Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

ве источника энергии для вращения жгутиков используется протондви-

жущая сила, возникающая в цитоплазматической мембране.

Жгутик

Крюк

Бактерия

Жгутик

Внешняя

мембрана

Внутрен-

няя мем-

брана

Внутрен-

няя мем-

брана

MotA

Цитоплазма

Белки MotA, B

MotВ

Рис. 18. Схематическое изображение электромотора, вращающего жгутики

бактерий (по А. Н. Тихонову, 1999)

Своеобразный тип движения характерен для спирохет. Клетка спиро-

хет состоит из протоплазматического цилиндра, представленного пепти-

до-гликановым слоем и цитоплазматической мембраной, и окруженного

внешним чехлом. Вокруг протоплазматического цилиндра в периплазма-

тическом пространстве находятся пучки нитчатых структур – аксиаль-

ные фибриллы, которые, как и жгутики, состоят из белка флагеллина.

Эти структуры обеспечивают движение

спирохет как в жидкой среде, так

и на разделе фаз жидкой и плотной среды (рис. 19).

Число аксиальных фибрилл колеблется от 2 до 100. Один конец каж-

дой аксиальной фибриллы прикреплен вблизи полюса протоплазматиче-

ского цилиндра, а другой – свободен. Клетка содержит по два набора

фибрилл, прикрепленных субполярно у каждого полюса клетки. Каждая

аксиальная

фибрилла тянется практически вдоль всей длины клетки, а в

центральной части клетки аксиальные фибриллы перекрываются.

Фибриллы, вращаясь или сокращаясь, обусловливают характерное

для спирохет движение: путем изгибания, вращения вокруг оси, волно-

образно, винтообразно.

Внешняя мемб

ана

Аксиальная

иб

илла

Протоплазматический цилиндр

Внешняя мембрана

Аксиальная фибрилла

Периплазматическое пространство

Пепти

огликан м

ур

еин

Цитоплазматическая мембрана

Рис. 19. Клетка спирохет в продольном разрезе (А) и увеличенное в размере место

прикрепления аксиальной фибриллы у полюса протоплазматического цилиндра (Б)

У некоторых прокариот установлен скользящий тип передвижения.

Способность к скольжению выявлена у некоторых микоплазм, миксобак-

терий, цианобактерий, нитчатых серобактерий и др. Скорость при таком

типе передвижения небольшая: 2–11 мкм/с. Общим для всех микроорга-

низмов, способных к скольжению, является выделение слизи. Кроме то-

го, у ряда таких прокариот в составе клеточной стенки

между пептидог-

ликановым слоем и наружной мембраной выявлен тонкий слой белковых

молекул. Например, у нитчатых цианобактерий фибриллы образуют еди-

ную систему, которая в виде спирали окружает весь трихом (нить).

Скольжение нитчатых форм сопровождается и одновременным их вра-

щением, поэтому каждая точка на поверхности трихома описывает при

движении спираль. Направление вращения

является видоспецифическим

признаком и коррелирует с направлением хода спирали белковых фиб-

рилл.

Механизмы скользящего движения не ясны и существуют несколько

гипотез, которые их объясняют. Согласно гипотезе реактивного движе-

ния, скользящее передвижение обусловлено выделением слизи через

многочисленные слизевые поры в клеточной стенке, в результате чего

клетка отталкивается от субстрата в направлении, противоположном на-

правлению выделения слизи. Однако при анализе этой модели было сде-

лано заключение, что для обеспечения скольжения по «реактивному»

механизму клетке нужно в течение одной секунды выделить такой объем

слизи, который во много раз больше ее цитоплазматического содержи-

мого.

В соответствии со второй гипотезой

, получившей распространение в

последние годы, скользящий тип движения связан с присутствием белко-

вого слоя, который состоит из правильно расположенных фибрилл, ана-

логичных нитям жгутиков, но находящихся внутри клеточной стенки. У

некоторых скользящих бактерий описаны структуры, очень схожие с ба-

зальными тельцами жгутиковых форм. Вращательное движение фиб-

рилл, которое «запускается» этими

структурами, приводит к появлению

на поверхности клетки «бегущей волны» или движущихся микроскопи-

ческих выпуклостей клеточной стенки, в результате чего клетка отталки-

вается от твердого или вязкого субстрата. Согласно этой гипотезе, выде-

ление слизи не является абсолютно необходимым для скольжения, но в

определенных условиях улучшает отталкивание клетки от субстрата.

Скольжение может осуществляться

и без выделения слизи в среде под-

ходящей консистенции. Более того, выделение большого количества сли-

зи, как правило, мешает передвижению клетки или приводит к его поте-

ре.

