Прокариоты.Все прокариоты объединены в надцарство Прокариоты, царство Дробянки в котором выделяют три подцарства – архебактерии, эубактерии (настоящие бактерии) и цианобактерии (синезеленые водоросли).

Прокариоты – одноклеточные и колониальные организмы, среди цианобактерий встречаются и многоклеточные (нитчатые) организмы. В клетках отсутствует ядро, генетическая информация прокариот представлена голой (без белков) кольцевой молекулой ДНК. Это самые древние и примитивные организмы на Земле. Распространены повсеместно: в воде, почве, воздухе, живых организмах. Они обнаруживаются как в самых глубоких океанических впадинах, так и на высочайшей горной вершине Земли – Эвересте, как во льдах Арктики и Антарктиды, так и в горячих источниках (с температурой воды более 90ºС). В почве они проникают на глубину 4 и более км, споры бактерий в атмосфере встречаются на высоте до 20 км, гидросфера вообще не имеет границ обитания этих организмов.


Бактерии способны поселяться практически на любом как органическом, так и неорганическом субстрате.

Несмотря на простоту строения, они обладают высокой степенью приспособленности к самым разнообразным условиям среды. Это возможно благодаря способности бактерий к быстрой смене поколений. При резкой смене условий существования среди бактерий быстро появляются мутантные формы, способные существовать в новых условиях среды.

 

Строение бактериальной клетки. Размеры – от 1 до 10 мкм. Форма бактериальной клетки может быть самой разнообразной. Шаровидные бактерии по расположению клеток после деления подразделяют на несколько форм: монококки – одиночные; диплококки – образуют пары; тетракокки – образуют тетрады; стрептококки – делятся в одной плоскости, образуют цепочки; стафилококки – делятся в разных плоскостях, образуют скопления, напоминающие грозди винограда; сарцины образуют пакеты по 8 особей.

 
 
Прокариоты функции Рис. Форма бактерий: 1,2 – бациллы; 3 – монококки; 4 – диплококки; 5 – стрептококки; 6 – стафилококки; 7 – сарцины; 8 – вибрионы; 9 – спириллы и спирохеты; 10 – стебельковые бактерии; 11 – тороиды; 12 – звездообразные бактерии; 13 – шестиугольные бактерии; 14 – многоклеточная бактерия.

 

 

Вытянутые, палочковидные бактерии называются бациллами. Извитые, в виде запятой – вибрионы, имеющие до 6 витков – спириллы, спирохеты – длинные и тонкие извитые формы с числом витков от 6 до 15. Помимо основных, в природе встречаются и другие, весьма разнообразные, формы бактериальных клеток.

Строение.Бактериальная клетка ограничена оболочкой. Внутренний слой оболочки представлен цитоплазматической мембраной, над мембраной находится клеточная стенка, над клеточной стенкой у многих бактерий – слизистая капсула. Строение и функции цитоплазматической мембраны не отличаются от таковых мембран эукариотической клетки. Мембрана может образовывать складки, называемые мезосомами.

Мезосомы могут иметь разную форму (мешковидые, трубчатые, пластинчатые и др.). На поверхности мезосом располагаются ферменты. Мезосомы с фотосинтетическими пигментами называют хлоросомами. Клеточная стенка – толстая, плотная, жесткая, состоит из муреина (главный компонент) и других органических веществ. Муреин представляет собой правильную сеть из параллельных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими белковыми цепочками. В зависимости от особенностей строения клеточной стенки бактерии подразделяются на грамположительные (окрашиваются по Граму) и грамотрицательные (не окрашиваются). У грамотрицательных бактерий стенка устроена сложнее и над муреиновым слоем снаружи имеется еще одна мембрана.

Прокариоты функции Рис. . Строение бактериальной клетки 1 – базальное тельце; 2 – жгутик; 3 – слизистая капсула; 4 – клеточная стенка; 5 – цитоплазматическая мембрана; 6 – мезосома; 7 – фимбрии; 8 – мембранные структуры (ламеллы, хлоросомы); 9 – нуклеоид; 10 – рибосомы; 11 – цитоплазма.

Внутреннее пространство заполнено цитоплазмой. Генетический материал представлен кольцевыми молекулами ДНК. Эти ДНК можно условно разделить на «хромосомные» и плазмидные. «Хромосомная» ДНК – одна, прикреплена к мембране, содержит несколько тысяч генов, в отличие от хромосомных ДНК эукариот она не линейная, а кольцевая и не связана с белками, «голая». В отличие от большинства растений и животных набор генов у прокариот – гаплоидный. Зона, в которой расположена эта ДНК называется нуклеоидом.

Плазмиды – внехромосомные генетические элементы, представляют собой небольшие кольцевые ДНК, не связанны с белками, не прикреплены к мембране, содержат небольшое число генов. Количество плазмид может быть различным.

Наиболее изучены плазмиды, несущие информацию об устойчивости к лекарственным препаратам (R-факторы) и принимающие участие в половом процессе (F-факторы). Плазмида, способная объединяться с хромосомой, называется эписомой.

Прокариоты функции
iv>

В бактериальной клетке отсутствуют все мембранные органоиды, характерные для эукариотической клетки (митохондрии, пластиды, ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы). В цитоплазме бактерий находятся рибосомы 70S-типа, включения, могут быть газовые вакуоли. Как правило, рибосомы собраны в полисомы. Каждая рибосома состоит из малой (30S) и большой субъединиц (50S). Включения могут быть представлены глыбками крахмала, гликогена, волютина, липидными каплями.

У многих бактерий имеются жгутики и пили (фимбрии). Жгутики не ограничены мембраной, это микротрубочки, состоящие из сферических субъединиц белка флагеллина.

