Мембрана бактерии: строение, особенности, функционал

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

Царство бактерий. Общее понятие | Учеба-Легко.РФ – крупнейший портал по учебе

Бактерии – типичные прокариотические организмы. Бактерии самые древние поселенцы земли, они живут уже два миллиарда лет. Ученым известно около 2 500 видов. Бактерии имеют клеточное строение, но не имеют ядра, отделенного мембраной от цитоплазмы.

Генетический материал у бактерий представлен пальцевыми молекулами ДНК длинной около 1 мм. Каждая такая молекула состоит из около 5 000 000 пар нуклеотидов. Плазматическая мембрана у бактериальной клетки по структуре и функциям не отличается от таковой эукариотической.

У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь и образуются лизосомы – основная их функция – дыхание. Рибосомы в бактериальной клетке разбросаны по цитоплазме. На клеточной стенке некоторых бактерий имеются палочковидные белковые выступы – они необходимы для прикрепления клеток друг к другу.

Клеточная стенка придает бактериальной клетке жесткость и форму. Некоторые бактерии имеют слизистые слои – капсулы. Они служат дополнительной защитой для клеток.

Большинство бактерий не содержит хлорофилла и питается готовыми органическими веществами – гетеротрофно. Бактерии освоили все среды обитания. Они живут практически везде: в почве, в пыли, в воздухе, в воде, на теле животных, внутри живых организмов.

Они сохраняют свою жизнеспособность в горячих источниках при температуре 90 градусов С, в нефтяных скважинах на глубине 1 700 метров, на дне океана – глубже 10 километров. Некоторые бактерии выживают после пятидневного кипячения, в условиях вакуума. Многие бактерии могут жить без кислорода.

Численность бактерий огромна: в одном грамме плодородной почвы может находиться до 2 миллиардов бактерий.

Обратите внимание

Бактерии по форме разнообразны: шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы), изогнутые (вибрионы), спиральные (спириллы), в виде цепочки (стрептококки), в виде гроздей (стафилококки). Некоторые бактерии имеют жгутики.

Бактерии очень быстро размножаются, каждые 20-30 минут. Теоретически их численность растет в геометрической прогрессии. Размножение ограничивается климатическими условиями, действием солнечного света, борьбой между видами, накоплением продуктов обмена.

В оптимальных условиях бактериальная клетка растет с огромной скоростью. Достигнув определенного размера, бактериальная клетка приступает к бесполому размножению, перед делением происходит удвоение генетического материала.

У самых быстрорастущих бактерий деление происходит через каждые 20 мин.

По способу добычи пищи гетеротрофные делятся на три группы: паразиты, сапрофиты и симбионты.

Симбиотические бактерии живут на корнях растений и снабжают их азотом, который способны усваивать только бактерии.

Кишечные бактерии обеспечивают нормальную работу пищеварительной системы.

Паразитические бактерии, или болезнетворные, способны выделять токсины (ядовитые вещества, воздействующие на определенные системы органов). Туберкулезная палочка, холерный вибрион вызывают тяжелые болезни и даже смерть. Для профилактики бактериальных заболеваний необходим строгий бактериологический контроль, соблюдение правил личной гигиены, предохранительные прививки.

Бактерии имеют очень важное значение для человека. Это обусловлено ролью микроорганизмов в биосфере

• Плодородие почв. При жизнедеятельности почвенных бактерий происходит образование гумуса, который представляет собой разложившееся с помощью бактерий органическое вещество, содержащее все необходимые вещества для жизни растений. Кроме того, почвенные бактерии участвуют в круговороте различных веществ. Например, азота.
• Очистка сточных вод. Для очистки сточных вод применяются микроорганизмы, которые в короткие сроки могут перевести большинство органических соединений в неорганические.
• Бактерии симбионты. В кишечнике многих животных и человека обитает так называемая микрофлора, которая способна переваривать потребляемую организмом пищу и синтезируют витамины.
• Промышленное брожение. Путем брожения человек может получать различные вещества, например, уксусная кислота, силос, спирт, кисломолочные продукты.
• Производство антибиотиков. Эти вещества выделяются некоторыми бактериями и грибами. Эти вещества вызывают угнетение жизнедеятельности других бактерий.
• Производство кормового белка.
• Производство ферментов и генная инженерия. Возможность промышленно производить инсулин, получать спирты, кетоны, органические кислоты, полимерные вещества.
• Биологические методы борьбы с вредителями, различные бактерии могут заражать и вызывать гибель вредителей сельского хозяйства.

Липидорастворимость

Высокодифференцированные клетки, к примеру, нервная, эндокринная или мышечная, используют данные ионные каналы для генерации потенциалов покоя и действия. Он образуется за счет осмотической и электрохимической разницы, а ткани получают способность сокращаться, генерировать или проводить импульс, отвечать на сигналы или передавать их. Это важный механизм обмена информацией между клетками, который лежит в основе нервной регуляции функций всего организма. Эти функции плазматической мембраны животной клетки обеспечивают регуляцию жизнедеятельности, защиты и передвижения всего организма.

Некоторые вещества и вовсе могут проникать сквозь мембрану, однако это характерно только для молекул липофильных жирорастворимых молекул. Они попросту растворяются в бислое мембраны, легко попадая в цитоплазму. Такой механизм транспорта характерен для гормонов стероидов. А гормоны пептидной структуры неспособны проникать через мембрану, хотя также передают информацию клетке. Это достигается благодаря наличию на поверхности плазмолеммы рецепторных (интегральных) молекул. Связанные с ними биохимические механизмы передачи сигнала к ядру вместе с механизмом прямого проникновения липидных веществ через мембрану составляют более простую систему гуморальной регуляции. И все эти функции интегральных белков плазматической мембраны нужны не только одной клетке, а всему организму.

Цитоплазма

Содержимое
клетки, окруженное ЦПМ, составляет
цитоплазму бактерий. Та часть цитоплазмы,
которая имеет гомогенную коллоидную
консистенцию и содержит растворимые
РНК, ферменты, субстраты и продукты
обмена веществ, обозначается как
цитозоль. Другая часть цитоплазмы
представлена различными структурными
элементами: мезосомами, рибосомами,
включениями, нуклеоидом, плазмидами.

Рибосомы
— субмикроскопические рибонуклеопротеидные
гранулы диаметром 15-20 нм. В рибосомах
находится примерно 80-85% всей бактериальной
РНК. Рибосомы прокариот имеют константу
седиментации 70 S. Они построены из двух
частиц: 30 S (малая субъединица) и 50 S
(большая субъединица) (рис. 8). Рибосомы
служат местом синтеза белка.

Рис. 8. Рибосома
(а) и ее субчастицы -большая (б) и малая
(в) (Блинов Н.П., 1989).

Некоторые
бактерии способны накапливать фосфорную
кислоту в виде гранул полифосфата (зерна
волютина, метахроматические зерна,
зерна Бабеша-Эрнста). Они играют роль
фосфатных депо и регулярно выявляются
у коринебактерий, микобактерий и спирилл
в виде плотных, хорошо контурированных
образований в форме шара или эллипса,
располагающихся, в основном, у полюсов
клетки. Обычно на полюсах бывает по
одной грануле.

Наличие зерен
волютина у бактерий определяют методом
Нейссера.

Основные функции клеточной мембраны

Одним из основных свойств биологических мембран является избирательная проницаемость (полупроницаемость) — одни вещества проходят через них с трудом, другие легко и даже в сторону большей концентрации Так, для большинства клеток концентрация ионов Na внутри значительно ниже, чем в окружающей среде. Для ионов K характерно обратное соотношение: их концентрация внутри клетки выше, чем снаружи. Поэтому ионы Na всегда стремятся проникнуть в клетку, а ионы K — выйти наружу. Выравниванию концентраций этих ионов препятствует присутствие в мембране особой системы, играющей роль насоса, который откачивает ионы Na из клетки и одновременно накачивает ионы K внутрь.

Стремление ионов Na к перемещению снаружи внутрь используется для транспорта сахаров и аминокислот внутрь клетки. При активном удалении ионов Na из клетки создаются условия для поступления глюкозы и аминокислот внутрь ее.

