Цитоплазматическая мембрана, её строение, функции и свойства

Функции цпм бактерий

Отдел бактерии насчитывает 3 тыс. видов. Это прокариотные организмы, преимущественно одноклеточные, иногда нитчатые. Обычно не окрашены и не имеют клеточного ядра.

Размеры бактерий от 0.1-0.5 мкм до нескольких десятков микрометров.

В бактериальной клетке нет покрытых мембранами органелл.

Размножаются вегетативно поперечным делением клетки или спорами. У некоторых бактерий известен половой процесс.

В зависимости от формы клетки бактерий носят разные названия: кокки, бациллы, вибрионы, спириллы.

По характеру питания бактерии бывают и автотрофами и гетеротрофами. А по характеру дыхания делятся на две группы: аэробные и анаэробные.

Бактерии чрезвычайно широко распространены в природе. Они занимают все основные среды жизни. Нет их только в кратерах действующих вулканов и в эпицентре ядерных взрывов.

Бактерии вызывают целый ряд заболеваний человека и животных (чума, холера, сибирская язва, ботулизм). Некоторые бактерии патогенны и для растений.

Строение и химический состав бактериальной клетки

Клетки бактерий имеют плотную оболочку, в состав которой входят аминосахара и аминокислоты. Клеточная оболочка (стенка) представляет собой поверхностный слой бактериальной клетки, толщиной 0.01-0.04 мкм, расположенный снаружи от цитоплазматической мембраны.

Функции клеточной стенки:

  • Защитная
  • Опорная
  • Придание клетке характерной формы (палочки, кокки)
  • Поддержание осмотического давления внутри клетки (это обстоятельство роднит бактериальную и растительную клетку)

Основной структурный компонент клеточной стенки — муреин (гликопептид, мукопептид).

В 1884 году Кристиан Грамм предложил особый способ окраски бактериальной клетки, с помощью которого бактерии могут быть разделены на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различен.

У грамположительных бактерий, кроме муреина, в состав клеток входят еще полисахариды и тейхоевые кислоты (сложные по составу и структуре соединения, состоящие из сахаров, спиртов, аминокислот и фосфорной кислоты).

Строение клеточных стенок у грамотрицательных бактерий в целом сложнее, чем у грамположительных. В частности, в них меньше муреина и содержится значительное количество липидов (жиров), связанных с белками и сахарами в сложные комплексы — липопротеиды и липополисахариды. Структура клеточных стенок грамотрицательных бактерий тоже сложна. Стенки грамотрицательных бактерий многослойные. Внутренний слой состоит из муреина. Затем располагается слой из неплотно упакованных молекул белка. Этот слой покрыт в свою очередь слоем липополисахаридов. Самый верхний слой содержит липопротеиды.

Клеточная стенка проницаема для питательных веществ, которые поступают в клетку, и продуктов обмена, которые выходят в окружающую среду.

Поверх клеточной стенки у многих бактерий образуются слизистые капсулы, состоящие из гидратированных полисахаридов. В центральной части бактериальной клетки локализовано ядерное вещество (ДНК).

Цитоплазма молодых бактериальных клеток гомогенна, у старых клеток она сильно гранулирована и имеет небольшие вакуоли. Гранулы представляют собой запасные вещества — крахмал, жир, гликоген, волютин и др. Все содержимое клетки, за исключением ядра и клеточной мембраны, погружены в цитоплазму. Жидкая, бесструктурная часть цитоплазмы (матрикс, гиалоплазма) содержит основные клеточные органеллы: рибосомы, митохондрии, пластиды. Цитоплазма окружена цитоплазматической мембраной, которая у бактерий представляет липопротеидный слой. Цитоплазматическая мембрана выполняет ряд важных функций. Во-первых, она регулирует поступление веществ в клетку и выделение наружу продуктов обмена. Во-вторых, в мембране происходит синтез некоторых компонентов клеточной стенки и капсулы. И, в третьих, в цитоплазматической мембране находятся важнейшие ферменты. Кроме того, с цитоплазматической мембраной связаны рибосомы, осуществляющие синтез белка в клетке. Между цитоплазматической мембраной и клеточной стенкой существует связь в виде десмозов — мостиков. Цитоплазматическая мембрана у бактерий дает многочисленные впячивания (инвагинации), которые образуют особые мембранные структуры — мезосомы. Мезосомы выполняют у бактерий различные функции — они могут служить митохондриями, выполнять функции эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи. Кроме того, мезосомы выполняют функции пластид и осуществляют процесс фотосинтеза.

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.

Основные функции

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

Читайте также:  Лейкоз коров – это опасно ; Ставрополь-на-Волге; новости Ставропольского района Самарской области

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.

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.

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:

  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.

Читайте также:  Первая помощь при инсульте как действовать правильно

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.

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).

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.

КОРИНЕБАКТЕРИИ: ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Полный текст:

  • Аннотация
  • Об авторах
  • Список литературы
  • Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы

1. Заболотных М.В., Колычев Н.М., Трофимов И.Г. Фенотипические формы Соrуnе-bacterium pseudotuberculosis и их основные свойства. Современные проблемы науки и образования. 2012, 4: 72-76.

2. Лабинская А.С., Костюкова Н.Н. Руководство по медицинской микробиологии. Оппортунистические инфекции: возбудители и этиологическая диагностика. М., Медицина, 2013.

3. Alatoom А.А., Cazanave C.J., Cunningham S.A. et al. Identification of non-diphtheriae Corynebacterium by use of matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. J. Clin. Microbiol. 2012, 50: 160-163.

4. Alderwick L.J., Radmacher E., Seidel M. et al. Deletion of Cg-emb in corynebacterianeae leads to a novel truncated cell wall arabinogalactan, whereas inactivation of Cg-ubiA results in an arabinan-deficient mutant with a cell wall galactan core. J. Biol. Chem. 2005, 280 (37): 32362-32371.

5. Anantharaman V, Aravind L. Evolutionary history, structural features and biochemical diversity of the NlpC/P60 superfamily of enzymes. Genome Biology. 2003, 4 (2): 11.

6. Barocchi M.A., Ries J., Zogaj X. et al. A pneumococcal pilus influences virulence and host inflammatory responses. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006, 103 (8): 2857-2862.

7. Bernard K.A., Funke G. Corynebacterium. Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (Electronic resource) Ed. by William B. Whitman. New York, John Wiley & Sons, Ltd, Published Online: 18 mar. 2015. Mode of access: http://onlinelibrary.wiley.com/ doi/10.1002/9781118960608. gbm 00026/full. doi: 10.1002/9781118960608. gbm 00026 (24.04.2015).

8. Bernard K.A. The genus Corynebacterium and other medically relevant coryneform-like bacteria. J. Clin. Microbiol. 2012, 50 (10): 3152-3158.

9. Brown J.M., Frazier R.P., Morey R.E. et al. Phenotypic and genetic characterization of clinical isolates of CDC coryneform group A-3: proposal of a new species of Cellulomonas, Cellulomonas denverensis sp. nov. J. Clin. Microbiol. 2005, 43 (4): 1732-1737.

10. Burkovski A. Cell envelope of Corynebacteria: structure and influence on pathogenicity. ISRN Microbiol. 2013. http://dx.doi.org/10.1155/2013/935736.

11. Cerdeno-Tarraga A.M., Efstratiou A., Dover L.G. et al. The complete genome sequence and analysis of Corynebacterium diphtheriae NCTC13129. Nucleic. Acids. Res. 2003, 31 (22): 6516-6523.

12. Costa-Riu N., Burkovski A., Kramer R. et al. PorA represents the major cell wall channel of the gram-positive bacterium Corynebacterium glutamicum. J. Bacteriol. 2003,185 (16): 4779-4786.

