Особенности строения прокариотической клетки

Прокариоты (доядерные) — это одноклеточные организмы, такие как археи, бактерии и сине-зеленые водоросли. У них нет оформленного ядра и мембранных органоидов. В сравнении с эукариотическими клетками они более древние и простые по строению. Органеллы эукариот-митохондрии и пластиды являются потомками прокариотических организмов
Все клетки, в том числе и клетки прокариот, окружены цитоплазматической мембраной. Она представляет собой комплекс, состоящий из белков и липидов. Эта структура имеет многочисленные выпячивания, которые образуют особые мембранные структуры, они называются мезосомы. Цитоплазматическая мембрана изолирует клеточное содержимое от окружающей среды, осуществляет транспорт веществ из клетки и в клетку, воспринимает сигналы из окружающей среды. Таким образом, мембрана обеспечивает поддержание постоянства среды внутри клетки [7].
Прокариотические клетки были открыты учеными Антони ван Левенгуком и Робертом Гуком. К прокариотическим клеткам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и PPLO (организмы, подобные плевропневмонии). Они обычно меньше и размножаются быстрее, чем эукариотические клетки. Они могут различаться по форме и размеру. Они структурно просты и не имеют реального ядра. Нет четко определенного ядра. Генетический материал не окружен ядерной мембраной. Они также содержат рибосомы для синтеза белка и плазматическую мембрану, окружающую клетку. У прокариот часто есть жгутики для движения и пили для прикрепления. Эти клетки могут процветать в различных средах и играть важную роль в различных экологических процессах, включая разложение, фиксацию азота и болезни.
Клеточная стенка у прокариот находится поверх мембраны. Она обладает эластичностью и достаточной прочностью, выдерживает внутриклеточное давление 1-2 МПа. У клеточной стенки есть мелкие поры, через которые транспортируются продукты метаболизма.
У некоторых видов бактерий есть капсула, которая представляет собой дополнительный внешний слой, расположенный над клеточной стенкой. В основном капсула состоит из непрочно связанных полисахаридов и выполняет функцию защиты клетки от высыхания и механических повреждений.
На поверхности бактериальной клетки имеются придатки – ворсинки, стебельки, шипы, жгутики и др., объединенные под общим названием – пили. Они не являются важными для жизни прокариот, и их потеря не приведет к нарушению процесса роста или размножения.
Цитоплазма занимает основной объем клетки и состоит из растворимых белков, рибонуклеиновых кислот, включений, рибосом и генетического аппарата. Ее остальная часть представлена цитозолем. Цитозоль имеет однородную консистенцию и состоит в основном из белковых макромолекул. Ее функция заключается в поддержании среды для клеточных гранул.
Включения прокариотических организмов представлены гранулами различных форм и размеров. Их наличие не рассматривают как обязательный признак микроорганизма. Обычно их присутствие в цитоплазме связанно с физическими и химическими условиями среды обитания. Примерами таких включений могут быть аэросомы, гранулы гликогена или гранулезы, гранулы жира и волютина [10].
По всему пространству клетки разбросаны мелкие рибосомы. Их количество в клетке зависит от интенсивности процессов белкового синтеза и колеблется от 5 до 90 тыс. Прокариотические организмы содержат рибосомы с коэффициентом седиментации 70S. Они состоят из большой 50S субъединицей и малой 30S субъединицей.
У клеток прокариот аналогом ядра является нуклеоид — это не ограниченный мембранами участок цитоплазмы, в котором расположена кольцевая молекула ДНК — «бактериальная хромосома», где хранится весь генетический материал клетки. Также ДНК может хранится в плазмидах. Они представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, обычно несущие несколько генов. В отличие от нуклеоида плазмиды не являются обязательным компонентом прокариотической клетки.

1.2 Особенности строения поверхностного аппарата клетки
Поверхностный аппарат клетки прокариот включает в себя клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану и слизистую капсулу (у некоторых видов бактерий).
Клеточная стенка является одним из главных компонентов бактериальной клетки. Она обладает жесткостью и эластичностью (может изгибаться). Если клеточная стенка микроорганизма разрушается, то остается протопласт. Основным элементом клеточной стенки большинства бактерий служит муреин или пептидогликан, который представлен длинными полисахаридными цепями, соединенными друг с другом короткими пептидными мостиками. Толщина клеточной стенки может быть от 20 до 100 нм.
Бактерии в зависимости от их строения поверхностного аппарата делят на две большие группы — грамположительные (грам+) и грамотрицательные (грам–). Это подразделение основано на восприятии бактериями красителей при окраске по методу Грама, который был разработан датским бактериологом Г. К. Грамом. Окрашивание по Граму напрямую связанно с химическим составом клеточной стенки [8].
У грамположительных бактерий клеточная стенка представляет гомогенный слой толщиной от 20 до 80 нм, который состоит из многослойного пептидогликана, соединенного с вторичными полимерами, такими как тейхоевые и тейхуроновые кислоты. Тейхоевые кислоты – это полимеры, образованные из остатков спирта рибита и глицерина, соединенные фосфатными мостиками. Муреин и тейхоевые кислоты образовывают муреиновый или пептидогликановый мешочек, который покрывает клетку снаружи. Пептидогликан грамположительных бактерий имеет толстый слой и плотно прилегает к цитоплазматической мембране. В клеточной стенке есть поры диаметром 1-6 нм, через которые различные вещества попадают внутрь клетки.
При окраске по Граму толстый слой муреина позволяет удерживать фиолетовый краситель. Последующая промывка препарата спиртом приводит к сужению пор и усилению задержки фиолетового красителя. Обработка контрастным фуксином не повлияет на первоначальную окраску клеток. Грамположительные бактерии окрасятся в сине-фиолетовый цвет.
У клеточной стенки грамотрицательных бактерий есть особенность – наличие наружной мембраны. Она состоит из фосфолипидов, липополисахарида (ЛПС), липопротеина (ЛП) и белков. Липополисахарид содержит в себе три слоя: липид А, который прикрепляет ЛПС к внешней мембране, ядро полисахарида, О-антиген (цепь из повторяющихся олигосахаридов).
Толщина клеточной стенки грамотрицательных бактерий 14-18 нм, она имеет тонкий однослойный пептидогликан, у нее нет тейхоевых кислот. Периплазматическое пространство, которое находится между внешней мембраной и слоем муреина, представляет собой гель, содержащий множество ферментов и транспортных белков. В периплазматическом геле располагается пептидогликановый мешок [3].
Грамотрицательные бактерии при окрашивании по Граму после промывки этиловым спиртом утрачивают фиолетовую окраску, из-за тонкого слоя муреина. При заключительном окрашивании фуксином клетки приобретают красный цвет.
Цитоплазматическая мембрана прокариот – это тонкая мембрана, которая окружает цитоплазму клетки. Она отделяет внутреннюю среду клетки от внешнего окружения, образуя барьер, который препятствует движению веществ внутрь клетки и наружу. Толщина ЦПМ приблизительно составляет 7-8 нм.
Цитоплазматическая мембрана представляет собой двойной слой липидных молекул, в который включены мембранные белки. Характерными представителями липидов, которые содержатся в мембране, являются фосфолипиды. Они представляют собой сложные липиды, в которых содержатся глицерин, жирные кислоты и остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды состоят из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов, поэтому в воде и водных растворах они самостоятельно образуют плоские двойные слои, где гидрофобные слои смотрят друг на друга, а гидрофильные – в водную среду.