Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

ся в мембране. Такие транспортные системы функционируют за счет ме-

ханизмов активного транспорта и системы специфических ферментов

пермеаз;

• с вышеуказанной особенностью (полупроницаемостью) цитоплаз-

матической мембраны связана и функция транспорта веществ в клетку и

вывод их наружу;

• в цитоплазматической мембране локализуются электронтранс-

портная цепь и ферменты окислительного фосфорилирования;

• цитоплазматическая мембрана связана с синтезом клеточной стен-

ки и капсулы за счет наличия в ней специфических переносчиков для об-

разующих их молекул;

• в цитоплазматической мембране закреплены жгутики. Энергетиче-

ское обеспечение работы жгутиков связано с цитоплазматической мем-

браной.

У прокариот, принадлежащих к разным таксономическим группам,

обнаружены мезосомы, которые образуются при впячивании цитоплаз-

матической мембраны в цитоплазму. Мезосомы бактерий разнообразны

по форме, размерам и локализации в клетке. Выделяют три основных ти-

па мезосом: ламеллярные (

пластинчатые), везикулярные (имеющие форму

пузырьков) и тубулярные (трубчатые).

В клетках некоторых бактерий обнаруживаются также мезосомы сме-

шанного типа: состоящие из ламелл, трубочек и пузырьков. Сложно ор-

ганизованные и хорошо развитые мезосомы характерны для грамполо-

жительных бактерий. У грамотрицательных бактерий они встречаются

значительно реже и относительно просто организованы. По расположе-

нию

в клетке различают мезосомы, образующиеся в зоне клеточного де-

ления и формирования поперечной перегородки; мезосомы, к которым

прикреплен нуклеоид; мезосомы, сформированные в результате инваги-

нации периферических участков цитоплазматической мембраны.

Существуют разные точки зрения относительно роли мезосом в бак-

териальной клетке. Согласно одной из них, мезосомы служат для усиле-

ния мембранзависимых функциональных

активностей клетки, так как в

мембранах, образующих мезосомы, находятся ферменты, участвующие в

энергетическом метаболизме бактерий. Кроме того, считают, что мезо-

сомы играют роль в репликации ДНК и последующем расхождении ее

копий по дочерним клеткам. Мезосомы участвуют в процессе инициации

и формирования поперечной перегородки при клеточном делении.

Развитая система внутрицитоплазматических мембран

характерна для

большинства фотосинтезирующих прокариот. Поскольку в этих мембра-

нах локализован фотосинтетический аппарат клетки, они получили на-

звание фотосинтетических мембран. Все фотосинтетические мембра-

ны – производные цитоплазматической мембраны, возникшие в резуль-

тате ее разрастания и глубокого впячивания (инвагинации) в цитоплазму.

Фотосинтетические мембраны образуют у этих бактерий хроматофоры,

тилакоиды и ламеллы.

2.2.3. Транспорт веществ в клетку бактерий

Различают следующие способы поступления веществ в клетку бакте-

рий: простая, или пассивная, диффузия; облегченная диффузия; актив-

ный транспорт и транслокация групп.

Простая, или пассивная, диффузия – неспецифическое поступление

веществ в клетку за счет разницы концентраций, т. е. происходит пере-

движение молекул из более концентрированного раствора в менее кон-

центрированный – по

градиенту концентрации. Этот процесс не связан с

затратой энергии. Таким путем осуществляется транспорт низкомолеку-

лярных веществ, особенно кислорода, липофильных соединений (спир-

ты, жирные кислоты), воды, по-видимому, ядов и других чужеродных

для клетки веществ, а также удаление продуктов обмена. Скорость пере-

мещения путем простой диффузии невелика.

Перенос веществ при облегченой диффузии

также происходит по

градиенту их концентрации. Этот процесс не требует затраты энергии и

осуществляется с участием специфических пермеаз. Скорость транспор-

та зависит от концентрации субстрата в среде.

Активный транспорт – основной механизм избирательного перено-

са веществ через цитоплазматическую мембрану в клетку против гради-

ента концентрации. Этот процесс, так же как и

облегченная диффузия,

протекает при участии локализованных в цитоплазматической мембране

переносчиков белковой природы – пермеаз, которые высокоспецифичны

к субстрату. В отличие от облегченной диффузии, для активного транс-

порта необходимы затраты энергии либо в виде АТФ, либо за счет про-

тондвижущей силы энергизованной мембраны. От активного транспорта

зависит сродство клеток к субстрату, т. е

. основной признак, опреде-

ляющий и набор, и концентрацию используемых веществ.

