МІКРОБІОЛОГІЯ

ЛЕКЦІЯ 4

Функціональна анатомія

клітин мікроорганізмів

​

1

2

Шкала відносних розмірів макро- і мікроорганізмів

Мікроорганізми це велика збірна група як правило одноклітинних організмів, які об'єднані за мікроскопічними розмірами (рис. 3.1). Однак ця ознака варіює у широкому діапазоні (табл. 3.1). Розміри клітин більшості прокаріотів знаходяться в межах 0,1-10,0 мкм. Однак серед них є «карлики» (мікоплазми, нанобактерії приблизно 0,05 — 0,10 мкм) та «гіганти» (Achromatium, Macromonas довжиною до 100 мкм). Найбільшими з виділених до цього часу прокаріотів є клітини Epulopiscium fishelsoni, що мешкають в кишечнику глибоководної риби-хірурга. Вони довжиною до 600 мкм та діаметром до 100 мкм, а Тiomargarita namibiensis, знайдені в прибережних водах Чилі та Намібії, діаметром 400—600 мкм. У той же час необхідно відзначити, що морська водорость Nanochlorum eukariotum, незважаючи на дуже малі розміри (1,0 – 2,0 мкм) має справжнє ядро, хлоропласти та мітохондрії. Отже, можна дійти висновку, що розміри відомих прокаріотичних мікроорганізмів перебувають у межах від 0,05 до 600 мкм.

3

4

Морфологія клітини прокаріот

Поруч із кожним малюнком є фазово-контрастна мікрофотографія клітин, що демонструє цю морфологію

5

Основні відмінності між про- та еукаріотичними мікроорганізмами

Вчення про два морфотипи, еукаріотичний і прокаріотичний, виходить в першу чергу з того, чи в клітині є морфологічно оформлене ядро. Однак ядро не є єдиною ознакою, за якою прокаріоти та еукаріоти відрізняються один від одного. Основна відмінність цих двох типів клітин полягає у поділі клітин еукаріот ендомембранами на комірки, названі компартментами, що мають спеціалізовані функції і називаються органелами.

6

Основна відмінність цих двох типів клітин полягає у поділі клітин еукаріот ендомембранами на комірки, названі компартментами, що мають спеціалізовані функції і називаються органелами. Крім ядра у клітинах еукаріот є лізосоми, вакуолі, апарат Гольджі, ендоплазматичний ретикулюм, мікротрубочки, мікрофіламенти. У клітинах еукаріот також є мітохондрії та протопласти, які насправді є ендосимбіонтними прокаріотами. Головною з органел є ядро (хромосома чи хромосоми оточені подвійною мембраною) на відміну від прокаріотичної клітини, у якої ядерний апарат розташований дифузно в цитоплазмі. У ДНК прокаріот на відміну від еукаріот рідко зустрічаються інтрони (ділянки ДНК, які є частиною гену, але на відміну від екзонів, вони не кодують послідовність амінокислот білка) та практично відсутні позахромосомні ДНК – плазміди.

Ендомембранні структури рідко зустрічаються у прокаріот і пов’язані з ЦПМ. Крім того, рибосоми у еукаріот більші за розміром (80S) від прокаріот (70S). У прокаріот відсутні також процеси поділу клітин шляхом мітозу та мейозу. Необхідно відзначити, що в структурно-функціональному відношенні прокаріоти не простіші за еукаріоти, вони «інші».

​

�БУДОВА ПРОКАРІОТИЧНОЇ КЛІТИНИ�

7

Мозаїчна модель структури клітинної мембрани бактерій

Клітинна мембрана це саме той обов’язковий структурний елемент, який власне фізично відділяє цитоплазму з її компонентами від навколишнього середовища, визначає межі і функціонально забезпечує існування клітини.

Головним ліпідним компонентом мембрани є фосфоліпіди. Білкова фракція цитоплазматичної мембрани представлена білками, що мають ферментативну активність. Так, у клітинній мембрані бактерій Escherichia coli міститься близько 120 різних білків.

Мембрани прокаріотів на відміну від еукаріотів багатші на білки, містять незвичайні жирні кислоти і, в основному, не мають стеринів. Загалом клітинна мембрана прокаріотів як і еукаріотів побудована за рідинно-мозаїчною моделлю. За своєю структурою мембрана – це подвійний шар ліпідів.

