Мембрана бактерии: строение, особенности, функционал

Несмотря на то, что между прокариотами и эукариотами существует много фундаментальных различий, есть ряд признаков, по которым эти две разные биосистемы очень схожи между собой. Общее для ядерных клеточных единиц и доядерных организмов – наличие белкового барьера между внутренней средой клетки и внешним пространством, в котором клетка существует. Есть гипотеза, что формирование в процессе эволюции клеточной мембраны у бактерии, как у первого живого организма, – одно из важнейших изобретений природы, в результате которого стало возможным дальнейшее усложнение внутриклеточных процессов.

stroenie bacterii

Основные функции

В бактериальной клетке, как в живом самостоятельном организме, протекают все процессы, связанные с обеспечением клеточных структур энергией и питательными веществами.

Кроме того, любое действие по переработке органики (питание) сопровождается формированием и накоплением отходов, которые необходимо выводить за пределы организма.

Решение этих трех важных задач возложено на цитоплазматическую мембрану у бактерий:

  1. Доставка в клеточную среду из внешней среды соединений, обеспечивающих общий метаболизм в организме бактерии (дыхание).
  2. Снабжение бактериальной клетки питательными веществами для извлечения жизнеобеспечивающей энергии.
  3. Вывод отходов во внешнюю же среду.

Не менее важными функциями мембранной конструкции являются:

  • обеспечение постоянного состава внутриклеточного пространства;
  • крепление жгутиков;
  • синтез веществ, необходимых для построения клеточной стенки.

Удивительным является тот факт, что, несмотря на важность и сложность тех функций, которые должна выполнять цитоплазматическая мембрана, ее строение нельзя назвать громоздким или замысловатым. Природа нашла изящное решение, чтобы, использовав минимальный ресурс, создать простую и эффективную систему естественной защиты бактериальной клетки и двустороннего транспорта веществ внутрь и наружу.

Цитоплазматическая мембрана

Строение

Независимо от того, что ЦПМ (цитоплазматическая мембрана) в любой бактериальной клетке выполняет одни и те же функции, ее строение все же может иметь ряд отличий, в зависимости от группы прокариотов, которые исследуются в каждом конкретном случае.

Структурные отличия имеются между строением плазматической мембраны грамотрицательных бактерий и грамположительных.

Здесь есть необходимость уточнить, что иногда вносится путаница в определение цитоплазматической мембраны и клеточной стенки бактерии.

Клеточная стенка – отдельная структура бактериальной клетки, которая не определяется как часть ЦПМ, а имеет свое обособленное строение, в основе которого – белковые структуры муреина.

Именно эти структуры, в случае выявления грамотрицательных микроорганизмов, не реагируют на окраску по Граму, что позволяет провести первоначальную идентификацию бактерий.

Поэтому, говоря о грамотрицательных прокариотах, нужно понимать, что в данном случае исследуется не ЦПМ, а клеточная стенка, хотя эти клеточные структуры и находятся друг с другом в непосредственной близости.

Второе важное отличие строения ЦПМ грамотрицательных бактерий – наличие наружной мембраны.

Если взять за основу исследование мембранных конструкций у грамположительных прокариотов, то мембрана у этих бактерий состоит из:

  1. Двух слоев липидов. Липиды – органические жироподобные вещества, которые характеризуются разной степенью водонепроницаемости (гидрофобностью).
  2. В эти два липидных слоя в буквальном смысле вмонтированы белковые молекулы, которые и отвечают за сообщение между внутренним и наружным пространством бактериальной клетки.

Если у грамположительных бактерий есть только одна ЦПМ, то у грамотрицательных прокариот их две.

ЦПР (цитоплазматическая мембрана) грамположительных бактерий

Внешний слой такой клетки состоит из:

  • самой ЦПМ, которая соприкасается с цитоплазмой;
  • клеточной стенки, которая состоит из муреина;
  • наружной мембраны, которая имеет такую же бисистему липидов с белковыми комплексами.

Сообщение грамотрицательных бактериальных клеток с внешним миром через такую трехступенчатую структуру не дает преимущества этим микроорганизмам на выживание в более суровых условиях. Эти микробы также плохо переносят высокие температуры, среду с повышенной кислотностью и перепадами внешнего давления.