У многих бактерий, особенно грамотрицательных, в активном транс-

порте принимают участие особые связующие белки, не идентичные пер-

меазам и не входящие в структуру мембраны, а локализованные в пери-

плазматическом пространстве. У связующих белков отсутствует катали-

тическая активность, но они обладают

очень высоким сродством к опре-

деленным питательным веществам и различным аминокислотам, углево-

дам, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных

связующих белков, которые образуют прочные комплексы со своими

субстратами и необходимы для их активного переноса через мембрану.

Связующие белки функционируют только в комплексе со специфиче-

скими пермеазами, осуществляющими активный перенос субстрата через

мембрану. Необходимая для этого метаболическая энергия используется

для снижения сродства пермеазы

к своему субстрату на внутренней сто-

роне мембраны по сравнению с ее сродством к нему на внешней стороне.

В результате этих превращений происходит изменение скорости выхода

субстрата наружу, она становится во много раз меньше скорости его по-

ступления в клетку.

Если во всех вышеупомянутых способах переноса веществ через ци-

топлазматическую

мембрану они поступают в клетку в химически неиз-

мененном виде, то при транслокации групп происходит химическая мо-

дификация переносимых молекул. Так происходит поступление в клетку

многих прокариот углеводов, в процессе которого они фосфорилируют-

ся. Источником фосфатной группы служит фосфоенолпируват, от кото-

рого фосфат с помощью фермента (фермента I), находящегося в цито-

плазме

, переносится на молекулу специального термостабильного белка,

а с него при участии второго фермента (фермента II), локализованного в

цитоплазматической мембране и обнаруживающего высокое сродство к

определенным углеводам, фосфатная группа переносится на углевод на

наружной стороне цитоплазматической мембраны:

фермент I

Фосфоенолпируват + белок пируват + белок-Ф,

фермент II

Белок-Ф + углевод углевод-Ф + белок.

Фосфорилированные углеводы проникают через цитоплазматическую

мембрану и накапливаются в цитоплазме, например глюкоза поступает в

клетку в виде глюкозо-6-фосфата. Система переноса углеводов получила

название фосфотрансферазной. Перенос веществ с помощью фосфо-

трансферазной системы является выгодным с энергетической точки зре-

ния. Хотя при этом

и происходит затрата богатой энергией фосфатной

связи фосфоенолпирувата, в процессе переноса образуется молекула

глюкозы в фосфорилированной форме (глюкозо-6-фосфат), а это делает

ненужным фосфорилирование глюкозы за счет АТФ на первом этапе ее

катаболизма.

2.2.4. Секреция продуктов жизнедеятельности

бактериальной клеткой

Бактерии синтезируют и секретируют во внешнюю среду различные

продукты своей жизнедеятельности. Секреция белков бактериями осу-

ществляется с помощью различных систем и механизмов. При этом сле-

дует различать секрецию белков в периплазматическое пространство че-

рез цитоплазматическую мембрану и непосредственно в культуральную

жидкость. У грамотрицательных бактерий большинство белков секрети-

руется в периплазматическое пространство

в виде белков-предшест-

венников, содержащих в своей структуре особый сигнальный (лидерный)

пептид из 15–40 аминокислотных остатков. Этот сигнальный пептид

обеспечивает перенос белка-предшественника через цитоплазматиче-

скую мембрану, после чего отделяется от него с помощью сигнальной

пептидазы.

Существует несколько моделей, объясняющих механизм, посредст-

вом которого сигнальный пептид обеспечивает секрецию белка-предшес-

твенника через цитоплазматическую мембрану в периплазматическое

пространство.

Модель прямого транспорта предполагает прямое вхождение ли-

дерного пептида в липидный бислой мембраны с использованием сво-

бодной энергии мембраноассоциированных рибосом.

Сигнальная гипотеза предполагает, что в результате взаимодействия

сигнального пептида с особым рецептором мембраны образуется внут-

римембранный канал, через который и осуществляется секреция.

Существуют и

другие, более сложные модели механизма переноса

секретируемого белка через цитоплазматическую мембрану. По-видимо-

му, применительно к разным белкам и у разных групп бактерий дейст-

вуют различные механизмы секреции. Лучше всего изучены механизмы

секреции белков у бактерий E.coli. У них обнаружены два пути секреции:

sec-зависимый и относительно sec-независимый. Для

обеспечения секре-

ции белков по sec-зависимому механизму требуется участие продуктов

ряда sec-генов: secA, secY, secB, secD, secE и secF. Источниками энергии

для переноса белков служат гидролиз АТФ и градиент концентрации

протонов. Для процессинга белка после его перемещения достаточно, по-

видимому, активности только двух сигнальных пептидаз: сигнальной

пептидазы I (мол. масса 36 кД, кодируется геном

lepB) и сигнальной пеп-

тидазы II (мол. масса 18 кД, кодируется геном lepA).

Относительно sec-независимый механизм переноса белков использу-

ется бактериями E. coli для переноса коротких полипептидов, однако и в

этом случае на ранних стадиях также участвует белок SecА.

Следует отметить, что некоторые белки секретируются непосредст-

венно в культуральную среду. При этом в каждом конкретном случае ис-

пользуются различные механизмы, которые также еще недостаточно

изучены. Например, бактериоцины, синтез которых кодируется генами

различных плазмид, не содержат структуре сигнальных пептидов. Для их

секреции через цитоплазматическую мембрану требуется специальный

вспомогательный белок – рилизинг-белок. Система транспорта гемоли-

зина HlyA состоит как минимум из двух вспомогательных белков HlyB и

HlyD, которые образуют канал для непосредственного выхода гемолизи-

на из цитоплазмы во

внешнюю среду.

2.2.5. Цитоплазма и внутрицитоплазматические включения

Цитоплазма – это содержимое клетки, окруженное цитоплазматиче-

ской мембраной. Фракция цитоплазмы, имеющая гомогенную конси-

стенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков,

продуктов и субстратов метаболических реакций, получила название

цитозоля. Другая часть цитоплазмы представлена структурными эле-

ментами: рибосомами, внутрицитоплазматическими включениями, нук-

леоидом и мембранными структурами.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70S. Они обра

зованы двумя субъединицами – 30S и 50S. По величине и некоторым

другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами мито-

хондрий и хлоропластов. Меньшая субъединица 30S содержит молекулу

16S-рРНК и в большинстве случаев по одной молекуле белков 21 вида.

Субъединица 50S состоит из двух типов молекул рРНК (23S и 5S) и око-

ло 35 молекул различных белков, представленных, как

правило, также

одной копией.

Бактериальная клетка содержит от 5 до 50 тыс. рибосом, число их тем

больше, чем больше скорость роста клетки.

Рибосомы служат местом синтеза белка. Синтез белка осуществляет-

ся агрегатами, состоящими из рибосом, РНК – информационной (иРНК)

и транспортных (тРНК). Такие агрегаты называются полирибосомами

или полисомами. Полирибосомы могут быть связаны с мембранными

структурами или же находиться свободно в цитоплазме.

Различия между рибосомами бактерий (70S) и эукариот (80S) имеют

решающее значение для борьбы с инфекционными заболеваниями, так

как некоторые антибиотики, действуя бактерицидно или бактериостати-

чески, частично или полностью подавляют синтез белка, протекающий

на рибосомах 70S-типа, но не затрагивают функционирования рибосом

80S-типа.

Внутрицитоплазматические включения подразделяются на актив-

но функционирующие структуры и продукты клеточного метаболизма,

не выделяющиеся наружу, а откладывающиеся внутри клетки.

К первой группе внутриплазматических включений относятся газо-

вые вакуоли, или аэросомы, обнаруженные у бактерий, обитающих в во-

де. Аэросомы снижают удельную массу бактериальной клетки и благо-

даря этому поддерживают ее во взвешенном состоянии в водоеме. Аэро-

сома представляет собой скопление газовых пузырьков (везикул), Кото-

рые имеют веретенообразную форму. Их оболочка состоит только из

белка, т. е. устроена не

так, как обычная мембрана. Белковые молекулы

ориентированы таким образом, что внутренняя сторона оказывается гид-

рофобной, а наружная – гидрофильной.

К первой группе включений относятся также хлоросомы зеленых

бактерий и фикобилисомы цианобактерий. В этих структурах локализо-

ваны пигменты, поглощающие кванты света и передающие энергию воз-

буждения на фотореакционные центры, т. е. они

принимают непосредст-

венное участие в фотосинтезе. Это эллипсовидные образования, окру-

женные тонкой белковой оболочкой (толщиной 2,5–3,0 нм), которая со-

стоит из отдельных глобул.

Карбоксисомы, или полиэдрические тела, содержатся в клетках не-

которых автотрофных бактерий. Они имеют форму многогранника диа-

метром 90–100 нм, окруженного однослойной белковой оболочкой. В

карбоксисомах содержится рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза – клю-

чевой

фермент, катализирующий фиксацию СО

в цикле Кальвина в

процессе фото- и хемосинтеза.

Магнитосомы содержатся в водных бактериях, способных ориенти-

роваться в магнитном поле и перемещаться в направлении линий маг-

нитного поля. В их состав входит 0,4 % железа (по сухому веществу).

Магнитосомы располагаются в клетках вблизи мест прикрепления жгу-

тиков.

Ко второй группе включений (продуктам клеточного

метаболизма)

относятся запасные вещества – полифосфаты, полисахариды, жиры, се-

ра. Эти вещества накапливаются, если в питательной среде находятся со-

ответствующие исходные соединения, но вместе с тем рост бактерий ог-

раничен или вообще невозможен из-за недостатка каких-то отдельных

компонентов питания или же присутствия ингибиторов. Запасные веще-

ства содержатся в клетках в осмотически инертной форме, т. е. не рас-

творимы в воде. В условиях, благоприятных для роста, когда в этих ве-

ществах возникает потребность, они снова включаются в метаболизм.

Из полисахаридов в клетках микроорганизмов откладываются глико-

ген, крахмал и крахмалоподобное вещество гранулоза. Запасные вещест-

ва полисахариды образуются из

молекул α-D-глюкозы, которые связаны

α-1,4-гликозидными связями. Благодаря такому типу связей полиглюкоз-

ные цепи не вытянуты в длину, а закручены винтообразно. Много крах-

мала имеют клетки бактерий рода Nеisseria и вида Acetobacter pasteuri-

anus. Гранулоза содержится в большом количестве в клетках бактерий

рода Clostridium. Гликоген, или «животный крахмал», синтезируется у

бактерий

E.coli, у бактерий рода Salmonella, у бацилл, дрожжей и других

микроорганизмов. Установлено, что гликоген у бактерий встречается

чаще, чем крахмал. Запасные полисахариды используются микроорга-

низмами в качестве источников углерода и энергии.

Жиры накапливаются в виде гранул и (или) капелек, преломляющих

свет по-иному, чем содержимое цитоплазмы, и поэтому хорошо разли-

чимы в световом микроскопе. Запасным жироподобным веществом мно-

гих бактерий (например, представителей рода Pseudomonas) является по-

ли-β-гидроксимасляная кислота. Это полиэфир, растворимый в хлоро-

форме и состоящий примерно из 60 остатков β-оксибутирата. Доля этого

вещества в сухой биомассе клеток может достигать 80 %. Поли-β-гид-

рокси-масляная кислота является хорошим

источником углерода и энер-

гии. Микроорганизмы могут накапливать также триглицериды (ней-

тральные жиры). Особенно много их запасается в клетках дрожжей и

других грибов. Кроме того, микобактерии могут содержать до 40 % вос-

ков.

Полифосфаты откладываются в гранулах, называемых волютиновы-

ми или метахроматиновыми зернами. Название «метахроматиновые

зерна» обусловлено тем, что они вызывают характерные изменения

цвета

(метахромазию) некоторых красителей (метиленового синего, толуиди-

нового синего). Полифосфаты играют роль фосфатных депо и источни-

ков энергии.

У многих бактерий, таких как пурпурные и бесцветные серобактерии,

зеленые серные бактерии и других, окисляющих сульфид до сульфата, в

процессе метаболизма в клетке откладывается молекулярная сера в виде

шариков, сильно преломляющих свет

. Количество накопляемой серы за-

висит от содержания Н

S в окружающей среде. В условиях отсутствия

S сера, находящаяся в клетке, окисляется до . Сера служит ис-

точником энергии и донором электронов.

-2

Специфическими запасными веществами цианобактерий являются

цианофитиновые гранулы, состоящие из полипептида, в который вхо-

дят аргинин и аспарагиновая кислота в эквимолярных количествах. Ос-

тов молекулы полипептида построен из остатков аспарагиновой кислоты,

соединенных пептидными связями, а к их β-карбоксильным группам

присоединены остатки аргинина.

Цианофитиновые гранулы служат ре-

зервом азота, который используется цианобактериями при его недостатке

в среде.

2.2.6. Жгутики и движение бактерий

Большинство бактерий передвигаются при помощи жгутиков. Рас-

смотреть жгутики можно только в электронном микроскопе. В световом

микроскопе без специальных методов обработки отдельные жгутики не

видны.

По расположению и числу жгутиков на поверхности клетки бактерии

подразделяются:

• на монотрихи – имеют один жгутик (например, бактерии родов

Caulobacter и Vibrio);

• лофотрихи – имеют на одном или на обоих полюсах клетки пучок

жгутиков (например, бактерии родов Pseudomonas, Chromatium);

• амфитрихи – имеют по жгутику на обоих полюсах клетки (напри-

мер, бактерии рода Spirillum);

• перитрихи – большое количество жгутиков, располагающихся по

всей поверхности клетки (например, бактерии вида E.coli и рода Erwinia)

(рис. 16).

Жгутики представляют собой спирально закрученные нити, состоя-

щие из специфического белка флагеллина. Флагеллин построен из субъ-

единиц с относительно малой молекулярной массой. Субъединицы рас-

полагаются по спирали вокруг внутреннего свободного пространства.

Аминокислотный состав

флагеллина у разных видов бактерий может

варьировать.

Рис. 16. Типы жгутикования у бактерий

Жгутик состоит из трех частей: нити, крюка и базального тельца

(рис. 17). С помощью базального тельца, в которое входит центральный

стержень и кольца, жгутик закреплен в цитоплазматической мембране и

клеточной стенке. Количество колец у грамотрицательных и грамполо-

жительных бактерий различно. У грамотрицательных бактерий имеются

четыре кольца: L, P, S, M. Из них L и P –

наружная пара колец; S и M –

внутренняя пара колец. L-кольцо закреплено в наружной мембране, P – в

пептидогликановом слое клеточной стенки, S – в периплазматическом

пространстве, а M – в цитоплазматической мембране.

У грамположительных бактерий базальное тельце устроено проще.

Оно состоит только из двух колец: S и M, т. е. только из внутренней

па-

ры колец, которые размещаются в цитоплазматической мембране и кле-

точной стенке.

Жгутики бактерий по характеру работы подобны корабельному вин-

ту. Если клетка имеет много жгутиков, они при движении собираются в

пучок, который образует своеобразный пропеллер. Пучок жгутиков, бы-

стро вращаясь против часовой стрелки, создает силу, заставляющую бак-

терию двигаться

почти по прямой линии. После того как направление

вращения жгутиков изменяется, пучок расплетается и клетка останавли-

вается, вместо поступательного движения она начинает хаотически вра-

щаться, ее ориентация изменяется. В тот момент, когда все жгутики бак-

терии снова начнут синхронно вращаться против часовой стрелки, обра-

зовав пропеллер, толкающий бактерию, направление ее поступательного

Монотрих Лофотрих

Амфитрих Перитрих

движения будет отличаться от первоначального. Таким способом бакте-

рия может изменять направление своего движения.

Рис. 17. Структура жгутика грамотрицательных бактерий (по T. Паустиану, 2001)

Так как у грамположительных бактерий наружная пара колец отсут-

ствует, то считают, что для вращения жгутиков необходимо наличие

только внутренней пары (кольца S и M). Эти кольца, соединенные с вра-

щающимся стержнем, выступающим наружу, и образуют так называе-

мый электромотор, обеспечивающий движение жгутика (рис. 18). На пе-

риферии кольца М находятся белки MotB. Белки

MotА встроены в цито-

плазматическую мембрану и примыкают к краям колец M и S. Вращаю-

щий момент возникает за счет взаимодействия субъединиц белка MotВ с

белковыми субъединицами MotА. В белковых субъединицах MotА име-

ется по два протонных полуканала. Через эти протонные полуканалы

переносятся протоны из периплазматического пространства в цитоплаз-

му бактерий (подобно

протонному каналу АТФ-синтазы). В результате

переноса протонов через белки MotА и MotВ происходит вращение

кольца М. Установлено, что один полный оборот кольца М связан с пе-

реносом через мембрану около 1000 протонов. Таким образом, в качест-