участках, которые делятся перед делением клетки.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - макромолекула. При кислотном гидролизе она расщепляется на свои структурные элементы - дезоксирибозу, фосфорную кислоту и азотистые основания в эквимолярных соотношениях. В состав ДНК входят четыре различных основания: два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и тимин).

ДНК /ДНК-гибридизация: гомологичные последовательности нуклеотидов в ДНК разных видов. Как мы уже говорили, при нагревании изолированной ДНК две полинуклеотидные цепи расходятся в результате разрыва водородных связей. Такая денатурация (или «плавление»), при водящая к образованию одиночных цепей, обратима: при очень медленном охлаждении препарата будет происходить спаривание и реассоциация комплементарных участков. Если смешать короткие фрагменты денатурированных ДНК, полученных из двух различных, но близких между собой видов бактерий, при температуре выше точки их плавления и затем медленно охладить смесь, тоже будет происходить реассоциация. Двойные спирали, образовавшиеся из одиночных цепей ДНК двух разных организмов, называют гетеродуплексными молекулами. Для того чтобы в эксперименте можно было проследить за образованием гетеродуплексов, нужно, конечно, пометить ДНК одной из бактерий тяжелым или радиоактивным изотопом.

Для эукариотической клетки характерна способность поглощать пищу в виде растворенных веществ или оформленных твердых частиц. Общеизвестным примером поглощения твердых частиц служит фагоцитоз - захватывание их лейкоцитами крови или амебами. Если речь идет о поглощении жидких питательных веществ, говорят о пиноцитозе. Оба способа поглощения внеклеточного материала объединяют под названием эндоцитоза.

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.