Эти субъединицы расположены по спирали и образуют полый цилиндр диаметром 10-20 нм. Количество и расположение жгутиков может быть различным. Пили – прямые нитевидные структуры на поверхности бактерий. Они тоньше и короче жгутиков. Представляют собой короткие полые цилиндры из белка пилина. Пили служат для прикрепления бактерий к субстрату и друг к другу. Во время конъюгации образуются особые F-пили, по которым осуществляется передача генетического материала от одной бактериальной клетки к другой.

Питание бактерий. Вместе с пищей бактерии, как и другие организмы, получают энергию для процессов жизнедеятельности и строительный материал для синтеза клеточных структур. По способу питания бактерии делятся на гетеротрофов и автотрофов. Гетеротрофы могут быть сапротрофами, то есть питаться мертвым органическом веществом; паразитами, то есть потреблять органическое вещество живых организмов и симбионтами, живущими и питающимися совместно с другими организмами (кишечная палочка, клубеньковые бактерии).


Другая группа, автотрофы, способна синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают: фотоавтотрофов, синтезирующих органические вещества за счет энергии света, и хемоавтотрофов, синтезирующих органические вещества за счет химической энергии окисления неорганических веществ: серы, сероводорода, аммиака. К ним относятся, например, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородные бактерии.

Одна группа фотоавтотрофных бактерий (зеленые и пурпурные) имеют фотосистему-1 и при фотосинтезе не выделяют кислород, донор водорода – Н2S:

6СО2 + 12Н2S + энергия → С6Н12О6 + 12S + 6Н2О

Необходимую для фотосинтеза энергию они получают с помощью пигментов бактериохлорофиллов, близких к хлорофиллу а. Бактериохлорофиллы поглощают свет в более длинноволновой части спектра, в том числе и в инфракрасной. Эта способность поглощать световые лучи с длиной 800-1100 нм позволяет этим бактериям жить при отсутствии видимого света, используя инфракрасные, тепловые лучи.

У цианобактерий (синезеленых) появилась еще и фотосистема-2 и при фотосинтезе кислород выделяется, донором водорода для синтеза органики является Н2О:

>

6СО2 + 12Н2О + энергия → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Важнейшая группа хемосинтетиковнитрифицирующие бактерии, способные окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков, сначала до азотистой, а затем до азотной кислоты:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + энергия

2НNО2 + O2 = 2HNO3 + энергия

Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, образует нитраты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу:

2S + О2 = 2Н2О + 2S + энергия

При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты:

2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + энергия

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO3 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + энергия

Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении молекулярного водорода:

2 + О2 = 2Н2О + энергия

Спорообразование у бактерий – способ переживания неблагоприятных условий. Споры формируются обычно по одной внутри «материнской клетки» и называются эндоспорами.


оры обладают высокой устойчивостью к радиации, экстремальным температурам, высушиванию и другим факторам, вызывающим гибель вегетативных клеток. При этом клетка обезвоживается, нуклеоид сосредотачивается в спорогенной зоне. Образуются защитные оболочки, предохраняющие споры бактерий от действия неблагоприятных условий (споры многих бактерий выдерживают нагревание до 130˚С, сохраняют жизнеспособность десятки лет). При наступлении благоприятных условий спора прорастает, и образуется вегетативная клетка.

Размножение. Бактерии размножаются только бесполым способом – делением «материнской клетки» надвое или почкованием. Перед делением происходит репликация ДНК, некоторые бактерии при благоприятных условиях способны делиться каждые 20 минут.

У бактерий никогда не образуются гаметы, не происходит слияние содержимого клеток, а имеет место генетическая рекомбинация, при которой происходит передача ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Это можно представить в виде следующей схемы: Донор имеет гены а б в г д е ж з, реципиент А Б В Г Д Е Ж З, рекомбинант – А Б в г д Е Ж З. Различают три способа передачи ДНК, рекомбинации: конъюгация, трансформация, трансдукция.

Конъюгация – однонаправленный перенос F-плазмиды от клетки-донора, которая называется F+-бактерия в клетку-реципиент (F-бактерию). Клетка-донор (F+) образует F-пилю, ее образование контролируется особой плазмидой – F-плазмидой. Во время конъюгации ДНК передается только в одном направлении (от донора к реципиенту), обратной передачи нет. Обычно при конъюгации передается только одна цепь нуклеотидов F-плазмиды ДНК-донора, комплементарная цепь достраивается в клетке реципиента.


Трансформация – однонаправленный перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту, не контактирующих друг с другом. При этом клетка-донор или «выделяет» из себя небольшой фрагмент ДНК, или ДНК попадает в окружающую среду после гибели этой клетки. В любом случае ДНК активно поглощается клеткой-реципиентом и встраивается в собственную «хромосому».

Трансдукция – перенос фрагмента ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью бактериофагов.

Прокариоты функции   Рис. . Генетическая рекомбинация прокариот

 

В подцарстве Архебактерии – около 40 видов наиболее древних прокариотических организмов. Они отличаются от эубактерий рядом признаков. Хромосома архебактерий имеет мозаичное строение (как и у эукариот): ДНК состоит из экзонов (кодирующие участки) и интронов (некодирующие участки), а хромосома эубактерий интронов не имеет. Последовательность нуклеотидов рРНК и тРНК резко отличается как от эубактерий, так и от эукариот. Клеточная мембрана не содержит жирных кислот, образована эфирами глицерина с полимерами изопрена, а в клеточной стенке вместо муреина кислые полисахариды.


