Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии»
|
Скачать 4.4 Mb.
|
Рис. 20. Биосинтез муреина у Staphylococcus aureus. Три этапа синтеза разделены прерывистыми линиями. Они протекают в цитоплазме, на плазматической мембране и в клеточной стенке. G = М-АцГлю-М-ацетилглюкозамин; М = N-АцМур-N-ацетилмурамовая кислота; Удп-ундекапренил. Синтез клеточной стенки прекращается, если (А) отсутствует диаминокислота (лизин), (Б) рацемизация L-аланина в D-аланин и (или) его включение в пептид ингибированы С-циклосерином (оксамицином) или (В) пенициллин препятствует сшивке пептидных цепей. Наружные слои клеточных стенок грам-отрицательных бактерий. У этих бактерий поверх однослойного или самое большее двуслойного муреинового мешка располагается наружный слой клеточной стенки. На ультратонких срезах бактерий он сходен по виду с плазматической мембраной - это так называемая наружная мембрана. Этот слой стенки состоит из белков, фосфолипидов и липополисахаридов (рис. 21). Со слоями муреина, по-видимому, через диаминопимелиновую кислоту ковалентно связаны липопротеины; они ориентированы своими липофильными концами наружу и таким образом закреплены в липофильном двойном слое (благодаря гидрофобному взаимодействию). В этом слое находятся фосфолипиды и гидрофобные концы липополисахаридов; гидрофильные же концы последних обращены наружу. Липополисахариды приобрели большое значение в бактериологической диагностике и в распознавании эпидемий. Разные штаммы Salmonella typhimurium, Shigella dysenteriae и другие возбудители кишечных заболеваний отличаются друг от друга так называемыми О-специфическими боковыми цепями липополисахаридов, образующими наружный слой клеточной стенки. Незначительные различия в составе этого слоя могут быть распознаны с помощью иммунологических методов. По серологическим реакциям в роде Salmonella удалось выделить более тысячи видов и штаммов. Химический анализ подтвердил существование различий, выявленных серологическими методами. Есть местные расы сальмонелл, которые можно идентифицировать по иммунохимическим особенностям. Это часто позволяет установить, где произошло заражение больного или откуда начала распространяться эпидемия; можно, например, выяснить, где получил данный больной кишечную инфекцию - в южноамериканском или же в восточноазиатском городе. Штаммы бактерий, выделенные из природного источника или от больного, обычно растут на агаре в форме гладких, блестящих колоний (S-формы, от англ, smooth); их поверхность благодаря наличию в ней О-специфических полисахаридных цепей содержит много воды. Эти S-формы спонтанно превращаются в R-формы (от англ, rough), обычно образующие шероховатые плоские колонии (рис. 22). Очевидно, полисахаридные цепи дают бактериям определенное преимущество в процессе отбора. Например, в организме животного-хозяина бактерии могут быть устойчивы к фагоцитирующим лейкоцитам и поэтому крайне вирулентны. Только образование антител и связывание этих антител бактериальными полисахаридами создают условия для уничтожения бактерий. Огромное разнообразие О-специфических полисахаридов у патогенных бактерий можно объяснить отбором все новых мутантных типов О-антигенов; новые типы дают преимущество, так как хозяин не может обладать антителами против сотен антигенов одновременно. Липополисахариды относятся к наиболее действенным эндотоксинам бактерий, они вызывают у больных повышение температуры и понос.  Рис. 21. Модель строения клеточной стенки грам-отрицательных бактерий. Непосредственно с цитоплазматической мембраной граничит муреиновый слой; с ним ковалентно связаны гидрофильные концы липопротеиновых молекул. Последние своими липофильными концами утоплены в липидный двойной слой, который содержит фосфолипиды и липид А, входящий в состав липополисаха-ридов. Гидрофильные О-специфические гетерополисахаридные боковые цепи полисахаридов направлены наружу (на схеме вверх). Справа представлена липопо-лисахаридная молекула. Глю-глюкоза; Глю-N-глюкозамин; NA = N-АцГлю-N-ацетилглюкозамин; Гал-галактоза; Геп-гептоза; КДО-2-кето-3-дезоксиоктоновая кислота; М-муреин; НМ-наружная мембрана; ПМ-плазматическая мембрана; ПП-периплазматическое пространство.  Рис. 22. Формы колоний бактерии Salmonella paratyphi В. A-S-фор-ма; Б-К-форма. Липополисахариды Salmonella typhimurium и других энтеробактерий были весьма основательно изучены. В молекуле липополисахарида следует различать три участка: липид А, сердцевинную область и О-специфическую боковую цепь (рис. 21). Липид А включает глюкозаминдисахарид, к гидроксигруппам которого присоединены эфирными связями жирные кислоты; эта часть молекулы обладает гидрофобными свойствами. Далее по направлению кнаружи находится R-сердцевинная зона-трисахарид, состоящий из трех остатков 2-кето-З-дезоксиоктоновой кислоты (КДО) и связанный также с фосфоэтаноламином; затем следуют две молекулы гептозы и наружная сердцевинная зона. Последняя состоит из разветвленной цепи, содержащей глюкозу, галактозу и N-ацетилглюкозамин. Эта базовая структура одинакова у всех сальмонелл. У R-мутантов молекула короче-она оканчивается трисахаридом КДО; мутанты, лишенные КДО, никогда не встречались - они, вероятно, нежизнеспособны. К сердцевинной зоне примыкают О-специфические боковые цепи; это длинные цепи из повторяющихся олигосахаридов, которые могут содержать галактозу, маннозу, рамнозу, абеквозу, фукозу, колитозу и другие сахара в последовательности, варьирующей от штамма к штамму. Восстанавливающие С1-концы Сахаров ориентированы внутрь. Наружная гетерополисахаридная цепочка штаммоспецифична и представляет (соматические) О-антигены. Она позволяет опознать штамм с помощью упомянутых выше иммунохимических методов. Функция наружной мембраны. Наружная мембрана грам-отрицательных бактерий выполняет не только механические, но и важные физиологические функции. В ее двойной липидный слой, состоящий из липида А, полисахаридов и фосфолипидов, встроены белки, пронизывающие этот слой насквозь. Вероятно, эти трансмембранные белки представляют собой заполненные водой каналы - гидрофильные поры в липофильной мембране; поэтому их называют поринами. Существует несколько различных поринов. Они пропускают через мембрану гидрофильные низкомолекулярные вещества (вплоть до мол. массы порядка 6000). Наружная мембрана плотно прилегает к муреиновому слою и связана с ним липопротеинами. Муреиновый слой, видимо, свободно проницаем для различных веществ. Промежуток между муреином и плазматической мембраной называют периплазматическим пространством. В нем находятся белки, в том числе деполимеразы (протеиназы, нуклеазы, например рестрикционный фермент EcoRI), периферические белки плазматической мембраны и так называемые связующие белки. Последние участвуют в переносе некоторых субстратов в цитоплазму и служат рецепторами хемотаксических стимулов. Периплазматическое пространство, по всей вероятности, играет также роль в осморегуляции. Капсулы и слизь На клеточные стенки многих бактерий наслаиваются снаружи более или менее толстые слои сильно оводненного материала с высоким содержанием воды-капсулы и слизь. Такие покровы не имеют для бактерий жизненно важного значения, но обладание капсулой придает некоторым патогенным бактериям резистентность к фагоцитозу и тем самым повышает их вирулентность для подопытных животных. Капсулы. Капсулы можно увидеть с помощью светового микроскопа, если добавить к препарату такие красители, как нигрозин, конго красный или китайскую тушь, которые в капсулу не проникают. Получается негативное контрастирование; светлая капсула выделяется на темном фоне (рис. 23 и 24). Более тонкие капсулы пневмококков становятся видимыми при добавлении гомологичной антисыворотки; при этом происходит отложение белка антител. Наблюдаемая картина напоминает набухание («реакция набухания» Нейфельда). В большинстве случаев капсула состоит из полисахаридов (у Streptococcus mutans, S. salivarius, Xanthomonas, коринебактерий). Капсульные полисахариды помимо глюкозы содержат аминосахара, рамнозу, 2-кето-З-дезоксигалак-тоновую кислоту, уроновые кислоты и такие органические кислоты, как пировиноградная и уксусная. Капсулы некоторых видов Bacillus (В. anthracis, В. subtilis) состоят из полипептидов, в первую очередь поли-глутаминовой кислоты. Слизи. Многие компоненты капсулы выделяются в окружающую среду в виде слизи. Иногда путем встряхивания или гомогенизации бактериальной взвеси можно удалить капсулы с поверхности клеток и затем выделить слизь из питательной среды. Особенно обильное образование слизи наблюдается у многих микроорганизмов в тех случаях, когда среда содержит сахарозу. Известный пример-бактерия Leuconostoc mesenteroides (представитель гетероферментативных молочнокислых бактерий), которая быстро превращает раствор, содержащий тростниковый сахар, в декстрановый студень, за что ее на сахарных за водах называют «бактерией лягушачьей икры». Это превращение происходит вне клетки и катализируется внеклеточной гексозилтрансферазой - декстрансахарозой:  Рис. 23. Капсулы бактерий-пурпурной серобактерии Amoebobacter roseus (A) и азотфиксирующей бактерии Azotobacter chroococcus (Б). Клетки суспендированы в туши. А-1200 x. Б-500 x.)  Рис. 24. Капсулы бактерцй. Цепочки клеток Bacillus megaterium, суспендированные в туши. На темном фоне частичек туши капсулы выделяются как светлые зоны. Фазовый контраст, 1000 х . (Фото G. Bohlken, Diss., Gottingen, 1965.) Стрептококки, вызывающие кариес (разрушение зубов), в том числе Streptococcus mutans и S. salivarius, выделяют другую гексозилтрансферазу, превращающую сахарозу в полифруктозы (леваны). Эти полисахариды откладываются на поверхности зубов и служат матриксом, в котором накапливаются кислые продукты брожения, вызываемого стрептококками, главным образом молочная кислота. Влагалища (или чехлы). Влагалищами называют трубковидные чехлы нитчатых бактерий, называемых хламидобактериями (Sphaerotilus natans и Leptothrix ochracea). Они состоят из гетерополисахарида, содержащего глюкозу, глюкуроновую кислоту, галактозу и фукозу. Направленное выделение слизи в форме стебелька обеспечивает некоторым бактериям (например, Gallionella ferruginea) возможность ограниченного перемещения; слизь может также связывать отдельные клетки в длинные ленты (Zoogloea ramigera, рис. 25) или кожистые пленки (Bacteriogloea). Acetobacter aceti subsp. xylinum выделяет целлюлозу, которая объединяет клетки в прочную кожистую пленку (Mycoderma acetf). Клетки Sarcina ventriculi (рис. 26) и Lampropedia hyalina склеиваются целлюлозой в агрегаты правильной формы. Целлюлоза в этих случаях служит связующим веществом и по своей структуре и функции отли чается от веществ капсулы. Утрата способности к образованию целлюлозы в, результате мутации не влияет на способность микроорганизмов расти.  Рис. 25. Строение колоний Zoogloea ramigera. А –типичная форма, колоний; Б-отдельные клетки в слизистом основном веществе.  Рис. 26. Пакеты клеток Sarcina ventriculi, выросшие в питательной среде. (Снимок в светлом поле, 750 х) Биосинтез. Полисахариды, находящиеся снаружи от клеточной стенки, называют экзополисахаридами. По физическим свойствам различают капсулы и слизи. Когда экзополисахариды относительно прочно связаны с клеточной стенкой, говорят о капсулах; если же связь непрочная или ее вообще нет, говорят о слизи. Что касается биосинтеза экзополисахаридов, то следует отметить два момента: 1) декстраны и леваны синтезируются внеклеточными ферментами из дисахаридов; 2) состав большинства экзополисахаридов независим от используемого субстрата-путь их биосинтеза сходен с механизмом построения муреина или липополисахаридов. Во всех трех процессах участвуют UTP и липид ундекапренилдифосфат (С55-полиизопреноид). Активированные уридинтрифосфатом сахара (UTP-caxapa) присоединяются к липиду-переносчику, комбинируются, образуя видоспецифические гомо- или гетерополимерные структурные компоненты будущего полисахарида, и выводятся из протопласта в наружные слои клеточной стенки, где связываются в макромолекулярный экзополисахарид. Жгутики и подвижность Подвижность бактерий может обеспечиваться различным образом. У большинства активно передвигающихся, плавающих бактерий движение обусловлено вращением жгутиков. Двигаться без жгутиков способны скользящие бактерии (к которым относятся миксобактерии, цианобактерии и некоторые другие группы) и спирохеты.  Рис. 27. Основные типы жгутикования и типы движения бактерий. Расположение жгутиков. Расположение жгутиков у подвижных эубак-терий-это признак, характерный для определенных групп, поэтому оно имеет таксономическое значение. У палочковидных бактерий жгутики могут прикрепляться полярно или латерально (рис. 27). Среди бактерий с монополярным жгутикованием лишь немногие снабжены только одним, но зато особенно толстым жгутиком-это монотрихи (Vibrio metschnikovii, рис. 28; Caulobacter sp.). У многих бактерий с монополярным и биполярным жгутикованием одиночный по виду жгутик в действительности представляет собой пучок из 2-50 жгутиков (политрихи). Монополярно-политрихальное расположение жгутиков называют также лофотрихальным (как у Pseudomonas, Chromatium), а бипо-лярно-политрихальное-амфитрихальным (у Spirillum). У Selenomonas имеется один пучок жгутиков, прикрепленный сбоку (рис. 29,Б). При перитрихальном расположении (как у Enterobacteriaceae, Bacillaceae и некоторых других бактерий) жгутики располагаются по бокам клетки или на всей поверхности (рис. 29,А).  Рис. 28. Типы жгутикования (электронные микрофотографии). A. Aquaspirillum serpens с полярно расположенным пучком жгутиков (перитрих); 11000 х. Б. Vibrio metschnikovii с полярно расположенным одиночным жгутиком (монотрих); 7100 х.  Рис. 29. Типы жгутикования (электронные микрофотографии). A. Proteus mirabilis с перитрихальным расположением жгутиков (косое напыление платиной с палладием, 9500 х. Б. Selenomonas ruminantium с латеральными жгутиками (негативный контраст, 4080 х).  Рис. 30. Thiospirillum jenense. (Фазовый контраст, 1200 х ; фото N. Pfennig.) Выявление жгутиков. Рассмотреть жгутик (или пучок жгутиков) в проходящем свете или в условиях фазового контраста удается только у немногих бактерий, например у Chromatium okenii, Bdellovibrio, Thiospirillum (рис. 30). У многих других бактерий (Pseudomonas, Spirillum и др.) жгутик и зону его биения можно увидеть только в темном поле. Легче всего выявлять жгутики путем нанесения на них красителя или металла, а также с помощью электронного микроскопа. Функции жгутиков. У большинства бактерий с полярным расположением жгутиков последние действуют подобно корабельному винту и проталкивают клетку в окружающей жидкой среде. Жгутик представляет собой спирально извитую нить, приводимую во вращательное движение «мотором», находящимся в месте ее прикрепления в плазматической мембране. Для перемещения клетки может служить одиночный жгутик или пучок жгутиков. Жгутики вращаются сравнительно быстро; например, у спирилл они совершают около 3000 оборотов в минуту, что близко к скорости среднего электромотора. Вращение жгутиков приводит к тому, что тело клетки вращается примерно с 1/3 этой скорости в противоположном направлении. Жгутики могут спонтанно или в ответ на внешний стимул изменять направление вращения (рис. 27). У некоторых бактерий с полярным расположением жгутиков это приводит к тому, что клетка начинает двигаться вспять. Когда у Chromatium okenii в ответ на вспышку света направление вращения жгутиков меняется, пучок жгутиков превращается в тянущее приспособление; при этом назад клетка перемещается в четыре раза медленнее, чем вперед, и ее движение становится «кувыркающимся». У Thiospirillum jenense - гигантской фототрофной спириллы - единственный полярный пучок жгутиков при обратном движении бьется уже не впереди клетки: пространство биения жгутиков теперь охватывает клетку с боков: оно как бы вывернуто наизнанку (подобно вывернутому ветром зонту). У спирилл с амфитрихальным расположением жгутиков в таком положении находится, смотря по обстоятельствам, то один, то другой пучок. Перитрихально расположенные жгутики Escherichia coli работают как один хорошо скоординированный спиральный пучок и проталкивают клетку через среду. В тех случаях, когда направление вращения отдельных жгутиков меняется, клетка начинает «кувыркаться». По-видимому, перитрихально расположенные жгутики не могут служить тянущим приспособлением. Бактерии, снабженные жгутиками, могут передвигаться очень быстро: Bacillus megaterium со скоростью 1,6 мм/мин, Vibrio cholerae - 12 мм/мин. Это соответствует примерно от 300 до 3000 длин тела в минуту. Тонкое строение жгутиков. Жгутики представляют собой спирально закрученные нити. У разных бактерий они различаются по своей толщине (12-18 нм), длине (до 20 мкм), а также по длине и амплитуде витка. Эти, параметры характерны для каждого вида. У некоторых бактерий могут образовываться жгутики разных типов. Нити жгутиков состоят из специфического белка флагеллина. Они построены из субъединиц с относительно малой молекулярной массой. Субьединицы располагаются по спирали вокруг внутреннего свободного пространства. Таким образом, структура жгутика определяется свойствами белковых субъединиц. Жгутик состоит из трех частей - описанной выше спиральной нити, «крюка» вблизи поверхности клетки и базального тельца. С помощью базального тельца жгутик закреплен в плазматической мембране и в клеточной стенке (рис. 31). Оно состоит из центрального стержня, на котором у грам-отрицательных бактерий находятся две пары колец. Наружная пара (кольца L и Р) расположены на уровне наружного и внутреннего слоев клеточной стенки, а внутренняя пара (кольца S и М)-на уровне наружного слоя плазматической мембраны. Так как у грам-положительных бактерий наружная пара колец отсутствует, полагают, что для вращения жгутиков необходима только внутренняя пара. Можно представить себе, что кольцо М действует как приводной диск, а кольцо S играет роль подшипника на внутренней поверхности пептидогликанового слоя. Молекулярный механизм вращательного «мотора» жгутика пока не выяснен.  Рис. 31. Прикрепление жгутика к клеточной стенке плазматической мембране у грам-отрицатель-ной бактерии. Я-нить жгутика; Кр-крючок жгутика; ПМ-плазматическая мембрана; ЛС-липо-полисахаридный слой; ПГ-пептидогликановый слой; Cт-стержень. О- и Н-аитигены. Proteus vulgaris часто распространяется по всей поверхности агара в виде тонкого серого налета (Н-форма, от нем. Hauch-налет). Такое «роение» объясняется большой подвижностью клеток. Некоторые штаммы налета не образуют (О-форма, от нем. ohne Hauch-без налета). Эти штаммы неподвижны, они лишены жгутиков. Отсюда ведет свое начало обычная терминология, принятая в бактериальной серодиагностике; антигены поверхности или вообще тела клетки (соматические) называют О-антигенами, а антигены жгутиков - Н-антигенами. Фимбрии и пили. Поверхность некоторых бактерий покрыта большим числом (от 10 до нескольких тысяч) длинных, тонких прямых нитей толщиной 3-25 нм и длиной до 12 мкм, называемых фимбриями или пилями. Они встречаются как у жгутиконосных видов, так и у форм, лишенных жгутиков. От них следует отличать половые пили, или пили типа F, которые были обнаружены у клеток-доноров Escherichia coli К 12, т.е. у штаммов, содержащих половой фактор F (F +, Hfr). Пили F встречаются только по одной или по две на клетку, они имеют вид полых белковых трубочек длиной от 0,5 до 10 мкм. Хемотаксис. Свободно передвигающиеся бактерии способны к таксисам-направленным движениям, определяемым внешними стимулами. В зависимости от факторов среды, вызывающих направленное движение, говорят о хемотаксисе, аэротаксисе, фототаксисе и магнитотаксисе. Подвижные бактерии реагируют на химические раздражители - скапливаются в одних местах, а других мест избегают. Такая реакция свободно передвигающихся организмов называется хемотаксисом. Скопления бактерий образуются под действием химических факторов следующим образом (рис. 32). У форм с перитрихальными жгутиками возможны только два типа двигательного поведения: прямолинейное движение и кувыркание. Последнее прерывает прямолинейную пробежку и изменяет направление пути. Когда бактерия оказывается в среде с градиентом концентрации «привлекающего» ее субстрата (аттрактанта), ее прямолинейное движение длится многие секунды, если она плывет по направлению к оптимальной его концентрации; однако такое движение через несколько секунд прекратится, если бактерия плывет в противоположном направлении. Хотя направление прямолинейного движения после кувыркания оказывается совершенно случайным, тем не менее зависимость длительности такого движения от его направления приводит в конечном результате к накоплению бактерий в области оптимальной концентрации субстрата. За чувствительность к химическому стимулу и за реагирование на него ответственны хеморецепторы. В ряде случаев эти хеморецепторы действуют независимо от способности бактерий утилизировать данный субстрат. Например, некоторые мутанты продолжают совершенно нормально реагировать на определенное питательное вещество, хотя и потеряли способность его использовать.  Рис. 32. Хемотаксические движения. А. В нормальной (изотропной) среде бактерия плывет почти прямолинейно и кувыркается примерно через равные промежутки времени. Б. В градиенте концентрации какого-либо «привлекающего» вещества (аттрактанта) частота кувыркания уменьшается, когда клетка плывет в «правильном» направлении, т.е. в сторону оптимума концентрации. В. В градиенте отпугивающего вещества (репеллента) клетка ведет себя противоположным образом. Аэротаксис. У подвижных бактерий можно определить тип метаболизма (аэробный или анаэробный) по их аэротаксическим движениям и скоплению на определенных расстояниях от края покровного стекла. В слое бактерий, помещенных между предметным и покровным стеклами, аэрофильные бактерии скапливаются у края покровного стекла или в непосредственной близости от оказавшихся в препарате пузырьков воздуха; это указывает на их потребность в аэробных условиях и на то, что необходимую энергию они получают за счет дыхания (рис. 33). Строго анаэробные бактерии будут скапливаться в центре. Микроаэрофильные бактерии, например некоторые псевдомонады и спириллы, будут держаться на определенном расстоянии от края. С помощью бактерий, проявляющих положительный аэротаксис, Энгельману удалось продемонстрировать выделение кислорода локально освещаемыми хлоропластами зеленой водоросли Spirogyra.  Рис. 33. «Фигуры дыхания» (по Бейеринку) как следствие аэротаксиса у подвижных бактерий. Аэробные бактерии скапливаются у края покровного стекла и вокруг попавших в среду пузырьков воздуха (А). Микроаэрофильные бактерии остаются на некотором расстоянии от краев покровного стекла (Б). Строго аэробные бактерии скапливаются в центре (В). Фототаксис. Фототрофным пурпурным бактериям для получения энергии необходим свет. Не удивительно поэтому, что в результате фототаксиса они скапливаются в освещенном месте. Если выдержать в темноте препарат, в котором плотная суспензия клеток Chromatium будет равномерно распределена под покровным стеклом, а затем направить на него сфокусированный пучок света, то бактерии сосредоточатся в области светового пятна. Клетки, попавшие в это пятно случайно в результате своего беспорядочного движения, уже не могут его покинуть. Как только они попадут в темную зону, направление движения жгутиков мгновенно меняется на обратное и клетки возвращаются в освещенное место. Изменение работы жгутиков происходит так быстро, что эта реакция получила название «реакция испуга» (фоботаксис). Впрочем, для того чтобы вызвать такой ответ, достаточно даже небольшого различия в освещенности двух участков. Мелкие клетки Chromatium скапливаются уже в таком месте, где освещенность всего на 0,7% выше, чем в окружающей области. Таким образом, по своей чувствительности к световому контрасту они приближаются к сетчатке человеческого глаза (для которой соответствующий порог равен 0,4%). Магнитотаксис. Из поверхностных слоев донного ила пресноводных водоемов, а также морей были выделены бактерии (палочки, спириллы, кокки), способные ориентироваться в магнитном поле и перемещаться в направлении линий магнитного поля. Они содержат много железа (0,4% сухого вещества) в форме ферромагнитной окиси железа (магнетита), которая находится в гранулах (магнитосомах), расположенных около мест прикрепления жгутиков. Бактерии, выделенные в северном полушарии, «ищут» север; здесь линии магнитного поля проходят под углом около 70° к горизонту вниз, в глубь водоема. Магни-тотаксическоё поведение направляет бактерии в глубину ила, где очень мало или вовсе нет кислорода. Так как магнитотаксические бактерии-анаэробы или ми-кроаэрофилы, их реакция на магнитное поле понятна с точки зрения экологии. Такие клетки, завезенные в южное полушарие, в массе своей, конечно, погибнут; выживут лишь немногие «неправильно» поляризованные клетки, которые могут затем размножиться. Полярность, очевидно, генетически не зафиксирована. Запасные вещества и другие внутриклеточные включения У многих микроорганизмов в определенных условиях среды внутри клеток откладываются вещества, которые можно рассматривать как запасные, -полисахариды, жиры, полифосфаты и сера. Эти вещества накапливаются, если в питательной среде содержатся соответствующие исходные соединения, но вместе с тем рост бактерий ограничен или вообще невозможен из-за недостатка каких-то отдельных компонентов питания или присутствия ингибиторов. Запасные вещества содержатся в клетках в осмотически инертной форме - они нерастворимы в воде. При условиях, благоприятных для роста, когда в этих веществах возникает потребность, они снова включаются в метаболизм. Запасные полисахариды, нейтральные жиры и поли--гидроксимасляная кислота могут служить источниками как энергии, так и углерода. Поэтому при отсутствии внешних источников энергии они могут продлить время существования клетки, а у спорообразующих видов - создать условия для образования спор даже в отсутствие экзогенных субстратов. Полифосфаты могут рассматриваться как резервный источник фосфата, а запасная сера - как потенциальный донор электронов. Полисахариды. Запасные углеводы микроорганизмов еще мало изучены. У некоторых микробов при помощи цветной реакции с раствором Люголя удается идентифицировать крахмал (синяя окраска) или гликоген (коричневая окраска). Запасные полисахариды, в отличие от полисахаридов клеточной стенки, все образуются из -D-глюкозы; молекулы глюкозы связаны между собой 1,4-а-гликозидными связями и многократно сшиты между собой.  Крахмал, гликоген Благодаря -глюкозидным связям полиглюкозные цепи не вытянуты в длину, а закручены винтообразно. Крахмал, который у растений откладывается в форме крахмальных зерен, состоит из амилозы и амилопектина. Доля амилозы составляет 20-30% (по весу). Именно этот компонент ответствен за синее окрашивание с иодом; эта реакция основана на встраивании иода в витки спирали (реакция включения). Крахмалоподобное соединение у клостридий получило название «гранулозы» или «иогена». Клетки Clostridium butyricum почти целиком заполнены мелкими гранулами этого вещества; свободен от них только тот полюс клетки, где образуется спора. Клетки Acetobacter pasteurianus и многих видов Neisseria содержат крахмал.  Рис. 34. Включения гликогена в клетках Escherichia coli В. Накопление гликогена произошло во время 15-часовой аэрации клеток в фосфатном буфере, содержащем 0,5% глюкозы. Электронная микрофотография ультратонкого среза (четырехокись осмия-бихромат; Уранилацетат; 8000 х ). Гликоген, называемый также «животным крахмалом», сходен с амилопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее (путем образования 1,6-связей); у бактерий он встречается, видимо, чаще, чем крахмал. Гликоген обнаружен также у дрожжей и других грибов, у бацилл (Bacillus polymyxa), у Salmonella, Escherichia coli (рис. 34) и других Enterobacteriaceae, у Micrococcus luteus и Arthrobacter.  Рис. 35. Накопление поли--гидроксимасляной кислоты в клетках Alcaligenes eutrophus. Клетки взяты из культуры в фазе экспоненциального роста (А), а затем после 1 ч (Б) и 24 ч (В) ассимиляции уксусной кислоты в отсутствие источника азота. Электронные микрофотографии ультратонких срезов (четырехокись осмия-бихромат; уранилацетатцитрат свинца; 6000 х). Жироподобные вещества. В качестве включений в клетках микроорганизмов часто встречаются гранулы и капельки жира. В световом микроскопе они видны благодаря тому, что сильно преломляют свет; их можно также окрашивать липофильными красителями-Суданом III или Суданом черным В. «Суданофильные» гранулы многих бактерий состоят из поли--гид-роксимасляной кислоты - полиэфира, растворимого в хлороформе, но нерастворимого в эфире и состоящего примерно из 60 остатков -гид-роксибутирата. Доля этого вещества в сухой биомассе может достигать 80%.  Поли--гидроксимасляную кислоту образуют многие аэробные бактерии (рис. 35), а также цианобактерии и анаэробные фототрофные бактерии (рис. 36, А). У факультативных анаэробов и строгих аэробов она накапливается, когда клетки испытывают недостаток О2 и переходят на брожение; поэтому ее можно рассматривать как полимерный внутриклеточный продукт брожения. В аэробных условиях этот продукт может быть снова вовлечен в метаболизм как источник энергии и углерода и использован в процессе дыхания.  Рис. 36. Клетки с включениями поли--гидроксимасляной кислоты. A.-Chromatium okenii; Б-Bacillus megaterium (препарат в туши). Темные включения в клетках С. ofcenii-капельки серы. Снимки в светлом поле; 1000 х. Нейтральные жиры (триглицериды), в особенно больших количествах откладывающиеся в вакуолях дрожжей и других грибов, сходны с жирами высших организмов. Дрожжи (Candida, Rhodotorula) могут накапливать до 80% жиров по отношению к сухому веществу. Микобактерии, нокардии и актиномицеты накапливают в клетках иные жироподобные вещества и часто даже выделяют их в среду. Микобактерии могут содержать до 40% восков (сложные эфиры жирных кислот с длинной цепью и спиртов). Содержание запасных жиров определяется составом питательной среды (высоким отношением C/N), и эти жиры могут быть выделены непосредственно из клеток. Количества других липидных соединений от состава среды почти не зависят. Эти липиды освобождаются лишь после гидролиза белков и полисахаридов и представляют собой компоненты липопротеинов, входящих в состав плазматической мембраны и внутренних мембран, и липополисахаридов. Полифосфаты. Многие бактерии и зеленые водоросли способны накапливать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата. Такие гранулы были впервые описаны у Spirillum volutans, поэтому их называют волютиновыми гранулами; другое их название - «метахроматические  гранулы» - обусловлено тем, что они вызывают характерное изменение цвета (метахромазию) у некоторых красителей (метиленового синего, толуидинового синего). Эти гранулы состоят в основном из полифосфатов с длинной цепью типа соли Грэма (полиметафосфат натрия); часто находимые при анализах циклические метафосфаты являются, по-видимому, артефактами, возникающими при распаде полифосфатов. Волютиновые гранулы играют роль фосфатных депо, за счет которых клетка может при недостатке фосфора в среде осуществить еще несколько делений. Как источники энергии полифосфаты играют второстепенную роль. Сера. У многих бактерий, окисляющих сульфид до сульфата, сера временно сохраняется в виде шариков, сильно преломляющих свет. Сера, накопленная внутри клеток, так же как и выделенная клеткой наружу, находится в жидком состоянии и постепенно переходит в свою орторомбическую модификацию. Количество накопляемой серы зависит от содержания сероводорода в окружающей среде: при отсутствии H2S сера окисляется до сульфата. Для аэробных серных бактерий (Beggiatoa, Thiothrix, Achromatium, Thiovulum; рис. 37) сера служит источником энергии, а для анаэробных. фототрофных пурпурных серобактерий (Chromatium)-донором электронов. Включения серы, встречающиеся иногда у цианобактерий и Sphaerotilus natans, можно рассматривать как продукты обезвреживания сероводорода, часто присутствующего в местах обитания этих организмов.  Рис. 37. Бесцветные бактерии, окисляющие сероводород. A. Beggiatoa gigantea с включениями серы (снимок в светлом поле, 300 х ). Б. Розетки Thiothrix (фазовый контраст, 300 х ). В. Achromatium oxaliferum с включениями карбоната кальция и серы (200 х ). Г. Thiovulum с включениями серы (1000 х ). Другие клеточные включения. У Bacillus thuringiensis и родственных видов (В. laterosporus, В. medusa) рядом со спорами встречаются кристаллоподобные включения - параспоральные тельца, состоящие из протоксина. Протоксин растворяется в кишечном соке чувствительных к нему насекомых (гусениц), и освобождающийся при этом токсин разрушает кишечный эпителий, что приводит к гибели гусеницы. Полученные из этих бацилл препараты, токсичные лишь для немногих групп насекомых, уже с успехом применяются для биологической борьбы с вредителями. Газовые вакуоли. Многие водные бактерии, в особенности фототрофные, но также и бесцветные (Pelonema, Peloploca), галобактерии (Halobacterium halobium) и некоторые клостридии содержат газовые вакуоли. Они придают клеткам способность изменять свою среднюю плотность и оставаться взвешенными в воде. Благодаря такой способности некоторые бактерии могут в стратифицированных озерах держаться в определенном слое воды с оптимальными условиями для их роста, не прибегая к активному движению с помощью жгутиков. Аноксигенные (не выделяющие О2) фототрофные бактерии, в том числе пурпурные (Lamprocystis, Amoebobacter, Thiodictyon) и зеленые (Pelodictyori), растут в водоемах в анаэробной зоне (в гиполимнионе) непосредственно под слоем температурного скачкатермоклином. Плавучесть этих организмов, по-видимому, достаточна для того, чтобы они могли находиться во взвешенном состоянии в холодном (более тяжелом) слое воды гиполимниона, но не обеспечивает им подъемной силы, которая позволяла бы им держаться в теплом (более легком) слое воды над термоклином. Оксигенные (т.е. выделяющие О2) цианобактерий (Oscillatoria agardhii, Aphanizomenonflos-aquae, Microcystis aeruginosa) процветают в слоях выше термоклина. Плавучесть их, по-видимому, регулируется с помощью фотосинтеза, тургора клеток, а также путем изменения числа и величины газовых пузырьков. Каждая газовая вакуоль представляет собой скопление газовых пузырьков (везикул). Эти пузырьки имеют веретенообразную форму (цилиндры с коническими концами). Их оболочка состоит не из обычной мембраны, а из чистого белка, обладающего складчатой структурой; толщина ее составляет всего лишь 2 нм. На фотографиях можно различить ребра, расположенные на цилиндрической части пузырька подобно обручам на бочке. Оболочка построена из белковых субъединиц с молекулярной массой 14х103. Белковые молекулы, очевидно, ориентированы таким образом, что внутренняя сторона стенки оказывается гидрофобной, а наружная - гидрофильной. В клетке имеется множество газовых пузырьков, расположенных параллельно друг другу. В световом микроскопе такое скопление газовых пузырьков (т.е. газовая вакуоль) имеет вид оптически пустого участка, сильно преломляющего свет. Карбоксисомы. В клетках некоторых автотрофных бактерий имеются карбоксисомы. Это полиэдрические образования величиной с головку фага, в которых (иногда наряду с небольшим количеством ДНК) содержится фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза. Карбоксисомы найдены у Nitrosomonas, Thiobacillus и многих цианобактерий. Литература: 1. Микробиология : учебник для высшего профессионального образования /А. И. Нетрусов, И. Б. Котова. Москва : Академия , 2012. 379 с. 2. Микробиология : учебник для вузов /М. В. Гусев, Л. А. Минаева. Москва : Академия , 2006. 462 с. Модуль 3 «Биохимия клетки» |
Похожие:
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины основы психодиагностики направление... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы культуры речи» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «основы управления проектами» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями федерального государственного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методического комплекса дисциплины «Основы культуры речи»... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |