Строение и химический состав бактериальной клетки

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Уральский государственный  лесотехнический университет

Инженерно – экологический  факультет

Кафедра «Физико – химеческой технологии защиты биосферы»

 

 

 

Реферат по дисциплине «Микробиология»

 

«Строение и химический состав бактериальной клетки»

 

 

 

 

Выполнил:                                                              А.И. Мурашова, гр. ИЭФ – 27

                                                       № зачетки: 15047

                                                                                 Шифр. спец. 241000

Руководитель:                                                   Профессор, к. т. н., И.Н. Липунов

 

 

Екатеринбург 2013

 

Содержание

Введение

Строение бактериальной  клетки………………………………………..3

Химический состав бактериальной  клетки…………………………….8

Пластический обмен…………………………………………………….12

Энергетический обмен………………………………………………….14

Заключение

Список литературы

Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Раздел микробиологии, рассматривающий  тонкое строение бактериальной клетки, т. Е внутреннею структуру, называется цитологией бактерий. Цель — добиться полного усвоения знаний о клетке как единице строения и функций живого организма. Бактериальная клетка является автономной, саморегулируемой сложной, целостной живой системой, которая осуществляет непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой. Клетка – это отдельный микросом, имеющий чёткие границы, внутри которых протекают химические процессы и циркулируют потоки энергии.

В клетке имеется большой  набор высокоспециализированных субклеточных структур, работающих в строго координации  и обусловливающих наилучшее  приспособление клетки к окружающей среде, ее развитие и производство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТРОЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ  КЛЕТКИ

 

Строение бактериальной  клетки имеет ряд отличий от строения клеток растительных организмов. Основное отличие заключается в особом строении ядерного аппарата бактерий.

Основными структурными элементами бактериальной летки является клеточная  оболочка, капсула, мембраны, протопласт,  включения в ядерные элементы, или нуклеотиды бактерий.

    Клеточная оболочка служит как бы внешним каркасом бактериальной клетки. Она представляет сбой тонкую, отчетливо очерченную, плотную, достаточно жесткую, упругую и одновременно эластичную структуру, которая противостоит внутреннему и внешнему давлению. Клеточная оболочка обуславливает форму клетки, так как содержимое клетки – протопласт, освобожденный от оболочки, приобретает округлую форму. Микроорганизмы обладают способностью по – разному окрашиваться анилиновыми красителями. При последовательной обработке бактериальной клетки кристаллическим фиолетовым и раствором йода образуется комплекс, окрашенный в сине-фиолетовый цвет. В зависимости от химического состава клеточной оболочки у одних бактерий окрашенный комплекс сохраняется при дополнительной обработке спиртом, у других (грамотрицательных) он обесцвечивается. Такая способность микроорганизмов была обнаружена датским цитологом Х. Громом. Окрашивание по Грамму  служит тестом для быстрой диагностики идентификации бактерий.

Окраска по Грамму определяется  присутствующим в клеточной оболочке муреином, который представляет собой  гетерполимер с характерными субъединицами, входящими в гликановые и пептидные  цепи. Гликановые цепи муреина состоят из чередующихся аминосахаров, а пептидные – из аминокислот.

Муреин придает клетке механическую прочность, содержит положительно и отрицательно заряженные группы и  влияет на поверхностный заряд клетки. У грамположительных бактерий муреин многослойный  (до 40 слоев) и составляет от 40 до 90% всей массы клеточной оболочки. Клеточная оболочка грамположительных бактерий – монодерма – имеет один слой толщиной 50-80 нм.

У грамотрицательных бактерий ( портеобактерий) клеточная  оболочка – дидерма – имеет два соля, общей толщиной 10-20 нм. В наружный слой мембраны клеточной оболочки грамотрицательных бактерий  входят фосфолипиды, липополисахариды, липопротеиды, белки.

Наружная мембрана плотно примыкает к муреиновому мешку, состоящему из одного или двух слоев  муреина. Муреин грамотрицательных  бактерий составляет всего лишь1 – 10% массы клеточной оболочки, но придает клетке прочность и ригидность.

Промежуток между муреином и цитоплазматической мембраной  называют периплазматическим пространством, в котором содержатся транспортные ферменты (пермеазы или транслоказы) и гидролазы. Транспортные ферменты играют важную роль в питании клетки, а гидролазы ускоряют процессы расщепления  сложных молекул в присутствии  воды.