Среди архебактерий есть термоацидофилы – любители тепла и кислоты, они обитают в вулканических источниках с температурой 90ºС и более и способны окислять сероводород и серу до серной кислоты. Есть метаногеныоблигатные (строгие) анаэробы, обитающие в болотах, в желудках жвачных животных и образующие метан (СН4) из водорода (Н2), образующегося при брожении и углекислого газа (СО2). С помощью метанобактерий из отходов получают биогаз. Среди архебактерий есть и фотосинтетики – галобактерии, обитающие в чрезвычайно соленых водах и придающие им пурпурно-красный цвет. Фотосинтетический пигмент у них не хлорофилл, а родопсин.

В подцарство Цианобактерии (Оксифотобактерии) объединены фотосинтетические прокариоты, способные при фотосинтезе выделять кислород, т.е. с фотосистемой-2. Основной фотосинтетический пигмент – хлорофилл а, вспомогательные – синие фикоцианины, красные – фикоэритрины, оранжево-желтые каротиноиды и др., всего около 30 вспомогательных пигментов. Запасной углевод близок к гликогену животных. Снаружи клеточной мембраны находится клеточная стенка из пектина (а не клетчатки, как у растений), за клеточной стенкой находится вторая мембрана и слизистый чехол. Слизь может окрашиваться в самые различные яркие цвета – золотистый, красный, зеленый, коричневый, синий.

Прокариоты функции   Рис. . Цианобактерии 1 – носток; 2 – анабена; 3 – осциллятория; 4 – лингбия

Есть одноклеточные, колониальные и многоклеточные формы. У ностока нити склеиваются, образуя колонии размером со сливу. Клетки в нитях (трихомах) соединены плазмодесмами, у некоторых видов в нитях встречаются крупные неокрашенные клетки – гетероцисты, в которых происходит фиксация азота. Остатки древних цианобактерий, существовавших более 3 млрд. лет назад, найдены в строматолитах – конусообразных или колоннообразных образованиях, в которых обширные колонии цианобактерий пропитывались и укреплялись солями кальция. Современные строматолиты образуются в мелководных водоемах в районах с жарким и сухим климатом.

Способны образовывать споры и таким образом переносить неблагоприятные условия. Жгутиковые стадии у цианобактерий отсутствуют.

Благодаря слизистым чехлам, которые эффективно поглощают и удерживают влагу цианеи могут обитать в пустынях, первыми поселяются на скалах – они были первыми поселенцами, заселившими скалы вулкана Кракатау и возникшего вулканического острова Сурцей вблизи Ирландии. Утром и ночью они впитывают росу и воздушную влагу и активно растут, когда становится жарко – высыхают, превращаясь в сухие корочки. Цианеи способны фиксировать атмосферный азот, превращая его в аммиак, а соединения аммиака включаются затем в органические соединения. В Красном море цианобактерия триходесмиум фиксирует 1/4 поглощаемого морем азота. Периодически триходесмиума становится так много, что вода в море становится красной.

Но цианеи могут питаться и как гетеротрофы, поглощая из воды органические вещества, поэтому в загрязненных органикой водах цианобактерии активно размножаются, используя практически весь кислород, а продукты их жизнедеятельности и разложения отравляют обитателей водоема.

Значение бактерий.Бактерии играют огромное значение и в биосфере, и в жизни человека. Бактерии принимают участие во многих биологических процессах, особенно в круговороте веществ в природе. Гнилостные бактерии разрушают азотсодержащие органические соединения неживых организмов, превращая их в перегной. Минерализующие бактерии разлагают сложные органические соединения перегноя до простых неорганических веществ, делая их доступными для растений.

Многие бактерии могут фиксировать атмосферный азот. Причем, азотобактер, свободноживущий в почве, фиксирует азот независимо от растений, а клубеньковые бактерии проявляют свою активность только в симбиозе с корнями высших растений (преимущественно бобовых), благодаря этим бактериям почва обогащается азотом и повышается урожайность растений. Фиксируют атмосферный азот и цианобактерии.

Симбиотические бактерии кишечника животных (прежде всего, травоядных) и человека обеспечивают усвоение клетчатки.

Бактерии являются не только редуцентами, но и продуцентами (создателями) органического вещества, которое может быть использовано другими организмами. Соединения, образующиеся в результате деятельности бактерий одного типа, могут служить источником энергии для бактерий другого типа.

Помимо углекислого газа, при разложении органического вещества в атмосферу попадают и другие газы: H2, H2S, CH4 и др. Таким образом, бактерии регулируют газовый состав атмосферы.

Некоторые вещества, образующиеся в процессе жизнедеятельности бактерий, важны и для человека. Деятельность бактерий используется для получения молочнокислых продуктов, для квашения капусты, силосования кормов; для получения органических кислот, спиртов, ацетона, ферментативных препаратов; в настоящее время бактерии активно используются в качестве продуцентов многих биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, витаминов и др.), используемых в медицине, ветеринарии и животноводстве.

Благодаря методам генной инженерии, с помощью бактерий получают такие необходимые вещества, как человеческий инсулин, гормон роста, интерферон.

Отрицательную роль играют патогенные бактерии, вызывающие заболевания растений, животных, многие бактерии вызывают порчу продуктов, выделяя при этом токсичные вещества. Многие бактерии паразитируют и в организме человека. Дыхательные пути и легкие поражают возбудители дифтерии, туберкулеза, коклюша. В пищеварительной системе паразитируют возбудители холеры, бациллярной дизентерии, сальмонеллеза, брюшного тифа, заражение пероральное. Половую систему поражают возбудители гонореи, сифилиса, заражение при половых контактах. В кровеносной системе локализуются возбудители тифа (возбудителей заражения переносят блохи и вши) и столбняка, возбудители которого попадают в кровь при ранениях.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Двумембранные органоиды. Митохондрии. | Вирусы. Описание. Характеристика

Источник: poznayka.org

Прокариоты

Прокариоты — организмы, состоящие из клеток, которые не имеют клеточного ядра или любых мембранных органелл. Это означает, что генетический материал ДНК у прокариот не связан в ядре. Кроме того, ДНК прокариот менее структурирована, чем у эукариот. В прокариотах ДНК одноконтурная. ДНК эукариот организована в хромосомы. Большинство прокариот состоят только из одной клетки (одноклеточные), но есть несколько и многоклеточных. Ученые разделяют прокариот на две группы: бактерии и археи.

