Бактерии, особенности хемотаксиса у бактерий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 1. Бактерии

Бактерии (др.-греч. ????????? -- палочка) -- группа (царство) прокариотных (безъядерных) микроорганизмов, чаще всего одноклеточных. К настоящему времени описано около десяти тысяч видов бактерий и предполагается, что их существует свыше миллиона, однако само применение понятия вида к бактериям сопряжено с рядом трудностей .

Строение бактерий.

Схема строения грамположительной бактерии: A-пили, B-рибосомы, C-капсула, D-слой пептидогликана, E-жгутик, F-цитозоль, G-запасные вещества, H-плазмида, I-нуклеоид, J-цитоплазматическая мембрана

Подавляющее большинство бактерий (за исключением актиномицетов и нитчатых цианобактерий) одноклеточны. По форме клеток они могут быть округлыми (кокки), палочковидными (бациллы, клостридии, псевдомонады), извитыми (вибрионы, спириллы, спирохеты), реже -- звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными. Формой определяются такие способности бактерий, как прикрепление к поверхности, подвижность, поглощение питательных веществ. Отмечено, например, что олиготрофы, то есть бактерии, живущие при низком содержании питательных веществ в среде, стремятся увеличить отношение поверхности к объёму, например, с помощью образования выростов (т.н. простек). Из обязательных клеточных структур выделяют три: - нуклеоид

- рибосомы

- цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)

С внешней стороны от ЦПМ находятся несколько слоёв (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол), называемых клеточной оболочкой, а также поверхностные структуры (жгутики, ворсинки). ЦПМ и цитоплазму объединяют вместе в понятие протопласт.

Строение протопласта

ЦПМ ограничивает содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды. Гомогенная фракция цитоплазмы, содержащая набор растворимых РНК, белков, продуктов и субстратов метаболических реакций названа цитозолем. Другая часть цитоплазмы представлена различными структурными элементами.

Одним из основных отличий клетки бактерий от клетки эукариот является отсутствие ядерной мембраны и, строго говоря, отсутствие вообще внутрицитоплазматических мембран, не являющихся производными ЦПМ. Однако у разных групп прокариот (особенно часто у грамположительных бактерий) имеются локальные впячивания ЦПМ -- мезосомы, выполняющие в клетке разнообразные функции и разделяющие её на функционально различные части. У многих фотосинтезирующих бактерий существует развитая сеть производных от ЦПМ фотосинтетических мембран. У пурпурных бактерий они сохранили связь с ЦПМ, легко обнаруживаемую на срезах под электронным микроскопом, у цианобактерий эта связь либо трудно обнаруживается, либо утрачена в процессе эволюции. В зависимости от условий и возраста культуры фотосинтетические мембраны образуют различные структуры -- везикулы, хроматофоры, тилакоиды. Вся необходимая для жизнедеятельности бактерий генетическая информация содержится в одной ДНК (бактериальная хромосома), чаще всего имеющей форму ковалентно замкнутого кольца (линейные хромосомы обнаружены у Streptomyces и Borrelia). Она в одной точке прикреплена к ЦПМ и помещается в структуре, обособленной, но не отделённой мембраной от цитоплазмы, и называемой нуклеоид. ДНК в развёрнутом состоянии имеет длину более 1 мм. Бактериальная хромосома представлена обычно в единственном экземпляре, то есть практически все прокариоты гаплоидны, хотя в определённых условиях одна клетка может содержать несколько копий своей хромосомы, а Burkholderia cepacia имеет три разных кольцевых хромосомы (длиной 3,6; 3,2 и 1,1 млн пар нуклеотидов). Рибосомы прокариот также отличны от таковых у эукариот и имеют константу седиментации 70 S (80 S у эукариот).

Помимо этих структур в цитоплазме также могут находиться включения запасных веществ.

Клеточная оболочка и поверхностные структуры

Клеточная стенка -- важный структурный элемент бактериальной клетки, однако не обязательный. Искусственным путём были получены формы с частично или полностью отсутствующей клеточной стенкой (L-формы), которые могли существовать в благоприятных условиях, однако иногда утрачивали способность к делению. Известна также группа природных не содержащих клеточной стенки бактерий -- микоплазмов. У бактерий существует два основных типа строения клеточной стенки, свойственных грамположительным и грамотрицательным видам. Клеточная стенка грамположительных бактерий представляет собой гомогенный слой толщиной 20-80 нм, построенный в основном из пептидогликана с меньшим количеством тейхоевых кислот и небольшим количеством полисахаридов, белков и липидов (так называемый липополисахарид). В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, которые делают её проницаемой для ряда молекул. У грамотрицательных бактерий пептидогликановый слой неплотно прилегает к ЦПМ и имеет толщину лишь 2-3 нм. Он окружён наружной мембраной, имеющей, как правило, неровную, искривлённую форму. Между ЦПМ, слоем пептидогликана и внешней мембраной имеется пространство, называемое периплазматическим, и заполненное раствором, включающим в себя транспортные белки и ферменты.

С внешней стороны от клеточной стенки может находиться капсула -- аморфный слой, сохраняющий связь со стенкой. Слизистые слои не имеют связи с клеткой и легко отделяются, чехлы же не аморфны, а имеют тонкую структуру. Однако между этими тремя идеализированными случаями есть множество переходных форм.

