Состав клетки бактерии и функции цитоплазмы

Понятие «цитоплазма» является сложносоставным, и при переводе с греческого означает «содержимое клетки». Современная наука понимает под цитоплазмой сложную динамическую физико-химическую систему, заключенную внутри плазматической мембраны. То есть все внутриклеточное содержимое прокариотов, исключая хромосому, считают цитоплазмой клетки бактерий.

Границы клеточного содержимого

Цитоплазма клетки прокариотов имеет 2 слоя ограничения:

• цитоплазматическую мембрану (ЦПМ);
• клеточную стенку.

Ограничивающие цитоплазму у бактерий слои имеют различные функции и свойства.

Клеточная стенка бактерии

Наружный укрывной слой прокариотов, клеточная стенка, представляет собой плотную оболочку и выполняет ряд функций:

• защита от внешнего воздействия;
• придание микроорганизму характерной формы.

Фактически клеточная стенка микроорганизмов является своеобразным наружным скелетом. Такое строение оправданно – ведь внутриклеточное осмотическое давление может в десятки раз превышать давление наружное, и без защиты плотной клеточной стенки бактерию просто разорвет.

Плотная клеточная стенка характерна только для бактериальных и растительных клеток – животная клетка имеет мягкую оболочку.

Клеточная стенка бактерий, ограничивающая содержимое клетки, имеет толщину от 0,01 до 0,04 мкм, причем толщина стенки увеличивается в процессе жизни микроорганизма. Несмотря на плотность клеточной оболочки, она проницаема. Вовнутрь беспрепятственно проходят питательные вещества, а продукты жизнедеятельности выводятся из нее.

Цитоплазматическая мембрана

Между цитоплазмой и клеточной стенкой располагается ЦПМ – цитоплазматическая мембрана. В бактериальной клетке она выполняет целый ряд функций:

• регулирует поступление питательных веществ и вывод продуктов жизнедеятельности;
• синтезирует соединения для клеточной стенки;
• контролирует активность ряда ферментов, расположенных на ней.

Мембрана цитоплазмы настолько прочна, что бактериальная клетка может какое-то время существовать даже без клеточной стенки.

Внутриклеточный состав микроорганизма

Исследования с применением электронного микроскопа позволили установить у внутриклеточного вещества очень сложное строение.

Цитоплазма любой бактериальной клетки содержит большое количество воды, в ней находятся различные органические и неорганические соединения – жизненно важные структуры и органеллы. Так, в цитозоле (матриксе цитоплазмы), внутриклеточной жидкости, располагаются рибосомы, пластиды и запас питательных веществ.

Все внутриклеточное содержимое подразделяют на три группы:

• гиалоплазма (цитозоль или матрикс цитоплазмы);
• органеллы – обязательные части бактериальной клетки;
• включения – необязательные части.

Матрикс цитоплазмы представляет собой не водный раствор, а гель с изменяющейся вязкостью. Агрегатное состояние гиалоплазмы – гель-золь (большая или меньшая степень вязкости) находится в динамическом равновесии и зависит от внешних условий.

Гиалоплазма бактериального организма включает следующие структуры:

• неорганические вещества;
• метаболиты органического происхождения;
• биополимеры (белки, полисахариды).

Основное назначение гиалоплазмы состоит в объединении всех имеющихся включений и обеспечении между ними устойчивого химического взаимодействия.

Внутриклеточные органеллы прокариотов – это микроструктурные плазматические соединения, отвечающие за функции жизнеобеспечения и присутствующие практически во всех бактериальных клетках. Органеллы подразделяют на две большие группы:

• обязательные – имеют жизненно важное значение для функционирования организма;
• необязательные – не имеют большого значения для функционирования; микроорганизмы даже одного штамма могут различаться набором этих органелл.

Обязательные органеллы

К необходимым для жизнедеятельности клетки органеллам относятся:

• нуклеоид (бактериальная хромосома) – представляет собой кольцевую двухцепочную молекулу ДНК;
• рибосомы (отвечают за синтез белка) – аналогичны рибосомам клеток, имеющих ядро; могут перемещаться в цитоплазме свободно или быть связанными с ЦПМ;
• цитоплазматическая мембрана (ЦПМ);
• мезосомы – отвечают за энергетический метаболизм и участвуют в процессе клеточного деления; являются результатом впячивания цитоплазматической мембраны.

В центральной части пространства бактерии располагается аналог ядра эукариотов – нуклеоид (ДНК микроорганизма). В случае эукариотов ДНК располагается только в ядре, а в организме бактерии ДНК может концентрироваться в одном месте или быть рассредоточена в нескольких местах (плазмиды).

Другими отличиями хромосомы бактерии от эукариотических ядер являются:

• более рыхлая упаковка;
• отсутствие характерных для ядра органелл – ядрышек, мембраны и другие;
• не имеют связи с гистонами – основными белками.

Как аналог ядра эукариотов, бактериальная хромосома в вопросе организации ядерного вещества является примитивной формой.

Необязательные органеллы прокариотов

Необязательные органеллы бактерий не оказывают значительного влияния на функциональные способности бактериального организма. Характерной особенностью прокариотов является проявление диссоциации, в результате которой образуются морфотипы (морфовары) – штаммы микроорганизмов одного вида, имеющие морфологические различия.

Как итог, в бактериальной колонии проявляются различия не только по морфологическим признакам, но и по физиологическим, биохимическим, генетическим. Основные отличия морфоваров друг от друга состоят именно в составе необязательных органелл.

К необязательным органеллам относят:

• плазмиды – носители генетической информации, аналогичные бактериальной хромосоме, но значительно меньшего размера и с возможностью присутствия нескольких копий в организме;
• включения, содержащие питательные вещества (например, волютин); могут являться характерной особенностью конкретного вида микроорганизма.

Необязательные органеллы бактерий не являются постоянным признаком данного вида – многие включения представляют собой источники углерода или энергии. При благоприятных условиях микроорганизм формирует подобный запас во внутриклеточном пространстве, который расходует при наступлении неблагоприятных условий.

Включения, содержащие питательные вещества, принадлежат к гранулярному типу соединений. По своему составу могут подразделяться на:

• полисахариды – гранулеза (крахмал), гликоген;
• волютин (гранулы метахроматина) – содержит полиметафосфат;
• жировые капли;
• капли серы.

Именно включения низкомолекулярных образований приводят к возникновению различных значений осмотического давления цитоплазмы бактерии и наружной среды.

Вещество внутриклеточного пространства живой бактерии находится в постоянном движении (это называется циклоз), перемещая тем самым содержащиеся в нем вещества и органеллы.

Цитоплазмы бактерий имеет важное свойство – способность к росту и восстановлению при частичном удалении. Но, несмотря на все свои свойства, она способна функционировать только в присутствии ДНК – без нее цитоплазма не может существовать.