13. Daffe M. The cell envelope of corynebacteria. In: Eggeling L., Bott M. (ed.). Handbook of Corynebacterium glutamicum. Boca Raton, Fla, USA, Taylor &Francis, 2005.

14. Domer U., Schifller B. et al. Identification of a cell-wall channel in the corynemycolic acid-free Gram-positive bacterium Corynebacterium amycolatum. International Microbiology. 2009, 12(1): 29-38.

15. Dramsi S., Trieu-Cuot Bieme P.H. Sorting sortases: a nomenclature proposal for the various sortases of Grampositive bacteria. Res. Microbiol. 2005, 156 (3): 289-297.

16. Eggeling L., Gurdyal S.B., Alderwick L. Structure and synthesis of the cell wall. In: Corynebacteria. A. Burkovski (ed.). Caister Academic Press, Norfolk, UK, 2008, P. 267-294.

Читайте также:  Список Лучших Витаминов для Детей - Рейтинг (Топ-9)

17. Funke G., von Graevenitz A., Clarridge J.E. Clinical microbiology of coryneform bacteria. Clin. Microbiol. Rev. 1997, 10 (1): 125-159.

18. Gande R., Dover L.G., Krumbach K. The two carboxylases of Corynebacterium glutamicum essential for fatty acid and mycolic acid synthesis. J. Bacteriol. 2007, 189 (14): 5257-5264.

19. Gebhardt H., Meniche X., Tropis M. The key role of the mycolic acid content in the functionality of the cell wall permeability barrier in Corynebacteriaceae. Microbiol. 2007, 153 (5): 1424-1434.

20. Hansmeier N., Chao T.C., Kalinowski J. et al. Mapping and comprehensive analysis of the extracellular and cell surface proteome of the human pathogen Corynebacterium diphtheriae. Proteomics. 2006, 6 (8): 2465-2476.

21. Hiinten P, Costa-Riu N., Palm D. et al. Identification and characterization of PorH, a new cell wall channel of Corynebacterium glutamicum. Biochimica et Biophysica Acta. Biomembranes. 2005, 1715 (1): 25-36.

22. KhamisA., Raoult D., B.LaScola. rpoB gene sequencing for identification of Corynebacterium species. J. Clin. Microbiol. 2004, 42 (9): 3925-3931.

23. KuamazawaN., YanagawaR. Chemical properties of the pili of Corynebacterium renale. Infect. Immun. 1972, 5 (1): 27-30.

24. MandlikA., Swierczynski A. Pili in gram-positive bacteria: assembly, involvement in colonization and biofilm development. Trends Microbiol. 2008, 16 (1): 33-40.

25. Marienfeld S., Uhlemann E.M., Schmid R. et al. Ultrastructure of the Corynebacterium glutamicum cell wal. Antonie van Leeuwenhoek. 1997, 72 (4): 291-297.

26. Mattos-Guaraldi A.L., Formiga L.C.D., Pereira G.A. Cell surface components and adhesion in Corynebacterium diphtheria. Microbes Infect. 2000, 2 (12): 1507-1512.

27. Mishra A.K., Krumbach K., Rittmann D. Lipoarabinomannanbiosynthesis in Corynebacteria-ceae: the interplay of two a(l-2)-mannopyranosyltransferases MptC and MptD in mannan branching. Mol. Microbiol. 2011, 80 (5): 1241-1259.

28. Mishra A.K., Das A., Cisar J.O. Sortase catalyzed assembly of distinct heteromeric fimbriae in Actinomyces naeslundii. J. Bacteriol. 2007, 189: 3156-3165.

29. Moreira L.O., Mattos-Guaraldi A.L., Andrade A.F.B. et al. Novel lipoarabinomannan-like lipoglycan (CdiLAM) contributes to the adherence of Corynebacterium diphtheriae to epithelial cells. Arch Microbiol. 2008, 19 (5): 521-530.

30. Niederweis M., Danilchanka O., Huff J. et al. Mycobacterial outer membranes: in search of proteins. Trends Microbiol. 2010, 18 (3): 109-116.

31. Ott L., Holler M. et al. Corynebacterium diphtheriae invasion-associated protein (DIP1281) is involved in cell surface organization, adhesion and internalization in epithelial cells. BMC Microbiology. 2010, 10 (1): 2-10.

32. Ott L., Holler M., Rheinlaender J. et al. Strain-specific differences in pili formation and the interaction of Corynebacterium diphtheriae with host cells. [Electronic resource], BMC Microbiology. 2010, Vol.10. Article 257. Mode of access: doi:10.1186/1471-2180-10-257. — 14.03.15.

33. Paviour S., Musaad S., Roberts S. et al. Corynebacterium species isolated from patients with mastitis. Clin. Infect. Dis. 2002, 35 (11): 1434-1440.

34. Radmacher E., Alderwick J., Besra G.S. Two functional FAS-I type fatty acid synthesis in Corynebacterium glutamicum. Microbiology. 2005, 151 (7): 2421-2427.

35. Rheinlaender J., GrabnerA., Ott L. et al. Contour and persistence length of Corynebacterium diphtheriae pili by atomic force microscopy. Eur. Biophys. Journal. 2012, 41 (6): 561-570.

36. Sabbadini P.S., Assis M.C., Trost E. Corynebacterium diphtheriae 67-72p hemagglutinin, characterized as the protein DIP0733, contributes to invasion and induction of apoptosis in Hep-2 cells. Microbial Pathogenesis. 2012, 52 (3): 165-176.

37. Ton-That H., Schneewind O. Assembly of pili in Gram-positive bacteria. Trends Microbiol. 2004, 12 (5): 228-234.

38. Ton-That H., Schneewind O. Assembly of pili on the surface of Corynebacterium diphtheriae. Mol. Microbiol. 2003, 50 (4): 1429-1438.

39. Tsuge Y., Ogino H., Teramoto H. et al. Deletion of cgR_1596 and cgR_2070, encoding NlpC/ P60 proteins, causes a defect in cell separation in Corynebacterium glutamicum. J. Bacteriol. 2008, 190 (24): 8204-8214.

40. Yang Y., Shi F., Tao G. et al. Purification and structure analysis of mycolic acids in Corynebacterium glutamicum. J. Bacteriol. 2012, 50 (2): 235-240.

Для цитирования:

Харсеева Г.Г., Воронина Н.А. КОРИНЕБАКТЕРИИ: ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2017;(1):107-114. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2017-1-107-114

For citation:

Kharseeva G.G., Voronina N.A. CORYNEBACTERIUM: FEATURES OF THE STRUCTURE OF THE BACTERIAL CELL. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2017;(1):107-114. (In Russ.) https://doi.org/10.36233/0372-9311-2017-1-107-114


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Ссылка на основную публикацию
ЦИСТЕНИУМ порошок — инструкция по применению, дозировки, аналоги, противопоказания — Здоровье
Цистениум Содержание Группы Состав Фармакологическое действие Действие на организм Свойства компонентов Рекомендуется Противопоказания Способ применения и дозы Форма выпуска Производитель...
Циклофоцил (Cyclophosphamide) — инструкция по применению, состав, аналоги препарата, дозировки, побо
Циклофосфан-ЛЭНС ® быстрорастворимый (Cyclophosphan-LANS rapid dissolution) Действующее вещество: Содержание Состав и форма выпуска Способ применения и дозы Условия хранения препарата...
Цикорий (растение) — польза и вред цикория, полезные свойства и применение цикория при беременности
Цикорий: лечебные свойства и противопоказания к применению О цикории многие знают как о заменителе кофе. Но этим возможности его применения...
Цистит Медицинский центр «Президент-Мед»
"Гармония" Клиника мужского и женского здоровья Симптомы Причины Диагностика Лечение Профилактика Наши врачи Заболевание под названием цистит возникает, когда воспаляется...
Adblock detector