Типичная клетка прокариота включает:

  • клеточную стенку;
  • плазматическую (клеточную) мембрану;
  • цитоплазму;
  • рибосомы;
  • жгутики и пили;
  • нуклеоид;
  • плазмиды;

Эукариоты

Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат ядро и мембранные органеллы. Генетический материал у эукариот находится в ядре, а ДНК организована в хромосомы. Эукариотические организмы могут быть одноклеточными и многоклеточными. Все животные являются эукариотами. Также эукариоты включают растения, грибы и простейших.

Типичная клетка эукариота включает:

  • плазматическую (клеточную) мембрану;
  • ядрышко;
  • ядро;
  • хромосомы;
  • рибосомы;
  • эндоплазматический ретикулум;
  • аппарат (комплекс) Гольджи;
  • цитоскелет;
  • цитоплазму;
  • лизосомы;
  • центриоль;
  • митохондрии.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник: NatWorld.info

Прокариоты

Трудно найти место на Земле, где не было бы бактерий. Они встречаются в самых разнообразных местах: в атмосфере и на дне океанов, в быстротекущих реках и в вечной мерзлоте, в парном молоке и в ядерных реакторах; однако особенно много их в почве. В верхнем слое почвы содержатся миллионы бактерий на 1 г, то есть примерно 2 тонны на гектар. Среди бактерий много форм, которые паразитируют на человеке, растениях и животных.

Бактерии – мельчайшие из организмов, обладающих клеточным строением; их размеры составляют от 0,1 до 10 мкм. На обычной типографской точке можно разместить сотни тысяч бактерий среднего размера. Бактерии можно увидеть только в микроскоп, поэтому их называют микроорганизмами или микробами; микроорганизмы изучаются микробиологией. Часть микробиологии, изучающая бактерии, называется бактериологией. Начало этой науке положил Антони ван Левенгук в XVII веке.

Прокариоты функции

1

Рисунок 1.2.1.1.

Колония бактерий

Бактерии – древнейшие из известных организмов. Следы жизнедеятельности бактерий и сине-зелёных водорослей (строматолиты) относятся к архею и датируются возрастом 3,5 млрд. лет.

Из-за возможности обмена генами между представителями различных видов и даже родов систематизировать прокариот довольно сложно. Удовлетворительная систематика прокариот не построена до сих пор; все существующие системы являются искусственными и классифицируют бактерии по какой-либо группе признаков, не учитывая их филогенетического родства. Ранее бактерии вместе с грибами и водорослями включались в подцарство низших растений. В настоящее время бактерии выделены в отдельное надцарство прокариот. Наиболее распространённой системой классификации является система Берги, в основу которой положено строение клеточной стенки.

В конце XX века учёные обнаружили, что клетки сравнительно малоизученной группы бактерий – архебактерий – содержат р-РНК, отличные по своему строению и от р-РНК прокариот, и от р-РНК эукариот. Строение генетического аппарата архебактерий (наличие интронов и повторяющихся последовательностей, процессинг, форма рибосом) сближает их с эукариотами; с другой стороны, архебактерии имеют и типичные признаки прокариот (отсутствие ядра в клетке, наличие жгутиков, плазмид и газовых вакуолей, размер р-РНК, азотфиксация). Наконец, архебактерии отличаются от всех остальных организмов строением клеточной стенки, типом фотосинтеза и некоторыми другими признаками. Архебактерии способны существовать в экстремальных условиях (например, в горячих источниках при температуре свыше 100 °С, в океанских глубинах при давлении 260 атм, в насыщенных солевых растворах (30 % NaCl)). Некоторые архебактерии выделяют метан, другие используют для получения энергии соединения серы.

По-видимому, архебактерии являются очень древней группой организмов; «экстремальные» возможности свидетельствуют об условиях, характерных для поверхности Земли в архейскую эру. Считается, что архебактерии наиболее близки к гипотетическим «проклеткам», породившим впоследствии всё многообразие жизни на Земле.

В последнее время стало ясно, что существуют три основных типа р-РНК, представленные, соответственно, первая – в клетках эукариот, вторая – в клетках настоящих бактерий, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот, третья – у архебактерий. Исследования молекулярной генетики заставили по-новому взглянуть на теорию происхождения эукариот. В настоящее время считается, что на древней Земле одновременно эволюционировали три различные ветви прокариот – архебактерии, эубактерии и уркариоты, характеризовавшиеся разным строением и различными способами получения энергии. Уркариоты, являвшиеся, по сути, ядерно-цитоплазматическим компонентом эукариот, впоследствии включили в себя в качестве симбионтов представителей различных групп эубактерий, которые превратились в митохондрии и хлоропласты будущих клеток эукариот.

Таким образом, ранг класса, выделявшийся ранее для архебактерий, явно недостаточен. В настоящее время многие исследователи склонны разделять прокариот на два царства: архебактерии и настоящие бактерии (эубактерии) или даже вовсе выделять архебактерии в отдельное надцарство Archaea.

Классификация настоящих бактерий приведена на схеме.

В бактериальной клетке отсутствует ядро, хромосомы свободно располагаются в цитоплазме. Кроме того, в клетке бактерии отсутствуют мембранные органоиды: митохондрии, ЭПС, аппарат Гольджи и пр. Снаружи клеточная мембрана покрыта клеточной стенкой.