Бактериальных жгутиков может быть от 0 до 1000. Возможны как варианты расположения одного жгутика у одного полюса (монополярный монотрих), пучка жгутиков у одного (монополярный перитрих или лофотрихиальное жгутикование) или двух полюсов (биполярный перитрих или амфитрихиальное жгутикование), так и многочисленные жгутики по всей поверхности клетки (перитрих). Толщина жгутика составляет 10-20 нм, длина -- 3-15 мкм. Его вращение осуществляется против часовой стрелки с частотой 40-60 об/с.

Помимо жгутиков, среди поверхностных структур бактерий необходимо назвать ворсинки. Они тоньше жгутиков (диметр 5-10 нм, длина до 2 мкм) и необходимы для прикрепления бактерии к субстрату, принимают участие в транспорте метаболитов, а особые ворсинки -- F-пили --нитевидные образования, более тонкие и короткие (3-10нм х 0, 3-10мкм) , чем жгутики - необходимы клетке-донору для передачи реципиенту ДНК при конъюгации. Однако были описаны нанобактерии, имеющие размеры меньше «допустимых» и сильно отличаюшиеся от обычных бактерий. Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению (чрезвычайно медленным). Они пока мало изучены, живая их природа ставится под сомнение.

При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает в квадрате, а объём -- в кубе, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой. Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.

Одноклеточные формы способны осуществлять все функции, присущие организму, независимо от соседних клеток. Многие одноклеточные прокариоты склонны к образованию клеточных агрегатов, часто скреплённых выделяемой ими слизью. Чаще всего это лишь случайное объединение отдельных организмов, но в ряде случаев временное объединение связано с осуществлением определённой функции, например, формирование плодовых тел миксобактериями делает возможным развитие цист, при том что единичные клетки не способны их образовывать. Подобные явления наряду с образованием одноклеточными эубактериями морфологически и функционально дифференцированных клеток -- необходимые предпосылки для возникновения у них истинной многоклеточности. Многоклеточный организм должен отвечать следующим условиям: его клетки должны быть агрегированы между клетками должно осуществляться разделение функций между агрегированными клетками должны устанавливаться устойчивые специфические контакты .

Многоклеточность у прокариот известна, наиболее высокоорганизованные многоклеточные организмы принадлежат к группам цианобактерий и актиномицетов. У нитчатых цианобактерий описаны структуры в клеточной стенке, обеспечивающие контакт двух соседних клеток -- микроплазмодесмы. Показана возможность обмена между клетками веществом (красителем) и энергией (электрической составляющей трансмембранного потенциала). Некоторые из нитчатых цианобактерий содержат помимо обычных вегетативных клеток функционально дифференцированные: акинеты и гетероцисты. Последние осуществляют фиксацию азота и интенсивно обмениваются метаболитами с вегетативными клетками.

Многие бактерии подвижны. Имеется несколько принципиально различных типов движения бактерий. Наиболее распространено движение при помощи жгутиков: одиночных бактерий и бактериальных ассоциаций (роение). Частным случаем этого также является движение спирохет, которые извиваются благодаря аксиальным нитям, близким по строению к жгутикам, но расположенным в периплазме. Другим типом движения является скольжение бактерий, не имеющих жгутиков, по поверхности твёрдых сред. Его механизм пока недостаточно изучен; предполагается участие в нём выделения слизи (проталкивание клетки) и находящихся в клеточной стенке фибриллярных нитей, вызывающих «бегущую волну» по поверхности клетки. Наконец, бактерии могут всплывать и погружаться в жидкости, меняя свою плотность, наполняя газами или опустошая аэросомы. Бактерии активно передвигаются в направлении, определяемом теми или иными раздражителями. Это явление получило название таксис.

За исключением некоторых специфических моментов биохимические пути, по которым осуществляется синтез белков, жиров, углеводов и нуклеотидов у бактерий схожи с таковыми у других организмов. Однако по числу возможных этих путей и, соответственно, по степени зависимости от поступления органических веществ извне они различаются. Часть из них может синтезировать все необходимые им органические молекулы из неорганических соединений (автотрофы), другие же требуют готовых органических соединений, которые они способны лишь трансформировать (гетеротрофы).

Наибольшей степенью гетеротрофности отличаются внутриклеточные паразиты, если при этом они способны существовать на богатых искусственных средах, они называются факультативными. Большая часть бактерий принадлежит к сапрофитам, не зависящие от других организмов, но использующие синтезированные ими органические вещества. Существует также ряд бактерий, требующих наличия в среде небольшого круга определённых органических веществ (аминокислот, витаминов), которых они не могут синтезировать самостоятельно и, наконец, гетеротрофы, которые нуждаются лишь в одном довольно низкомолекулярном источнике углерода (сахар, спирт, кислота). Некоторые из них отличаются высокой специализацией (Bacillus fastidiosus может использовать только мочевую кислоту), другие в качестве единственного источника углерода и энергии могут использовать сотни различных соединений (многие Pseudomonas). Удовлетворять потребности в азоте бактерии могут как за счёт его органических соединений (подобно всем живым организмам), так и за счёт молекулярного азота (вместе с археями). Фосфор они способны усваивать в виде фосфата, серу -- в виде сульфата или реже сульфида.

Энергетический метаболизм

Способы же получения энергии у бактерий отличаются своеобразием. Существует три вида получения энергии (и все три известны у бактерий): брожение, дыхание и фотосинтез.

