Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Введение в микробиологию
Строение клеток
Прокариотические клетки

С помощью электронного микроскопа было установлено, что существуют два существенно различающихся типа клеток. Хотя им свойственны и некоторые общие черты, все же клетки одного типа настолько отличаются от клеток другого типа по структуре и функциям, что целесообразно рассматривать их раздельно. Все известные в настоящее время клетки относятся к первому или второму типу.

Прокариотические клетки не имеют заключенного в мембрану ядра. Прокариоты отличаются относительно небольшими размерами и простотой строения. Обычно они существуют изолированно, вне связи с другими клетками. Линейные размеры этих клеток, которые могут иметь сферическую, палочкообразную или спиральную форму, как правило, составляют от 0,5 до 3 мкм*. Чтобы представить себе эти размеры, полезно сравнить их с размерами других объектов Вселенной. Как показано на рис. 1.1, прокариотическая клетка настолько же меньше человека, насколько человек меньше земного шара или насколько атом водорода меньше клетки. Как мы увидим позднее, эти отношения приобретают большое значение при детальном изучении функций клетки. Объем одной прокариотической клетки составляет около 10^-12 мл, из которых 50—80% приходится на воду. В первом приближении можно считать, что масса одного прокариота составляет 10^-12 г.

* 1 м (метр) = 10³ мм (миллиметров) = 10⁶ мкм (микрометров; ранее также употреблялся термин микрон) = 10⁹ нм (нанометров) = 10¹⁰ А (ангстремов).

Рис. 1.1. Характерные размеры объектов Вселенной. Диапазон размеров представителей живого мира весьма широк. (Из работы: Лёви А., Сикевиц Ф., Структура и функция клетки. — М.: Мир, 1984, с. 45.)

Микроорганизмы этого типа растут очень быстро и широко распространены в природе. Некоторые прокариоты могут удваиваться в размере, массе и числе за 20 мин. Прокариоты, как правило, биохимически универсальны в том смысле, что они могут усваивать самые разнообразные питательные вещества и, более того, способны выбирать наилучшие питательные вещества из имеющейся в среде смеси. Эта особенность прокариот и некоторые другие их свойства, на которых мы остановимся позднее, способствуют тому, что прокариотические клетки могут приспосабливаться к самым различным условиям. Поскольку прокариоты обычно существуют как изолированные одноклеточные организмы, у них практически нет средств контроля окружающей среды. По этой причине проявляемая ими гибкость в выборе питательных веществ необходима для их выживания. Быстрый рост и биохимическая универсальность прокариот делают их незаменимыми в биологических исследованиях и биохимической технологии.

РИС. 1.2. Электронная микрофотография прокариоты Bacillus subłilis. Эта почвенная бактерия, изображенная здесь почти в конце процесса деления, используется в промышленности для производства некоторых биологических катализаторов и антибиотиков. Длина клетки около 2 мкм, ширина 1 мкм. В. subłilis является также важной клеткой-хозяином для рекомбинантных ДНК. (Фотография любезно предоставлена А. Райтер.)

На рис. 1.2 изображены основные структурные элементы прокариотической клетки. Клетка окружена жесткой стенкой толщиной около 200 А. Стенка обеспечивает сохранение клетки как единого целого, что необходимо для ее выживания в меняющихся условиях среды. Непосредственно под стенкой расположена клеточная мембрана, которая обычно имеет толщину около 70 А и по строению не отличается от мембран других клеток. Иногда ее называют плазматической мембраной. Важнейшая функция мембраны заключается в транспорте веществ из клетки в среду и наоборот, причем от мембраны зависит, какие вещества и с какой скоростью будут транспортироваться в клетку и из клетки. Внутри клетки имеется довольно большая, четко не ограниченная область, называемая нуклеоидом, которая играет основную роль в контроле жизненно важных функций клетки. Темные пятнышки неправильной формы внутри клетки изображают рибосомы — центры важнейшего биохимического процесса — белкового синтеза. Цитоплазмой называется жидкость, занимающая весь остальной объем клетки. В прокариотической клетке имеются также светлые, напоминающие пузырьки области, называемые резервными гранулами, их не видно на приведенном рисунке, но можно различить на некоторых других микрофотографиях. Строение и функции перечисленных структурных элементов прокариотической клетки мы рассмотрим более детально позднее, после того как будут изложены необходимые основные положения и объяснены соответствующие термины.

Обладая многими общими структурными и функциональными элементами, различные прокариоты могут в то же время существенно отличаться друг от друга. У сине-зеленых водорослей, например, имеются мембраны, способные улавливать энергию света и использовать ее для фотосинтеза. В этом сложном процессе утилизации солнечной энергии клетки обеспечиваются необходимым для их жизнедеятельности органическим веществом и выделяют в атмосферу кислород.