Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

воздушный мицелий, несущий споры. Клеточные стенки содержат мезо-

диаминопимелиновую кислоту, а гидролизаты целых клеток мадурозу.

Эта группа разделена на две подгруппы:

• Streptosporangium и родственные таксоны;

• Actinomаdura.

Мадуромицеты – в основном почвенные микроорганизмы, но среди

них встречаются патогенные для человека и животных виды.

Thermoтоnospora и близкие виды. Представлены бактериями, нити

мицелия которых не распадаются на фрагменты и образуют воздушный

мицелий со спорами, расположенными одиночно (род Thermотоno-

nospora), в цепочках (роды Actinosynnema, Nocardiopsis) или в

споран-

гиеподобных структурах (род Streptoalloteichys). Клеточные стенки со-

держат мезо-диаминопимелиновую кислоту; в гидролизатах целых кле-

ток характерные аминокислоты и сахара отсутствуют. Миколовые ки-

слоты также отсутствуют. Основное местообитание – почва.

Thermoactinomyces. Это группа бактерий, нити мицелия которых не

распадаются на фрагменты и образуют воздушный мицелий. Одиночные

споры (представляющие собой эндоспоры) имеются

как на воздушном,

так и на субстратном мицелии. Все виды термофильные. Клеточные

стенки содержат мезо-диаминопимелиновую кислоту; характерные ами-

нокислоты и сахара отсутствуют. Аэробы; сапрофитные хемоорганотро-

фы. Группа представлена только одним родом – Thermoactinomyces.

Другие роды. Эта группа включает три рода: Glycomyces, Kitasatospo-

ria, Saccharothrix. Они не могут быть в настоящее время

отнесены ни к

одной из вышеперечисленных групп. Все представители этих родов об-

разуют воздушный мицелий с цепочками спор. В составе клеточной

стенки отсутствуют миколовые кислоты. Аэробы, хемоорганотрофы.

Выделены из почвы.

9.16. Микоплазмы

Микоплазмы – это очень мелкие прокариотические организмы, пол-

ностью лишенные клеточных стенок. Клетки ограничены только цито-

плазматической мембраной и не способны к синтезу пептидогликана и

его предшественников. В связи с этим для них характерен ярко выра-

женный плеоморфизм. В культуре одного вида можно одновременно об-

наружить кокковидные, эллипсовидные, дискообразные, палочковидные,

грушевидные клетки

, а также нитевидные формы. Нити могут ветвиться,

образуя структуры, подобные мицелиальным. Диаметр клеток составляет

0,1–10 мкм. Размножаются различными способами: бинарным делением;

388

фрагментацией крупных тел и нитей, сопровождающейся освобождени-

ем большого числа кокковидных форм; почкованием. Репликация генома

предшествует, но не обязательно синхронизована с клеточным делением.

Микоплазмы, как правило, неподвижны, однако некоторые виды об-

ладают способностью к скользящему движению по поверхностям, по-

крытым жидкостью. Клетки других видов, имеющие форму спиральных

нитей, обнаруживают подвижность вращательного

, изгибательного и по-

ступательного типов.

Покоящиеся стадии неизвестны.

Отсутствие клеточной стенки обусловливает еще одну отличитель-

ную особенность микоплазм – их нечувствительность к антибиотикам,

специфически действующим на бактериальную стенку (пенициллину,

ампициллину, цефалоспорину и др.).

Микоплазмы представляют собой группу, чрезвычайно разнообраз-

ную с точки зрения физиолого-биохимических особенностей. Они могут

расти:

• на искусственных бесклеточных средах разной степени сложности

(от простых минеральных до сложных органических). Большинство ви-

дов нуждается для роста в стеринах и жирных кислотах;

• только внутри организма-хозяина, откуда их можно выделить с ис-

пользованием культуры клеток.

Разнообразны также способы получения энергии у микоплазм. Среди

них описаны виды, получающие энергию за счет окисления или сбражи-

вания органических соединений, а также за счет окисления неорганиче-

ских соединений (железа, марганца). Описаны микоплазмы, являющиеся

строгими аэробами, хотя большинство

из них – факультативные анаэро-

бы. Некоторые микоплазмы – облигатные анаэробы, погибающие в при-

сутствии минимального количества минерального кислорода.

Микоплазмы могут быть сапрофитными, паразитическими и патоген-

ными. Патогенные вызывают заболевания человека, животных (в том

числе насекомых) и растений.

Факторы вирулентности микоплазм, патогенных для человека и жи-

вотных, разнообразны. Они продуцируют как экзо-,

так и эндотоксины;

пероксид водорода, нейраминидазу, кислые фосфатазы, уреазу, аргинин-

дегидролазу. Ферменты действуют на соответствующие субстраты и

обусловливают в силу этого патогенный эффект. Например, аргининде-

гидролаза разрушает необходимую для нормальной жизнедеятельности

клеток аминокислоту аргинин. Нейраминидаза вызывает изменения ре-

цепторного аппарата клеточных мембран эритроцитов, респираторного

389

эпителия и т. д. Пероксид водорода вызывает повреждения мерцательно-

го эпителия трахеи и бронхов человека и животных.

Первая фаза микоплазменной инфекции основана на способности ми-

коплазм адсорбироваться на клетках хозяина. Это обусловлено общно-

стью рецепторных участков на мембранах разных видов микоплазм и

разных типов клеток макроорганизмов. Разные виды микоплазм адсор-

бируются

на эритроцитах, макрофагах, мембранных структурах реснит-

чатого эпителия трахеи и бронхов человека, крупного рогатого скота,

птиц и других организмов. Проникновение микоплазм в клетки происхо-

дит редко, т. е. они действуют с поверхности клетки. Конечный эффект

взаимодействия микоплазм и клеток организма может выражаться в раз-

витии либо острой инфекции, сопровождающейся видимым

изменением,

разрушением поражаемых клеток, либо скрытой ее форме – изменяются

метаболизм и функции поражаемых клеток, нарушается нормальное кле-

точное деление, вызываются хромосомные изменения.

Основными факторами патогенности фитопатогенных микоплазм яв-

ляются токсины, пероксид водорода, аммиак, ферменты (нуклеазы, про-

теазы, уреаза и т. д.). Также одним из факторов патогенности принято

считать их конкуренцию с

клеткой-хозяином за отдельные субстраты

энергетического и белкового обменов (углеводы, аминокислоты и т. д.).

Так, для большинства аргининусваивающих микоплазм в качестве ос-

новного фактора патогенности является их способность усваивать арги-

нин.

Микоплазмы вызывают такие заболевания, как столбуры (недоразви-

тость верхушки, усиление ветвления, курчавость листьев, разрастание

чашелистиков, позеленение лепестков, увядание и

т. п.); желтухи (удли-

нение междоузлий и пожелтение листьев); «ведьмины метлы» (чрезмер-

ное разрастание пазушных и дополнительных побегов, недоразвитость

верхушек); вырождения и др.

Основными заболеваниями, наносящими значительный экономиче-

ский ущерб, являются микоплазмозы пшеницы, пасленовых, винограда и

некоторых древесных культур (яблони, шелковицы и др.). К наиболее

распространенным микоплазмозам относятся бледно-зеленая карлико

вость пшеницы, «ведьмины метлы» картофеля, столбур томатов и др.

По вредоносности микоплазмозы, за небольшим исключением, отно-

сятся к катастрофическим заболеваниям. Урожай пшеницы может сни-

зиться на 80–90 %. Большой вред они наносят овощеводству, вызывая

потери на 25–38 % урожая плодов томатов и других пасленовых, недобо-

ру 18–20 % урожая картофеля.

390

Микоплазмы широко распространены в основных районах хлебопа-

шества и овощеводства.

Характер взаимодействия микоплазм с мембранами клеток специфи-

ческих растений-хозяев очень сходен с таковым микоплазм, патогенных

или потенциально патогенных для человека и животных. В основе взаи-

модействия лежит родство рецепторного аппарата микоплазм и клеток.

Адсорбировавшиеся на мембранных элементах клеток-хозяев микоплаз

мы получают возможность извлекать из них необходимые питательные

субстраты, а также непосредственно влиять на генетический аппарат

клеток хозяина.

Интересен также способ распространения микоплазмозов растений.

Если микоплазмы, поражающие человека и животных, распространяются

от особи к особи посредством прямых контактов, а у птиц, кроме того, и

через яйца, то фитопатогенные микоплазмы являются

типичными транс-

миссивными патогенами. Для их распространения обязательно нужен

переносчик. Основную роль в распространении микоплазмозов растений

играют насекомые, главным образом цикадки. Насчитывается свыше 60

видов цикадок-переносчиков микоплазмозов растений. Кроме того, ми-

коплазмы могут передаваться механически – при использовании больно-

го прививочного материала.

Порядок Mycoplasmatales по своим свойствам является гетерогенной

группой бактерий, включающей

три семейства: Mycoplasmataceae,

Acholeplasmataceae и Spiroplasmataceae.

Семейство Mycoplasmataceae представлено двумя родами: Mycop-

lasma и Ureaplasma. Различия между ними состоят в том, что бактерии

рода Ureaplasma обладают уреазной активностью. Все представители

данного семейства являются хемоорганогетеротрофами, характеризую-

щимися высокими потребностями в питательных веществах (особенно в

холестерине или близких стеринах). Энергетический метаболизм фер-

ментативного

или окислительного типа. Использование глюкозы проис-

ходит по гликолитическому пути. Некоторые из представителей семей-

ства способны передвигаться путем скольжения.

Большинство представителей данного семейства является высокоспе-

циализированными паразитами человека, животных, насекомых и расте-

ний. Многие паразитические формы бактерий этого семейства патоген-

ны, например Mycoplasma pneumoniae – возбудитель острых респиратор-

ных заболеваний и пневмоний

у человека. Бактерии видов Mycoplasma

hominis и Ureaplasma urealyticum – возбудители воспалительных заболе-

ваний мочеполовой системы, таких как уретриты, циститы, пиелонефри-

ты, простатиты, вагиниты и др. Этими видами микоплазм инфицировано

391

не менее 50 % здоровых мужчин и женщин в возрасте 30–50 лет, причем

до 30 % женщин – носители одновременно обоих видов микоплазм.

В состав семейства Acholeplasmataceae входит один род – Acholep-

lasma. Ахолеплазмы менее требовательны к составу питательных сред и

не нуждаются для роста в холестерине и сыворотке. Не гидролизуют ар-

гинин и мочевину. К ахолеплазмам относятся свободноживущие

сапро-

фитные бактерии и паразиты млекопитающих и птиц; некоторые из них,

возможно, патогенны. Наиболее хорошо изучены бактерии вида Achole-

plasma laidlawii, относящиеся к сапрофитным микоплазмам.

В третье семейство Spiroplasmataceae включены бактерии рода Spiro-

plasma. Отличительным признаком спироплазм является их своеобразная

морфология: в стадии роста среди разнообразных форм преобладают

спиралевидные нити. На первых

этапах развития спироплазмы нуждают-

ся в холестерине. На более поздних этапах развития у них индуцируется

синтез каротиноидов, которые в мембранах спироплазм выполняют те же

функции, что и холестерин. Спироплазмы являются внутриклеточными

паразитами. Выделены из клещей, гемолимфы и кишечника насекомых,

из сосудистой жидкости растений, с поверхности цветковых растений и

т. д. Типовой

вид данного рода – Spiroplasma citri – патоген цитрусовых

растений, хрена, редьки.

9.17. Метилотрофные бактерии

Метилотрофы – микроорганизмы, способные использовать в ка-

честве источника углерода и энергии одноуглеродные, или С

-соедине-

ния. К таким веществам относятся метан (СН

), метанол (СН

ОН), фор-

мальдегид (НСОН), формиат (НСООН), метиламин (СН

), хлорметан

(СH

Cl), цианид калия (KCN) и др. В большинстве этих соединений уг-

лерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы,

использующие их, и получили название метилотрофов.

Метилотрофные микроорганизмы распространены повсеместно, это

связано с тем, что практически везде в природе имеются С

-соединения.

Например, ежегодно в атмосферу поступает 10

г метана (из болот, пру-

дов, органического ила, промышленных отходов, недр земли, из желуд-

ков жвачных животных и др.). Однако в атмосфере он не накапливается,

его используют метанокисляющие бактерии. Метан, кроме того, подвер-

гается фотоокислению с образованием метанола. В природе обнаружи-

ваются также формальдегид, формиат, формамид, цианиды и их соли,

СО

, метиламины, что также определяет места распространения метило-

трофов (табл. 19).

392

Таблица 19

Источники образования и распространение в природе

одноуглеродных соединений

-соединения Нахождение в природе Источник

СН

(метан)

Заливные луга, озера, боло-

та, сточные воды, шахты,

рубец жвачных животных

Метаногенные бактерии, по-

путный газ

СН

ОН

(метанол)

Атмосфера, гниющие рас-

тительные остатки, разло-

жение лигнина и пектина

Фотоокисление метана, хими-

ческое разложение лигнина

и гемицеллюлозы

НСОН

(формальдегид)

Промышленные сбросы Отходы лакокрасочной и хи-

мической промышленности

НСООН

(формиат)

Промышленные сбросы Химическая промышленность,

бродильное производство

HCONH

(формамид)

Промышленные сбросы Химическая промышленность

KCN и другие циа-

ниды

Промышленные сбросы, раз-

ложение растительного ма-

териала

Гальванопластика, продукты

метаболизма микроорганизмов

CO (оксид углерода) Города, свалки, пожарища Разложение порфиринов

(метиламин)

(CH

)

(диметиламин)

(CH

)

(триметиламин)

Промышленные сбросы,

водоемы

Разложение отходов рыбной

промышленности, белков, ами-

нокислот

Метилотрофные микроорганизмы составляют таксономически неод-

нородную, не связанную родством группу и включают грамположитель-

ные, грамотрицательные бактерии и дрожжи.

По способности использовать С

и другие углеродные соединения

метилотрофные бактерии делятся на две основные группы: облигатные и

факультативные. Облигатные метилотрофы способны расти только на

одноуглеродных субстратах. Группа факультативных метилотрофов

включает бактерии, которые наряду с одноуглеродными могут использо-

вать и некоторые полиуглеродные соединения.

Облигатные метилотрофные бактерии входят в состав родов: Methy-

lococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis, Methylobacillus

, Me-

thylophilus, Methylophaga, Мethylovorus и Methylobacterium. Это в основ-

ном грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами

клеток, подвижные и неподвижные. Облигатные аэробы. Тип метабо-

лизма – дыхательный. Каталазо- и оксидазоположительные. При росте на

метаноле имеют сложную систему внутрицитоплазматических мембран

двух типов: мембраны первого типа представлены стопками плотно упа-

кованных везикулярных

дисков, распределенных во всей цитоплазме;

393

мембраны второго типа имеют вид ламелл, расположенных по перифе-

рии клетки. Отличительные признаки родов облигатных метилотрофных

бактерий приведены в табл. 20.

Таблица 20

Отличительные признаки облигатных метилотрофных бактерий

Роды

Признаки

Methylococcus

Methylomonas

Methylosinus

Methylocystis

Methylovorus

Methylobacillus

Methylophilus

Methylophaga

Methylobacterium

Упаковка внутрицито-

плазматических мем-

бран

Первый тип Второй тип Первый тип

Цикл трикарбоновых

кислот

Неполный (не соде-

ржат α-кетоглута-

ратдегидрогеназы)

Полный Неполный (не содер-

жат α-кетоглутарат-

дегидрогеназы)

Покоящиеся формы Цисты Экзоспоры Не имеют

Основной путь асси-

миляции С

-сое-

динений

Рибулозомонофос-

фатный путь

Сериновый путь Восстановительный

пентозофосфатный

путь (цикл Кальвина)

Длина углеродной цепи

жирных кислот

16 углеродных ос-

татков

18 углеродных

остатков

16 углеродных ос-

татков

К факультативным метилотрофам относятся некоторые представите-

ли родов Pseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium, Bacillus, Acetobacter,

Achromobacter, Nocardia, Hyphomicrobium, Brevibacterium и др. Это раз-

личные по морфологии, окраске по Граму, подвижные или неподвижные

бактерии, единственным общим признаком которых является способ-

ность расти на С

-соединениях.

Использование метилотрофами С

-соединений в конструктивном и

энергетическим метаболизме привело к формированию у них специфи-

ческих путей их ассимиляции и окисления.

Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде

следующей схемы (рис. 106).

Формальдегид у метилотрофных бактерий является ключевым мета-

болитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетиче-

ские пути. Часть формальдегида превращается

в вещества клетки по спе-

цифическим для метилотрофов ассимиляционным циклическим путям

(рибулозомонофосфатному, сериновому и восстановительному пентозо-

фосфатному), большая часть окисляется через формиат до СО

, что при-

водит к образованию АТФ.

394

2Н 2Н 2Н

СН

ОН НСОН НСООН СО

метан Ф

метанол Ф

формальдегид Ф

формиат Ф

Рис. 106. Окисление метана и связь энергетического и конструктивного метабо-

лизма у метилотрофов:

– метанмонооксигеназа; Ф

– метанолдегидрогеназа; Ф

– формальдегиддегидрогеназа;

– формиатдегидрогеназа. Ассимиляционные циклы: 1 – рибулозомонофосфатный, 2 – се-

риновый, 3 – восстановительный пентозофосфатный

В окислительном метаболизме С

-соединений у метилотрофов участ-

вуют следующие переносчики дыхательной цепи: флавопротеины, хино-

ны, цитохромы типа a, b, c, o. Количество энергии, выделяющейся при

окислении С

-соединений соответствующими дегидрогеназами, опреде-

ляется местом поступления электронов в дыхательную цепь. При окис-

лении метанола в формальдегид метанолдегидрогеназой электроны по-

ступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с. Это приводит к

синтезу одной молекулы АТФ. На какие переносчики дыхательной цепи

передаются электроны от формальдегида и формиата пока неизвестно.

Метилотрофные бактерии

находят широкое практическое примене-

ние и являются перспективными объектами биотехнологии. Биомасса

метилотрофов характеризуется достаточно высоким содержанием белка

и незаменимых аминокислот, например содержание лизина достигает

5,8 % сухой массы. Перевариваемость бактериальной биомассы состав-

ляет 85–98 %, поэтому ее можно использовать в качестве кормовой до-

бавки.

Промышленное значение имеет также биотрансформация метило-

трофами органических веществ. Иммобилизованные

бактерии, клеточ-

ные экстракты или очищенные ферменты окисления С

-сое-динений ка-

тализируют неспецифическое окисление ряда соединений: ароматиче-

ских, алициклических и гетероциклических углеводородов, фенолов,

спиртов с длинной углеродной цепью. При биотрансформаци получают

продукты, имеющие потенциальное промышленное значение, например

из пропилена пропиленоксид, который является субстратом для синтети-

ческих полимеров.

НАД·Н

НАД

2 Компоненты 3

1 клетки

395

Метилотрофы являются продуцентами аминокислоты серина, вита-

мина В

, убихинонов Q

, Q

, метаксина, поли-β-гидроксибутирата и

внеклеточных полисахаридов. Например, выход полисахаридов состав-

ляет более 30 % по отношению к массе субстрата. При определенных ус-

ловиях выращивания до 66 % биомассы метилотрофных бактерий со-

ставляет поли-β-гидроксибутират – полимер, имеющий промышленное

значение как заменитель пластмасс, но подверженный биодеградации.

Перспективно также использование метилотрофных бактерий в каче-

стве

биокатализаторов для обнаружения выбросов метана в угольных

шахтах, для очистки сточных вод от метилсодержащих соединений. На-

конец, метилотрофы могут служить хорошей основой для создания ген-

но-инженерных штаммов – продуцентов эукариотических белков меди-

цинского и ветеринарного назначения. Показано, что уровень экспрессии

некоторых генов (например, интерферонов) в метилотрофных бактериях

выше, чем в бактериях

E. coli.

9.18. Архебактерии

Впервые архебактерии стали известны в 1977 г. благодаря работам

американских ученых К. Везе и Г. Фокса по изучению молекулярно-

биохимических свойств биополимеров клеток разных видов бактерий.

Ведущую роль в их открытии сыграл анализ состава и определение по-

следовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Было показано, что мета-

нобразующие бактерии резко отличаются по этому признаку

от других

обследованных организмов.

Впоследствии было установлено, что архебактерии, кроме этого, об-

ладают рядом уникальных общих свойств, благодаря которым их выде-

лили в отдельный класс.

1. Их клеточная стенка не имеет пептидогликана муреина, вместо ко-

торого в состав клеточной стенки входят кислые полисахариды, белки

или псевдомуреин, не содержащий в отличие от

муреина мурамовой ки-

слоты, а в пептидных мостиках – D-аминокислот. Вместо ацетилмурамо-

вой кислоты в состав муреина входит ацетилталозаминуроновая кислота,

что определило устойчивость архебактерий к антибиотикам, нарушаю-

щим синтез клеточных стенок у эубактерий, – пенициллину, ампицилли-

ну, D-циклосерину и т. п.

2. Мембраны архебактерий не содержат в составе липидов сложных

эфиров глицерина и

жирных кислот, а представлены особыми бифита-

нильными глицериновыми эфирами, образованными путем конденсации

глицерина с терпеноидными спиртами.

396

3. В тРНК архебактерий изменена общая для всех других организмов

петля тимин–псевдоуридин–цитидин, в которой вместо тимина присут-

ствуют другие основания.

4. Наличие в генах, кодирующих тРНК, интронов, которые имеются

только в эукариотических геномах, но отсутствуют у большинства эубак-

терий.

5. Наличие в геноме архебактерий многократно повторяющихся по-

следовательностей, что характерно

для хромосомной ДНК эукариот. В

области нуклеоида у архебактерий содержатся белки гистоны.

6. Архебактерии имеют более сложную структуру аппаратов транс-

ляции и транскрипции. ДНК-зависимая РНК-полимераза, осуществляю-

щая процесс транскрипции у архебактерий, состоит из 9–12 субъединиц,

у эубактерий – из 4–8 субъединиц. РНК-полимераза архебактерий, по-

добно таковым у эукариот, не ингибируются рифампицином,

их актив-

ность стимулируется силибином.

7. Рибосомы архебактерий содержат относительно больше белков,

чем рибосомы эубактерий, причем они представлены более кислыми

формами по сравнению с белками рибосом эубактерий. Кроме того, про-

цесс биосинтеза белков у архебактерий не ингибируется такими анти-

биотиками, как хлорамфеникол и стрептомицин.

8. Особенностью конструктивного метаболизма архебактерий являет-

ся отсутствие

фиксации СО

в цикле Кальвина. Основным путем авто-

трофной его фиксации является восстановительный путь карбоновых ки-

слот в различных его модификациях, присущий и некоторым эубактери-

ям.

9. Архебактерии неспособны использовать сложные высокомолеку-

лярные соединения. Среди них не обнаружено активных продуцентов

гидролитических ферментов, что, возможно, является одной из причин

отсутствия патогенных и паразитических форм

10. Некоторые архебактерии, в частности метаногенные, синтезируют

уникальный набор коферментов, не встречающийся у других организ-

мов, например кофермент М, никельтетрапиррольный фактор F

430

, фак-

тор F

420

(производное 5-деазафлавина), тетрагидрометаноптерин, мета-

нофуран и др.

11. Архебактерии занимают необычные, часто экстремальные по ус-

ловиям окружающей среды высокоспециализированные экологические

ниши.

12. Морфология клеток архебактерий беднее, чем эубактерий. Среди

них нет мицелиальных, стебельковых и трихомных форм, преобладают

сферические и цилиндрические клетки, а также необычные плоские

397