Прокариотная клетка. Особенности строения прокариотной клетки

Ворсинки

К поверхностным структурам бактериальной клетки относятся  также ворсинки (фимбрии, пили) (см. рис. 2; 6). Их насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч на клетку. Эти структуры не имеют отношения к движению бактерий и обнаружены у подвижных и неподвижных форм. Ворсинки построены из одного вида белка -- пилина -- и представляют собой прямые белковые цилиндры, отходящие от поверхности клетки. Они, как правило, тоньше жгутиков (диаметр -- 5 - 10 нм, длина 0,2 - 2,0 мкм), расположены перитрихиально или полярно. Больше всего сведений имеется о ворсинках Е. coli. У этой бактерии описаны ворсинки общего типа и половые.

Ворсинки общего типа придают  бактериям свойство гидрофобности, обеспечивают их прикрепление к клеткам  растений, грибов и неорганическим частицам, принимают участие в  транспорте метаболитов. Через ворсинки в клетку могут проникать вирусы.

Наиболее хорошо изучены  половые ворсинки, или F-пили, принимающие  участие в половом процессе бактерий. F-пили необходимы клетке-донору для  обеспечения контакта между ней  и реципиентом и в качестве конъюгационного тоннеля, по которому происходит передача ДНК. Ворсинки нельзя считать обязательной клеточной структурой, так как и без них бактерии хорошо растут и размножаются.

Мембраны

Содержимое клетки отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ) -- обязательным структурным элементом любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8 - 15 % сухого вещества клеток. У большинства прокариотных клеток ЦПМ -- единственная мембрана. В клетках фототрофных и ряда хемотрофных прокариот содержатся также мембранные структуры, располагающиеся в цитоплазме и получившие название внутрицитоплазматических мембран. Их происхождение и функции будут рассмотрены ниже.

Химический состав мембран

ЦПМ -- белково-липидный комплекс, в котором белки составляют 50 - 75 %, липиды -- от 15 до 45 %. Кроме того, в составе мембран обнаружено небольшое количество углеводов. Как правило, липиды и белки составляют 95 % и больше вещества мембран.

Главным липидным компонентом  бактериальных мембран являются фосфолипиды -- производные 3-фосфоглицерина. Хотя у прокариот найдено множество различных фосфолипидов, набор их в значительной степени родо- и даже видоспецифичен.

Широко представлены в  бактериальных мембранах различные  гликолипиды. Стерины отсутствуют  у подавляющего большинства прокариот, за исключением представителей группы микоплазм и некоторых бактерий. Так, в ЦПМ Acholeplasma содержится 10 - 30 % холестерина, поглощаемого из внешней среды, от общего содержания мембранных липидов. Из других групп липидов в мембранах прокариот обнаружены каротиноиды, хиноны, углеводороды.

Рис. 12 Структура основных фосфолипидов мембран эубактерий.

R₁ и R₂ -- остатки длинноцепочечных жирных кислот, образующих гидрофобный "хвост" молекулы; R₃ может быть остатком глицерина, его производных, этаноламина, инозита и других соединений. Эта часть составляет гидрофильную "голову" молекулы. Простейшим фосфолипидом является фосфатидная кислота, не имеющая R₃-остатка, связанного с фосфорной кислотой сложноэфирной связью. 1 -- общая структура фосфолипида; 2 -- фосфатидилглицерин; 3 -- дифосфатидилглицерин (кардиолипин); 4 -- фосфатидилинозит; 5 -- фосфатидилэтаноламин; 6 -- фосфатидилсерин.

Все липиды эубактерий -- производные глицерина -- содержат один или несколько остатков жирных кислот, состав которых весьма своеобразен (рис. 12). В основном это насыщенные или мононенасыщенные жирные кислоты с 16 - 18 углеродными атомами. Полиненасыщенные жирные кислоты у эубактерий отсутствуют. Исключение составляют цианобактерии, у разных видов которых найдены полиненасыщенные жирные кислоты типа C 16:2, C 18:2, C 18:3, C 15:4.

Помимо обычных жирных кислот, т. е. обнаруживаемых и в клетках  эукариот, в составе мембранных липидов  эубактерий находят и кислоты, не встречающиеся, как правило, в мембранах эукариот. Это циклопропановые жирные кислоты, содержащие одно или больше трехчленных колец, присоединенных вдоль углеводородной цепи. Другие, редко встречающиеся и обнаруженные практически только у эубактерий кислоты -- это разветвленные жирные кислоты с 15 - 17 углеродными атомами.

Набор жирных кислот в мембранных липидах также чрезвычайно видоспецифичен. У некоторых грамположительных эубактерий C 15-жирная кислота с разветвленной цепью может составлять до 90 % всех жирных кислот липидов. Главная функция липидов -- поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств.

Особый состав липидов  обнаружен в мембранах архебактерий. У них не найдены типичные для эубактерий эфиры глицерина и жирных кислот, но присутствуют эфиры глицерина и высокомолекулярных С 20-, С 40-спиртов, а также нейтральные изопреноидные С 20 - С 30-углеводороды.

На долю белков приходится больше половины сухой массы мембран. К мембранам с наиболее высоким  содержанием белка относятся  бактериальные ЦПМ. При изучении их белкового состава не было обнаружено какого-либо универсального структурного белка. ЦПМ Escherichia coli содержит 27 основных и множество минорных белков, но ни один из основных белков не присутствует в преобладающих количествах. Поскольку ЦПМ прокариот многофункциональна и участвует в осуществлении разнообразных ферментативных процессов, был сделан вывод, что мембранные белки -- это, как правило, ферменты. По аминокислотному составу мембранные белки не отличаются от других клеточных белков, за исключением того, что в них содержится мало (иногда следы) цистеина.

В некоторых бактериальных  мембранах в значительных количествах  обнаружены углеводы. По-видимому, они  содержатся не в свободном состоянии, а входят в состав гликолипидов и  гликопротеинов.

Структура мембран

Мембранные липиды всех эубактерий и части архебактерий образуют бислои, в которых гидрофильные "головы" молекул обращены наружу, а гидрофобные "хвосты" погружены в толщу мембраны (рис. 13).

Углеводородные цепи, прилегающие  к гидрофильным "головам", довольно жестко фиксированы, а более удаленные  части "хвостов" обладают достаточной  гибкостью. У некоторых архебактерий (ряд метаногенов, термоацидофилы) мембранные липиды, в состав которых входит C 40-спирт, формируют монослойную мембрану, по толщине равную бислойной. Монослойные липидные мембраны обладают большей жесткостью сравнительно с бислойной. При "биологических" температурах мембранные липиды находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии, характеризующемся частичной упорядоченностью структуры. При понижении температуры они переходят в квазикристаллическое состояние. Чем более не насыщены и разветвлены остатки жирных кислот или чем большее число циклических группировок они содержат, тем ниже температура перехода из жидкостно-кристаллического состояния в квазикристаллическое.

«Жидкая» структура мембран  обеспечивает определенную свободу  молекул белков, что является необходимым  для осуществления процессов  транспорта электронов и веществ  через мембрану. Это же свойство обусловливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются  друг с другом, растягиваются и  сжимаются.

Модель строения элементарной биологической мембраны

1 -- молекулы липидов: а  -- гидрофильная "голова"; б -- гидрофобный  «хвост»; 2 -- молекулы белков: в -- интегральная; г -- периферическая; д  -- поверхностная.

В отличие от липидов у  мембранных белков нет единого способа  структурной организации. 30 - 50 % белка  имеет конфигурацию a-спирали, остальная  часть находится преимущественно  в виде беспорядочного клубка. Вероятно, часть белков лишена ферментативной активности и участвует только в  поддержании мембранной структуры. В то же время доказано, что для  осуществления белками некоторых  функций необходима их строго упорядоченная  взаимная организация в мембране.

В зависимости от расположения в мембране и характера связи  с липидным слоем мембранные белки  условно можно разделить на три  группы: интегральные, периферические и поверхностные (см. рис. 13). Интегральные белки полностью погружены в  мембрану, а иногда пронизывают ее насквозь. Связь интегральных белков с мембранными липидами очень  прочна и определяется главным образом  гидрофобными взаимодействиями. Периферические белки частично погружены в гидрофобную  область, а поверхностные находятся  вне ее. В первом случае связь  с липидами в основном, а во втором -- исключительно определяется электростатическими взаимодействиями. Помимо этого некоторые белки и липиды в мембране могут быть связаны ковалентно.

Предложено несколько  моделей строения мембраны. Наибольшее признание получила модель, учитывающая большинство данных, известных о мембранах, согласно которой в липидную основу включены асимметрично расположенные белковые молекулы (см. рис. 13). Некоторые из них образуют скопления на поверхностях липидного би- или монослоя, другие частично или полностью погружены в него, третьи пронизывают его насквозь. В модели подчеркнута асимметрия строения мембраны, основанная на различиях в химическом строении и расположении молекул белка.

Функции ЦПМ прокариот

ЦПМ прокариот выполняет  разнообразные функции, в основном обеспечиваемые локализованными в  ней соответствующими ферментными  белками. Первоначально была постулирована  барьерная функция клеточной  мембраны, получившая позднее экспериментальное  подтверждение. С помощью специальных  переносчиков, называемых транслоказами, через мембрану осуществляется избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов. В ней локализованы ферменты, катализирующие конечные этапы синтеза мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и некоторых других веществ.

Общепризнана роль ЦПМ  прокариот в превращениях клеточной  энергии. У бактерий, источником энергии  для которых служат процессы дыхания  или фотосинтеза, в ЦПМ определенным образом расположены переносчики  цепи электронного транспорта, функционирование которых приводит к генерированию  электрохимической энергии (Dm_H⁺), используемой затем в клетке по разным каналам, в том числе и для образования химической энергии (АТФ). ЦПМ является одним из компонентов аппарата генерирования Dm_H⁺. В мембране расположены также ферментные комплексы, обеспечивающие превращения: Dm_H⁺ ® АТФ. ЦПМ принимает участие в репликации и последующем разделении хромосомы прокариотной клетки.

В последнее время выявляется еще одна функциональная грань клеточных  мембран -- их интегрирующая роль в организме, вполне сочетающаяся с давно установленной разъединяющей (барьерной) функцией.

Клетка -- единое целое. В обеспечении этого принципа клеточной организации важная роль принадлежит мембранам. Показан перенос электрохимической энергии и электронов вдоль мембран. Последние рассматриваются так же как возможные пути транспорта жирорастворимых субстратов и молекулярного кислорода.

ЦПМ является основным барьером, обеспечивающим избирательное поступление  в клетку и выход из нее разнообразных  веществ и ионов. Осуществляется это с использованием разных механизмов мембранного транспорта.

Выделяют 4 типа транспортных систем, с участием которых происходит проникновение молекул в бактериальную  клетку: пассивную диффузию, облегченную  диффузию, активный транспорт и перенос  химически модифицированных молекул.

У грамположительных форм ЦПМ является и единственным барьером такого рода, у грамотрицательных  эубактерий функции дополнительного барьера (молекулярного "сита") выполняет наружная мембрана клеточной стенки, через которую молекулы транспортируются только по механизму пассивной диффузии.

Молекулы воды, некоторых  газов (например O₂, H₂, N₂) и углеводородов, концентрации которых во внешней среде выше, чем в клетке, проходят через ЦПМ внутрь клетки посредством пассивной диффузии. Движущей силой этого процесса служит градиент концентрации вещества по обе стороны мембраны. Основным соединением, поступающим в клетку и покидающим ее таким путем, является вода. Движение воды через мембрану, подчиняющееся законам пассивной диффузии, привело к выводу о существовании в мембране пор. Эти поры пока не удалось увидеть в электронный микроскоп, но некоторые данные о них были получены косвенными методами. Расчетным путем установлено, что поры должны быть очень мелкими и занимать небольшую часть поверхности ЦПМ. Высказывается предположение, что они не являются стабильными структурными образованиями, а возникают в результате временных перестроек молекулярной организации мембраны.

Большинство (если не все) гидрофильных веществ поступает в клетку за счет функционирования систем, в состав которых входят специальные переносчики (транслоказы, или пермеазы), так как скорость физической диффузии этих веществ через гидрофобный слой мембраны очень невелика. Переносчики -- вещества белковой природы, локализованные в мембране и характеризующиеся высокой субстратной специфичностью, -- связываясь с субстратом, подвергаются конформационным изменениям и вследствие этого приобретают способность к перемещению субстрата с одной стороны ЦПМ на другую.

Известен механизм транспорта, получивший название облегченной диффузии, требующий для переноса веществ  через мембрану участия транслоказ. Перенос веществ в этом случае происходит по градиенту их концентрации и не требует энергетических затрат. Этот механизм транспорта не получил широкого распространения у прокариот.

Основным механизмом избирательного переноса веществ через ЦПМ прокариот  является активный транспорт, позволяющий "накачивать" в клетку молекулы и ионы против их концентрационных и электрических градиентов. Этот процесс, так же как и облегченная  диффузия, протекает при участии  локализованных в ЦПМ переносчиков белковой природы с высокой специфичностью к субстрату, но в отличие от облегченной  диффузии для движения против электрохимического градиента требует затрат метаболической энергии. Транспорт такого рода должен быть, поэтому сопряжен с реакциями, продуцирующими энергию в химической или электрохимической форме.