Большинство бактерий передвигаются пассивно, с помощью водных или воздушных течений. Только некоторые из них имеют органеллы движения – жгутики. Жгутики прокариот очень просты по устройству и состоят из белка флагеллина, образующего полый цилиндр диаметром 10–20 нм. Они ввинчиваются в среду, продвигая клетку вперёд. По-видимому, это единственная известная в природе структура, использующая принцип колеса.

По своей форме бактерии делятся на несколько групп:

  • кокки (имеют округлую форму);

  • бациллы (имеют палочковидную форму);

  • спириллы (имеют форму спирали);

  • вибрионы (имеют форму запятой).

По способу питания бактерии делятся на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы. К автотрофам, не нуждающимся в веществах, произведённых другими организмами, относятся фотосинтетики (например, пурпурные бактерии и сине-зелёные водоросли) и хемосинтетики (железобактерии, серобактерии, азотные бактерии). Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) расщепляют воду на водород, используемый для синтеза углеводов, и кислород. По-видимому, именно эти организмы в свое время наполнили атмосферу Земли кислородом. К гетеротрофам относятся паразиты (возбудители гонореи, менингита и пр.) и сапрофиты (например, бактерии гниения или брожения).

Прокариоты функции

1

Рисунок 1.2.2.1.

Различные формы бактерий. Слева бациллы, по центру – стрептококки, справа – спириллы

По способу дыхания бактерии делятся на аэробов (большинство бактерий) и анаэробов (возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены). Первым для дыхания нужен кислород, для вторых кислород бесполезен или даже ядовит.

Прокариоты функции

2

Рисунок 1.2.2.2.

Сине-зелёные водоросли. Отдельные организмы-клетки срастаются в нити

Бактерии размножаются путем деления примерно каждые 20 минут (в благоприятных условиях). ДНК реплицируется, каждая дочерняя клетка получает по своей копии родительской ДНК. Возможна также передача ДНК между неделящимися клетками (посредством захвата «голой» ДНК, при помощи бактериофагов или путём конъюгации, когда бактерии соединяются между собой копуляционными фимбриями), однако увеличения количества особей при этом не происходит. Размножению препятствуют солнечные лучи и продукты их собственной жизнедеятельности.

Поведение бактерий не отличается особой сложностью. Химические рецепторы регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ: сахаров, аминокислот, кислорода. Многие бактерии реагируют на изменения температуры или освещенности, некоторые бактерии могут чувствовать магнитное поле Земли.

При неблагоприятных условиях бактерия покрывается плотной оболочкой, цитоплазма обезвоживается, жизнедеятельность почти прекращается. В таком состоянии споры бактерии могут часами находиться в глубоком вакууме, переносить температуру от –240 °С до +100 °С.

Источник: StudFiles.net

Прокариотические клетки по своему строению мельче и проще клеток эукариот. Среди них не бывает многоклеточных организмов, лишь иногда образуют подобие колоний. У прокариот нет ни только клеточного ядра, но и всех мембранных органелл (митохондрий, хлоропластов, ЭПС, комплекса Гольджи, центриолей и др.).

К прокариотам относятся бактерии, синезеленые водоросли (цианобактерии), археи и др. Прокариоты были первыми живыми организмами на Земле.

Строение прокариотической клетки

Функции мембранных структур выполняют выросты (впячивания) клеточной мембраны во внутрь цитоплазмы. Они бывают трубчатыми, пластинчатыми, иной формы. Ряд из них называют мезосомами. Фотосинтезирующие пигменты, дыхательные и другие ферменты располагаются на таких различных образованиях и таким образом выполняют свои функции.

У прокариот в центральной части клетки находится только одна большая хромосома (нуклеоид), которая имеет кольцевое строение. В ее состав входит ДНК. Вместо белков, придающих форму хромосоме как у эукариот, здесь находится РНК. Хромосома не отделена от цитоплазмы мембранной оболочкой, поэтому говорят, что прокариоты — безъядерные организмы. Однако в одном месте хромосома прикреплена к клеточной мембране.

Кроме нуклеоида в строении прокариотических клеток отмечается наличие плазмид (малых хромосом также кольцевой структуры).

В отличие от эукариот цитоплазма прокариот неподвижна.

У прокариот есть рибосомы, однако они мельче рибосом эукариот.

Прокариотические клетки отличаются сложным строением своих оболочек. Кроме цитоплазматической мембраны (плазмалеммы), у них есть клеточная стенка, а также капсула и другие образования, в зависимости от типа прокариотического организма. Клеточная стенка выполняет опорную функцию и препятствует проникновению вредных веществ. В состав клеточной стенки бактерий входит муреин (гликопептид).

На поверхности прокариот часто имеются жгутики (один или множество) и различные ворсинки. С помощью жгутиков клетки перемещаются в жидкой среде. Ворсинки выполняют разные функции (обеспечивают несмачиваемость, прикрепление, переносят вещества, участвуют в половом процессе, образуя конъюгационный мостик).

Прокариотические клетки делятся бинарным делением. У них нет митоза и мейоза. Перед делением нуклеоид удваивается.

Прокариоты часто образуют споры, которые являются способом переживания неблагоприятных условий. Споры ряда бактерий сохраняют жизнеспособность при высокой и крайне низкой температурах. При образовании споры прокариотическая клетка покрывается толстой плотной оболочкой. Ее внутреннее строение несколько изменяется.

Источник: scienceland.info

 

Прокариоты.Все прокариоты объединены в надцарство Прокариоты, царство Дробянки в котором выделяют три подцарства – архебактерии, эубактерии (настоящие бактерии) и цианобактерии (синезеленые водоросли).

