No Image

Самые маленькие размеры имеют

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
21 января 2020

Клеткам присуща еще одна важная структурная особенность – все они относительно малы (иначе и не может быть). Обычно в лабораторных условиях химические реакции проводят в сосудах, объем которых составляет десятки миллилитров или даже литры. Содержимое таких реакционных сосудов должно постоянно тщательно перемешиваться, с тем чтобы скорость реакции не лимитировалась скоростью диффузии реагирующих молекул. В живых же клетках биохимические реакции протекают в компартментах («отсеках») микроскопически малого объема. Например, объем клетки бактерии Escherichia coli составляет всего лишь миллилитра (мл).

Для того чтобы ясно представить себе, какое значение имеет величина клетки с точки зрения химических аспектов ее жизнедеятельности, необходимо сначала познакомиться с размерами биомолекул и клеток. Как указано в табл. 2-1, в качестве единиц длины при определении размеров клеток и их компонентов в настоящее время используются нанометр (нм) и микрометр (мкм). Хотя старые единицы, такие, как ангстрем или микрон, применяются все реже, их также следует знать. Чтобы читатель имел приблизительное представление о величине клеток, в табл. 2-2 приведены размеры некоторых наиболее важных биологических структур и, в частности, небольших биомолекул (аланина и глюкозы), макромолекул (трех белков и липида), надмолекулярных систем (рибосом и вирусов), клеточных органелл (митохондрий и хлоропластов), бактерии и печеночной клетки.

Таблица 2-1. Международная система единиц

Таблица 2-2. Размеры некоторых биологических структур

Многие бактериальные клетки достигают в длину 2 мкм, а большинство клеток высших животных – 20 или 30 мкм.

Может возникнуть вопрос – почему живые клетки имеют именно такие размеры? Почему нет клеток, которые были бы значительно меньше или значительно больше известных нам клеток? Оказывается, для этого есть важные причины. Самая маленькая жизнеспособная клетка – микроорганизм Mycoplasma – не может быть намного меньше, чем она есть, просто из-за того, что молекулы, из которых она построена, имеют фиксированную величину, задаваемую размерами атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Для обеспечения жизнедеятельности клетки необходимо, чтобы она содержала хотя бы минимальное число различных биомолекул. Поэтому, если бы клетки были меньше, они должны были быть построены из более мелких атомов или молекул.

С другой стороны, клетки, вероятно, не могут быть намного больше, чем они есть, просто потому, что в этом случае скорости метаболических процессов могли бы лимитироваться скоростью диффузии молекул питательных веществ внутри клетки, что ограничило бы возможности регуляции метаболизма.

Максимальные размеры клеток зависят, таким образом, от основных законов физики, определяющих скорость диффузии молекул, растворенных в водной среде. Действительно, в наиболее крупных клетках цитоплазма разделена на структуры меньших размеров, клеточные органеллы, в значительной мере для того, чтобы облегчить возможность быстрых взаимодействий между специфическими молекулами за счет сокращения пути, который они преодолевают, прежде чем сталкиваются и вступают в реакцию друг с другом. Вполне понятно, что одна из причин, по которой клетки имеют малые размеры, состоит в том, что им приходится обходиться без электрических или механических перемешивающих устройств. Другая причина связана с существованием оптимального соотношения между поверхностью и объемом клеток. Благодаря тому что площадь поверхности клетки относительно велика по сравнению с ее объемом, в клетку проникает большее число молекул питательных веществ в единицу времени. В результате несложных вычислений можно убедиться в том, что с увеличением диаметра сферы отношение площади ее поверхности к объему резко снижается. (Попробуйте сами рассчитать отношения поверхности к объему для сфер диаметром 1, 10 и 100 мкм. Площадь поверхности сферы равна а ее объем – , где – радиус, а равно 3,14.)

Читайте также:  Рисунок розы черной ручкой

05 февраля 2019

  • 903
  • 0,8
  • 1

Наноархея Nanoarchaeum equitans достигает 350–500 нм в диаметре и паразитирует на другой архее — Ignicoccus hospitalis, имеющей «нормальные» размеры. Слева — электронные микрофотографии клетки I. hospitalis в окружении клеток N. equitans (сканирующая и просвечивающая электронные микроскопии). Справа — снимок с конфокального микроскопа, клетки N. equitans окрашены красным, I. hospitalisзеленым.

Автор
Редактор

Стоило микробиологам смириться с тем, что некоторые вирусы, например, мимивирусы, по размерам превосходят многих бактерий, как выяснилось, что существует огромное количество бактерий и архей, которые столь малы, что могут проходить через фильтры с порами диаметром менее 0,45 мкм (450 нм), считавшиеся ранее непроницаемыми для клеток. Где же обитают эти загадочные пигмеи микробного мира, и каковы особенности их физиологии?