Брожение -- серия окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых образуются нестабильные молекулы, с которых остаток фосфорной кислоты переносится на АДФ с образованием АТФ (субстратное фосфорилирование). При этом возможно внутримолекулярное окисление и восстановление. Дыхание -- окисление восстановленных соединений с переносом электрона через локализованную в мембране дыхательную электронтранспортную цепь, создающую трансмембранный градиент протонов, при использовании которого синтезируется АТФ (окислительное фосфорилирование). В то время как эукариоты в конечном итоге сбрасывают электрон на кислород, бактерии могут использовать вместо него окисленные органические и минеральные соединения (фумарат, углекислый газ, сульфат анион, нитрат анион и др.; см. анаэробное дыхание), а вместо окисляемого органического субстрата использовать минеральный (водород, аммиак, сероводород и др.), что часто бывает сопряжено с автотрофной фиксацией CO2 (см. хемосинтез). Фотосинтез бактерий может быть двух типов -- бескислородный, с использованием бактериохлорофилла (зелёные, пурпурные и гелиобактерии) и кислородный с использованием хлорофилла (цианобактерии (хлорофиллa), прохлорофиты (a и b)). Цианобактерии, глаукоцистофитовые , красные и криптофитовые водоросли -- единственные фотосинтезирующие организмы, содержащие фикобилипротеины.

Бактерии, осуществляющие только бескислородный фотосинтез, не имеют фотосистемы II. Во-первых, это пурпурные и зелёные нитчатые бактерий, у которых функционирует только циклический путь переноса электронов, направленный на создание трансмембранного протонного градиента, за счёт которого синтезируется АТФ (фотофосфорилирование), а также восстанавливается НАД(Ф) +, использующийся для ассимиляции CO2. Во-вторых, это зелёные серные и гелиобактерии, имеющие и циклический, и нециклический транспорт электронов, что делает возможным прямое восстановление НАД(Ф) +. В качестве донора электрона, заполняющего «вакансию» в молекуле пигмента в бескислородном фотосинтезе используются восстановленные соединения серы (молекулярная, сероводород, сульфит) или молекулярный водород. В октябре 2008 года в журнале Science появилось сообщение об обнаружении экосистемы, состоящей из представителей одного единственного ранее неизвестного вида бактерии -- Desulforudis audaxviator, которые получают энергию для своей жизнедеятельности из химических реакций с участием водорода, образующегося в результате распада молекул воды, под воздействием радиации залегающих вблизи нахождения колонии бактерий урановых руд.

Некоторые бактерии не имеют полового процесса и размножаются лишь равновеликим бинарным поперечным делением или почкованием. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано множественное деление (ряд быстрых последовательных бинарных делений, приводящий к образованию от 4 до 1000 новых клеток). Для обеспечения необходимой для эволюции и приспособления к изменчивой окружающей среде пластичности генотипа у них существуют иные механизмы. При делении большинство грамположительных бактерий и нитчатых цианобактерий синтезируют поперечную перегородку от периферии к центру при участии мезосом. Грамотрицательные бактерии делятся путём перетяжки: на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся искривление ЦПМ и клеточной стенки внутрь. При почковании на одном из полюсов материнской клетки формируется и растёт почка, материнская клетка проявляет признаки старения и обычно не может дать более 4 дочерних. Почкование имеется у разных групп бактерий и, предположительно, возникало несколько раз в процессе эволюции. У бактерий наблюдается и половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот тем, что у бактерий не образуются гаметы и не происходит слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора переносится в клетку-реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смещением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения. Известны 3 способа получения рекомбинантов. Это -- в порядке их открытия -- трансформация, конъюгация и трансдукция.

Генетический аппарат

Гены, необходимые для жизнедеятельности и определяющие видовую специфичность, расположены у бактерий чаще всего в единственной ковалентно замкнутой молекуле ДНК -- хромосоме. Область, где локализована хромосома, называется нуклеоид и не окружена мембраной. В связи с этим новосинтезированная мРНК сразу доступна для связывания с рибосомами, а транскрипция и трансляция сопряжены. Отдельная клетка может содержать лишь 80 % от суммы генов, имеющихся во всех штаммах её вида (т. н. «коллективный геном»). Помимо хромосомы, в клетках бактерий часто находятся плазмиды -- также замкнутые в кольцо ДНК, способные к независимой репликации. Они могут быть настолько велики, что становятся неотличимы от хромосомы, но содержат дополнительные гены, необходимые лишь в специфических условиях. Специальные механизмы распределения обеспечивают сохранение плазмиды в дочерних клетках так что они теряются с частотой менее 10-7 в пересчёте на клеточный цикл. Специфичность плазмид может быть весьма разнообразной: от одного вида-хозяина до плазмиды RP4, встречающейся почти у всех грамотрицательных бактерий. В них кодируются механизмы устойчивости к антибиотикам, разрушения специфических веществ и т. д., nif-гены, необходимые для азотфиксации также находятся в плазмидах. Ген плазмиды может включаться в хромосому с частотой около 10-4 -- 10-7. В ДНК бактерий, как и в ДНК других организмов, выделяются транспозоны -- мобильные сегменты, способные перемещаться из одной части хромосомы к другой, или во внехромосомные ДНК (в том числе в другие клетки). В отличии от плазмид, они неспособны к автономной репликации, и содержат IS-сегменты -- участки, которые кодируют свой перенос внутри клетки. IS-сегмент может выступать в роли отдельной транспозоны.

Горизонтальный перенос генов

У прокариот может происходить частичное объединение геномов. При конъюгации клетка-донор в ходе непосредственного контакта передаёт клетке-реципиенту часть своего генома (в некоторых случаях весь). Участки ДНК донора могут обмениваться на гомологичные участки ДНК реципиента. Вероятность такого обмена значима только для бактерий одного вида. Аналогично бактериальная клетка может поглощать и свободно находящуюся в среде ДНК, включая её в свой геном в случае высокой степени гомологии с собственной ДНК. Данный процесс носит название трансформация. В природных условиях протекает обмен генетической информацией при помощи умеренных фагов (трансдукция). Кроме этого, возможен перенос нехромосомных генов при помощи плазмид определённого типа, кодирующих этот процесс, процесс обмена другими плазмидами и передачи транспозон.

При горизонтальном переносе новых генов не образуется (как то имеет место при мутациях), однако осуществляется создание разных генных сочетаний. Это важно по той причине, что естественный отбор действует на всю совокупность признаков организма.

Образование особо устойчивых форм с замедленным метаболизмом, служащих для сохранения в неблагоприятных условиях и распространения (реже для размножения) является наиболее распространённым видом дифференциации у бактерий. Наиболее устойчивыми из них являются эндоспоры, формируемые представителями Bacillus, Clostridium, Sporohalobacter, Anaerobacter (образует 7 эндоспор из одной клетки и может размножаться с их помощью) и Heliobacterium. Образование этих структур начинается как обычное деление и на первых стадиях может быть превращено в него некоторыми антибиотиками. Эндоспоры многих бактерий способны выдерживать 10-минутное кипячение при 100 °C, высушивание в течение 1000 лет и, по некоторым данным, сохраняются в почвах и горных породах в жизнеспособном состоянии миллионы лет. Менее устойчивыми являются экзоспоры, цисты (Azotobacter, скользящие бактерии и др.), акинеты (цианобактерии) и миксоспоры (миксобактерии).

Другие типы морфологически дифференцированных клеток Актиномицеты и цианобактерии образуют дифференцированные клетки, служащие для размножения (споры, а также гормогонии и баеоциты соответственно). Необходимо также отметить структуры, подобные бактероидам клубеньковых бактерий и гетероцистам цианобактерий, служащие для защиты нитрогеназы от воздействия молекулярного кислорода.

Наибольшую известность получила фенотипическая классификация бактерий, основанная на строении их клеточной стенки, включённая, в частности, в IX издание Определителя бактерий Берги (1984--1987). Крупнейшими таксономическими группами в ней стали 4 отдела: Gracilicutes (грамотрицательные), Firmicutes (грамположительные), Tenericutes (микоплазмы; отдел с единственным классом Mollicutes) и Mendosicutes (археи). В последнее время всё большее развитие получает филогенетическая классификация бактерий (и именно она используется в Википедии), основанная на данных молекулярной биологии. Одним из первых методов оценки родства по сходству генома был предложенный ещё в 1960-х годах метод сравнения содержания гуанина и цитозина в ДНК. Хотя одинаковые значения их содержания и не могут дать никакой информации об эволюционной близости организмов, их различия на 10 % означают, что бактерии не принадлежат к одному роду. Другим методом, произведшим в 1970-е настоящую революцию в микробиологии, стал анализ последовательности генов в 16s рРНК, который позволил выделить несколько филогенетических ветвей эубактерий и оценить связи между ними. Для классификации на уровне вида применяется метод ДНК-ДНК гибридизации. Анализ выборки хорошо изученных видов позволяет считать что 70 % уровень гибридизации характеризует один вид, 10-60 % -- один род, менее 10 % -- разные рода.

Филогенетическая классификация отчасти повторяет фенотипическую, так, группа Gracilicutes присутствует и в той и в другой. В то же время систематика грамотрицательных бактерий была полностью пересмотрена, архебактерии и вовсе выделены в самостоятельный таксон высшего ранга, часть таксономических групп разбита на части и перегруппирована, в одни группы объединены организмы с совершенно разными экологическими функциями, что вызывает ряд неудобств и недовольство части научного сообщества. Объектом нареканий становится и то, что проводится фактически классификация молекул, а не организмов.

Экология

Многие бактерии вызывают болезни человека, животных и растений, другие играют исключительно важную роль в функционировании биосферы, например, лишь бактерии способны ассимилировать азот атмосферы. Бактерии являются одними из наиболее просто устроенных живых организмов (кроме вирусов). Полагают, что они -- первые организмы, появившиеся на Земле.

Экологические и биосферные функции

Количество клеток прокариот оценивается в 4-6 1030, их суммарная биомасса составляет 350--550 млрд т., в ней запасено 60-100 % от углерода всех растений, а запас азота и фосфора в виду их большего относительного содержания в бактериях существенно превосходит запас этих элементов в фитомассе Земли. В то же время бактерии характеризуются коротким жизненным циклом и высокой скоростью обновления биомассы. Уже на основании этого можно оценить их вклад в функционирование основных биогеохимических циклов.

Бактерии способны расти как в присутствии атмосферного кислорода (аэробы), так и при отсутствии (анаэробы). Участвуют в формировании структуры и плодородия почв, в образовании полезных ископаемых и разрушении растительной и животной мортмассы; поддерживают запасы углекислого газа и кислорода в атмосфере.

Патогенные бактерии

В XIV веке от пандемии бубонной чумы скончалось 75 млн человек, в том числе 15-35 млн в Европе, что составило 1/4-1/2 её населения. Патогенными называются бактерии, паразитирующие на других организмах. Бактерии вызывают большое количество заболеваний человека, таких как чума (Yersinia pestis), сибирская язва (Bacillus anthracis), лепра (проказа, возбудитель: Mycobacterium leprae), дифтерия (Corynebacterium diphtheriae), сифилис (Treponema pallidum), холера (Vibrio cholerae), туберкулёз (Mycobacterium tuberculosis), листериоз (Listeria monocytogenes) и др. Открытие патогенных свойств у бактерий продолжается: в 1976 обнаружена болезнь легионеров, вызываемая Legionella pneumophila, в 1980-е--1990-е было показано, что Helicobacter pylori вызывает язвенную болезнь и даже рак желудка, а также хронический гастрит. Бактериальным инфекциям подвержены также растения и животные. Многие бактерии, являющиеся в норме безопасными для человека или даже обычными обитателями его кожи или кишечника, в случае нарушения иммунитета или общего ослабления организма могут выступать в качестве патогенов.

Опасность бактериальных заболеваний была сильно снижена в конце XIX века с изобретением метода вакцинации, а в середине XX века с открытием антибиотиков.

Бактерии и человек

Тысячелетиями человек использовал молочнокислые бактерии для производства сыра, йогурта, кефира, уксуса, а также квашения. В настоящее время разработаны методики по использованию фитопатогенных бактерий в качестве безопасных гербицидов, энтомопатогенных -- вместо инсектицидов. Наиболее широкое применение получила Bacillus thuringiensis, выделяющая токсины (Cry-токсины), действующие на насекомых. Помимо бактериальных инсектицидов, в сельском хозяйстве нашли применение бактериальные удобрения. Бактерии, вызывающие болезни человека, используются как биологическое оружие. Благодаря быстрому росту и размножению, а также простоте строения, бактерии активно применяются в научных исследованиях по молекулярной биологии, генетике, генной инженерии и биохимии. Самой хорошо изученной бактерией стала Escherichia coli. Информация о процессах метаболизма бактерий позволила производить бактериальный синтез витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и др.

Перспективным направлением является обогащение руд с помощью сероокисляющих бактерий, очистка бактериями загрязнённых нефтепродуктами или ксенобиотиками почв и водоёмов.

Число бактерий в организме человека превышает число родных клеток в 10 раз, а их общий вес около 2.5 кг. Вся микрофлора человека является дополнительным органом, который отвечает за защиту организма от инфекций и пищеварение.

В кишечнике человека в норме обитает от 300 до 1000 видов бактерий общей массой до 1 кг при том что численность их клеток на порядок превосходит численность клеток человеческого организма. Они играют важную роль в переваривании углеводов, синтезируют витамины, вытесняют патогенные бактерии.

Глава 2. Хемотаксис бактерий

Хемотаксисом называют движение подвижных микроорганизмов, растений и животных, а также подвижных клеток (лейкоцитов, сперматозоидов) под влиянием химических веществ. Поскольку одним из важных признаков организма является его способность двигаться и обмениваться веществом с окружающей средой, без преувеличения можно сказать, что хемотаксису в той или иной степени подвержены все живые формы.

Несмотря на малые размеры (около 1 мкм), бактериальная клетка имеет весьма сложную морфологическую структуру. ДНК бактерии E. Coli содержит 5 тыс. генов, из которых сто ответственны за подвижность и хемотаксис. Это означает, что в строительстве клетки и ее функционировании участвуют тысячи белков, около ста из которых формируют двигательный и хемочувствительный аппарат. Системные отношения между структурами простой бактерии столь сложны, что не поддаются самому мощному компьютерному анализу. Тем не менее основные закономерности движения бактерий к настоящему времени изучены довольно подробно.

За последние три десятилетия исследование хемотаксиса микроорганизмов вылилось в самостоятельную область биологии прокариот, добившуюся значительных успехов как в понимании биофизических и молекулярно-биохимических процессов, лежащих в основе бактериальной подвижности и хемотаксиса, так и в развитии специфических приемов и методов исследования.

С изобретением микроскопа ученым открылся еще один путь проникновения в неизведанное. Именно изобретатель микроскопа голландский натуралист Антони ван Левенгук в 1675 году обнаружил с помощью своего детища и зарисовал подвижные одноклеточные микроорганизмы -- бактерии. Слово "бактерия" в переводе с греческого означает "палочка". Многие бактерии и впрямь имеют вытянутую форму и похожи на палочки. Гораздо более интересным, однако, представляется вопрос, с помощью чего, каким образом бактериям удается поддерживать высокую подвижность в водном растворе.

Ответить на этот вопрос удалось много лет спустя, когда техника микроскопии развилась настолько, что стало возможным увидеть на клетке тела бактерии нитеподобные отростки, в несколько (иногда в десятки) раз превышающие по длине размеры самой бактерии. Эти отростки, получившие название "жгутики" (другие названия: "флагеллы", "филаменты"), и являются органами движения бактерий в жидкой среде. Роль жгутиков как органов движения клетки может быть продемонстрирована простым экспериментом: если у подвижных клеток механическим воздействием отделить жгутики от клеток, то последние теряют подвижность. Однако, если условия культивации остаются неизменными, а клетки не получили существенных повреждений, рост жгутиков возобновляется, причем их нормальное число и длина восстанавливаются за время одной клеточной генерации. По мере роста жгутиков клетка начинает двигаться. Поступательное движение многожгутиковых бактерий восстанавливается только после того, как жгутики достигнут определенной, пороговой длины.

Число и характер расположения жгутиков на поверхности различных видов бактерий изменяются в широких пределах. Жгутики могут располагаться поодиночке или группами (пучками), распределяться по всей поверхности клетки или концентрироваться в одном месте (рис. 1). Однако в рамках одного вида характер флагелляции, как правило, является постоянным, генетически устойчивым показателем, часто используемым при классификации бактерий (E. coli относится к классу политрихов и имеет в норме 5--6 жгутиков).

Уже Левенгук открыл способность бактерий скапливаться вокруг кусочков пищи. Однако целенаправленные исследования хемотаксиса были начаты лишь в конце XIX века. В частности, Пфеффер предложил простой количественный способ измерения хемотаксиса. В его работах были заложены основы терминологии и впервые использована классическая методика подсчета числа бактерий, входящих в капиллярную трубку, заполненную раствором исследуемого вещества.

Химические вещества, привлекающие микроорганизмы, получили название аттрактантов, а отталкивающие -- репеллентов. Само же явление двигательной реакции микроорганизмов на химический раздражитель получило название "хемотаксис". Наилучшими аттрактантами и репеллентами оказались органические вещества: сахар, аминокислоты, спирты. Кроме того, характер хемотаксической реакции сильно зависел от природы испытуемого химического соединения и изучаемого вида бактерий. Исследования Рочерта показали, что движение на аттрактанты можно избирательно подавлять, ингибируя реакцию на мясной экстракт повышением концентрации этилового спирта или хлороформа.

Исследования по хемотаксису, предпринятые в конце XIX века, носили разрозненный характер и не привели к созданию широкого направления исследований, что, по-видимому, было связано с отсутствием в то время серьезной техники и научной основы, позволившей бы достигнуть определенного успеха в понимании явления. Дальнейшие исследования хемотаксиса фактически прекратились вплоть до 60-х годов XX столетия.

В начале 60-х годов проблемой хемотаксиса заинтересовался Адлер. В качестве основного объекта он избрал кишечную палочку E. coli, для которой структурные особенности и биохимические процессы были наиболее детально изучены. Он применил и усовершенствовал метод капилляра, ранее использованный Пфеффером. Адлер впервые доказал наличие у бактерий специфических белков-рецепторов, опознающих определенные химические вещества -- аттрактанты и репелленты [1]. Это послужило толчком к серии биохимических и генетических исследований природы бактериальных хеморецепторов, выполненных в начале 70-х годов XX века главным образом в лабораториях Адлера и Кошланда.

Рис. 1. Классификация бактерий по характеру расположения жгутиков на поверхности клетки: а - монополярные монотрихи, б - монополярные политрихи, в - биполярные моно-трихи,г - биполярные политрихи, д - политрихи

В 1972 году Берг и Браун сконструировали микроскоп, автоматически следящий за движением отдельных бактерий. Генетические и биохимические данные по хемотаксису существенно дополнились детальными сведениями о характере движения бактерий. Было показано, что при отсутствии пространственных или временных изменений концентраций аттрактантов и репеллентов бактерии движутся по гладким траекториям (со скоростями примерно 10--20 мкм/с), останавливаясь и кувыркаясь примерно через равные промежутки времени (~ 1 с). После кувыркания (длящегося около 0,1 с) бактерия начинает плыть в направлении, не зависящем от предыдущего. В общем картина движения бактерии напоминает броуновское движение частиц -- случайные блуждания с некоторой средней длиной пробега (рис. 2).

Как выяснили Берг и Браун, при наличии пространственных изменений концентрации аттрактантов или репеллентов частота кувырканий, а следовательно, и длина свободного пробега бактерии изменяются. Длина свободного пробега бактерии, плывущей в сто-

50 мкм

Рис. 2.

Движение бактерии аналогично движению молекулы газа: траектория подвижной клетки представляет собой несколько относительно прямолинейных участков, соответствующих фазе "плавания", соединенных между собой точками дезориентации, соответствующих фазе "кувыркания" клетки на месте.

Мутанты che-, лишенные способности кувыркаться, плавают по ровным плавным траекториям, а лишенные способности плавать не передвигаются вовсе, лишь осаждаясь под действием сил гравитации: а - траектория движения нормальной клетки, б - движение мутанта, лишенного способности кувыркаться рону возрастающей концентрации аттрактанта, увеличивается, а при движении в сторону возрастающей концентрации репеллента уменьшается. Аналогичную картину наблюдали и при изменении концентрации хемоэффекторов во времени (ими была сконструирована специальная камера, обеспечивающая заданное повышение и понижение концентрации вещества), а именно: при увеличении концентрации аттрактанов продолжительность периодов относительно ровного плавания бактерий увеличивалась, а при увеличении концентраций репеллентов уменьшалась. Таким образом было показано, что бактерии "помнят" предшествующие значения концентрации определенных веществ и меняют характер движения при их изменениях.

Смена направлений вращения приводит к резким изменениям характера взаимодействия жгутиков друг с другом. Математический анализ динамики взаимодействия жгутиков, выполненный американским исследователем Макнабом, показал, что при вращении против часовой стрелки несколько флагелл, имеющих форму левосторонней спирали, могут образовать единый тяж без перекручиваний. Такая картина и наблюдается экспериментально. При смене направления вращения такой тяж должен был бы перепутаться, однако фактически происходит перестройка флагелл. При вращении по часовой стрелке флагеллы меняют свою форму: вместо левой спирали с крупным шагом возникает правая спираль с мелким шагом и тяж распадается (рис. 3), бактерия останавливается и начинает кувыркаться. При последующей смене направления вращения флагелл вновь образуются левоспиральные структуры, они снова формируют тяж и бактерия начинает плыть в новом направлении.

Таким образом было установлено, что изменения химического состава среды, детектируемые специфическими белками-рецепторами, приводят к формированию внутриклеточных сигналов, управляющих режимом переключения направлений вращения флагелл. При движении клетки вдоль направления с возрастающейконцентрацией аттрактанта или убывающей концентрацией репеллента удлиняется интервал, на котором происходит вращение флагелл против часовой стрелки, и дольше существует синхронно вращающийся тяж. Все это время бактерия плывет примерно в одном направлении, и длина свободного пробега в этом направлении возрастает.

В противоположной ситуации (убывание концентрации аттрактанта или рост концентрации репеллента) происходит более быстрое переключение на вращение по часовой стрелке. Тяж распадается. Бактерия останавливается и кувыркается на месте. При последующем восстановлении тяжа движение с большей вероятностью будет происходить в другом направлении. В результате бактерии избегают мест с повышенным содержанием репеллентов и группируются в местах с наивысшими концентрациями аттрактантов.

Модель работы флагеллярного мотора была предложена в 1978 году советскими исследователями А.Н. Глаголевым и В.П. Скулачевым. Согласно этой модели, вращение жгутика объясняется электростатическим взаимодействием между подвижной роторной белковой структурой жгутика и неподвижно закрепленным в мембране статорным белковым комплексом -- настоящее подобие современного электродвигателя [2]. Таким образом, приписываемое человеку изобретение колеса было осуществлено в природе задолго до появления человека.

Знание особенностей движения отдельных бактериальных клеток при хемотаксисе и поведения популяции в целом позволило в рамках математической модели связать эти движения воедино с целью более полного анализа и выявления как характеристик движения популяций на основе знания особенностей движения отдельных клеток, так и для решения обратной задачи расчета характеристик движения индивидуальной клетки из общей картины движения [3]. В известном смысле хемотаксис бактерий можно толковать как взаимодействие бактериального и химического полей. Химическое поле вызывает пространственное перераспределение популяции клеток, ее смещение в сторону аттрактантов и удаление от репеллентов. Бактериальное поле оказывает действие на химическое тем, что бактерии попросту съедают необходимые им компоненты и меняют окружающее химическое пространство.

В природе чаще встречается ситуация, когда аттрактант одновременно является и метаболизируемым (усваиваемым) субстратом для клетки. Популяция бактерий, помещенная в раствор такого вещества, выедает субстрат и образует так называемый градиент (концентрационный перепад) аттрактанта, вдоль которого популяция передвигается с помощью хемотаксиса, продолжая выедать субстрат. Это похоже на змейки огня в сухой траве по весне, когда пламя фронтом завоевывает невыгоревшие участки пространства. Вернемся к опытам Адлера с капиллярной трубкой. Что в действительности происходит, когда капилляр, содержащий одну-единственную аминокислоту (например, L-серин), погружают в суспензию подвижных бактерий? Аминокислоты, как правило, являются одновременно и хорошими аттрактантами и хорошими метаболитами для клеток. Бактерии, выедая аминокислоту, в результате хемотаксической реакции проникают внутрь капилляра и волной движутся вдоль него, отслеживая фронт неутилизированного субстрата (рис. 4).

На рис. 4 видны две бактериальные полосы, образующиеся в капилляре вследствие хемотаксиса. Почему две, а не одна и может ли их быть больше? Образование двух полос в данном случае объясняется тем, что кроме положительной аттрактивной реакции на L-серин бактерии еще реагируют на растворенный в воде кислород, который также является для них аттрактантом.

Таким образом, при реакции на два вещества культура расслаивается на две части: одна порция клеток, в которой реакция хемотаксиса происходит быстрее, отделяется от основной массы и "убегает" вперед, тогда, как другая порция следует за ней с меньшей скоростью. Количество, объем (определяемый числом бактерий в полосе), форма и скорости движения бактериальных полос определяются множественными факторами: концентрацией клеток и субстратов, скоростью утилизации субстратов, хемотаксическими характеристиками клеток популяции -- они могут быть учтены в математической модели образования и движения полос [3].

В рассматриваемом случае бактериальная полоса 1 (большая по размерам) соответствует реакции на градиент растворенного в воде кислорода (так называемый аэротаксис), тогда как меньшая по размерам и следующая за ней бактериальная полоса 2 движется точно по градиенту анаэробно утилизируемого клетками L-серина. Нетрудно понять, что скорость движения бактериальных полос в данном случае определяется скоростью потребления кислорода и аминокислоты, то есть соотношением числа бактерий в полосе с концентрацией вещества, роль хемотаксиса сводится к тому, чтобы поддерживать наивысшую концентрацию бактерий строго на границе субстрата.

Еще один способ исследования хемотаксиса базируется на предсказанном теорией изменении светорассеяния ориентирующихся при хемотаксисе клеток. Эта экспресс-методика позволяет количественно и качественно измерять хемотаксическую реакцию в пределах одной минуты. Лабораторные исследования и математические модели ограничиваются в основном одномерным хемотаксисом для гомогенной популяции бактерий одного вида и одного или двух экзогенных (внешних) источников энергии. В природе все значительно сложнее. Взять хотя бы пример симбиотического взаимодействия ризосферных бактерий рода Rhizobium с корнями растений. Бактерии хемотаксически реагируют на экссудат (выделения) корневой системы и скапливаются в ризосферной зоне толщиной около 100 мкм. Бактерии Rhizobium сами по себе неспособны фиксировать атмосферный азот, но делают это совместно с корнями бобовых, заражая корни и вызывая образование корневых клубеньков. В сочетании друг с другом клетки бобовых и бактериальные клетки способны усваивать азот из атмосферы, и не последнюю роль в таком содружестве играет хемотаксис бактерий. Несмотря на все различия естественных и лабораторных условий, в них много общего, а именно волновой характер (при отсутствии активного перемешивания) распространения бактериальных популяций. В результате метаболизма и хемотаксиса формируются приграничные зоны -- химические фронты, вдоль которых сосредоточиваются "бактериальные подразделения", которые ведут активную борьбу за экзогенные источники энергии в пограничных областях. Если же добавить сюда внешние пополнения источников субстрата и другие виды бактерий, а также учесть рост и гибель клеток, картина химической войны живого и неживого будет выглядеть еще сложнее. Так и происходит в природе, где процессы ассимиляции и диссимиляции порождают бесконечную вереницу борьбы за жизнь, включая простейших.

Экология микроорганизмов, мониторинг окружающей среды, биосенсорика -- вот далеко не полный перечень дисциплин, где хемотаксис бактерий мог бы найти применение. Дело в том, что хемотаксическая система бактерий очень чувствительна к малейшим изменениям жизненно важных химических компонентов окружающей среды и порог хемосенсорной чувствительности составляет миллионные и даже миллиардные доли молярной концентрации таких веществ. Недаром хе-мотаксическая система бактерий способствовала и способствует выживанию видов в ходе эволюции. Как и любая другая жизненно важная функция, система хемотаксиса бактерий не существует сама по себе, независимо от других функций организма. Установлена тесная связь системы хемотаксиса с дыхательной системой клетки, с процессами метилирования--деметилирования трансмембранных белков (МСР-белков), с фосфотрансферазной системой ФТС (ответственной за энергетические процессы, связанные с переносом фосфатной группы), с уровнем внутриклеточного pH, циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ).

В пояснение к схеме следует подчеркнуть, что основные хеморецепторы -- это интегральные трансмембранные белки, выступающие с обеих сторон клеточной мембраны. Эти белки помимо хемосенсорной выполняют функцию переносчиков через мембрану определенных химических соединений. При контакте со стимулирующим веществом эти белки претерпевают конформационные изменения, приводящие к активации следующих звеньев переработки хемотаксического сигнала. Многочисленными исследованиями было установлено, что нормально функционирующие белки в ходе рецепции подвергаются процессу метилирования--деметилирования, за что они и получили название метилакцептирующих (МСР на схеме). Другой важный рецептор к сахарам -- так называемый фер-мент11 глюкозофосфотрансферазной системы, прочно связанный с мембраной и катализирующий фосфорилирование сахаров фосфорилированным белком. Не исключена возможность, что и некоторые интегральные белки других систем могут каким-то образом изменять уровень того или иного переключателя флагелл. Влияние некоторых стимулов (таких, например, как концентрация внутриклеточного рН) на переключатель мотора может быть непосредственным, в обход основной системы. Многие звенья цепи управления хемотаксисом к настоящему времени изучены довольно подробно вплоть до уровня пространственных структур и конформационных изменений участвующих в ней белков, другие только изучаются.

Известно, что загрязнение окружающей среды полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) в виде промышленных выбросов предприятий химической и нефтехимической промышленности представляет собой серьезную угрозу здоровью населения и природе. Оказывается, биодеградация ПАУ микроорганизмами идет интенсивнее в ризосферной сфере растений, примыкающей к корню, чем непосредственно в почве. Сами же микроорганизмы скапливаются у корней растений благодаря хемотаксису. Знание законов хемотаксиса бактерий может помочь в решении важных вопросов утилизации промышленных отходов.

В заключение коротко остановимся на нарушении хемочувствительности под действием некоторых химических веществ. Кроме упомянутых этанола и хлороформа хемотаксис блокируют бензол, ацетон, многие виды антибиотиков, а также различные вещества наркотического действия, анестетики, адреналин, ацетилхолин. Механизм их действия самый различный. Скорость расщепления бактериями некоторых органических соединений также коррелирует с их хемотаксической способностью. Например, морские бактерии активно расщепляют альбумин и казеин. Однако воздействие микроскопическими концентрациями углеводородов, толуола, фенола, отходами нефти, 2-4-дихлорфеноксиацетата, О-О-дихлорбифенила сильно ингибирует это процесс. В то же время такие малые концентрации практически не оказывают прямого пагубного действия на жизнедеятельность микрофлоры. Основной эффект их действия, по-видимому, сводится к подавлению хеморецепторной активности.

Таким образом, разнообразные загрязнения пресноводных и морских водоемов даже в малых концентрациях могут привести к серьезным нарушениям экологического баланса. При таких малых концентрациях это в первую очередь связано с нарушениями в работе хемосенсорных систем микроорганизмов. Возникшая в связи с этим новая область изучения микробиологических сообществ в последние годы получает интенсивное развитие. Исследования в живой природе дополняются разнообразными лабораторными экспериментами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Adler J. Chemotaxis in Bacteria // Ann. Rev. Biochem. 1975. Vol. 44. P. 341--356.

2. Скулачев В.П. Электродвигатель бактерий // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 9. С. 2--7.

3. Завальский Л.Ю. Кинетический анализ хемотаксиса бактерий // Биофизика. 1988. Т. 33, № 2. С. 328--332.

Размещено на Allbest.ru