Прокариоты – одноклеточные и колониальные организмы, среди цианобактерий встречаются и многоклеточные (нитчатые) организмы. В клетках отсутствует ядро, генетическая информация прокариот представлена голой (без белков) кольцевой молекулой ДНК. Это самые древние и примитивные организмы на Земле. Распространены повсеместно: в воде, почве, воздухе, живых организмах. Они обнаруживаются как в самых глубоких океанических впадинах, так и на высочайшей горной вершине Земли – Эвересте, как во льдах Арктики и Антарктиды, так и в горячих источниках (с температурой воды более 90ºС). В почве они проникают на глубину 4 и более км, споры бактерий в атмосфере встречаются на высоте до 20 км, гидросфера вообще не имеет границ обитания этих организмов.

Бактерии способны поселяться практически на любом как органическом, так и неорганическом субстрате.

Несмотря на простоту строения, они обладают высокой степенью приспособленности к самым разнообразным условиям среды. Это возможно благодаря способности бактерий к быстрой смене поколений. При резкой смене условий существования среди бактерий быстро появляются мутантные формы, способные существовать в новых условиях среды.

 

Строение бактериальной клетки. Размеры – от 1 до 10 мкм. Форма бактериальной клетки может быть самой разнообразной. Шаровидные бактерии по расположению клеток после деления подразделяют на несколько форм: монококки – одиночные; диплококки – образуют пары; тетракокки – образуют тетрады; стрептококки – делятся в одной плоскости, образуют цепочки; стафилококки – делятся в разных плоскостях, образуют скопления, напоминающие грозди винограда; сарцины образуют пакеты по 8 особей.

 
 
Прокариоты функции Рис. Форма бактерий: 1,2 – бациллы; 3 – монококки; 4 – диплококки; 5 – стрептококки; 6 – стафилококки; 7 – сарцины; 8 – вибрионы; 9 – спириллы и спирохеты; 10 – стебельковые бактерии; 11 – тороиды; 12 – звездообразные бактерии; 13 – шестиугольные бактерии; 14 – многоклеточная бактерия.

 

 

Вытянутые, палочковидные бактерии называются бациллами. Извитые, в виде запятой – вибрионы, имеющие до 6 витков – спириллы, спирохеты – длинные и тонкие извитые формы с числом витков от 6 до 15. Помимо основных, в природе встречаются и другие, весьма разнообразные, формы бактериальных клеток.

Строение.Бактериальная клетка ограничена оболочкой. Внутренний слой оболочки представлен цитоплазматической мембраной, над мембраной находится клеточная стенка, над клеточной стенкой у многих бактерий – слизистая капсула. Строение и функции цитоплазматической мембраны не отличаются от таковых мембран эукариотической клетки. Мембрана может образовывать складки, называемые мезосомами.

Мезосомы могут иметь разную форму (мешковидые, трубчатые, пластинчатые и др.). На поверхности мезосом располагаются ферменты. Мезосомы с фотосинтетическими пигментами называют хлоросомами. Клеточная стенка – толстая, плотная, жесткая, состоит из муреина (главный компонент) и других органических веществ. Муреин представляет собой правильную сеть из параллельных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими белковыми цепочками. В зависимости от особенностей строения клеточной стенки бактерии подразделяются на грамположительные (окрашиваются по Граму) и грамотрицательные (не окрашиваются). У грамотрицательных бактерий стенка устроена сложнее и над муреиновым слоем снаружи имеется еще одна мембрана.

Прокариоты функции Рис. . Строение бактериальной клетки 1 – базальное тельце; 2 – жгутик; 3 – слизистая капсула; 4 – клеточная стенка; 5 – цитоплазматическая мембрана; 6 – мезосома; 7 – фимбрии; 8 – мембранные структуры (ламеллы, хлоросомы); 9 – нуклеоид; 10 – рибосомы; 11 – цитоплазма.

Внутреннее пространство заполнено цитоплазмой. Генетический материал представлен кольцевыми молекулами ДНК. Эти ДНК можно условно разделить на «хромосомные» и плазмидные. «Хромосомная» ДНК – одна, прикреплена к мембране, содержит несколько тысяч генов, в отличие от хромосомных ДНК эукариот она не линейная, а кольцевая и не связана с белками, «голая». В отличие от большинства растений и животных набор генов у прокариот – гаплоидный. Зона, в которой расположена эта ДНК называется нуклеоидом.

Плазмиды – внехромосомные генетические элементы, представляют собой небольшие кольцевые ДНК, не связанны с белками, не прикреплены к мембране, содержат небольшое число генов. Количество плазмид может быть различным.

Наиболее изучены плазмиды, несущие информацию об устойчивости к лекарственным препаратам (R-факторы) и принимающие участие в половом процессе (F-факторы). Плазмида, способная объединяться с хромосомой, называется эписомой.

Прокариоты функции

В бактериальной клетке отсутствуют все мембранные органоиды, характерные для эукариотической клетки (митохондрии, пластиды, ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы). В цитоплазме бактерий находятся рибосомы 70S-типа, включения, могут быть газовые вакуоли. Как правило, рибосомы собраны в полисомы. Каждая рибосома состоит из малой (30S) и большой субъединиц (50S). Включения могут быть представлены глыбками крахмала, гликогена, волютина, липидными каплями.

У многих бактерий имеются жгутики и пили (фимбрии). Жгутики не ограничены мембраной, это микротрубочки, состоящие из сферических субъединиц белка флагеллина.

Эти субъединицы расположены по спирали и образуют полый цилиндр диаметром 10-20 нм. Количество и расположение жгутиков может быть различным. Пили – прямые нитевидные структуры на поверхности бактерий. Они тоньше и короче жгутиков. Представляют собой короткие полые цилиндры из белка пилина. Пили служат для прикрепления бактерий к субстрату и друг к другу. Во время конъюгации образуются особые F-пили, по которым осуществляется передача генетического материала от одной бактериальной клетки к другой.

