Var lever bakterier med flageller. Cilia och flageller: en kortfattad beskrivning, struktur och roll i celler. Vad är flageller gjorda av

Både prokaryota och eukaryota kan innehålla strukturer som kallas cilia och flagella. Dessa utväxter på ytan av cellerna hjälper till med deras.

Egenskaper och funktioner

Cilia och flageller är utväxter från vissa celler som är nödvändiga för cellulär förflyttning (rörelse). De hjälper också till att flytta ämnen runt cellerna och guida dem till rätt ställen.

Cilia och flageller bildas av specialiserade grupper av mikrotubuli som kallas basala kroppar.

Om utväxterna är korta och många kallas de för flimmerhår. Om de är längre och mindre många (vanligtvis bara en eller två) kallas de flageller.

Strukturera

Vanligtvis har flimmerhår och flageller en kärna som består av mikrotubuli anslutna till , arrangerade i ett 9 + 2-mönster. Ringen med nio mikrotubuli har två speciella mikrotubuli i mitten som böjer flimmerhåren eller flagellerna. Denna typ av organisation finns i strukturen hos de flesta flimmerhår och flageller.

Var träffas de?

Både flimmerhår och flageller finns i många celltyper. Till exempel har spermier från många djur, alger och till och med ormbunkar flageller. Cilia kan hittas i celler i vävnader som luftvägarna och det kvinnliga fortplantningsorganet.

För rörelse i vattenmiljön använder vissa mikroorganismer ett flagellat organ - "flagellen". Detta organ, inbyggt i cellmembranet, gör att mikroorganismen kan röra sig efter behag i den riktning den väljer med en viss hastighet.

De manliga könscellerna använder också flagellen för förflyttning.

Under en viss tid visste forskarna om flageller. Kunskapen om deras strukturella egenskaper, som har dykt upp först under det senaste decenniet eller så, kom dock som en stor överraskning för dem. Man fann att flagellen rör sig genom en mycket komplex "organisk motor", och inte en enkel vibrerande mekanism, som man tidigare trott.

Denna motor är utformad enligt samma mekaniska principer som elmotorn. Den har två huvuddelar: den rörliga delen ("rotor") och den stationära delen ("stator").

Det bakteriella flagellumet skiljer sig från alla organiska system som utför mekaniska rörelser. Cellen använder inte den tillgängliga energin som lagras i ATP-molekyler. Istället har den en speciell energiresurs: mikroorganismen använder energin från jonflödet genom deras yttre membran. Motorns inre struktur är extremt komplex. Cirka 240 olika proteiner är involverade i skapandet av flagellen. Var och en av dem upptar en viss plats. Forskare har funnit att dessa proteiner leder signaler som sätter på och stänger av motorn, bildar kopplingar som underlättar rörelse på atomnivå och aktiverar andra proteiner som fäster flagellen till cellmembranet. De modeller som utvecklats för att sammanfatta systemets funktion är tillräckliga för att beskriva systemets komplexa struktur. (ett)

Den komplexa strukturen av det bakteriella flagellumet i sig är redan tillräckligt för att motbevisa evolutionsteorin, eftersom flagellumet har en irreducerbart komplex struktur. Även om en enda molekyl av denna otroligt komplexa struktur skulle försvinna eller skadas, skulle flagellumet varken fungera eller vara till nytta för mikroorganismen. Flagellen måste fungera perfekt från första ögonblicket av sin existens. Detta faktum understryker än en gång det absurda i evolutionsteorins påstående om "gradvis utveckling".

Även de varelser som evolutionister anser vara "enklaste" har fantastisk struktur. Den bakteriella flagellen är ett av otaliga exempel. Denna mikroorganism rör sig i vatten och flyttar detta organ på sitt skal. När det inre systemet i detta välkända organ studerades, blev forskare runt om i världen förvånade över att finna att mikroorganismen har en extremt komplex elektrisk motor. Denna elektriska motor, som inkluderar ett femtiotal olika molekylära subenheter, har en ganska intrikat struktur, som visas nedan.