При разрушении клеточной  оболочки клетка приобретает шаровидную формулу, так как растекание цитоплазмы сдерживает цитоплазматическая мембрана. У грамположительных бактерий клеточная  оболочка разрушается полностью  и образуется протопласт, окруженный только цитоплазматической мембраной. У грамотрицательных бактерий остаются участки не разрушенной клеточной  оболочки, которые называются сферопласты.

Капсула. У многих кокковидных, палочковидных и некоторых нитчатых бактерий клетка как бы обволакивается слизистой железообразной массой коллоидного  вещества, называемой капсулой. Капсула  тесно примыкает к клеточной  оболочке и расположена снаружи. Толщина бактериальных капсул колеблется от долей микрометра до 10 мкм, тем  самым она намного превышает  размеры бактерий.

 Вещество капсулы заряжено  отрицательно, что позволяет   клетке поглощать из окружающей  среды катионы и их аккумулировать.

Вещество капсул гидрофильно  и способствует поглощению влаги  бактериями, развивающимися в условиях ограниченной влажности. Капсула на 98% состоит из воды и поэтому служит осмотическим барьером, защищающим клетку от высыхания и переувлажнения.

Остальную часть химического  состава капсулы составляют высокомолекулярные вещества: полисахариды, полипептиды, липиды. целлюлоза входит в

состав капсулы только уксуснокислых бактерий  рода Actobacter xylinum.

Капсула может использоваться клеткой в качестве резервного источника  питания, а также предохраняет клетку от действия токсических веществ. Капсулы  бактерий могут быть причиной порчи  продуктов питания. Например, молочнокислая  бактерия  Leuconostoc mesenteroides является вредителем свеклосахарного производства. Попадая в патоку, она образует огромные глиополисахаридные капсулы и наносит большой ущерб производству.

Капсульная гетеротрофная  бактерия Zoogloea ramigera играет исключительно важную роль в формировании активного ила, представляющего собой микробное сообщество и продукты его жизнедеятельности.

Активный ил обладает высокой  адсорбционной способностью и используются в процессах биологоческой очистки сточных вод. Аморфную основу ила образуют капсулы клеток, которые по мере старения отслаиваются и превращаются в гелеобразный матрикс (зооглеи).

Цитоплазматическая мембрана плотно примыкает  к клеточной  оболочке. Она имеется у всех живых  существ, универсальна и элементарна  у всех организмов. Цитоплазматическая мембрана состоит из трех слоев: белковые слои по краям и бимолекулярный слой липидов в центре мембраны. Роль барьера для молекул и ионов, поступающих из внешней среды  в клетку, выполняет в основном центральный слой.

Строение цитоплазматической мембраны соответствует жидкостно – мозаичной модели, разработанной для мембраны эукариот. Жидкостное состояние цитоплазматической мембраны обуславливает способность фосфолипидных молекул липидного бислоя к вращению и латеральному (боковому) перемещению в соответствующем участке мембраны.

 В зависимости от  ориентации в мембране и характера  связи с липидным бислоем белки цитоплазматической мембраны делят на периферические и интегральные. Периферические белки подразделяют на периферические, связанные с липидами  силами электростатического взаимодействия, и поверхностные, находящиеся вне бислоя. Интегральные белки плавают в липидном бислое и пронизывают его насквозь. С помощью входящих в состав белка гидрофобных аминокислот они связаны с липидами прочными взаимодействиями.

Цитоплазматическая мембрана выполняет ряд функций: защищает протопласт, обеспечивает сохранение разности концентраций метаболитов  и неорганических ионов между  внутриклеточной и внешней средой; синтезирует клеточную оболочку , капсулу; участвует в делении, спорообразовании клетки; обладает избирательностью при проникновении питательных веществ в клетку; контролирует связи с аппаратом генерации АТФ и регуляции движения жгутиков. Производными цитоплазматической мембраны являются мезосомы, которые бывают турбулярные (трубчатые), везикулярные (пузырьковые) и ламеллярные (пластинчатые).   У большинства прокариот мезосомы связаны с цитоплазматической мембраной. Исключением служат цианобактерии, у которых пластинчатые мезосомы большей частью отделены от цитоплазматической мембраны и автономны. В мезосомах цитоплазматических мембран локализованы окислительно – восстановительные ферменты, и происходят наиболее важные реакции энергетического обмена, например реакция окислительного фосфолирования.

 

Если при разрушении клеточной  оболочки клетка только меняет форму, превращаясь в протопласт или  сферопласт, то разрушение цитоплазматической мембраны приводит к гибели клетки, поскольку цитоплазматическая мембрана является главным барьером между  цитоплазмой и внешней средой.

Протопласт. Содержимое бактериальной  клетки без клеточной оболочки получило название портопласт. Портопласт состоит  из цитоплазмы покрытой цитоплазматической мембраной. Цитоплазма представляет собой  водянистую или слегка вязкую массу  – сложную композицию белков, углеводов, жиров, аминокислот и многочисленных других органических соединений, минеральных  веществ и воды. Свободная вода в цитоплазме удерживается капиллярными силами, а связанная вода – за счет водородных связей. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную консистенцию (растворенные РНК, белки, субстраты метаболических реакций), носит название цитозоль.

Важными компонентами цитоплазмы являются рибосомы, ферменты, рибонуклеиновые  кислоты (РНК). Одной из структурных  единиц цитоплазмы являются рибосомы, которые состоят из 60%  из РНК  и на 40% из белка. В клетке часто  образуются целые ансамбли  рибосом, которые включают молекулы информационных и транспортных  РНК. Такие ансамбли получили название полирибосомы ли полисомы, которые могут быть связаны с  мембранными структурами клетки, что отличает рибосомы прокариот  от рибосом эукариот. Основная функция  рибосом – это синтез белка.

Бактериальная клетка содержит около 10 000 рибосомальных частиц. информационная и транспортная РНК участвуют  в синтезе белка. Ферменты катализируют реакции синтеза и распада белков. В протопластах происходят важнейшие биохимические процессы: синтез белка и нуклеиновых кислот, синтез ферментов и все окислительно – восстановительные экзоэнергетические реакции.

Включения. В цитоплазме бактериальной клетки встречаются  разные включения, которые играют роль запасных питательных веществ. К  ним относятся полисахариды гликоген (животный крахмал) и гранулеза (вещество, близкое к крахмалу), а так же полифосфат волютин (азот и фосфорсодержащее вещество, характеризующееся изменением цвета красителя при окраске).

При старении клеток и при  избыточном питании в цитоплазме накапливаются липиды. У серных бактерий, окисляющих сероводород, в цитоплазме могут откладываться капельки серы. Сера, как резервный источник энергии тратится по мере расходования сероводорода.

Ядерные элементы, или нуклеоиды  бактерий. Бактерии, относящиеся к  прокариотам, имеют тельца, называемые нуклеоидами.нуклеоиды содержат дезоксирибонуклеиновую кислоту ( ДНК) и выполняют функции ядра клетки. Функции ядерного аппарата бактерий соответствуют функциям ядер у эукариотов, т. е. служат носителями наследственных признаков вида и предают их потомству.

Основным компонентом  нуклеоидов являются нуклеопротеиды, которые состоят из белка и  нуклеиновых кислот. Белки, входящие в состав нуклеопротеидов, бывают чаще всего гистонами и протаминами. Эти щелочные белки образуют с  нуклеиновыми кислотами соединения класса солей. При гидролизе нуклеиновых  кислот образуются пуриновые и пиримидиновые  основания, а также сахара: рибоза из РНК или дезоксирибоза из ДНК  и фосфорная кислота.

В состав нуклеиновых кислот входят нуклеотиды, поэтому молекула ДНК представляет собой цепь нуклеотидов, расположенных в определенной последовательности. В последовательности расположения азотистых соединений закодирована генетическая информация каждого вида. Нарушение этой последовательности возможно при естественных мутациях ли под влиянием мутагенных факторов. При этом микроорганизм приобретает или утрачивает какое – либо свойство. У него наследственно изменяются признаки, т.е. появляется новая форма микроорганизма. У всех микроорганизмов, прокариотов и эукариотов, носителями генетической информации являются нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК)

 Лишь некоторые вирусы  представляют собой исключение: у них ДНК отсутствует, а  наследственная информация записана  на РНК. ДНК эукариот сосредоточена  в хромосомах. Прокариоты лишены  типичных хромосом. Исключение составляют  многоклеточные бактерии порядка  Caryophanales. Нуклеоиды этих бактерий имеют вид хромосом. У бактерий актиномицетов и бактериальных вирусов (бактериофаги) ДНК имеет вид тонкой нити с линейным расположением нуклеотидов. Нить ДНК аналогична хромосоме. Фрагменты нити ДНК из нескольких нуклеотидов представляют собой ген, обусловливающий один или несколько признаков. Молекула ДНК состоит из двух цепочек полинуклеотидов, которые образуют двойную спираль.