8

Клітинна мембрана виконує низку життєво необхідних для клітин мікроорганізмів функцій. Вона забезпечує транспорт необхідних речовин усередину клітини та вихід продуктів метаболізму назовні за рахунок спеціалізованих транспортних систем та ферментів пермеаз, які локалізуються в мембрані, і таким чином регулюються потоки поживних речовин і метаболітів. У подвійний шар ліпідів вбудовано активні білкові молекули. До них відносяться НАД·Н₂-дегідрогенази, елементи електронтранспортної системи (цитохром b, залізосірчані білки та ін.), які формують градієнт протонів з двох боків ЦПМ, білки АТФазного комплексу, що утворюють канал, через який по градієнту здійснюється переміщення протонів, за рахунок чого синтезується АТФ, білки базального тіла джгутика, які енергетично забезпечують його обертання за рахунок переміщення протонів. бактеріальної пов'язана з синтезом компонентів клітинної стінки і капсули.

Структура цитоплазматичної мембрани, яка містить білки

Внутрішня поверхня (In) звернена до цитоплазми, а зовнішня поверхня (Out) звернена до навколишнього середовища. Фосфоліпіди складають матрикс клітинної мембрани з білками, вбудованими або поверхнево пов’язаними. Загальна структура клітинної мембрани подібна як у прокаріотичних, так і в еукаріотичних клітинах, хоча можуть існувати відмінності в складі між різними видами.

9

Клітини деяких прокаріотів, що належать до різних таксономічних груп, мають мембрани, які утворюються при вп'ячуванні бактеріальної в цитоплазму (так звані мезосоми) та іноді можуть відділятися від неї. Деякі прокаріоти мають внутрішні мембранні системи, відмінні від мезосом. Розвинена мережа внутрішньоцитоплазматичних мембран характерна для фототрофних прокаріотів, нітрифікуючих та метанокиснюючих бактерій. У нітрифікуючих бактерій Nitrobacter, Nitrosomonas і Nitrosococcus є стоси ламел (рис. 3.5), що складаються з паралельно розташованих плоских бульбашок. Особливо багаті на внутрішньоклітинні мембрани фототрофні пурпурові бактерії. Фотосинтетичні внутрішні мембранні системи мають вигляд трубок, бульбашок або стопок. Фотосинтетичні мембрани подібні до будови та хімічного складу ЦПМ, але, крім того, містять пігменти, що поглинають світло (бактеріохлорофіли та каротиноїди), а також компоненти фотосинтетичного електронтранспортного ланцюга (цитохроми, убіхінон) та фосфорилювальної системи. Деякі клітини утворюють газові вакуолі (аеросоми), оточені білковою мембраною та виконують у водних організмів роль регуляторів плавучості.

Внутрішні мембранні структури часто пов'язані з клітинною мембраною і виникають з неї шляхом інвагінації. Вони більш збагачені білками та іншими молекулами, що беруть участь в енергогенерації. Внутрішні мембрани за рахунок більшої площі поверхні забезпечують клітині більшу метаболічну активність.

Стос внутрішньоклітинних мембран нітрифікуючої бактерії Nitrosococcus oceani

10

​

Основні ліпіди архей та будова мембран архей. (a, b) Археї можуть складатися з ліпідних подвійних шарів фосфогліцеринових діефірних ліпідів. Гідрофобні частини ліпідів архей складаються з ізопреноїдних ланцюгів, синтезованих із повторюваних одиниць ізопрену (в пунктирних червоних овалах); це контрастує з ліпідами бактерій і еукарій, які мають ланцюги жирних кислот (рис. 2.1). Примітка що ці ізопреноїди зв’язані з гліцерином ефірним зв’язком (у пунктирній червоній рамці). (b, c) Деякі археї також можуть мати ліпідні моношари, що складаються з дифосфогліцеринових тетраефірних ліпідів або інших ізопреноїдних ліпідів, таких як кренархеол. Ізопреноїдні ліпіди в b є фітаніл (C20), біфітаніл (C40) і кренархеол. Ізопренові ліпіди часто можуть містити 5- та 6-вуглецеві кільця, такі як присутні в кренархеол. Мембранна структура архей може утворювати ліпідний подвійний або ліпідний моношар (або суміш обох).

Мембрани архей Клітинна мембрана архей за будовою подібна до бактерій і еукарій, але хімічний склад у неї дещо інший. У ліпідах бактерій і еукарій гідрофобні жирнокислотні хвости зв'язані з гліцерином складноефірними зв'язками, а ліпіди архей мають гідрофобні ізопреноїдні (а не жирнокислотні) хвости, які зв’язані з гліцерином ефірними зв’язками.

Незважаючи на відмінності в хімічному складі між клітинними мембранами архей і інших організмів, фундаментальна конструкція їх однакова у всіх клітин. Очевидно, еволюція вибрала цю фундаментальну конструкцію як найкращу для вирішення основних функцій клітинної мембрани.

11

КЛІТИННА СТІНКА

У цитоплазмі прокаріотів зберігається висока концентрація розчинених речовин, що створює в клітині значний осмотичний тиск — біля 2 атм. Цього осмотичного тиску достатньо, щоб клітинна мембрана лопнула і клітина загинула. Клітини більшості бактерій і архей витримують цей тиск тургору завдяки клітинній стінці, яка розташована зовні цитоплазматичної мембрани. Окрім захисту від осмотичного лізису, клітинні стінки також визначають форму та жорсткість клітини. Прокаріоти за будовою клітинної стінки розділені на чотири основні групи: Gracilicutes - бактерії з грамнегативною клітинною стінкою; Firmicutes – бактерії з грампозитивною клітинною стінкою; Tenericutes - бактерії, позбавлені клітинних стінок; Mendosicutes – археї, клітинні стінки яких відрізняються від відповідних структур бактерій.

12

КЛІТИННА СТІНКА БАКТЕРІЙ. (а, б) Схематичні діаграми оболонок грампозитивних і грамнегативних клітин. На фотографії бактерій, забарвлених за Грамом, у центрі показані клітини Staphylococcus aureus (фіолетовий, грампозитивний) і Escherichia coli (рожевий, грамнегативний). (c, d) Електронні мікрофотографії демонструють клітинні стінки грампозитивної бактерії та грамнегативної бактерії. (e, f) Скануючі електронні мікрофотографії грампозитивної та грамнегативної бактерії. Зверніть увагу на відмінності в текстурі поверхні. Кожна клітина має ширину близько 1 мкм.

Структурна одиниця пептидоглікану, глікановий тетрапептид. Наведена структурна одиниця пептидоглікану Escherichia coli та більшості інших грамнегативних бактерій. Вона складається з двох модифікованих залишків глюкози, що називаються N-ацетилглюкозамін і N-ацетилмурамова кислота, з’єднані β-1,4 зв’язком. Вільні аміно- та карбоксильні групи можуть утворювати перехресні пептидні зв’язки між сусідніми паралельними ланцюгами пептидоглікану. Наприклад, перехресні зв’язки в E. coli найчастіше виникають між аміногрупою диамінопімелінової кислоти на одному пептиді та кінцевою карбоксильною групою D-аланіну на іншому пептиді. �

13

ГЛІКАНОВИЙ ТЕТРАПЕПТИД

14

Структура пептидоглікану в клітинній стінці. (а) Грамнегативні клітини, які мають тонкі клітинні стінки, такі як клітинна стінка E. coli, переважно мають прямі поперечні зв’язки між бічними ланцюгами пептидів. (b) Грампозитивні клітини з товстими клітинними стінками, наприклад як S. aureus, також може мати пептидні містки між ланцюгами пептидогліканів. (c) Конформація пептидоглікану в грамнегативній клітиній стінці.

G - N-ацетилглюкозамін; М - N-ацетилмурамова кислота.

15

16

Будова бактеріального ліпополісахариду. КДО - кетодезоксиоктонат; Геп - гептоза; Глю - глюкоза; Гал - галактоза; НАГК -  N-ацетилглютамова кислота; ГлюА - глюкозамін; Ф - фосфат. Глюкозамін і жирні кислоти ліпіду А пов’язані через амінні групи глюкозаміну.

17

S-шари. (a) S-шар (SL), зовнішня мембрана (OM), пептидоглікан клітинної стінки (CW) і цитоплазматична мембрану (CM) на електронній томографії клітини Caulobacter crescentus, стебельчастої бактерії в розрізі, яка має грамнегативну клітинну стінку та зовнішній S-шар. (b) електронна мікрофотографія фрагменту S-шару, видаленого з бактерії Aquaspirillum, яка демонструє паракристалічну природу та гексагональну симетрію, спільні для S-шарів

МІКОПЛАЗМИ –�бактерії без клітинної стінки

18

19

Нуклеоїди (а) і хромосома (б) Escherichia coli

а

б

ЯДЕРНИЙ АПАРАТ БАКТЕРІЙ (НУКЛЕОЇД)

20

Капсули бактерій. а - Bacillus sp., б - Azotobacter sp.,

в -Rhodobacter capsulatus

​

Капсули, слиз та чохли

21

Розташування ендоспор у клітині:

а – термінальне, б – центральне.

Будова ендоспори бактерій. а) Бактеріальна клітина Bacillus subtilis у стадії споруляції, б) Схема будови зрілої спори.

22

Схема утворення спор та будова зрілої спори. А, Б - процес відділення протопласту спори; В, Г, Д - утворення проспори; Е - зріла спора, 1 -цитоплазма; 2 - плазматична мембрана; 3 - клітинна стінка зародка; 4 – ядро спори; 5 - внутрішня оболонка спори; б - зовнішня оболонка спори; 7 - екзоспоріум. (W. G. Murell.)

23

Клітини бактерій з різними типами пілі. а – пілі (фімбрії) Еscherichia coli, що відповідають за адгезію; б – кон'югативні пілі Еscherichia coli, за допомогою яких переноситься F-плазміда; в - Асоціація бактерій Chlorochromatium aggregatum. Центральна бактерія з пілі (фімбріями), що тісно контактують з епібіонтами.

24

Рух перитрихової (a) і монотрихових бактерій (б).

Рух перитрихової (a) і монотрихових бактерій (б).

25

Будова джгутика у грамнегативних (а) і грампозитивних (б) бактерій. Кільце ЗМ вбудовано в зовнішню мембрану, кільце П – у пептидоглікан, кільце КM - в клітинну мембрану, а кільце Ц – розташоване в цитоплазмі з внутрішньої сторони клітинної мембрани.

26

Будова архаели, вбудованої в S-шар і цитоплазматичну мембрану

Будова та функція джгутика у грамнегативних бактерій. Кільце L вбудовано в ЛПС шар, кільце P – у пептидоглікан. Кільце MS вбудовується в цитоплазматичну мембрану, а кільце C знаходиться під ЦПМ в цитоплазмі. Статор (білки Mot) вмонотані в ЦПМ і пептидоглікан. Перенесення протонів через канали всередині статора змушує кільце MS обертатися, тим самим приводячи в обертання приєднаний стрижень і джгутик. Молекули флагеліну рухаються з місця синтезу на рибосомах через вузький канал у стрижні та філаменті до місця приєднання на вершині філаменту, яке прикривається «шапочкою». Білки Mot функціонують як мотор джгутиків. Джгутиковий двигун обертає філамент та рухає клітину через середовище. Фотографії: вгорі ліворуч, клітина пурпурової сіркобактерії Chromatium, що містить пучок полярних джгутиків; Вгорі праворуч, трансмісійна електронна мікрофотографія базального тіла джгутика з клітини Salmonella enterica.

27

РУХ ЗА РАХУНОК ДЖГУТИКІВ

https://youtu.be/B7PMf7bBczQ?si=KdMR2KPqGRBkuQfz

28

ХЕМОТАКСИС

29

Клітина спірохет у поздовжньому розрізі (А) та збільшене у розмірі місце прикріплення аксіальної фібрили біля полюса протоплазматичного циліндра (Б)

Рухливість по поверхні. (a) Посмикувальна рухливість; (б) Ковзальна рухливість. Клітини цих бактерій мають на поверхні спіральний трек (гвинтову доріжку), утворений білками, який огортає клітину неперервною петлею та обертається навколо неї.

ВКЛЮЧЕННЯ ЗАПАСНИХ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН

30

карбоксисоми

поліфосфати

Краплі молекулярної

сірки

Карбоксисоми Halothiobacillus neapolitanus

31

32

Магнетосоми бактерії Magnetospirillum magnetotacticum

Електронна мікрофотографія магнетосом

33

Плодові тіла міксобактерій. а. Форми типових плодових тіл міксобактерій; б. - слизові доріжки (треки), що залишили бактерії в результаті переміщення по поверхні середовища

Схема життєвого циклу міксобактерій. Цикл починається з утворення міксоспор після індукції цього процесу різними хімічними речовинами. Проростаючи, міксоспори дають початок новим вегетативним клітинам і цикл повторюється. Утворення плодових тіл запускається хімічними сигналами, що виникають при вичерпанні субстрату, та в процесі координованого морфогенезу завершується формуванням спорангіол з міксоспорами. Проростання міксоспор з спорангіолей дає початок новим вегетативним клітинам, що вступають у новий життєвий цикл.

Цисти Azotobacter

34

�Caulobacter – модель для вивчення диференціювання клітин прокаріот

35

ГЕТЕРОЦИСТИ Anabaena

36

37

БУДОВА КЛІТИН ЕУКАРІОТИЧНИХ МІКРООРГАНІЗМІВ:

Водоростей (а), грибів (дріжджі) (б), джгутикових (в), амеби (г), інфузорії (д), апікомплексних (плазмодій).

38

Клітини еукаріотичних організмів настільки різноманітні, що жодна з них не може служити типовим прикладом. Немає однакової клітини еукаріотичного мікроорганізму, який міг би містити всі структурні елементи. Органели, які виконують спеціалізовані функції, ділять еукаріотичні клітини на комірки (компартменти), що набагато ускладнює її структуру порівняно з клітиною прокаріот.

Загалом еукаріотичні мікробні клітини мають цитоплазматичну мембрану, ядро, мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі, вакуолі, цитоскелет і глікокалікс. Клітинна стінка, локомоторні придатки і хлоропласти є не в усіх еукаріотів.

Клітинна мембрана еукаріотичних клітин, як і прокаріотичних, має типову структуру з подвійним шаром фосфоліпідів, в який вбудовані білкові молекули (див. рис. 3.4). Крім фосфоліпідів еукаріотичні КМ також містять стероли різних видів, які забезпечують більшу стабільність мембранам еукаріотів. Ця функція надзвичайно важлива для клітин, що не мають клітинної стінки. Клітинні мембрани еукаріот функціонально подібні до прокаріотів, виступаючи як вибірково проникні бар'єри при транспорті. На відміну від прокаріотів, еукаріоти мають в клітині великі структури, які на 60% до 80% об’єму складаються з мембран. Білки і вуглеводи цих структур відповідають за взаємодію між клітинами, адгезію до поверхонь, секрецію продуктів всередині клітини і зв'язок між клітиною та її середовище.

​

39

БУДОВА КЛІТИН ЕУКАРІОТ

40

Мітохондрії  Toxoplasma gondii (а), гідрогеносоми Trichomonas vaginalis (б), хлоропласт діатомової водорості (в).

Мітохондрії. Уся діяльність клітини не може відбуватися без постійного постачання енергії, основна частина якої у більшості еукаріотів виробляється мітохондріями. Мітохондрія складається з гладкої суцільної зовнішньої мембрани і внутрішньої складчастої мембрани розташованої всередині зовнішньої мембрани. Складки на внутрішній мембрані (кристи), мають різну структуру у різних еукаріотичних клітин. Мітохондрії рослин, тварин і грибів є пластинчастими кристами, у водоростей і найпростіших є трубчасті, пальцеподібні виступи або сплощені диски. Мембрани крист містять ферменти та носії електронів аеробного дихання для виробництва АТФ. Простір навколо крист заповнений матрицею, що містить рибосоми, ДНК і пул ферментів та інших сполук, які беруть участь у метаболічному циклі цієї органели. Мітохондрії діляться незалежно від клітини, містять кільцеві нитки ДНК, мають розмір 70S рибосом, що свідчить про їх симбіотичне походження від прокаріотів.

.

​

41

Гідрогеносоми. Деякі еукаріотичні мікроорганізми анаеробний спосіб життя. У таких клітин відсутні мітохондрії, а замість них деякі містять структури, які називаються гідрогеносомами. Хоча гідрогеносоми подібні за розміром до мітохондрій, у них відсутні ферменти циклу трикарбогових кислот та кристи. Мікробні еукаріоти, які мають гідрогеносоми, отримують енергію в процесі ферментативних реакцій, наприклад, паразити людини трихомонади і різні протисти, що мешкають в рубці жуйних тварин або безкисневих грязей і озерних відкладень. Основною біохімічною реакцією в гідрогеносомі є окиснення пірувату до Н₂, СО₂ та ацетату з утворенням АТФ. Утворений ацетат, який гідрогеносома не здатна окиснювати, виділяється в цитоплазму клітини хазяїна. Деякі анаеробні еукаріоти містять у цитоплазмі археї, що споживають напрацьований гідрогеносомою Н₂ та виробляють метан.

Хлоропласти. Хлоропласти - органели, які містяться у водоростях і клітинах рослин, які здатні перетворювати енергію сонячного світла в АТФ за допомогою реакцій фотосинтезу. Фотосинтетична роль хлоропластів робить їх важливими первинними виробниками органічних поживних речовин, якими живляться всі інші організми (крім хемолітотрофних бактерій і архей) та кисню. Відповідно до симбіотичної теорії хлоропласти походять від ціанобактерій і багато в чому схожі на них. Є відмінності між хлоропластами різних водоростей, але більшість зазвичай складаються з двох мембран. Вони формуються з зовнішньої та внутрішньої мембран, складених в маленькі дископодібні мішечки - тилакоїди. Ці структури містять пігмент хлорофіл, а іноді й додаткові пігменти. Навколо тилакоїдів знаходиться основна речовина, яка називається стромою. Фотосинтетичні пігменти трансформують енергію квантів світла в АТФ, яка використовується в реакціях циклу Кальвіна у стромі для синтезу вуглеводів.

​

42

Будова війок і джгутиків еукаріот. (a) Поперечний розріз війки найпростіших показує типове розташування 9+2 мікротрубочок як у війках, так і в джгутиках. (б) Поздовжній розріз через війку, що показує поздовжню орієнтацію мікротрубочок і базальне тіло (б).

Джгутики еукаріотів значно відрізняються від джгутиків прокаріотів. Вони товщі (в 10 разів), мають іншу будову і вкриті потовщеною цитоплазматичною мембраною. Джгутик еукаріотів це довгий вкритий оболонкою циліндр, що містить рівномірно розташовані порожнисті трубочки — мікротрубочки (субфібрили) , які розташовані по всій його довжині. На поперечному розрізі видно дев’ять пар тісно з’єднаних мікротрубочки, що оточують одну центральну пару. Ця схема розташування 9+2 є типовим малюнком джгутиків і війок (рис. 3.24). Ця архітектура дозволяє мікротрубочкам переміщуватись, ковзаючи одна повз одну, переміщуючи джгутик назад і вперед.

43

Ендосимбіотична гіпотеза. Клітинні органели еукаріотів мають багато фундаментальних загальних рис із прокаріотичними клітинами. Вони містять кільцеві молекули ДНК, їх рибосоми відносяться до типу 70S, а мембрани містять компоненти електронтранспортного ланцюга (флавіни, хінони, Fe-S-місткі білки, цитохроми) і виконують функцію дихального чи фотосинтетичного перетворення енергії. Відповідно до симбіотичної гіпотези, мітохондрії походять від безбарвних аеробних гетеротрофних бактерій, а хлоропласти - від ціанобактерій, та якихось примітивних еукаріотичних клітин, що стали їх хазяїнами. Надалі відбулася значна спеціалізація, завдяки якій функція регенерації АТФ еукаріотичної клітини була передана клітинним органелам. Зовнішня мембрана еукаріотичної клітини не містить компонентів електронтранспортного ланцюга. З іншого боку, клітинні органели певною мірою самостійні. Вони мають власну ДНК, щоправда, значна частина інформації, необхідна для синтезу їх білків, знаходиться в ядрі.

Кінець лекції 4���Бажаю успіхів !

44