Den bakteriella flagellen är ett tydligt bevis på att även förment "primitiva" varelser har en ovanlig struktur. När mänskligheten blir mer och mer medveten om detaljerna, blir det tydligt att de organismer som 1800-talets vetenskapsmän, inklusive Darwin, ansåg vara de enklaste, faktiskt är lika komplexa som andra. Med andra ord, med tillkomsten av förståelse om skapelsens perfektion, blir meningslösheten i att försöka hitta en alternativ förklaring till skapelsen uppenbar.

Mikroorganismen flyter i ett trögflytande medium, roterande spiralpropellrar kallas flagella.

Det bakteriella flagellumet är en nanomaskin som består av 25 olika proteiner, allt från några till tiotusentals. Den består av en samling av detta stora antal proteiner, som var och en utför en specifik funktion i olika delar, såsom motorrotation, isolering, drivaxel, regulatoromkopplingssekvens, universalbunt, spiralpropeller och rotationsförstärkare för självmontering .

Flagellära proteiner syntetiseras inuti cellkroppen och transporteras längs en lång, smal central kanal i flagellumet till dess perifera (yttre) ände, där de, med hjälp av flagellarspetsen som en inställningsmotor, effektivt och självständigt kan skapa komplexa strukturer i nanoskala. Den roterande motorn, med en diameter på endast 30 till 40 nm, roterar flagellen med en frekvens på cirka 300 Hz och en effekt på 10-16 W, med en energiomvandlingseffektivitet nära 100 %.

De strukturella konstruktioner och funktionella mekanismer som finns i den komplexa mekanismen hos det bakteriella flagellumet skulle kunna förse mänskligheten med många banbrytande teknologier som kommer att utgöra grunden för framtida nanoteknik, för vilken vi kan hitta många användbara tillämpningar.(2)

Utvecklingen av mikrobiologi har fört med sig många upptäckter under de senaste decennierna. Och en av dem är särdragen i rörelsen av flagellerade bakterier. Utformningen av dessa forntida organismers motorer visade sig vara mycket komplex och, enligt principen för deras arbete, skiljer sig mycket från flagellerna till våra närmaste eukaryota släktingar till protozoerna. Flagellatbakteriens motor har varit den hetaste kontroversen mellan kreationister och evolutionister. Om bakterier, deras flagellmotorer och mycket mer - den här artikeln.

Allmän biologi

Till att börja med, låt oss komma ihåg vilken typ av organismer de är och vilken plats de upptar i den organiska världens system på vår planet. Bakteriedomänen förenar ett stort antal encelliga prokaryota (utan en bildad kärna) organismer.

Dessa levande celler dök upp på livsscenen för nästan 4 miljarder år sedan och var de första nybyggarna på planeten. De kan ha väldigt olika former (kocker, stavar, vibrios, spiroketer), men de flesta av dem är flagellerade.

Var lever bakterier? Överallt. Mer än 5 × 10 30 bor på planeten. Det finns cirka 40 miljoner av dem i 1 gram jord, upp till 39 biljoner lever i vår kropp. De kan hittas på botten av Mariangraven, i heta "svarta rökare" på botten av haven, i Antarktis is, och du har för närvarande upp till 10 miljoner bakterier på händerna.

Värdet är obestridligt

Trots deras mikroskopiska storlek (0,5-5 mikron) är deras totala biomassa på jorden större än biomassan från djur och växter tillsammans. Deras roll i cirkulationen av ämnen är oersättlig, och deras egenskaper hos konsumenterna (förstörare av organiskt material) tillåter inte att planeten täcks med berg av lik.

Tja, glöm inte patogener: de orsakande medlen för pest, smittkoppor, syfilis, tuberkulos och många andra infektionssjukdomar är också bakterier.

Bakterier har funnit tillämpning i mänsklig ekonomisk verksamhet. Från livsmedelsindustrin (surmjölksprodukter, ostar, inlagda grönsaker, alkoholhaltiga drycker), den gröna ekonomin (biobränslen och biogas) till cellteknik och framställning av läkemedel (vaccin, serum, hormoner, vitaminer).

Allmän morfologi

Som redan nämnts har dessa encelliga representanter för livet inte en kärna, deras ärftliga material (DNA-molekyler i form av en ring) är belägna i ett visst område av cytoplasman (nukleoid). Deras cell har ett plasmamembran och en tät kapsel bildad av peptidoglykan murein. Av cellorganellerna har bakterier mitokondrier, det kan finnas kloroplaster och andra strukturer med olika funktioner.

De flesta bakterier är flageller. Den täta kapseln på cellens yta hindrar dem från att röra sig genom att förändra själva cellen, som amöbor gör. Deras flageller är täta proteinformationer av olika längder och cirka 20 nm i diameter. Vissa bakterier har ett enda flagellum (monotrich), medan andra har två (amfitrich). Ibland är flageller ordnade i buntar (lophotrichous) eller täcker hela ytan av cellen (peritrichous).

Många av dem lever som enstaka celler, men vissa bildar kluster (par, kedjor, filament, hyfer).

Rörelsefunktioner

Flagella bakterier kan röra sig på olika sätt. Vissa går bara framåt och ändrar riktning genom att tumla. Vissa är kapabla att rycka, andra rör sig genom att glida.

Bakteriers flageller utför inte bara funktionerna som en cellulär "åra", utan kan också vara ett "boarding"-verktyg.

Tills nyligen trodde man att en bakteries flagell viftar som en orms svans. Nyligen genomförda studier har visat att bakteriernas flagell är mycket mer komplicerat. Den fungerar som en turbin. Fäst på drivenheten roterar den i en riktning. Ställdonet, eller flagellmotorn för bakterier, är en komplex molekylstruktur som fungerar som en muskel. Med skillnaden att muskeln måste slappna av efter sammandragning, och bakteriemotorn fungerar konstant.

Flagellets nanomekanism

Utan att fördjupa oss i rörelsens biokemi, noterar vi att upp till 240 proteiner är involverade i skapandet av flagellumdriften, som är uppdelade i 50 molekylära komponenter med en specifik funktion i systemet.

I detta framdrivningssystem av bakterier finns en rotor som rör sig och en stator som ger denna rörelse. Det finns en drivaxel, bussning, koppling, bromsar och gaspedalen

Denna miniatyrmotor låter bakterier resa 35 gånger sin egen storlek på bara 1 sekund. Samtidigt, själva flagellens arbete, som gör 60 tusen varv per minut, spenderar kroppen bara 0,1% av all energi som cellen förbrukar.

Det är också förvånande att bakterien kan ersätta och reparera alla reservdelar till sin motormekanism "på språng". Föreställ dig bara att du är på ett flygplan. Och tekniker byter blad på en motor som är igång.

Flagellatbakterien vs. Darwin

En motor som kan arbeta i hastigheter upp till 60 000 varv per minut, självstartande och endast använda kolhydrater (socker) som bränsle, med en anordning som liknar en elmotor - kan en sådan anordning ha uppstått i evolutionsprocessen?

Det är frågan som Michael Behe, Ph.D. i biologi, ställde sig själv 1988. Han introducerade i biologin begreppet ett irreducible system - ett system där alla dess delar samtidigt är nödvändiga för att säkerställa dess funktion, och borttagandet av minst en del leder till en fullständig störning av dess funktion.

Från Darwins evolutionsynpunkt sker alla strukturella förändringar i kroppen gradvis och endast framgångsrika sådana väljs ut av naturligt urval.

M. Behes slutsatser, som anges i boken "Darwin's Black Box" (1996): motorn hos en flagellerad bakterie är ett odelbart system med mer än 40 delar, och frånvaron av minst en kommer att leda till en fullständig dysfunktion av system, vilket innebär att detta system inte kunde ha uppstått genom naturligt urval.

Balsam för kreationister

Teorin om skapandet som presenterades av vetenskapsmannen och professorn i biologi, dekanus för fakulteten för biologiska vetenskaper vid Lehigh University of Bethlehem (USA) M. Behe ​​väckte omedelbart uppmärksamheten hos kyrkliga ministrar och anhängare av teorin om det gudomliga livets ursprung.

2005 var det till och med en rättegång i USA, där Behe ​​var ett vittne från anhängarna av teorin om "intelligent design", som övervägde införandet av studiet av kreationism i Dover-skolorna i kursen " På pandor och människor." Processen gick förlorad, undervisningen i ett sådant ämne erkändes som i strid med den nuvarande grundlagen.

Men debatten mellan kreationister och evolutionister fortsätter idag.

Innehållsförteckning för ämnet "Anatomy of a bacterial cell. Physiology of bacteria.":
1. Anatomi av en bakteriecell. Ytstrukturer hos bakterier. Bakteriekapsel. Organisation av kapslar. Färgning av bakteriekapslar. Sammansättningen av kapslarna. Antigena egenskaper hos kapslar.

3. Mikrovilli av bakterier. fimbriae av bakterier. F-drack (sex-drack) bakterier. Cellvägg av bakterier. Glycocalyx.
4. Cellvägg av bakterier. Cellväggens funktioner. Strukturen av den bakteriella cellväggen. Peptidoglykan. Murin väska. Struktur av peptidoglykan (murein)
5. Gramnegativa bakterier. Cellvägg av gramnegativa bakterier. Strukturen av cellväggen hos gramnegativa bakterier.
6. Gram-positiva bakterier. Cellvägg av grampositiva bakterier. Strukturen av cellväggen hos grampositiva bakterier. Bakteriella autolysiner. Sfäroplaster. Protoplaster.
7. Cytoplasmatiskt membran (CPM) hos bakterier. Sammansättningen av det cytoplasmatiska membranet av bakterier. Transportsystem. Mesosomer. periplasmatiskt utrymme.
8. Cytoplasma av bakterier. bakteriellt genom. bakteriell ribosom. Reservgranulat av bakterier.
9. Bakteriers fysiologi. Näring av bakterier. Typ av matning av bakterier. Holozoikum. Holofyter. Vatten. Vattnets betydelse för bakterier.
10. Föreningar smältbara av en bakteriecell. Vägar för inträde av ämnen i bakteriecellen. Passiv överföring. Diffusion.

Enligt rörelsens karaktär rörliga bakterier delat i flytande och glidande(krypande). Rörelseorgan för flytande bakterier - flagella; rörligheten hos glidande bakterier tillhandahålls av vågliknande sammandragningar av kroppen.

Plats för flageller- en karakteristisk egenskap som har taxonomisk betydelse. Alternativ för flagellans placering visas i fig. 4-1. Vissa bakterier har flageller över hela cellväggens yta (till exempel bakterier av släktet Proteus), sådana bakterier är kända som peritrich[från grekiska. peri-, runt, + trichos, hår]. Vissa bakterier är utrustade med endast ett tjockt flagellum (till exempel representanter för släktet Vibrio), de är kända som monotrich. Politrichs- bakterier som har ett enda flagellum till utseendet, bildade av ett knippe med 2-50 flageller. Polära flageller är fästa vid en eller båda ändarna av bakterien. Monopolär-polytrichial arrangemang av flageller har lophotrichous[från grekiska. lophos, gäng, + trichos, hår], till exempel inkluderar de representanter för släktet Pseudomonas. Bipolär-polytrichial flageller har amfitrik[från grekiska. amphi-, bilateral, + trichos, hair] (till exempel bakterier av släktet Spirillum).

Ris. 4-1. Alternativ för lokalisering av flageller (överst) och rörelser av bakterier (nederst).

Flagellum- ett spiralformigt krökt ihåligt filament bildat av flagellinsubenheter. Hos olika bakterier varierar flagellans tjocklek från 12 till 18 nm, vilket inte är mer än 1/10 av flagellans diameter hos alger och protozoer. Flagella kännetecknas också av spolens längd och diameter. Flagellets fäste vid bakteriecellen har en komplex struktur och består av en basal struktur och den så kallade "kroken" (Fig. 4-2). Hos grampositiva bakterier innefattar basstrukturen ett par och hos gramnegativa bakterier två par ringar. Ringar spelar rollen som "drivskiva" och "lager". Hela strukturen utför funktionen av en kemomekanisk omvandlare (flagellinmotor). I spiroketer är en speciell organell ansvarig för rörelse - en axiell tråd, bestående av två rader av bakteriella flageller placerade längsgående inuti cellen.

bakteriella flageller utföra translationella och roterande rörelser, trycka bakterier genom mediet som en fartygspropeller. De kan också ändra rotationsriktningen och dra buren som en propeller. Hastigheten för den bakåtriktade rörelsen är fyra gånger mindre än hastigheten för den framåtgående rörelsen. Vissa peritrichous kan röra sig på ytan av agar, det vill säga flytande bakterier kan röra sig på ytan av fasta medier. I synnerhet sprider sig Proteus vulgaris över ytan av agar och bildar en tunn beläggning (liknar utandning på kallt glas), och orörliga Proteus-stammar saknar denna förmåga. Detta fenomen kallas " svärmningsfenomen”, och observation av det utgjorde grunden för vissa begrepp om bakteriell serodiagnos. Så, flagellerad Ag kallas H-Ag [från det. Hauch, utandning, raid] och Ag på cellytan - O-Ag [från den. FPE Hauch, utan raid1.

Ris. 4-2. Schema för strukturen av bakterieflagellen. BS - basal struktur, VM - yttre membran, CPM - cytoplasmatiskt membran, P - rotor, O - axel, KO - flagellar motorring, CR - krok, C - cylinderkopplingar, H - flagellgänga, W - cap.

Bakteriers förmåga att rikta sig mot rörelse genetiskt bestämt. Till exempel, i Escherichia coli, är 3% av genomet (ungefär 50 gener) involverat i regleringen av denna process. Dessa gener kodar för proteiner som bildar rörelseapparaten, såväl som proteiner och enzymer som är involverade i signaltransformation. För flagellarapparater kännetecknas av periodisk variation. På många sätt är denna process adaptiv till sin natur och är mest uttalad i patogena mikroorganismer. I synnerhet har vissa bakterier utvecklat ett system med variation i flagellas antigena egenskaper, vilket gör att de kan undvika de riktade effekterna av skyddande immunmekanismer under en tid.

Laboratoriediagnos av bakteriell motilitet

Bakteriers rörlighet bestäms genom mikroskopi av preparat i " krossad" eller " hängande" släppa. Förmågan att röra sig kan också bestämmas efter införandet av en bakteriekultur genom injektion i en kolonn av halvflytande agar (mobila arter växer genom hela mediets tjocklek, orörliga - genom injektion) eller genom inokulering av bakterier i vattnet kondensat av en lutande agarkolonn (rörliga arter simmar från kondensatet till mediets yta och koloniserar det), eller bestäm bakteriers förmåga att ge " svärmningsfenomen».

Celler kan röra sig med hjälp av specialiserade organeller, som inkluderar flimmerhår och flageller. Cellcilier är alltid många (i protozoer är deras antal i hundratals och tusentals), och längden är 10-15 mikron. Flagella är oftast 1-8, deras längd är 20-50 mikron.

Strukturen och funktionerna hos rörelseorganellerna

Strukturen av flimmerhår och flageller, både i växt- och djurceller, är liknande. Under ett elektronmikroskop fann man att flimmerhår och flageller är icke-membranorganeller bestående av mikrotubuli. Två av dem ligger i mitten, och runt dem längs periferin ligger ytterligare 9 par mikrotubuli. Hela denna struktur är täckt av ett cytoplasmatiskt membran, som är en fortsättning på cellmembranet.

Flagella och cilia tillhandahåller inte bara rörelsen av celler i rymden, utan också rörelsen av olika ämnen på ytan av cellerna, liksom inträdet av matpartiklar i cellen. Vid basen av flimmerhåren och flagellerna finns basala kroppar, som också består av mikrotubuli.

Man tror att basalkropparna är centrum för bildandet av mikrotubuli av flageller och flimmerhår. Basalkroppar kommer i sin tur ofta från cellcentrum.

Ett stort antal encelliga organismer och vissa flercelliga celler har inga speciella rörelseorganeller och rör sig med hjälp av pseudopodia (pseudopodia), som kallas amöboid. Den är baserad på rörelsen av molekyler av speciella proteiner, kallade kontraktila proteiner.

Funktioner av rörelsen av protozoer

Encelliga organismer kan också röra sig (ciliattoffel, grön euglena, amöba). För att röra sig i vattenpelaren är varje individ utrustad med specifika organeller. I protozoer är sådana organeller cilia, flageller, pseudopoder.

Euglena grön

Euglena green är en representant för protozoerna i flagellatklassen. Euglenas kropp är spindelformad, långsträckt med en spetsig ände. Organellerna för rörelsen av Euglena green representeras av ett flagellum, som ligger i den trubbiga änden. Flagella är tunna utväxter av kroppen, vars antal varierar från ett till dussintals.

Mekanismen för rörelse med hjälp av ett flagellum skiljer sig åt i olika arter. I grund och botten är detta en rotation i form av en kon, vars topp är vänd mot kroppen. Rörelsen är mest effektiv när konens spetsvinkel når 45°. Hastigheten varierar från 10 till 40 varv per sekund. Ofta observeras förutom flagellets rotationsrörelse, även dess vågiga svajning.

Denna typ av rörelse är karakteristisk för uniflagellate arter. Hos polyflagellater är flagellerna ofta placerade i samma plan och bildar inte en rotationskon.

Den mikroskopiska strukturen hos flageller är ganska komplex. De är omgivna av ett tunt skal, som är en fortsättning på det yttre lagret av ektoplasma - pellicle. Det inre utrymmet i flagellumet är fyllt med cytoplasma och längsgående arrangerade trådar - fibriller.

De perifert placerade fibrillerna är ansvariga för genomförandet av rörelsen, och de centrala utför den stödjande funktionen.

Infusoriatoffla

Ciliatskon rör sig på grund av cilia och utför vågliknande rörelser med dem. Den är riktad framåt med en trubbig ände.

Cilierna rör sig i samma plan och gör ett direkt slag efter full förlängning, och ett returslag i krökt läge. Slagen går sekventiellt efter varandra med en liten fördröjning. Under simning utför infusoria rotationsrörelser runt den längsgående axeln.

Skon rör sig med en hastighet på upp till 2,5 mm/s. Riktningen ändras på grund av kroppens böjningar. Om det finns ett hinder på vägen, börjar ciliaten efter kollisionen att röra sig i motsatt riktning.

Alla flimmerhår av ciliater har en liknande struktur som flagellerna av Euglena green. Ciliet vid basen bildar ett basalkorn, som spelar en viktig roll i kroppens rörelsemekanism.

I vissa ciliater är flimmerhåren sammankopplade och möjliggör därmed högre hastighet.

Ciliater är högorganiserade protozoer och de utför sin motoriska aktivitet med hjälp av sammandragningar. Formen på den enklastes kropp kan ändras och sedan återgå till sitt tidigare tillstånd. Snabba kontraktila rörelser är möjliga på grund av närvaron av speciella fibrer - myonemes.

amöba vulgaris

Amöba är den enklaste av ganska stora storlekar (upp till 0,5 mm). Kroppens form är polypodial, på grund av närvaron av flera pseudopodier - dessa är utväxter med intern cirkulation av cytoplasman.

I amöban kallas den vanliga pseudopodien även pseudopodia. Genom att rikta pseudopoderna i olika riktningar utvecklar amöban en hastighet på 0,2 mm / minut.

Organellerna för protozorörelser inkluderar inte cytoplasman, kärnan, vakuolerna, ribosomer, lysosomer, EPR, Golgi-apparaten.