Хотя существование очень маленьких микробов было установлено еще в 1952 году, фильтрация через мембрану с порами диаметром 450 нм долгое время оставалась стандартным методом очистки водных образцов от клеток. Пропущенная через такой фильтр вода считалась пригодной для длительного хранения, а пропущенная через фильтр с порами диаметром 220 нм — стерильной. Однако впоследствии исследователи, следившие за концентрацией радиоактивно-меченной глюкозы, аминокислот и фосфатов в такой воде, показали, что эти вещества метаболизируются какими-то очень маленькими клетками, которые проникли сквозь фильтры. Такие маленькие микроорганизмы назвали ультрамикробактериями, или нанобактериями, (если они относятся к домену бактерий) и наноархеями (если они относятся к археям). Как показали многочисленные исследования, эти мельчайшие живые организмы во многом отличаются от клеток «обычных» микробов [1].

Кто же они, эти мельчайшие микроорганизмы?

Действительно ли эти крохотные клетки представляют собой самостоятельные виды? Может, это особые стадии жизненных циклов микробов «нормальных» размеров?

Пока что известно, что клетки некоторых бактерий при определенных условиях действительно сильно мельчают. Речь идет об условиях недостатка питательных веществ. Дело в том, что при уменьшении размера клетки отношение площади ее поверхности к объему увеличивается, поэтому она эффективнее удовлетворяет свои потребности в питательных веществах, впитываемых из окружающей среды. По этой причине многие микроорганизмы мельчают, когда жизнь становится тяжелой. Например, клетки Staphylococcus aureus при недостатке питательных веществ уменьшаются почти на 40%, а бактерии Pseudomonas syringae могут становиться вполовину меньше при неблагоприятных условиях.

В то же время некоторые микробы, имеющие весьма скромные размеры в природе, разрастаются на благодатных лабораторных средах. Например, пелагическая (то есть обитающая в толще океана) бактерия Sphignomonas alaskensis в естественной среде обитания достигает 0,2–0,5 мкм в диаметре и 0,5–3 мкм в длину, а в лаборатории ее клетки увеличиваются до 0,8 мкм в диаметре и 2–3 мкм в длину.

Читайте также:  Прокладка под варочную поверхность

Интересно, что некоторые микроорганизмы, хотя и превышают 220 или 450 нм в диаметре, каким-то образом ухитряются протискиваться через поры фильтра. Как правило, это микробы, лишенные плотной клеточной стенки.

Наконец следует признать, что действительно существуют виды бактерий и архей, размеры клеток которых в любых условиях не превышают 50–400 нм в диаметре (около 0,1 мкм 3 в объеме), и именно этих микробов мы рассмотрим подробно.

Особенности физиологии и образа жизни клеток-пигмеев

Многие наномикробы ведут симбиотический образ жизни, а иногда даже паразитируют на других микроорганизмах. Так как часть необходимых для жизни соединений они получают от симбионта или хозяина, многие гены нанобактерий, отвечающие за различные метаболические процессы, становятся ненужными и утрачиваются. Так, в 2002 году был описан случай паразитирования одного вида архей, Nanoarchaeum equitans, на археях другого вида — Ignicoccus hospitalis [2]. Геном N. equitans содержит всего лишь полмиллиона пар оснований, и эта архея не может существовать без своего хозяина, а вот клеткам I. hospitalis, похоже, нахлебник и не причиняет вреда, и не приносит пользы (рис. 1).

Рисунок 1. Наноархея Nanoarchaeum equitans (маленькие шарики) паразитирует на архее Ignicoccus hospitalis (большие шары). Фотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа. На некоторых изображениях видны мембранные контакты клеток.

Более сложные паразитические отношения сложились у бактерии Actinomyces odontolyticus subsp. actinosynbacter XN00, обитающей в полости рта человека, с маленькой бактерией, обозначаемой TM7x (ее относят к предполагаемому отделу Saccharibacteria). Клетки TM7x имеют сферическую форму 200–300 нм в диаметре, а геном этой бактерии включает всего лишь 0,705 миллиона пар оснований. В нормальных условиях TM7x просто прикрепляется к клеткам A. odontolyticus subsp. actinosynbacter XN00 и получает от них некую долю аминокислот, которые сама не может синтезировать. Однако в условиях голодания TM7x становится паразитом, буквально высасывает все соки из своего хозяина и убивает его. Но оказалось, что TM7x в нормальных условиях приносит своему хозяину и пользу, подавляя активность атакующих его макрофагов ротовой полости [3].

Свободноживущие наномикроорганизмы удалось найти в самых разных местообитаниях. Многие из них были обнаружены с помощью метагеномики, то есть секвенирования всех молекул ДНК, содержащихся в образце из окружающей среды. Многие из собранных таким образом геномов имеют крайне малые размеры, что свидетельствует об их вероятной принадлежности очень маленьким микроорганизмам. Изучение микробов в их естественной среде обитания, без культивирования, также возможно с помощью проточной цитометрии [4] и флуоресцентной гибридизации in situ (FISH). С помощью FISH можно флуоресцентно метить организмы с определенными последовательностями рРНК и, следовательно, относящиеся к одной таксономической группе, а затем отделять флуоресцирующие клетки с помощью цитометра. Такой подход позволил, например, описать кладу ультрамикробактерий, обозначаемую как LD12, которая обитает в пресной воде.

Читайте также:  Радиаторы отопления биметаллические рифар монолит 350 характеристики

Рисунок 2. Клетка археи группы ARMAN

Особую группу архей, известную как ARMAN (от Archaeal Richmond Mine Acidophilic Nanoorganism, ацидофильные наноархеи Ричмондских рудников), обнаружили в образце кислых шахтных вод (рис. 2). Криоэлектронная микроскопия [5] показала, что эти микробы представляют собой клетки объемом всего лишь 0,03 мкм 3 , однако с четко выраженными клеточными стенками.

Некоторых наномикробов даже удалось вырастить в культуре. Бактерию Ca. Pelagibacter ubique удалось вырастить на нестандартной среде, состоящей из метионина, глицина, пирувата и искусственной морской воды (рис. 3) [1]. Выяснилось, что в условиях недостатка глицина эта бактерия может потреблять гликолат, который превращает в глицин, а глицин, в свою очередь, использует для биосинтеза серина. Вероятно, способность превращать гликолат в глицин возникла в ходе эволюции в ответ на избыток гликолата, который появляется в фикопланктоне в условиях углеродного голодания.

Рисунок 3. Клетка Ca. Pelagibacter ubique под электронным микроскопом

Некоторые ультрамикробактерии освоили бедные кислородом пелагические воды. Так, с помощью проточной цитометрии выделили группу бактерий SUP05, способных метаболизировать серу и, по-видимому, играющих важную роль в круговороте углерода, серы и азота.

Наномикробы приспособились даже к условиям торфяных болот, где, хотя и нет недостатка в органическом углероде, очень мало минеральных веществ. Например, в сфагновом болоте на севере России удалось выделить множество видов нанобактерий и наноархей из самых разных систематических групп.

Мельчайшие микроорганизмы сумели освоить даже льды Гренландии, размножаясь при отрицательных температурах и крайне низких концентрациях питательных веществ. Живые клетки были обнаружены даже в образце гренландского льда возрастом 120 тысяч лет! Примечательно, что, помимо бактерий и архей, в образцах льда найдены даже споры грибов.

В 2015 году представители трех предполагаемых отделов бактерий (WWE3, OD11 и OP1) были найдены в окрестностях реки Колорадо — в подземных водах, расположенных на глубине нескольких метров от поверхности [6]. С помощью криоэлектронной микроскопии у них удалось идентифицировать пили, клеточные стенки и даже пронаблюдать клеточное деление и заражение вирусами. Последующий метагеномный анализ показал, что у этих бактерий имеется фермент Рубиско (рибулозобисфосфаткарбоксилаза), с помощью которого растения фиксируют углекислый газ и в цикле Кальвина включают его в углеводы. Однако у формы Рубиско, найденной у ультрамикробактерий, фиксация углекислого газа сопряжена с непосредственным образованием АТФ из АМФ [7].

Заключение

Несмотря на очень малые размеры, нанобактерии и наноархеи освоили самые разнообразные, зачастую даже экстремальные местообитания. У них обнаруживаются уникальные метаболические пути, они способны к сложным взаимодействиям с другими организмами — чего стоит одна крошечная бактерия TM7x, которая научилась даже усмирять макрофагов в ротовой полости человека! Бурное описание сотен и тысяч новых видов микроорганизмов, ставшее возможным благодаря распространению метагеномики, несомненно, приведет к открытию еще более удивительных свойств самых маленьких живых клеток на Земле.

07.06.2019

5 июня Что порешать по физике

30 мая Решения вчерашних ЕГЭ по математике

Самые маленькие размеры имеют

Размеры вирусов меньше размеров бактерий, грибов и растений.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector