Бактерии как прокариотические организмы
Бактерии относятся к прокариотам — клеткам, лишённым оформленного ядра. Их генетический материал представлен кольцевой молекулой ДНК, расположенной непосредственно в цитоплазме в виде нуклеоида. Нуклеоид состоит из двух нитей ДНК, имеющих вид фибрилл, и не связан с гистонами, в отличие от хромосом эукариот.
В клетке бактерий присутствуют только немембранные органоиды, прежде всего рибосомы. Дополнительно могут содержаться плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, несущие дополнительную генетическую информацию, и различные включения (запасные питательные вещества, капли липидов и др.), поддерживающие жизнедеятельность клетки.
Особый элемент строения — мезосомы, представляющие собой впячивания цитоплазматической мембраны. Они увеличивают площадь поверхности мембраны, что важно при отсутствии развитой системы мембранных органоидов. Науку, изучающую бактерии, называют бактериологией.
Клеточная стенка и грам-окраска
Клеточная стенка бактерий построена из муреина (пептидогликана) — полисахаридных цепей, сшитых короткими пептидными мостиками в непрерывную молекулярную сетку. Стенка обеспечивает защиту от механических и химических воздействий, поддерживает форму клетки.
По строению клеточной стенки выделяют грамположительные и грамотрицательные бактерии:
- Грамположительные: толстый слой пептидогликана (до 90–95%), присутствуют тейхоевые и липотейхоевые кислоты, окрашиваются красителем интенсивно.
- Грамотрицательные: тонкий слой пептидогликана (5–10%), много липополисахаридов и белков, имеется периплазматическое пространство с гидролитическими ферментами, окрашиваются слабо.
Размножение и покоящиеся формы
Бактерии размножаются бинарным делением — простым делением надвое. Это деление не равно митозу, поскольку у прокариот отсутствует ядро и не происходит работы с ядерной оболочкой и хромосомами. В лабораторных условиях из одной клетки формируются колонии — совокупность микроорганизмов одной культуры.
При неблагоприятных условиях бактерии образуют покоящиеся формы:
- Эндоспоры — образуются внутри материнской клетки путём неравномерного деления и отшнуровывания протопласта; окружены двумя слоями клеточной стенки, чрезвычайно устойчивы к температуре, излучению и высушиванию.
- Экзоспоры — формируются снаружи путём почкования у бактерий, метаболизирующих метан; устойчивы к высушиванию, но не к высоким температурам.
- Цисты — в состояние цисты превращается вся вегетативная клетка.
- Акинеты — покоящиеся формы цианобактерий с утолщённой оболочкой и запасом питательных веществ и пигментов.
При наступлении благоприятных условий покоящиеся формы оводняются, набухают и прорастают, давая начало активным вегетативным клеткам.
Систематика бактерий
Бактерии классифицируют по нескольким признакам.
По форме клетки:
- Кокки — шаровидные: стафилококки (грозди), диплококки (по два), стрептококки (цепочки).
- Бациллы — палочковидные.
- Вибрионы — изогнутые в виде запятой.
- Спириллы — спирально извитые палочки.
- Спирохеты — сильно извитые, до 10–15 витков.
По числу и расположению жгутиков: монотрихи (один жгутик), лофотрихи (пучок с одной стороны), амфитрихи (пучки с двух сторон), перитрихи (жгутики по всей поверхности). Помимо жгутиков, у бактерий имеются короткие выросты — пили, обеспечивающие прикрепление к субстрату и контакт между клетками.
По типу питания:
- Автотрофы: фотосинтезирующие (цианобактерии) и хемосинтезирующие (серобактерии, железобактерии, водородные, нитрифицирующие).
- Гетеротрофы: сапротрофы (бактерии брожения и гниения) и паразиты (холерный вибрион, столбнячная палочка).
По отношению к кислороду: аэробы нуждаются в кислороде, анаэробы существуют без него.
Передача генетического материала
У бактерий выделяют три способа обмена генетической информацией:
- Конъюгация — однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.
- Трансдукция — перенос ДНК из одной клетки в другую с помощью бактериофага.
- Трансформация — поглощение клеткой свободной молекулы ДНК из окружающей среды.
Значение бактерий и связанные понятия
Бактерии играют роль редуцентов в цепях питания: они разлагают мёртвые органические остатки и экскременты до минеральных веществ, доступных продуцентам. Также бактерии участвуют в фиксации молекулярного азота, в процессах брожения, служат источником антибиотиков и используются в биотехнологии.
Важно различать пробиотики и пребиотики:
- Пробиотики — живые микроорганизмы нормальной микрофлоры кишечника (симбионты), помогающие переваривать пищу.
- Пребиотики — вещества, создающие оптимальные условия для роста полезной микрофлоры; назначаются, в том числе, после курса антибиотиков.
Многие бактерии являются возбудителями опасных заболеваний: туберкулёз, холера, дизентерия, сифилис, столбняк, ботулизм, брюшной тиф. Они поражают дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, половые органы, кости и суставы. На ЕГЭ важно отличать бактериальные заболевания от вирусных: на бактериальную природу часто указывает само название возбудителя (например, кишечная палочка, столбнячная палочка, холерный вибрион).
Ключевые моменты
- Бактерии — прокариоты: нет ядра, есть кольцевая ДНК в виде нуклеоида, рибосомы, плазмиды и мезосомы.
- Клеточная стенка состоит из муреина (пептидогликана); по её строению различают грамположительные и грамотрицательные бактерии.
- Размножение — бинарное деление, не равное митозу из-за отсутствия ядра.
- Покоящиеся формы: эндоспоры, экзоспоры, цисты, акинеты — обеспечивают выживание в неблагоприятных условиях.
- Классификация по форме (кокки, бациллы, вибрионы, спириллы, спирохеты), по жгутикам (моно-, лофо-, амфи-, перитрихи), по питанию и отношению к кислороду.
- Способы переноса ДНК: конъюгация, трансдукция, трансформация.
- Бактерии-редуценты, азотфиксаторы, симбионты человека (пробиотики); пребиотики — вещества, а не организмы.
- Бактериальные болезни: туберкулёз, холера, дизентерия, сифилис, столбняк, ботулизм, брюшной тиф.