Питание бактерий. Вместе с пищей бактерии, как и другие организмы, получают энергию для процессов жизнедеятельности и строительный материал для синтеза клеточных структур. По способу питания бактерии делятся на гетеротрофов и автотрофов. Гетеротрофы могут быть сапротрофами, то есть питаться мертвым органическом веществом; паразитами, то есть потреблять органическое вещество живых организмов и симбионтами, живущими и питающимися совместно с другими организмами (кишечная палочка, клубеньковые бактерии).

Другая группа, автотрофы, способна синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают: фотоавтотрофов, синтезирующих органические вещества за счет энергии света, и хемоавтотрофов, синтезирующих органические вещества за счет химической энергии окисления неорганических веществ: серы, сероводорода, аммиака. К ним относятся, например, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородные бактерии.

Одна группа фотоавтотрофных бактерий (зеленые и пурпурные) имеют фотосистему-1 и при фотосинтезе не выделяют кислород, донор водорода – Н2S:

6СО2 + 12Н2S + энергия → С6Н12О6 + 12S + 6Н2О

Необходимую для фотосинтеза энергию они получают с помощью пигментов бактериохлорофиллов, близких к хлорофиллу а. Бактериохлорофиллы поглощают свет в более длинноволновой части спектра, в том числе и в инфракрасной. Эта способность поглощать световые лучи с длиной 800-1100 нм позволяет этим бактериям жить при отсутствии видимого света, используя инфракрасные, тепловые лучи.

У цианобактерий (синезеленых) появилась еще и фотосистема-2 и при фотосинтезе кислород выделяется, донором водорода для синтеза органики является Н2О:

6СО2 + 12Н2О + энергия → С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Важнейшая группа хемосинтетиковнитрифицирующие бактерии, способные окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков, сначала до азотистой, а затем до азотной кислоты:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + энергия

2НNО2 + O2 = 2HNO3 + энергия

Азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, образует нитраты, которые хорошо усваиваются растениями.

Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу:

2S + О2 = 2Н2О + 2S + энергия

При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее окисление серы до серной кислоты:

2S + 3О2 + 2Н2О = 2Н2SО4 + энергия

Железобактерии окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO3 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + энергия

Водородные бактерии используют энергию, выделяющуюся при окислении молекулярного водорода:

2 + О2 = 2Н2О + энергия

Спорообразование у бактерий – способ переживания неблагоприятных условий. Споры формируются обычно по одной внутри «материнской клетки» и называются эндоспорами. Споры обладают высокой устойчивостью к радиации, экстремальным температурам, высушиванию и другим факторам, вызывающим гибель вегетативных клеток. При этом клетка обезвоживается, нуклеоид сосредотачивается в спорогенной зоне. Образуются защитные оболочки, предохраняющие споры бактерий от действия неблагоприятных условий (споры многих бактерий выдерживают нагревание до 130˚С, сохраняют жизнеспособность десятки лет). При наступлении благоприятных условий спора прорастает, и образуется вегетативная клетка.

Размножение. Бактерии размножаются только бесполым способом – делением «материнской клетки» надвое или почкованием. Перед делением происходит репликация ДНК, некоторые бактерии при благоприятных условиях способны делиться каждые 20 минут.

У бактерий никогда не образуются гаметы, не происходит слияние содержимого клеток, а имеет место генетическая рекомбинация, при которой происходит передача ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Это можно представить в виде следующей схемы: Донор имеет гены а б в г д е ж з, реципиент А Б В Г Д Е Ж З, рекомбинант – А Б в г д Е Ж З. Различают три способа передачи ДНК, рекомбинации: конъюгация, трансформация, трансдукция.

Конъюгация – однонаправленный перенос F-плазмиды от клетки-донора, которая называется F+-бактерия в клетку-реципиент (F-бактерию). Клетка-донор (F+) образует F-пилю, ее образование контролируется особой плазмидой – F-плазмидой. Во время конъюгации ДНК передается только в одном направлении (от донора к реципиенту), обратной передачи нет. Обычно при конъюгации передается только одна цепь нуклеотидов F-плазмиды ДНК-донора, комплементарная цепь достраивается в клетке реципиента.

Трансформация – однонаправленный перенос фрагментов ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту, не контактирующих друг с другом. При этом клетка-донор или «выделяет» из себя небольшой фрагмент ДНК, или ДНК попадает в окружающую среду после гибели этой клетки. В любом случае ДНК активно поглощается клеткой-реципиентом и встраивается в собственную «хромосому».

Трансдукция – перенос фрагмента ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту с помощью бактериофагов.

Прокариоты функции   Рис. . Генетическая рекомбинация прокариот

 

В подцарстве Архебактерии – около 40 видов наиболее древних прокариотических организмов. Они отличаются от эубактерий рядом признаков. Хромосома архебактерий имеет мозаичное строение (как и у эукариот): ДНК состоит из экзонов (кодирующие участки) и интронов (некодирующие участки), а хромосома эубактерий интронов не имеет. Последовательность нуклеотидов рРНК и тРНК резко отличается как от эубактерий, так и от эукариот. Клеточная мембрана не содержит жирных кислот, образована эфирами глицерина с полимерами изопрена, а в клеточной стенке вместо муреина кислые полисахариды.

