Анатомия бактериальной клетки

 

В предыдущей главе мы познакомились с тремя главнейшими типами бактериальных клеток. Одни из них имеют форму шариков, другие – палочек или цилиндриков, а третьи представляют подобие спирали.

Какова же внешняя и внутренняя структура бактериальной клетки? Ее схематическое изображение представлено на рисунке. Как и все клетки, она содержит протоплазму, состоящую из цитоплазмы и ядра (у бактерий чаще говорят об области ядра). Цитоплазму охватывает цитоплазматическая мембрана, к внешней стороне которой примыкает клеточная стенка, определяющая форму клетки (фото 19). При воздействии пенициллина на бактериальные клетки обычно нарушается именно структура их стенок и протопласты или сферопласты оказываются оголенными[5]. У них остается лишь тонкая цитоплазматическая мембрана. С потерей стенки исчезает и первичная форма бактериальной клетки, так как оголенный протопласт принимает форму шара. Большинство палочковидных и спиралевидных бактерий снабжены органами передвижения, которые называются жгутиками. Одна клетка может иметь от одного до тридцати жгутиков. Их число и расположение строго характерны для определенных видов бактерий. Зарождаясь в цитоплазме, они выходят через стенку клетки наружу в виде тонких волосков, диаметр которых не превышает 12 нм. Из клеток ряда бактерий удалось выделить некоторое количество жгутиков, достаточное для их химического анализа. В результате было установлено, что бактериальные жгутики состоят из белков, подобных тем, которые находятся в мышцах.

Клеточная стенка многих бактерий часто покрыта слоем слизи, носящим название капсулы. При наблюдении ультратонких срезов бактериальных клеток в электронном микроскопе было установлено, что ширина клеточной стенки равна 10–20 нм. Специальными методами удалось изолировать отдельные стенки, изучить их строение и подвергнуть химическому анализу, который показал, что в них содержится большое количество белков и жиров.

Уже давно было известно, что в бактериях встречаются соединения, характерные для клеточных ядер (речь о них пойдет в главе 12), но «морфологически дифференцированного ядра», как говорят цитологи, выявить до сих пор не удавалось. Лишь благодаря изучению ультратонких срезов, а также с помощью некоторых других методов удалось доказать присутствие в цитоплазме телец, которые не только своим химическим составом, но и иными особенностями напоминают клеточные ядра. С другой стороны, некоторые свойства отличают их от ядер, известных нам по клеткам ряда микроорганизмов, животных и растений.

 

 

Схема строения бактериальной клетки.

 

В цитоплазме бактерий иногда встречаются и другие образования.

Серобактерии, например, вызывают некоторые изменения в сернистых соединениях и откладывают в своих клетках серу. Известны также бактерии, способ питания которых очень напоминает процесс питания зеленых растений, или фотосинтез. Они усваивают из атмосферы углекислый газ и синтезируют сложные органические соединения. Этот синтез требует участия какого‑то источника энергии. В данном случае таким источником является солнечный свет. Поэтому весь процесс и называется фотосинтезом. В клетках зеленых частей растений (листьях) находятся хлоропласт ы, в которых происходит процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии содержат в своих клетках образования, исполняющие ту же функцию; они называются хроматофорами. Если величина хлоропластов у зеленых растений обычно не меньше 5 мкм (как и клеток дрожжей) и они хорошо видны в световом микроскопе, то хроматофоры бактерий в этих условиях невидимы, так как они почти в 100 раз меньше хлоропластов. Но тем не менее их удалось выделить из разрушенных клеток бактерий и наблюдать в микроскопе при увеличении в 70 000 раз.

Интересные образования находятся и в цитоплазме бактериальных «палочек» или бацилл – это споры. Но об их специфических особенностях будет рассказано несколько позже.

Электронный микроскоп проникает в тайны микромира

Исследователей, вооружившихся в целях познания электронным микроскопом, привлекают не только бактерии, но и многие другие микроорганизмы. Они изучают поверхностную структуру клеточных стенок или, подобно хирургам, приготовляют ультратонкие срезы мельчайших клеток и проникают в тайны их внутреннего мира.

Профессора Волькани из Калифорнийского университета заинтересовали диатомовые водоросли. Эти организмы откладывают в стенках своих клеток большое количество кремнезема. После кратковременной обработки этих клеток кислотой электронный микроскоп помог нам открыть сетчатое строение их панциря, а ультрамикротом – заглянуть внутрь клетки и обнаружить ее ядро и множество жировых капелек (фото 20 и 21).

Не менее интересным оказалось и строение клетки простейшего, туфельки Paramecium bursaria, в которой, помимо прочих включений, были обнаружены мелкие клетки зеленой водоросли из рода Chlorella. Так электронный микроскоп позволил установить между этим простейшим и водорослями взаимоотношения, известные под названием симбиоза (фото 22).

В предыдущей главе мы узнали, что грибы размножаются с помощью особых клеток – спор. Интересные данные были получены в Лаборатории электронной микроскопии Высшей федеральной технической школы в Цюрихе. У спор грибов, относимых специалистами к роду Penicillium, была обнаружена своеобразная поверхностная структура. Споры каждого вида выглядят так, точно искусная рука корзинщицы оплела их особым узором (фото 23).

Доктор Янг из Лондонского университета занимался изучением поверхностной структуры спор микроскопических грибов, относимых микологами к порядку Mucorales. У большей части изученных видов споры снабжены тонкими отростками. При взгляде на такую спору в памяти возникает образ обычного оружия гуситов – булавы с острыми шипами. Эти шиповатые выросты имеют в основании правильные шестиугольники и очень равномерно распределены по поверхности споры (фото 24).

Ценные услуги оказал электронный микроскоп и группе исследователей во главе с профессором Нечасом (медицинский факультет в городе Брно). При помощи фермента, выделяемого виноградной улиткой, удалось растворить клеточные стенки дрожжевых грибов и выделить их протопласты. Это очень хрупкие образования, но в руках искусных специалистов они становятся отличным материалом, на котором можно наблюдать формирование клеточных стенок. После перенесения протопластов на обычную питательную среду вокруг них начинают образовываться новые стенки клеток (фото 25 и 26).

 

Разделение труда в клетке

 

Какова же роль отдельных клеточных образований, с которыми мы только что познакомились? Этот вопрос встал перед исследователями; вполне естественно, что его задаст и читатель, узнавший об их открытии.

О защитной функции клеточных стенок мы уже говорили, так же как и о том, что они определяют постоянную, характерную для различных бактерий форму. Если стенку бактериальной палочки отделить от ее содержимого, то протопласт потеряет форму палочки и превратится в шар, сохранив, однако, все свои основные жизненные функции.

Роль цитоплазматической мембраны довольно разнообразна. Ее самая главная и важная функция – поддерживать в клетке определенное осмотическое давление. Сквозь мембрану в клетку поступают вещества, служащие ей источником питания, и выделяются наружу продукты химической активности клетки. Таким образом, цитоплазматическая мембрана играет как бы роль пограничной стражи, которая пропускает внутрь клетки или высылает за ее пределы «избранные» соединения, по‑видимому, активно способствуя этому обмену. У простейших, чьи клетки лишены стенок, цитоплазматическая мембрана дает возможность организму изменять форму и вбирать в себя твердые частицы пищи, как при фагоцитозе. Такой же механизм наблюдается и у белых кровяных телец, которые обезвреживают болезнетворные микробы, «поглощая» их.

Ядро – важный жизненный центр клетки. В нем представлен своего рода «планирующий орган», управляющий ее деятельностью и обеспечивающий передачу наследственных особенностей от одной генерации другой. Далее мы увидим, что ответственность за эту операцию несут молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

В клетках дрожжей и других микроорганизмов, как и в клетках растений и животных, находятся также митохондрии – своего рода энергетические станции клеток. В них протекают процессы химического преобразования веществ, благодаря которым клетка приобретает основную часть необходимой ей энергии. Впрочем, уже точно установлено, что эти процессы происходят и в клетках бактерий, хотя в них митохондрии отсутствуют.

В цитоплазме микробов содержатся образования, называемые рибосома‑м и, которые являются центрами синтеза белка в клетке.

Таким образом, мы видим, что в клетке как основной единице живой природы царит строгий порядок и осуществляется целесообразное разделение труда.

 

Химия и микроорганизмы

 

Рассказ о таинствах микробных клеток был бы неполным, если бы не содержал сведений, раскрывающих их химические особенности.

Все вещества в природе, входят ли они в состав живых организмов или залегают в глубинах Земли, состоят из основных структурных единиц – атомов различных химических элементов. В результате химического соединения отдельных атомов возникают более крупные единицы– молекулы. Молекула воды, обозначаемая химиками формулой Н₂0, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, вода – это соединение двух элементов, связанных химически в определенных соотношениях. Молекула воды настолько мала, что она невидима даже в электронный микроскоп. Мельчайшие бактерии достигают в диаметре 200 нм, капелька воды такой же величины содержит до 68 000 000 молекул.

Кроме кислорода и водорода, известно еще более 100 химических элементов. Некоторые из них встречаются свободными в природе, другие удалось выделить искусственным путем. Не менее половины всех элементов обнаружили и в клетках микроорганизмов. Из химических элементов, встречающихся в живой природе, помимо водорода и кислорода, очень важную роль играют углерод и азот.

Элементы, постоянно присутствующие в живых организмах, включая и микробы, называют биогенными. О четырех из них мы уже упоминали. К другим, также очень важным биогенным элементам, относятся фосфор, сера, калий, хлор, магний, натрий, кальций. Эти 11 вышеупомянутых элементов мы называем макроэлементами. В весовом отношении они составляют около 99,9 % сухой массы клеток, причем на первые четыре элемента приходится почти 95 %.

В ничтожно малой оставшейся части – 0,1 % сухой массы – представлен целый ряд микроэлементов: железо, медь, марганец, кобальт, бром, йод, фтор, бор, кремний, литий, рубидий, стронций, барий, цинк, ртуть, алюминий, таллий, титан, свинец, мышьяк, селен, никель, ванадий и серебро. В отличие от макроэлементов, входящих в состав клеточного вещества, некоторые микроэлементы имеют лишь характер катализаторов, ускоряющих или замедляющих процессы химических изменений в организме, причем эту роль они выполняют, входя в состав ферментов.

 

 

 

Как видно из таблицы, содержание отдельных элементов в живой природе и в земной коре очень различно. Живые организмы берут из природных запасов только такие количества веществ, которые отвечают их жизненным потребностям. Количественные соотношения биогенных элементов в живых организмах всегда строго поддерживаются на одном и том же уровне.

Химическое изучение веществ живой материи открыло много интересного. Мы узнали, что в клетках организмов встречаются самые разнообразные вещества. Наиболее важными соединениями среди них являются вода, белки, нуклеиновые кислоты, простые и сложные сахара и жиры. Сопоставление содержания перечисленных соединений в живой материи и относительное содержание молекул этих веществ представлены в таблице 2.

Состав молекул отдельных соединений очень различен. Простая молекула воды состоит из трех атомов, тогда как молекулы белков могут содержать 100 000 и более атомов.

Не следует забывать, что атомы элементов, так же как и молекулы, состоящие из этих атомов, крайне малы – во много раз меньше, чем клетки всех известных нам живых организмов. Так, если бы мы увеличили молекулу водорода, состоящую из двух атомов, в 5 000 000 раз, то получили бы шарик диаметром всего около 1 мм. Увеличенная во столько же раз молекула глюкозы (состоящая из 24 атомов) имела бы диаметр 3,5 мм, молекула гемоглобина, окрашивающего кровь в красный цвет, достигала бы 2,75 см, вирус гриппа – 50 см, клетка самой маленькой бактерии – 1 м, клетка дрожжей – 20 м, а красное кровяное тельце человека – до 40 м.

 

 

 

Исследование организмов в природе все больше убеждает нас, что жизнь тесно связана с определенными структурами соединений и что малейшие изменения в строении молекул этих веществ часто имеют важные биологические последствия. Альберт Сент‑Дьёрди, выдающийся венгерский биохимик, открывший витамин С, дает следующее определение живой материи: «Живая материя представляет собой своего рода систему из воды и органических соединений, которые, подобно зубчатым колесикам часового механизма, составляют единое целое».

В клетках бактерий содержится 75–90 % воды, остальное составляют прочие соединения. Отчего вода имеет такое огромное значение в жизни микробов? В клетку бактерии не сможет проникнуть мельчайший кристаллик сахара, если он не будет растворен в воде до отдельных молекул. В клетке протекает множество различных химических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений; вода же является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции.

Гораздо сложнее молекул воды и менее доступны для химического изучения макромолекулы белков. Еще начиная с первой половины прошлого века естествоиспытатели справедливо считали белки одним из главных слагаемых живой природы.

Они играют самые разнообразные роли. Белки являются структурными элементами клеток, а вместе с тем и живого организма в целом. Они исполняют функции биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой природе. Эту группу белков объединяют под общим названием ферментов. Некоторые белки являются важными регуляторами жизненных процессов в нашем организме, их относят к гормонам.

Макромолекулы белков обеспечивают жизнь, но есть среди них и такие, которые убивают ее. Так, токсины некоторых растений, животных и бактерий в основном представляют собой белки, причем, как мы увидим далее, наиболее ядовитые из них – бактериальные токсины.

Интересны белки и своим химическим строением.

 

 

Схема соединения аминокислот в полипептиды, напоминающие по форме альфа‑спираль. Атомы химических элементов обозначены буквенными символами: С – углерод; Н – водород; О – кислород; N – азот; R – радикалы, различные у разных аминокислот.

 

При исследовании химической структуры белков оказалось, что основными структурными единицами их макромолекул являются аминокислоты; это открытие послужило важным шагом на пути к их познанию. Теперь нам известно уже 20 таких структурных единиц.

Итак, первый факт, осветивший нам качественную сущность таинственных белков, заключался в том, что они состоят из отдельных аминокислот.

Дальнейшим шагом были попытки установить количественные соотношения аминокислот в молекулах различных белков. Но достигнутый в этом отношении успех еще не говорил нам о том, как именно связаны между собой аминокислоты. Комбинации их различных сочетаний могут быть чрезвычайно многочисленны!

Из 20 аминокислот может возникнуть такое количество сочетаний, столько отличных друг от друга белковых макромолекул, что на их создание не хватило бы и всей массы нашей планеты. Именно эта многоликость белков и обеспечивает, по‑видимому, огромное разнообразие живой природы.

Современной науке оказывается по плечу и более трудная задача – установить характер расположения аминокислот в молекулах белков. В этом направлении первым успехом было раскрытие структуры гормона инсулина. Английский биохимик Ф. Сенджер точно установил распределение аминокислот в молекуле инсулина, выделенного из организма крупного рогатого скота, и доказал, что она состоит из двух равных частей. В каждой из них имеется два пептида – А и В, соответственно содержащих 21 и 30 аминокислотных остатков. Цепи А и В дважды связаны между собой дисульфидами. В настоящее время уже известны структура инсулина, содержащегося в организме человека, и строение некоторых других белков.

Не менее важен для жизни человека и такой белок, как гемоглобин. Без него не мог бы протекать один из основных жизненных процессов – дыхание.

Молекула гемоглобина теперь хорошо изучена. Нам известно, что она содержит 3032 атома углерода, 4816 атомов водорода, 872 атома кислорода, 780 атомов азота, 8 атомов серы и 4 атома железа (всего 9512 атомов различных элементов); мы знаем также точное расположение аминокислот в молекуле гемоглобина, ее так называемую третичную структуру, которая определяет пространственное расположение всех 9512 атомов.

Познание пространственного распределения белковых макромолекул позволит в ближайшем будущем еще глубже понять их разнообразные биологические функции.

В живой природе мы находим и другую группу очень важных макромолекул, привлекающую в последние годы все большее внимание биологической науки. Это нуклеиновые кислоты.

Первые сведения о них получил почти сто лет назад швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из клеточных ядер спермы лосося он выделил вещество, названное им нуклеином, которое, как оказалось, содержало пять биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Теперь это вещество мы называем нуклеиновой кислотой.

Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК[6].

ДНК находится в основном в клеточном ядре (а в малых количествах также в митохондриях и хлоропластах), тогда как РНК встречается и в ядре и в цитоплазме. Этот факт находится в тесной связи с различными функциями нуклеиновых кислот, о которых речь еще впереди.

Узнаем мы также о предназначении и роли ферментов и познакомимся с химическим характером некоторых других соединений, играющих на арене жизни очень важные роли.