Транспорт через клеточную мембрану

У многих клеток поглощение веществ происходит также путем фагоцитоза и пиноцитоза. При фагоцитозе гибкая наружная мембрана образует небольшое углубление, куда попадает захватываемая частица. Это углубление увеличивается, и, окруженная участком наружной мембраны, частица погружается в цитоплазму клетки. Явление фагоцитоза свойственно амебам и некоторым другим простейшим, а также лейкоцитам (фагоцитам). Аналогично происходит и поглощение клетками жидкостей, содержащих необходимые клетке вещества. Это явление было названо пиноцитозом.

Наружные мембраны различных клеток существенно отличаются как по химическому составу своих белков и липидов, так и по их относительному содержанию. Именно эти особенности определяют разнообразие в физиологической активности мембран различных клеток и их роль, в жизнедеятельности клеток и тканей.

Для многих типов клеток характерно наличие на их поверхности большого количества выступов, складок, микроворсинок. Они способствуют как значительному увеличению площади поверхности клеток и улучшению обмена веществ, так и более прочным связям отдельных клеток друг с другом.

У растительных клеток снаружи клеточной мембраны имеются толстые, хорошо различимые в оптический микроскоп оболочки, состоящие из клетчатки (целлюлозы). Они создают прочную опору растительным тканям (древесина).

Некоторые клетки животного происхождения тоже имеют ряд внешних структур, находящихся поверх клеточной мембраны и имеющих защитный характер. Примером может быть хитин покровных клеток насекомых.

Функции клеточной мембраны (кратко)

Функция	Описание
Защитный барьер	Отделяет внутренние органеллы клетки от внешней среды
Регулирующая	Производит регуляцию обмена веществ между внутренним содержимым клетки и наружной средой
Разграничивающая (компартментализация)	Разделение внутреннего пространства клетки на независимые блоки (компартменты)
Энергетическая	— Накопление и трансформация энергии; — световые реакции фотосинтеза в хлоропластах; — Всасывание и секреция.
Рецепторная (информационная)	Участвует в формировании возбуждения и его проведения.
Двигательная	Осуществляет движение клетки или отдельных ее частей.

Что такое клеточная мембрана

Если провести аналогию с куриным яйцом (разбив скорлупу, аккуратно отделить от нее тонкую полупрозрачную пленочку), то визуально можно представить, что скорлупа — это плотная клеточная оболочка, а пленка — мембрана. Эта картинка очень наглядно позволяет увидеть, каким образом под клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, располагается плазмалемма. Конечно, это представление будет условным, но, действительно, мембрана в переводе с латинского языка означает «кожа». Хотя этот термин достаточно давний, он точно передает сущность мембранной структуры .

Цитолемма (еще одно ее название) животной клетки плотной оболочкой не защищена, однако имеет особый слой, состоящий из белков и жиров, соединенных с сахарами (гликопротеинов и гликолипидов). Называют его гликокаликс, и роль, которую он несет (рецепторная, сигнальная), очень важна для жизнедеятельности.

Строение

Строение структуры уникально, и именно за счет него функции клеточной мембраны выполняются точно и избирательно.

В структуру плазмалеммы входят молекулы:

• фосфолипидов;
• гликолипидов;
• холестерола;
• белков.

Однако не только такой щедрый химический состав делает цитоплазматическую мембрану особой структурой, все свои функции она выполняет благодаря строгой организации молекул.

Строение плазмалеммы физиологически идеально — двойной слой молекул жиров (липидов), полярно организованных, не дают «своим» выходить за пределы клетки, а «чужим» — проникать внутрь.

Организация плазмалеммы:

• мембрана состоит из липидов молекулы, которые имеют особое строение;
• каждый липид имеет два конца — гидрофильная («любящая» воду) головка и гидрофобный («боящийся» воды) хвост;
• липиды выстроены таким образом, чтобы головки были снаружи, а гидрофобные хвосты внутри;
• поверхность мембраны гидрофильна (пропускает воду и, соответственно, растворы), а вот внутренняя часть, состоящая из гидрофобных окончаний, воду отталкивает;
• в основном молекулы липидов содержат остатки фосфорной кислоты (это фосфолипиды), некоторые связаны с углеводами (гликолипиды) и холестеролом;
• холестерол придает мембране упругость и жесткость;
• благодаря электростатическим свойствам липиды притягивают молекулы белков, которые также входят в структуру цитолеммы.

Именно белковые молекулы (гранулы) заслуживают отдельного внимания ученых. Из-за своего различного положения и ориентации в полужидкой липидной среде они выполняют самые различные и очень важные функции.

Внутри и на поверхности цитолеммы встречаются следующие виды белков:

1. Периферические. Эти молекулы расположены на поверхности и в основном выполняют защитную и стабилизирующую функции. Так, они выстраивают ферменты в конвейерные цепи и не позволяют ферментам просто перемещаться вдоль бислоя.
2. Погруженные внутрь (полуинтегральные). Основная их функция — ферментативная, также они могут участвовать в транспорте веществ. Изучена и еще одна интересная роль этих белков — как переносчиков. Они легко соединяются с транспортируемыми молекулами и проводят их внутрь клетки.
3. Пронизывающие (интегральные). Они располагаются таким образом, что проходят насквозь, через билипидный слой. Если несколько таких белков сливаются, то образуется канал (пора), через которую могут проходить определенные вещества, связываясь с белковыми молекулами.

Таким образом, все элементы мембранного бислоя несут строго ограниченные своей ролью и строением функции. Благодаря такой организации система работает слаженно и точно.

Отмечено, что плазмалеммы даже внутри одной клетки неоднородны. В них различается не только соотношение химических составных (белков, липидов, углеводов), но и вязкость внутреннего содержимого, ферментативная активность, плотность наружного слоя, толщина.

Месторасположение в клетке

Мембранные структуры буквально пронизывают клеточное содержимое. Они ограничивают все органоиды (за редким исключением, например рибосомы), выстилают их изнутри, являются оболочками ядер.

Самая массивная по содержанию плазмалеммы структура — эндоплазматическая сеть (ЭПР). Если сложить все мембраны, ее составляющие, то получится площадь более половины общей — на все клеточное пространство. По морфологии оболочка ЭПР сходна с внешней ядерной. Они составляют с ней единую систему и обеспечивают активный взаимный перенос элементов.

Комплекс Гольджи — еще один органоид, полностью выполненный из мембранных мешочков (цистерн). Также цитолеммы имеют митохондрии и пластиды.

Плазматическая мембрана — это часть плазмалеммы, находящаяся на границе клеточного содержимого. Она ограничивает протопласт от внешней среды, окружает клетку, защищая его от наружного воздействия.

Рибосомы – основа белковой жизни

Цитоплазма бактерий – внутренняя полужидкая (коллоидная) составляющая клетки, в которой находятся все органоиды (нуклеоид, плазмиды, мезосомы и прочие включения). Одна из основных функций цитоплазмы – создавать комфортные условия для рибосом.

Рибосома – важнейший немембранный органоид клетки, состоящий из двух частей: большой и малой субъединиц (полипептидов, составляющих белковый комплекс). Функция рибосом – синтез белка в клетке. Рибосомы – это рибонуклеопротеиновые частицы размером примерно до 20 нм. В клетке их может одновременно быть от 5 000 до 90 000. Это самые маленькие и самые многочисленные органоиды прокариот. Большая часть бактериальной РНК расположена именно в рибосомах, кроме того, в их состав входят белки.

Рибосомы отвечают за синтез белков из аминокислот. Процесс протекает по схеме, заложенной в генетической информации РНК. Считается, что эволюция рибосом началась в добелковую эру. Со временем аппарат биосинтеза совершенствовался, но основную функцию в нем продолжает играть РНК. Таким образом, рибосомы – поставщики основного компонента жизнедеятельности белковых форм – сами опираются на РНК, а не на белковую составляющую.

Проблема зарождения жизни на Земле представляет своеобразный парадокс – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), несущая генетическую информацию, не может сама себя размножить, ей нужен некий катализатор, а белки, отличный катализатор, не могут образоваться без ДНК. Возникает парадокс: курицы и яйца или «что было раньше?».