Среди архебактерий есть термоацидофилы – любители тепла и кислоты, они обитают в вулканических источниках с температурой 90ºС и более и способны окислять сероводород и серу до серной кислоты. Есть метаногеныоблигатные (строгие) анаэробы, обитающие в болотах, в желудках жвачных животных и образующие метан (СН4) из водорода (Н2), образующегося при брожении и углекислого газа (СО2). С помощью метанобактерий из отходов получают биогаз. Среди архебактерий есть и фотосинтетики – галобактерии, обитающие в чрезвычайно соленых водах и придающие им пурпурно-красный цвет. Фотосинтетический пигмент у них не хлорофилл, а родопсин.

В подцарство Цианобактерии (Оксифотобактерии) объединены фотосинтетические прокариоты, способные при фотосинтезе выделять кислород, т.е. с фотосистемой-2. Основной фотосинтетический пигмент – хлорофилл а, вспомогательные – синие фикоцианины, красные – фикоэритрины, оранжево-желтые каротиноиды и др., всего около 30 вспомогательных пигментов. Запасной углевод близок к гликогену животных. Снаружи клеточной мембраны находится клеточная стенка из пектина (а не клетчатки, как у растений), за клеточной стенкой находится вторая мембрана и слизистый чехол. Слизь может окрашиваться в самые различные яркие цвета – золотистый, красный, зеленый, коричневый, синий.

Прокариоты функции   Рис. . Цианобактерии 1 – носток; 2 – анабена; 3 – осциллятория; 4 – лингбия

Есть одноклеточные, колониальные и многоклеточные формы. У ностока нити склеиваются, образуя колонии размером со сливу. Клетки в нитях (трихомах) соединены плазмодесмами, у некоторых видов в нитях встречаются крупные неокрашенные клетки – гетероцисты, в которых происходит фиксация азота. Остатки древних цианобактерий, существовавших более 3 млрд. лет назад, найдены в строматолитах – конусообразных или колоннообразных образованиях, в которых обширные колонии цианобактерий пропитывались и укреплялись солями кальция. Современные строматолиты образуются в мелководных водоемах в районах с жарким и сухим климатом.

Способны образовывать споры и таким образом переносить неблагоприятные условия. Жгутиковые стадии у цианобактерий отсутствуют.

Благодаря слизистым чехлам, которые эффективно поглощают и удерживают влагу цианеи могут обитать в пустынях, первыми поселяются на скалах – они были первыми поселенцами, заселившими скалы вулкана Кракатау и возникшего вулканического острова Сурцей вблизи Ирландии. Утром и ночью они впитывают росу и воздушную влагу и активно растут, когда становится жарко – высыхают, превращаясь в сухие корочки. Цианеи способны фиксировать атмосферный азот, превращая его в аммиак, а соединения аммиака включаются затем в органические соединения. В Красном море цианобактерия триходесмиум фиксирует 1/4 поглощаемого морем азота. Периодически триходесмиума становится так много, что вода в море становится красной.

Но цианеи могут питаться и как гетеротрофы, поглощая из воды органические вещества, поэтому в загрязненных органикой водах цианобактерии активно размножаются, используя практически весь кислород, а продукты их жизнедеятельности и разложения отравляют обитателей водоема.

Значение бактерий.Бактерии играют огромное значение и в биосфере, и в жизни человека. Бактерии принимают участие во многих биологических процессах, особенно в круговороте веществ в природе. Гнилостные бактерии разрушают азотсодержащие органические соединения неживых организмов, превращая их в перегной. Минерализующие бактерии разлагают сложные органические соединения перегноя до простых неорганических веществ, делая их доступными для растений.

Многие бактерии могут фиксировать атмосферный азот. Причем, азотобактер, свободноживущий в почве, фиксирует азот независимо от растений, а клубеньковые бактерии проявляют свою активность только в симбиозе с корнями высших растений (преимущественно бобовых), благодаря этим бактериям почва обогащается азотом и повышается урожайность растений. Фиксируют атмосферный азот и цианобактерии.

Симбиотические бактерии кишечника животных (прежде всего, травоядных) и человека обеспечивают усвоение клетчатки.

Бактерии являются не только редуцентами, но и продуцентами (создателями) органического вещества, которое может быть использовано другими организмами. Соединения, образующиеся в результате деятельности бактерий одного типа, могут служить источником энергии для бактерий другого типа.

Помимо углекислого газа, при разложении органического вещества в атмосферу попадают и другие газы: H2, H2S, CH4 и др. Таким образом, бактерии регулируют газовый состав атмосферы.

Некоторые вещества, образующиеся в процессе жизнедеятельности бактерий, важны и для человека. Деятельность бактерий используется для получения молочнокислых продуктов, для квашения капусты, силосования кормов; для получения органических кислот, спиртов, ацетона, ферментативных препаратов; в настоящее время бактерии активно используются в качестве продуцентов многих биологически активных веществ (антибиотиков, аминокислот, витаминов и др.), используемых в медицине, ветеринарии и животноводстве.

Благодаря методам генной инженерии, с помощью бактерий получают такие необходимые вещества, как человеческий инсулин, гормон роста, интерферон.

Отрицательную роль играют патогенные бактерии, вызывающие заболевания растений, животных, многие бактерии вызывают порчу продуктов, выделяя при этом токсичные вещества. Многие бактерии паразитируют и в организме человека. Дыхательные пути и легкие поражают возбудители дифтерии, туберкулеза, коклюша. В пищеварительной системе паразитируют возбудители холеры, бациллярной дизентерии, сальмонеллеза, брюшного тифа, заражение пероральное. Половую систему поражают возбудители гонореи, сифилиса, заражение при половых контактах. В кровеносной системе локализуются возбудители тифа (возбудителей заражения переносят блохи и вши) и столбняка, возбудители которого попадают в кровь при ранениях.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Двумембранные органоиды. Митохондрии. | Вирусы. Описание. Характеристика

Источник: poznayka.org