Для подвижных бактерий характерны таксисы, т. е. направленная

двигательная реакция в ответ на определенный фактор. В зависимости от

природы различают хемотаксис, фототаксис,

магнитотаксис и вискози-

таксис.

Хемотаксис – движение бактерий относительно источника химиче-

ского вещества. Для каждого микроорганизма все химические вещества в

этом плане могут быть разделены на две группы: инертные и вызываю-

щие таксисы, или эффекторы. Среди эффекторов выделяют: аттрактан-

ты – вещества, которые притягивают бактерии; репелленты – вещества,

которые отпугивают бактерии.

Фототаксис –

движение к источнику света или от него, свойствен-

ное фототрофным бактериям.

Магнитотаксис – способность бактерий передвигаться по силовым

линиям магнитного поля Земли или магнита. Выявлен в клетках бакте-

рий, содержащих магнитосомы и распространенных в водных экосисте-

мах разного типа.

У ряда бактерий выявлен вискозитаксис – способность реагировать

на изменение вязкости раствора и передвигаться в направлении ее уве-

личения или уменьшения.

За чувствительность бактерий к градиенту концентраций определен-

ных факторов ответственны специфические рецепторы. Рецептор реаги-

рует на эффектор и передает сигнал определенного типа на базальное

тельце жгутика.

2.2.7. Ворсинки (или фимбрии)

Ворсинки, или фимбрии, – поверхностные структуры, которые состо-

ят из белка пилина и не выполняют функцию движения. По размерам

они короче и тоньше жгутиков. Число фимбрий на поверхности клетки

колеблется от 1–2 до нескольких тысяч, их имеют как кокковидные, так

и палочковидные бактерии.

Различают два типа фимбрий: общие и специфические.

Фимбрии общего типа

выполняют функцию прикрепления клетки к

поверхности субстрата. Не исключается возможность их участия в по-

ступлении крупномолекулярных соединений в цитоплазму клетки.

Специфические ворсинки – половые пили, обнаруженные у клеток

так называемых доноров, т. е. у клеток, содержащих половой фактор

(F-плазмиду) или другие донорспецифические плазмиды. Если в клетке

бактерий находится половой фактор, то

на их поверхности синтезируют-

ся одна-две половые F-пили на клетку. Они имеют вид полых белковых

трубочек длиной от 0,5 до 10 мкм. F-пили играют определяющую роль в

образовании конъюгационных пар при переносе генетического материа-

ла от клетки донора в клетку реципиента.

2.2.8. Капсулы, слизи и чехлы

Многие микроорганизмы продуцируют на поверхности клетки слизи-

стое вещество. В зависимости от толщины слизистого слоя принято раз-

личать микрокапсулу толщиной до 0,2 мкм (она видима лишь в элек-

тронном микроскопе). Связь микрокапсулы с клеточной стенкой на-

столько прочна, что ее иногда предлагают рассматривать как элемент

клеточной стенки. Макрокапсула представлена слоем слизи толщиной

более 0,2 мкм. Слизью называют вещество, окружающее клетку, имею-

щее аморфный, бесструктурный вид и легко отделяющееся от поверхно-

сти бактериальной клетки, а по толщине часто превосходящее ее диа-

метр.

Капсулы и слизь не являются обязательными структурами бактери-

альной клетки, так как бактерии, их образующие, в результате мутаций

легко могут превращаться в бескапсульные формы, и эти изменения не

приводят к какому-либо нарушению клеточной активности.

В большинстве случаев капсула образована полисахаридами (напри-

мер, у бактерий вида Streptococcus mutans, некоторых представителей

родов Xanthomonas,

Klebsiella, Corynebacterium и др.). Капсулы же дру-

гих видов бактерий состоят из полипептидов, представленных полиме-

рами, в которых содержится много D- и L-форм глутаминовой кислоты.

Примером такой капсулы является капсула бактерий Bacillus anthracis.

Для ряда бактерий показана также способность синтезировать капсулу,

состоящую из волокон целлюлозы. Так построена капсула у бактерий

Sarcina ventriculi.

Слизи по

химической природе являются полисахаридами. Особенно

обильное их образование наблюдается у многих микроорганизмов при

выращивании на среде с сахарозой. Например, бактерии Leuconostoc

mesenteroides (относящиеся к молочнокислым бактериям) быстро превра-

щают раствор, содержащий тростниковый сахар, в декстрановый гель, за

что их на сахарных заводах называют «бактериями лягушачьей икры».

Капсулы и слизи выполняют следующие

функции:

• защитную – предохраняют клетку от действия различного рода не-

благоприятных факторов внешней среды (механических повреждений,

высыхания и т. п.);

• создают дополнительный осмотический барьер;

• способны выступать в качестве фактора вирулентности у некото-

рых бактерий (например, у Streptococcus pneumoniae);

• служат барьером для бактериофагов, препятствуя их адсорбции на

клетках бактерий;

• являются источником запасных питательных веществ;

• объединяют клетки в цепочки, колонии;

• обеспечивают прикрепление клеток к поверхности субстрата.

Капсульные полисахариды, образуемые бактериями, имеют большое

практическое значение. Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерий

Xanthomonas campestris, используется в составе смазок, при добыче неф-

ти, в пищевой промышленности для улучшения вкусовых свойств кон-

сервированных и замороженных продуктов, соусов, кремов, а также в

косметической промышленности. Декстраны, синтезируемые бактериями

Leuconostoc mesenteroides и

некоторыми другими бактериями, находят

применение в качестве кровезаменителей, для лечения ожогов, разделе-

ния и очистки биологических молекул, в качестве полиэлектролитов.

В отличие от капсул и слизистых слоев, чехлы имеют сложную тон-

кую структуру; в их составе выявляют несколько слоев разного строения.

Чехлы обычно имеют и более сложный химический состав. Например,

чехол бактерий Sphaerotilis natans содержит 36 % углеводов, 11 –гексо-

замина, 27 – белков, 5,2 – липидов и 0,5 – фосфора. Чехлы ряда бактерий,

метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений

металлов, часто инкрустированы их окислами.

Следует отметить, что между капсулами, чехлами и слизистыми

слоями у прокариот обнаружено много переходных форм, что часто не

позволяет точно отличить капсулу от слизистых клеточных выделений

или капсулу от чехла.

2.2.9. Эндоспоры и другие покоящиеся формы бактерий

Эндоспоры бактерий – особый тип покоящихся клеток, в основном

грамположительных бактерий. Эндоспоры формируются эндогенно, т. е.

внутри материнской клетки, которая называется спорангием. Бактери-

альная эндоспора отличается от вегетативной клетки тем, что она харак-

теризуется повышенной резистентностью к нагреванию, действию уль-

трафиолетовых лучей, антибиотиков и других факторов. Споры некото-

рых бактерий выдерживают кипячение

в течение двух часов, они также

могут длительное время сохраняться в покоящемся состоянии. Эти осо-

бенности спор являются свойствами, требующими в практической дея-

тельности человека применения особых приемов для их уничтожения.

К спорообразующим бактериям относится большое число грамполо-

жительных видов прокариот приблизительно из 15 родов, характери-

зующихся морфологическим и физиологическим разнообразием.

Лучше

всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus

и Clostridium.

Поскольку одна клетка образует одну эндоспору и увеличения числа

бактерий при ее прорастании не происходит, то спорообразование не

рассматривают как способ размножения бактерий. Эндоспоры представ-

ляют собой стадию покоя и приспособлены к перенесению неблагопри-

ятных условий. Переход бактерий к спорообразованию

(споруляции) на-

блюдается обычно при истощении питательного субстрата, недостатке

источников углерода, азота, фосфора, изменении рН и т. д. Процесс спо-

рообразования энергозависим, поэтому от источника поступления энер-

гии споруляцию разделяют на эндотрофную и экзотрофную. Эндотроф-

ная споруляция осуществляется за счет внутреннего запаса энергии

клетки и не нуждается в дополнительных веществах. В случае экзотроф-

ных процессов используется экзогенная энергия, поступающая извне.

Способность к образованию спор детерминируется генами spo, кото-

рых у бактерий Bacillus subtilis (по данным Г. Халворсена) более 100.

Каждый из spo-генов отвечает за те или иные стадии споруляции.

Процесс спорообразования можно разделить на три

стадии или этапа

(рис. 20):

Рис. 20. Схема процесса спорообразования:

А – отделение протопласта споры; Б, В, Г – образование предспоры;

Д, Е, Ж – формирование споры

Первый этап – подготовительный. В вегетативной клетке бактерий,

переходящей к спорообразованию, прекращаются ростовые процессы,

завершается репликация ДНК и изменяется метаболизм, а именно распа-

дается значительная часть белков материнской клетки, образуется спе-

цифическое для спор вещество – дипиколиновая кислота, которая не

встречается в вегетативных клетках:

HOOC

COOH

А Б В

Ж Е Д

Дипиколиновая кислота находится в эндоспорах в виде дипиколина-

та кальция, и именно это соединение обеспечивает высокую терморези-

стентность спор.

Второй этап – формирование споры – начинается с особого неравного

деления клетки. Цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки об-

разует впячивание (инвагинацию) от периферии к ее центру и отделяет

часть протопласта материнской клетки. В результате

этот протопласт со-

держит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Образова-

ния клеточной стенки между обоими протопластами (как при обычном

делении) в данном случае не происходит. Вместо этого протопласт бу-

дущей споры обрастает цитоплазматическая мембрана материнской

клетки, а образующаяся структура носит название предспоры или про-

споры.

Предспора расположена внутри материнской клетки

и ограничена от

нее двумя мембранами. Каждая из этих мембран участвует в синтезе

стенки споры. Мембрана протопласта споры синтезирует снаружи от се-

бя стенку зародышевой клетки (зародыша). Мембрана, происходящая от

материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кору

споры или кортекс. Кортекс состоит из многослойного муреина, но бо-

лее кислого, чем муреин

клеточной стенки материнской клетки.

Кроме кортекса и стенки зародыша, синтезируется еще и наружная

оболочка споры, которая в значительной степени представлена полипеп-

тидами. У большинства видов спорообразующих бактерий эндоспора за-

ключена еще в один дополнительный наружный слой – экзоспориум, в

состав которого входят белки, липиды, углеводы.

По мере формирования многослойных покровов предспора превра

щается в спору (рис. 21).

Таким образом, эндоспора состоит из следующих структурных эле-

ментов: нуклеоида; уплотненной цитоплазмы (за счет дегидратации, пе-

рехода белков в связанное состояние, снижения активности некоторых

ферментов и синтеза дипиколината кальция); покровных слоев, пред-

ставленных цитоплазматической мембраной, клеточной стенкой зароды-

ша, кортексом, внутренней оболочкой, наружной оболочкой, экзоспо-

риумом.

Рис. 21. Схема строения зрелой споры

(по С.Халею, 2001)

Третий этап – созревание споры. Спора приобретает характерную

форму и занимает определенное положение в клетке (рис. 22). Диаметр

споры может превышать или не превышать диаметр вегетативной клет-

ки. В результате этого бактериальная клетка со спорой может принимать

форму веретена или теннисной ракетки. Споры в клетке могут распола-

гаться центрально (например, у Bacillus megaterium), субтерминально

(Clostridium botulinum) или терминально (Clostridium tetani).

Рис.22. Форма эндоспор и расположение их в клетках бактерий различных

Экзоспориум

Кора споры

Кортекс

НК

Клеточная стенка

зародыша

Цитоплазматическая

мембрана

видов рода Bacillus (по Х. Вилсону, 2007)

Споры освобождаются при лизисе спорангия. Зрелые споры не про-

являют метаболической активности. Они чрезвычайно устойчивы к воз-

действию высокой температуры, разного рода излучений и химических

агентов. Терморезистентность обусловлена, как уже отмечалось, очень

низким содержанием воды и наличием дипиколината кальция.

При попадании в благоприятные условия споры прорастают в вегета-

тивные клетки.

Прорастания спор начинается с поглощения воды и гид-

ратации структур споры, сопровождающихся активацией ферментов и

возрастанием дыхания. Литические ферменты разрушают многослойные

покровы споры, в среду выделяются дипиколинат кальция, аминокисло-

ты и пептиды. Спора при этом теряет до 25–30 % сухой массы. В месте

разрыва оболочки споры образуется ростовая трубка новой вегетативной

клетки.

В формировании клеточной стенки молодой клетки участвует

внутренняя мембрана споры и частично кортекс. Прорастание спор длит-

ся около 4–5 ч.

Прорастание спор можно индуцировать, подвергнув их прогреванию

до 60–70 ºС в течение нескольких минут или кратковременному кипяче-

нию (10 мин при 100 ºС). Тепловой шок должен проводиться непосред-

ственно перед высевом спор, так как процесс

активации обратим.

К другим покоящимся формам бактерий относятся цисты, экзоспоры,

миксоспоры. Как и эндоспоры, все эти покоящиеся формы предназначе-

ны для перенесения бактериями неблагоприятных условий. Экзоспоры

возникают путем почкования материнской клетки. Они сходны по своим

свойствам с эндоспорами бацилл. Образование экзоспор характерно для

метанокисляющих бактерий. Цисты – это шарообразные толстостенные

клетки

, формирование которых характерно для бактерий рода Azotobac-

ter. В цисту превращается вся вегетативная клетка. Миксоспоры образу-

ются также путем превращения всей клетки. Формирование миксоспор

характерно для бактерий рода Myxococcus.

2.2.10. Нуклеоид и репликация ДНК

Генетический материал прокариот представлен молекулой (молеку-

лами) ДНК, уложенной в компактную структуру и локализованной в ог-

раниченных участках цитоплазмы, не имеющей, в отличие от эукариот,

собственной ядерной мембраны. Учитывая эти особенности, генетиче-

ский аппарат прокариот принято называть нуклеоидом.

Тот факт, что в состав нуклеоида входит ДНК, впервые удалось пока-

зать Ж

. Кейрнсу с помощью метода радиоавтографии. Для этого бакте-

рии E. coli выращивали на среде, содержащей предшественник тимина