Прокаріотичні організми: археї та бактерії.

Особливості їхньої організації та функціонування

Карл Воуз (1928–2012) – американський біолог, поділив всі організми на домени Бактерії, Археї та Еукаріоти. До його досліджень живу природу поділяли на два надцарства – Прокаріоти та Еукаріоти.

Філогенетичне дерево життя, збудоване Воузом, показує значну різноманітність світу мікроорганізмів.

​

Археї (Архебактерії)

прокаріотичні одноклітинні мікроорганізми з біохімічними особливостями, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів.

Археї

Прокаріоти – це мікроскопічні клітинні організми, які не мають сформованого ядра та мембранних органел.

Наноархея і більша клітина-хазяїн археї ігнікокус

Кисломолочні бактерій

• Археї були відкриті у 1977 р. К. Воузом, який разом із своїм аспірантом Дж. Фоксом порівнював послідовності нуклеотидів у генах

16S- рРНК різних організмів.

• Одного разу вони виявили мікроорганізми, в яких нуклеотидні послідовності рРНК відрізнялися від рРНК бактерій і еукаріотів.
• Це стало однією із най важливіших наукових подій ХХ ст.
• Нова група отримала назву АРХЕЇ (від грец. археос – дуже давній) і новий таксономічний ранг – домен.

• Спочатку їх було виявлено в екстремальних середовищах, але потім було знайдено в усіх типах екосистем.
• Деякі з них живуть за дуже високих температур, часто вищих ніж 100 °C, наприклад ті, котрих знайшли в гейзерах (температура +45 ... +113 °С), інших знайдено в дуже холодних середовищах .
• Археї можуть існувати в надзвичайно солоних водах, зокрема багато з них живе в Мертвому морі та на півдні затоки Сан-Франциско, надаючи їй яскравих кольорів: від червоного до зеленого.

Археї

Архея Pyrolobus fumariі

Живуть поблизу підводних гідротермальних джерел за температури 106 °С та рН5,5, а клітина не руйнується внаслідок особливостей будови мембран.

Властивості архей, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів:

1. Геном археїв представлений:
1. дволанцюговою ДНК у нуклеоїді та кільцевими плазмідами.
2. -містить білки-гістони, унікальні інтрони, що відрізняються від еукаріотичних.
3. гени тРНК та рРНК археїв різняться між собою специфічним складом й послідовністю нуклеотидів.

2. Клітинна оболонка архей:

• не містить муреїну, в багатьох видів утворена поверхневими білками (так званий S-шар) та псевдомуреїном.
• оболонка здійснює ефективний захист, і тому археї ніколи не утворюють спор для існування за несприятливих умов, як це є у бактерій.

3. Клітинні мембрани:

- різняться структурою й хімічним складом, що визначають їхню більшу стійкість за екстремальних умов існування.

- мембрани одношарові, утворені з особливих фітанолгліцеридів, а не фосфоліпідів, як в інших клітинних організмів.

Археї

Властивості архей, що відрізняють їх від бактерій та еукаріотів:

​

4. Рухи забезпечуються джгутиками, відмінними від джгутиків бактерій: ростуть шляхом приєднання субодиниць білка флагеліну від основи, джерелом енергії для їхнього руху є АТФ тощо.

5. Розмноження нестатеве (бінарний поділ, множинний поділ, фрагментація й брунькування).

6. Живлення хемоавтотрофне й хемогетеротрофне з використанням найрізноманітніших джерел енергії: світла, органічних сполук, амоніаку, йонів металів, водню.

7. Унікальні метаболічні процеси:

• бактеріородопсиновий фотосинтез,
• метагенез.

Археї

Метаногенез, метаногенезис —процес отримання енергії у безкисневих умовах з утворенням метану.

Виробництво метану є важливою і поширеною формою мікробного метаболізму.

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

​

Бактеріородопсиновий фотосинтез відкритий у солелюбних архей-галофілів, які мають фіолетовий світлочутливий пігмент – бактеріородопсин. Галофіли існують завдяки використанню органічних сполук, вони можуть рости за наявності кисню й без нього.

Археї

За способом живлення поміж архей переважають хемосинтетики.

Археї

Гетеротрофні

метано-утворювальні археї

Екосистема «чорних курців»

«Чорні курці» –гідротермальні джерела в рифтових зонах світового океану, температура води яких понад 300°С, насичена отруйними сполуками сірки та важких металів з кислотністю 2,2–2,8 та дуже високим тиском. Основу харчового ланцюга становлять хемотрофні археї.

Археї

Представники архей (зліва на право):

1 – пірококус (Pyrococcus furiosus) – є джерелом ферментів у біотехнології;

2 – метанобревібактер (Methanobrevibacter smithii) з кишечнику людини;

3 – фероплазма (Ferroplasma acidophilum), яка проживає за рН 0;

4 – термококус, яка витримує великі дози радіації

БАКТЕРІЇ

Бактерії — прокаріотичні мікроскопічні, переважно одноклітинні, організми, для яких характерна наявність клітинної стінки, цитоплазми, різних включень, відсутність ядра, мітохондрій, пластид та інших органел.

Нині прокаріотичні

організми населяють усі середовища існування на планеті, навіть із дуже

екстремальними умовами

Кількість бактерій в 1 г ґрунту може досягати сотень мільйонів і навіть кількох мільярдів, а 1 мл води містить

від 5 до 100 тис. бактеріальних клітин.

Багато видів бактерій живе в інших організмах.

Це група одноклітинних і колоніальних організмів.

Це екстремофільний організм, що мешкає у гарячих джерелах із

високою кислотністю та умістом сполук Сульфуру.

Бактерії ґрунту. Кишкова паличка.

Середні розміри цих істот становлять від 0,1 до 10 мкм, проте є свої «гіганти» – спірохети можуть мати довжину 500 мкм і бути видимими неозброєним

оком

Найменшими вільноживучими бактеріями є мікоплазми (лише 0,12–0,15 мкм), які приблизно однакові за розміром з найбільшими вірусами.

​

Це найбільша з відкритих бактерій, яка в діаметрі має 0,75 мм.

За формою прокаріоти поділяють

Форма прокаріотів

форма прокаріотів

Кулясті прокаріоти – коки – можуть розташовуватися поодиноко (мікрококи), парами (диплококи), ланцюжками (стрептококи),

скупченням клітин у вигляді виноградного грона (стафілококи).

мікрококи

Диплококк-гонококк

стафілококи

Кулясті прокаріоти

стрептококи

Форма прокаріотів

Паличкоподібні прокаріоти поділяють на бацили і клостридії

Форма прокаріотів

Звивисті прокаріоти поділяють на:

• вібріони (у вигляді коми),
• спірили (у вигляді спіралі у 2–3 оберти)
• спірохети (у вигляді спіралі більше ніж у 3 оберти).

Холерні вібріони

спірили

Збудник сифілісу —

бліда трепонема

Форма прокаріотів

Будова прокаріотичної клітини.

Прокаріотичні клітини складаються з:

• поверхневого апарату,
• цитоплазми
• нуклеоїду

Будова прокаріотичної клітини.

Зовні клітини розташована клітинна стінка, яка забезпечує її структурну цілісність і захист. У багатьох прокаріотів клітинна стінка ззовні оточена шаром слизової речовини, який дістав назву капсули. Вона захищає клітини від висихання, механічних ушкоджень, перешкоджає проникненню вірусів, забезпечує зв’язок між сусідніми клітинами в колоніях тощо.

До структур поверхневого апарату прокаріотичної клітини також належать ворсинки (пілі) і джгутики.

Ворсинки – це невеликі порожнисті вирости клітини, які забезпечують її прикріплення до різних організмів і субстрату.

На поверхні тіла багатьох прокаріотів є джгутики – органели руху, які

забезпечують пересування клітин у просторі.

Будова прокаріотичної клітини.

Багато бактерій (спірили, холерний вібріон) здатні до самостійного руху

за допомогою джгутиків – такі організми будуть плавальними. Повзальні бактерії – ціанобактерії, сіркобактерії – можуть пересуватися твердим субстратом за допомогою білкових фібрил, які містяться в клітинній оболонці.

Холерні вібріони

Рух прокаріотичної клітини.

ціанобактерії

Обов’язковим компонентом поверхневого апарату прокаріотичної клітини є плазматична мембрана.

За хімічним складом мембрана є білково-ліпідною. У мембранах багатьох прокаріотів виявлено специфічні ліпіди, яких немає в мембранах еукаріотів.

У цитоплазмі є такі структурні елементи, як рибосоми, цитоскелет, плазміди, включення.

​

Рибосоми – це немембранні органели, які забезпечують синтез білків. За структурою рибосоми прокаріотів і еукаріотів подібні, однак рибосоми прокаріотів мають менші розміри.

Цитоскелет виконує багато функцій, здебільшого

відповідаючи за форму клітини та за внутрішньоклітинне транспортування.

У клітинах багатьох прокаріотів поряд з нуклеоїдом містяться позахромосомні кільцеві молекули ДНК, що дістали назву плазмід. З їх допомогою бактеріальні клітини здатні обмінюватися деякими генами, що має важливе значення в забезпеченні їхньої пристосованості до умов існування.

Будова прокаріотичної клітини.

За способом живлення прокаріоти поділяють

Спосіб живлення

Фототрофи або фотосинтетики

ціанобактерії

пурпурні сіркобактерії

Фототрофи або фотосинтетики

Хемотрофні бактерії – сіркобактерії, залізобактерії, нітрифікувальні бактерії, вико-

ристовують для синтезу енергію хімічних реакцій

Хемотрофні бактерії

Залізобактерії

Залізобактерії надають воді характерного

іржавого кольору.

нітрифікувальні бактерії

Паразитичні бактерії

Холерний вібріон

Vibrio cholerae

Чумна паличка

Yersinia pestis

Золотистий стафілокок

Staphylococcus aureus

Збудник виразкової

хвороби шлунку

Helicobacter pylori

Збудник туберкульозу

Mycobacterium tuberculosis

Збудник ботулізму

Clostridium botulinum

Унаслідок фотосинтезу ціанобактерій

виділяється молекулярний кисень.

Мікрофотографія ціанобактерії Носток.

​

Корінь бобової рослини з бульбочками, які утворені азотфіксувальними бактеріями –хемосинтетиками

Спосіб живлення

Азотфіксувальні бактерії здатні засвоювати

безпосередньо з атмосфери молекулярний азот, який надходить в екосистему в доступній для засвоєння рослинами формі.

Спосіб живлення

За типом дихання �прокаріоти поділяють

Аероби

використовують для дихання молекулярний кисень атмосфери

Анаероби

можуть жити без доступу атмосферного кисню

Тип дихання

Найчастіше прокаріоти розмножуються нестатевим поділом клітини навпіл (бінарний поділ) або ж множинним поділом (ціанобактерії). Цим організмам властивий високий темп розмноження. За сприятливих умов час поділу для багатьох видів коливається в межах від 15 до 30 хвилин.

У прокаріотів відсутнє статеве розмноження, проте існує статевий процес, який полягає в обміні між різними організмами

генетичною інформацією. Це відбувається під час процесу, що називають бактеріальною кон’югацією – обміну ділянками ДНК (плазмідами) через цитоплазматичні місточки між клітинами.

розмноження

Бактеріальна кон’югація – обмін ділянками ДНК (плазмідами) через цитоплазматичні місточки між клітинами.

розмноження

Несприятливі умови прокаріоти переживають за допомогою спор – клітин з пониженим метаболізмом, оточених багатошаровою оболонкою, стійких до

впливів, нищівних для звичайних клітин. Спороутворення слугує як

для переживання несприятливих умов, так і для розселення бактерій. Спори можуть витримувати високі рівні ультрафіолетового випромінювання, гамма-випромінювання, дезінфікуючих засобів, нагрівання, тиску і висушування, а в деяких випадках – можуть виживати навіть у космічному просторі.

спори

Спори Geobacillus

stearothermophilus,

утворені внаслідок

дії високих

температури і тиску,

можна бачити

міцну оболонку та

внутрішній вміст

спор.

Біологічна роль прокаріотів.

Автотрофні організми є продуцентами, утворюючи первинну органічну речовину. Проте не завжди роль фототрофних прокаріотів є позитивною, зокрема інтенсивне розмноження ціанобактерій спричинює «цвітіння» води.

Різноманітна роль гетеротрофних прокаріотів:

• Паразитичні організми спричиняють захворювання людини, тварин і рослин.
• Симбіотичні прокаріоти співіснують із грибами, рослинами чи тваринами.
• Сапротрофні прокаріоти руйнують мертву органічну речовину, перетворюючи її на неорганічні сполуки, доступні для подальшого використання автотрофами, замикаючи колообіг речовин.
• Значна різноманітність хімічних реакцій, які є основою метаболізму прокаріотів, зумовлює важливу роль їх у багатьох колообігах.
• Азотфіксувальні та нітрифікувальні бактерії є необхідними для перетворень нітрогеновмісних сполук, сіркобактерії беруть участь у перетворенні сполук Сульфуру, залізобактерії окиснюють ферумвмісні речовини.

роль прокаріотів

Використання прокаріотів людиною

Протягом тисяч років сапротрофні бактерії використовуються для виробництва харчових продуктів .

Використання прокаріотів

• Актинобактерії роду Стрептоміцес дають людині близько половини відомих науці антибіотиків.

Використання прокаріотів людиною

У зразках води й ґрунту, взятих на території заводу з переробки пластикових пляшок, було

знайдено бактерії невідомого раніше виду ідеонела (Ideonella sakaiensis). Ці бактерії для свого живлення використовують пластик, розкладаючи його на безпечні для природи компоненти всього за 6 тижнів.

• Здатність бактерій руйнувати різноманітні органічні сполуки використовують у переробці відходів, збиранні розлитої нафти.

Використання прокаріотів

• Бактерії також використовуються в біологічній боротьбі зі шкідниками.

Bacillus thuringiensis

Частіше за все для цього використовується Bacillus thuringiensis (також відома під назвою BT), грам-позитивна ґрунтова бактерія. Підвиди цієї бактерії використовуються як інсектицид, специфічний до лускокрилих, що продається зараз комерційно. Через свою специфічність ці засоби вважаються екологічно дружніми, майже без негативного ефекту на людину, дику природу, запилювачів і на інших корисних комах.

Використання прокаріотів

Використання прокаріотів людиною

• Людина навчилася за індикаторними мікроорганізмами, які можуть окиснювати метан і пропан, проводити пошуки нафтових і газових родовищ.
• Завдяки здатності швидко рости, простій будові геному прокаріоти широко використовуються в генети ці та біотехнології.
• Завдяки генній інженерії людство використовує бактерії для отримання інсуліну, факторів росту, антитіл тощо.

Використання прокаріотів

Використання прокаріотів людиною

Археї та молекулярна біологія

Термостабільна ДНК-полімераза,отримана від Pyrococcus furiosus,

уможливила винайдення полімеразної ланцюгової реакції як простого та

швидкого методу ампліфікації ДНК (створення багатьох копій).

Використання прокаріотів людиною

Використання прокаріотів

• Створюючи мутації в бактеріальній ДНК, учені можуть визначати функцію генів. Сучасні відкриття уможливили використання ферментів архей у молекулярній біології .