Хотя, безусловно, и среди грамположительных, и среди грамотрицательных прокариотов есть термофильные и барофильные группы бактерий, которые приспособились к выживанию в экстремальных условиях.

Отдельным образованием ЦПМ является мезосома. Это своеобразное впячивание части самой мембраны внутрь клеточного пространства. Мезосомы играют определяющую роль при делении клетки бактерии.

Состав

Относительно простое структурное устройство ЦПМ бактерий уравновешивается сложностью тех функций, которые возложены на каждый элемент этой системы в отдельности.

Как уже говорилось, мембранная конструкция у микробов состоит из бислоя липидов. Что представляют собой эти липиды, и какую функцию они выполняют:

Липидный бислой

  1. Бислой ЦПМ содержит определенный вид липидов – фосфолипиды. Это сложные органические вещества с содержанием фосфорной кислоты. Особенность этих органических молекул состоит в том, что их основная часть (головка) является гидрофильной (водопроницаемой), а окончание (хвостик) – гидрофобное (водонепроницаемое). Эту особенность хорошо видно на пространственной формуле этих молекул.
  2. Структура ЦПМ устроена так, что гидрофильные головки образуют наружный слой, а гидрофобные хвостики – внутренний.
  3. Эта структура формирует жидкокристаллическую модель, на которую мозаичным образом крепятся молекулы белков.
  4. Белки, как основные структурные элементы, которые содержит цитоплазматическая мембрана, подразделяются на два основных вида:
    • Группа периферических белковых молекул, которые контактируют как с цитоплазмой, так и с ЦПМ. Основная роль этих комплексов – формировать протонные мостики для транспорта внутрь клетки и за ее пределы.
    • Группа интегральных белков – крупные молекулы, которые полностью погружены в тело мембраны, а иногда даже выходят за ее пределы. ЦПМ содержит огромное количество интегральных белковых комплексов, которые имеют прочные связи с бислоем липидов и не могут дрейфовать вдоль стенок цитоплазматической мембраны, как периферийные белки.

Эта простая схема может быть значительно усложнена у разных групп бактерий. Так, например, мембранный комплекс бактерий-фотосинтетиков состоит не только из указанных белковых комплексов, в нее также внедрены фотосинтезирующие аппараты. Такие мембранные конструкции даже имеют отдельное название – фотосинтетические.

Транспорт

Исходя из того, что ЦПМ состоит из белковых молекул, которые могут строить каналы передачи между цитоплазмой и внешней средой клетки, особый интерес представляет механизм транспорта, который осуществляется через мембранные комплексы.

Механизм транспорта ЦПМ

Активный механизм транспорта ЦПМ

В зависимости от того, какие виды связей используют те белки, из которых состоит мембрана бактерии, транспорт может быть двух видов:

  • активный;
  • пассивный.

Пассивный транспорт – процесс, который протекает без затраты энергии клеткой. К таким процессам относится транспорт по причине разницы концентраций в растворе. Молекулы более концентрированного раствора передвигаются в менее концентрированный, до тех пор, пока будет установлено определенное равновесие.

Активный транспорт – в нем принимают участие связующие белки. Такой транспорт идет с затратой энергии. В грамотрицательных бактериях транспорт осуществляется также с помощью пермеаз, из которых, в том числе, состоит пространство между внутренней и внешней мембранами грамотрицательных клеток. Пермеазы являются связующим звеном для этих двух бактериальных структур.

Внутренние структуры

Кроме ЦПМ, внутри бактериальных клеток разных групп могут присутствовать обособленные мембранами включения. Эти ограждения, как и цитоплазматический барьер, состоят из липидов и белков. Установлено, что эти мембраны играют роль в метаболических процессах клетки, а также принимают участие в прохождении цикла Кальвина (цикла реакции фотосинтеза у прокариотов).

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим

  • Aisberg

    Бактерии
    неощутимы человеком, увидеть такой мизерный организм не возможно. Тем не менее
    у них достаточно функциональное строение. Усвоение полезных элементов, их
    переработка и вывод – стандартные процессы, обеспечивающие жизнеспособность бактерий.
    Органический мир потрясающ! Никогда не перестану удивляться, как сложно и
    одновременно просто устроена природа.