Тема 2.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ МИКРОБИОЛОГИИ

Давно, несколько тысячелетий назад, когда третья планета солнечной системы получила нового обитателя – « единственное существо, сознающее свое место в природе».Линней в 18 веке в своем сочинении «Система природы» назвал Homo sapiens (человек разумный).Человек постепенно знакомился с окружающей его средой, вживаясь в нее, стараясь использовать ее в своих целях. Так уж устроен человек, что стремится все использовать себе на пользу, стремиться расширить свои познания. Чело­век начал развивать скотоводство, т.е. знакомиться с животным миром; стал землепаш-цем за счет освоения мира растений. Но кроме растений и животных были в окружающей среде и другие существа, которые сопровождали человека от его рожде­ния до смерти. О них он ничего не мог знать, потому что не мог их видеть. В процессе покорения природы человек использовал этих невидимых спутников даже не догадыва­ясь об их существовании. Человек научился печь хлеб из кислого теста , делать вино из перебродившего сока плодов, готовить пиво из зерен различных сортов, получать кисломолочные продукты: кумыс, уксус при силосовании кормов, мочке льна и т.д. В течении последующих веков человек все глубже и шире познавал и осваивал природу: он стал удобрять почву, изменять течение рек, покрывать луга и поля каналами, осваивать моря и океаны, наконец подниматься высоко в горы. Но всегда и повсюду человека сопровождали невидимые существа: одни из них поражали его частыми и неожиданными болезнями, а такие как чума, холера, тиф, оспа оставили в истории человечества страшные страницы, как и детские болезни, такие как дифтерия например, возбудителем которой является палочка Леффлера. Врача, который ценой собственной жизни спасшего больного ребенка. Процессы, вызываемые микробами, люди знали и использовали с незапамятных времен. Издавна они умели готовить виноградное вино, квас, кумыс, кислое молоко, сыр и другие продукты.

Более 2000 лет назад в Индии и Китае владели искусством предохранения от некоторых болезней. В то время прививки против оспы проводились примерно так же, как в настоящее время. Прививочным материалом служили растертые стенки пустул, в которых содержался возбудитель заболевания.

Уильям Гарвей, ученый описавший систему кровообращения человека, впервые в истории подверг сомнению теорию самозарождения организмов и высказал известное «Все живое из яйца» (Omne vivum ex ovo), т.е. при данном состоянии природы живые организмы никогда не возникают из неживой материи, а всегда от себе подобных. После открытия микробов встал вопрос: есть у микробов родители или они появляются из неживой материи? Опыт английского натуралиста Джона Нидхема, вскипятившего бараний бульон, который он поместил в сосуд и плотно заткнул пробкой. Через несколько дней в бульоне появились бактерии. Вновь заговорили о теории самозарождения, т.е. бактерии появляются из неживой материи. Конечно же, в этой мертвой материи заключена сила, способствующая зарождению живых «зверушек». Однако, противники теории самозарождения, итальянский ученый Лаззаро Спалланцани, французский физик Каньяр де ля Тур (изучал брожение пива, видел дрожжи, которые и вызывают брожение, эти мелкие организмы, быстро размножаются в бродящей жидкости и никогда не возникают из неживой материи. Процесс брожения идет только в их присутствии и ими же самими и вызывается. Уже в 19 веке и немецкий естествоиспытатель Теодор Шванн (доказал, что мельчайшие микробы, обнаруживаемые в мясе и являются причиной его гниения), опровергли теорию самозарождения окончательно. Спалланцани повторил опыты Нидхема и установил, что в хорошо прокипяченном бульоне пропадает «жизненная сила», бактерии не появляются. Однако, стоит открыть сосуд с бульоном и с воздухом поступают бактерии и в бульоне их становится много, т.е. при продолжительном кипячении погибают все бактерии и они вновь поступают в него с воздухом. Кроме того, под микроскопом он наблюдал деление бактерий и таким образом он выступил с утверждением, что бактерии происходят от себе подобных. На этом, грубо говоря, закончился первый период развития микробиологии, который можно назвать ознакомительным. Во второй половине XVII в. при бурном развитии торговли и мореплавания возникла необходимость в изготовлении подзорных труб и увеличительных стекол для них. Люди стали овладевать искусством шлифования. Как полагают многие исследовате­ли, первым шлифовальщиком стекол был профессор римского колледжа Афанасий Кирхер (1601–1680). Микроскоп Кирхера – это разрисованная картонная трубочка длиной около 2 см, с одного конца которой вставлена двояковыпуклая линза, с другого – простое плоское стекло с прикрепленными к нему объектами исследования. С помощью такого увеличительного устройства удалось рассмотреть строение блох и червей в мясе. Более мелкие детали исследователь не видел. «Блошиные стекла», как их называл Кирхер, давали увеличение, едва превышающее десятикратное.

Подзорные трубы для флота начали готовить в некоторых морских странах, одной из которых была Голландия. В этой стране (г. Делфт) жил натуралист (по профессии торговец) Антоны ван Левенгук (1632–1723). Он не имел специальной подготовки, но был человеком редких способностей: выдувал стеклянные изделия и обрабатывал металл.

Все свое свободное время он посвящал шлифованию маленьких, но мощных линз. Пользуясь этими линзами, Левенгук часами рассматривал различные предметы: пробку, листья растений, слюну, соскобы с зубов и др. Во многих субстратах он обнаружил живые организмы, которых назвал «анималькулями» – зверьками. Впоследствии им был сконструирован прибор с увеличением до 300 раз, напоминающий микроскоп. Левенгук настолько заинтересовался своими исследованиями, что начиная с 1674 г. стал посылать подробные отчеты о них Королевскому обществу в Лондоне, прилагая рисунки и срезы птичьего пера, сердцевины бузины, пробки. Он описал также красные кровяные тельца (эритроциты), гладкие и поперечнополосатые мышцы, сперматозоиды, инфузории, стебли одно- и двудольных растений и многое другое. Таких писем было около 200. В одном из посланий он писал: «Я видел в материале множество простейших животных, весьма оживленно двигавшихся. В моем рту их больше, чем людей в Соединенном Королевстве». Рассматривая различные материалы, Левенгук обнаружил палочковидные, шаровидные, извитые и другие формы микробов. Это было началом развития мор­фологического периода в микробиологии. Свои наблюдения Левенгук описал в книге под названием «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком» (1695).

После подтверждения сделанных им открытий видными в то время учеными Робертом Хуком и Нехеми Грю, А. Левенгук получил признание и славу. В 1698 г, в г. Делфте его посетил русский царь Петр Великий, который не только распорядился купить микроскоп, но и выписал из Голландии опытного мастера по шлифованию оптических стекол. Позднее в Академии наук начали изготовлять первые отечественные микроскопы.

Первым исследователем «анималькулей»м – микроскопических организмов в России был врач-микробиолог М. М. Тереховский (1740–796). В работе «О наливочном хаосе Линнея» он экспериментально отверг теорию о самопроизвольном зарождении жизни. В то время многие исследователи занимались только описанием форм и размеров микробов. Начало физиологическому периоду в микробиологии положено работами французского ученого-химика Луи Пастера (1822–1895).

Во времена Пастера большое количество вин во Франции портилось и страна несла колоссальные убытки. Пастер, изучив болезни вина, установил, что в нем развивается много посторонней микрофлоры (плесень, дрожжи и др.). Он считал, что посторонняя микрофлора попадает из воздуха и с используемой аппаратуры. Для предотвращения болезней вина ученый предложил прогревать его в течение нескольких минут при 50—60 °С, в результате чего некоторые микроорганизмы погибали и продукт не портился при транспортировании. Такой метод предохранения продуктов от порчи получил имя автора и стал называться пастеризацией.

В дальнейшем Пастер показал, что брожение и гниение вызываются также микроорганизмами. Если прогреть бродящие или гниющие субстраты, микробы гибнут, прекращаются вызываемые ими процессы. Таким образом, было доказано, что начало жизни дают невидимые простым глазом организмы.

Изучая процессы маслянокислого брожения, Пастер открыл микроорганизмы, которые могут жить без доступа кислорода воздуха — анаэробы. Своими исследованиями он указал хирургам пути борьбы с микробами при операциях.

Будучи профессором Высшей нормальной школы (Париж), Пастер изучал болезнь шелковичных червей– пебрину. Он установил инфекционную природу болезни и разработал меры профилактики, что явилось «прелюдией» к изучению инфекционных болезней. Используя метод аттенуации (ослабления микробов), Луи Пастер приготовил вакцины против холеры кур, сибирской язвы и других инфекций. Эффективность препаратов против сибирской язвы он продемонстрировал публично в Пуйи-ле-Форе (Франция). Для опыта было взято 60 голов рогатого скота. Животные находились в разных помещениях. Первая группа (24 овцы, одна коза и 6 коров) была вакцинирована 5 и 17 мая 1881 г. соответственно I и II вакцинами Пастера. 31 мая все вакцинированные и невакцинированные животные (24 овцы, одна коза и 4 коровы) были объединены и заражены вирулентной культурой возбудителя сибирской язвы. Через 48 ч (2 июня) было установлено, что вакцинированные животные остались живы, а невакцинированные почти все (за исключением коров, у которых образовались отеки и повысилась температура тела) погибли. Этим опытом Луи Пастер доказал эффективность полученной вакцины.

Последним неоценимым даром, который Пастер сделал человечеству, было предупреждение от бешенства. Для приготовления вакцины против болезни, возбудитель которой не виден в световом микроскопе, надо было обладать гениальной интуицией – предсказать, что неизвестный агент находится в мозговой ткани, сократить инкубационный период на кроликах, ослабить возбудителя и только потом использовать его для предупреждения болезни! Причем приготовленную мозговую суспензию вводить не один, а несколько раз.

Пастер не был врачом, поэтому испытание прививок на людях было для него большим риском. Тем более что такие верные его помощники и друзья, как Эмиль Ру и Шарль Шамберлан, отказались делать первую прививку больному, которого укусила бешеная собака. Они считали, что пока не будет отработана методика прививок на собаках, людей лечить нельзя. Однако эмоции и настоятельные просьбы родственников больного возобладали над разумом. 6 июля 1885 г. Пастер отважился спасти жизнь сильно искусанному бешеной собакой девятилетнему эльзасскому мальчику Жозефу Мейстеру. Воплотить идею Пастера согласился один из его друзей врач Транше. Он считал, что в данном случае необходимо рискнуть. Риск оправдал надежды: мальчик не заболел. Вторым, кому прививки спасли жизнь, был четырнадцатилетний пастух Жан Батист Жюпиль, памятник которому стоит во дворце Пастеровского института в Париже. Через десять лет воскрешенные Пастером Ж. Мейстер и Ж. Б. Жюпиль были в первых рядах провожавших в последний путь великого ученого.

Обреченные на смерть люди, чтобы остаться в живых, любыми средствами и путями добирались до Парижа. Среди них были 16 крестьян из-под Смоленска и многие другие.

Первая в России и вторая в мире пастеровская станция была открыта в Одессе в 1886 г. Ее организаторами и руководителями были И. И. Мечников и Н. Ф. Гамалея. В настоящее время пастеровские станции, которые проводят прививки против бешенства, имеются во всех странах мира.

Луи Пастер сделал много открытий и тем самым способствовал прогрессу науки. Они представлены в лаконичной надписи у входа в его первую лабораторию в Париже.

«Здесь была лаборатория Пастера:

1857 г. – Брожения.

1860 г. – Самопроизвольное зарождение.

1865 г. – Болезни вина и пива.

1868 г. – Болезни шелковичных червей.

1881 г. – Зараза и вакцины.

1885 г. – Предохранение от бешенства».

В день своего семидесятилетия, обращаясь к ученым, приехавшим из разных стран мира, он сказал: «Вы доставляете мне самую большую радость, которую только может испытать человек, твердо верящий, что наука и мир восторжествуют над невежеством и войной, что народы найдут общий язык не для уничтожения, а для созидания, что будущее принадлежит тем, кто больше всех делает для страждущего человечества». Эти замечательные слова не потеряли своего значения и смысла и в наши дни.

Другим ученым, много сделавшим для усовершенствования методики работы с бактериальными культурами, был немецкий врач Роберт Кох (1843–1910). Он с сотрудниками впервые (1883) ввел в микробиологическую практику плотные питательные среды. На них можно выращивать и получать чистые культуры микроорганизмов, что

имеет большое значение при изучении неизвестных возбудителей болезней, Р. Кох обнаружил и изучил возбудителя туберкулеза человека и крупного рогатого скота (иногда возбудителя туберкулеза называют палочкой Коха).

Р. Кохом разработаны методы окрашивания микроорганизмов, микрофотографии, дезинфекции; введено в лабораторную практику заражение подопытных животных. Для подтверждения причины заразной болезни им была предложена методика, которая вошла в науку под названием триады Генле-Коха. Согласно этой методике необходимо:

1) установить, что микроб встречается только при определенной болезни;

2) выделить его в чистую культуру на искусственной питательной среде;

3) с помощью выделенного микроба вызвать у животного такое же заболевание.

Таким образом, Р. Кох заложил основы современной методики микробиологических исследований. В декабре 1905 г. Шведская академия наук присудила Р. Коху Нобелевскую премию.

Велика заслуга в развитии микробиологии нашего соотечественника И. И. Мечникова (1845–1916).

В результате многолетнего и упорного труда он создал фагоцитарную теорию иммунитета, в основу которого положена способность клеток организма противостоять инородным телам. К изучению иммунитета И. И. Мечников подошел с позиций сравнительной патологии. Клетки организма, окружая микробов или другие инородные тела, переваривают их и тем самым предохраняют организм от заражения. Такое явление получило название фагоцитоза и признано учеными всего мира.

Другой большой заслугой И. И. Мечникова является установление антагонизма между молочнокислыми и гнилостными микробами. На принципе антагонизма он обосновал теорию долголетия и предложил для продления человеческой жизни использовать простоквашу, которая впоследствии получила название Мечниковской. Гнилостные микробы, разлагая в кишечнике белки и другие вещества, образуют большое количество газов, таких, как аммиак, скатол, индол и др. Все они, являясь ядами, хотя и медленно, но отравляют организм, что ведет к сокращению человеческой жизни. Молочнокислые бактерии угнетают гнилостные, при этом количество продуктов распада уменьшается.

И. И. Мечников вторым среди русских ученых удостоен Нобелевской премии. Она ему присуждена (вместе с П. Эрлихом) в 1908 г. за работы по иммунитету (фагоцитарная теория). И. И. Мечников был членом академий наук почти всех стран мира. В 1888 г. он переехал в Париж, где в течение 28 лет работал в Пастеровском институте. В лаборатории Мечникова в Париже учились Д. К. Заболотный, Л. А. Тарасевич, И. Г. Савченко, Н. Я. Чистович, Ф. Я. Чистович, Г. Н. Габричевский, П. В. Циклинская и др. И. И. Мечников писал: «Моя лаборатория открыта для всех русских ученых, желающих работать и способных работать. Здесь они у себя дома».

Франция для И. И. Мечникова была второй родиной, а Париж – любимым городом, в котором он остался навсегда. Урна с его прахом замурована в стене библиотеки Пастеровского института.

Л. С. Ценковский (1822–1887) – один из основоположников отечественной микробиологии. По специальности ботаник, он занимался изучением простейших форм жизни. Родился в Варшаве. В 1844 г. он окончил Петербургский университет и через два года защитил диссертацию на ученую степень магистра бетаники. Л. С. Ценковский занимал должность профессора естественных наук в Ярославском лицее, а позже заведовал кафедрой ботаники в Петербургском университете. В 1856 г. он защитил докторскую диссертацию на тему: «О низших водорослях и инфузориях». В 1865 г. Л. С. Ценковский перешел на службу в Одессу, в 1872 г. переехал в Харьковский университет, где плодотворно работал в течение последних 15 лет. Самым ценным вкладом Л. С. Ценковского в науку этого периода является разработка методов прививок против сибирской язвы овец и других животных. В то время сибирская язва вызывала опустошительные эпизоотии. Поэтому предохранение животных от заболевания имело огромное значение для животноводства России. Вакцина против сибирской язвы, приготовленная и внедренная Л. С. Ценковским в России, через два года (1883) после подобных прививок Л. Пастера, была настолько совершенна, что в некоторой модификации почти на протяжении 80 лет служила средством предупреждения заболевания животных сибирской язвой. Л. С. Ценковский доказал бактериальную природу сахарного белка и разработал способы предупреждения его в сахарном производстве.

Д. И. Ивановский (1864–1920) – физиолог растений. Впервые открыл возбудителя мозаичной болезни табака (им оказался вирус). В 1892 г. в журнале «Сельское хозяйство и лесоводство» № 2 была опубликована его статья «О двух болезнях табака», а в 1903 г, в Киевском университете он защитил докторскую диссертацию на тему: «Мозаичная болезнь табака». Д. И. Ивановский доказал, что живое начало, проходящее через бактериальные фильтры, способно заражать здоровые листья табака и вызывать мозаичную болезнь. Это послужило толчком к открытию возбудителей ящура, оспы, невидимых в обычные световые микроскопы. Открыв вирус, Д. И. Ивановский стал основоположником новой ветви микробиологии — вирусологии.

С. Н. Виноградский (1856–1953) – основоположник почвенной микробиологии. Им проведены большие исследования по изучению серобактерий (1887), железобактерий (1888) и нитрифицирующих бактерий (1890). С. Н. Виноградский установил явление хемосинтеза. Это одно из крупных открытий в области физиологии микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии, которые окисляют аммиак до азотной кислоты, добывают углерод из углекислого газа воздуха, используя для этого процесса энергию, образуемую в результате химических реакций. Ученым предложены элективные (селективные, избирательные) среды, на которых можно культивировать определенные группы микроор­ганизмов и тем самым приближать их к естественным условиям обитания.

Н. Д. Иерусалимский (1900–1967), К А. Красильников (1896–1973), Е. Н. Мишутин (1901–1991) и др. внесли значительный вклад в развитие общей микробиологии. Ими написаны монографии и книги по разным разделам курса.

ТЕМА 3

МОРФОЛОГИЯ, СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОКАРИОТ.

Форма микробов. Микробы – это в основном одноклеточные бесхлорофилльные организмы прокариотического типа. По форме различают: шаровидные, палочковидные и извитые микробы (рис. 1). Между основными формами имеются и переходные (коккобактерии и др.).

Шаровидные (кокковые) микробы по форме напоминают шар, но бывают овальные, плоские, односторонне вогнутые или слегка вытянутые. Шаровидные формы образуются в результате деления клеток в одной, двух, трех взаимно перпендикулярных или разных плоскостях.

Рис.1. Основные формы микроорганизмов (схема):

шаровидные: 1 – стафилококки, 2 – диплококки, 3 – стрептококки, 4– тетракокки, 5– сарцины; палочковидные: 6– бактерии, 7– стрептобактерии, 8– бациллы, 9 – стрептобациллы;

извитые: 10 – вибрионы, 11 – спириллы, 12 – спирохеты

такие формы получили название диплококков. Если деление происходит последовательно в одной плоскости и клетки соединены в виде цепочки, — это стрептококки. Деление кокка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях ведет к образованию четырех клеток, или тетракокка. Пакетообразные кокки, или сарцины, — результат деления кокков в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Беспорядочное расположение клеток или образование скоплений, напоминающих гроздья винограда, происходит при делении кокков в разных плоскостях; такие формы называются стафилококками.

Палочковидные, ши цилиндрические, формы принято делить на бактерии и бациллы. Бактерии – палочковидные формы, не образующие спор (пишут Bad, на­пример Bact. aceti). Бациллы – палочковидные формы, образующие споры (пишут Вас, например Вас. subtilis). Бактерии и бациллы бывают разными по форме и размерам. Концы палочек чаще закруглены, но могут быть срезаны под прямым углом (возбудитель сибирской язвы), иногда сужены. У мелких бактерий разница между длиной и шириной невелика; по внешнему виду они напоминают кокки, в связи с чем такие формы получили название коккобактерии (возбудитель бруцеллеза).

Спорообразующие микроорганизмы окрашиваются в основном по Граму положительно. Большинство из них имеют палочковидную форму и лишь Sporosarcina – шаровидную.

Среди палочковидных форм, образующих споры, различают бациллы и клостридии. Бациллы, за исключением Вас. anthracis, подвижны. Бациллы – аэробы, У бацилл споры не превышают толщины вегетативной клетки. Клостридии – анаэробы. Споры толще вегетативной клетки. Такие формы напоминают веретено, ракетку, лимон, барабанную палочку. Клостридии принимают участие во многих процессах в природе. Являются возбудителями анаэробных инфекций. Вызывают аммонификацию белковых ве­ществ, мочевины. Разлагают фосфорорганические соединения. Фиксируют молекулярный азот и др.

Палочки, как и кокки, могут располагаться попарно или цепочкой. При соединении бактерий попарно образуются диплобактерии, при таком же соединении бацилл– диплобациллы. Соответственно образуются стрептобактерии и стрептобациллы, если клетки располагаются цепочкой. Тетрад и пакетов палочковидные формы не образуют, так как они делятся в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси. Термин «бактерии» применяют для обозначения палочковидных форм, не образующих спор, и это правильно, в то время как многие авторы используют его как собирательное название разных микроорганизмов. Мы считаем, что вместо бактерии следует применять слово «микроорганизмы», или кратко «микробы». В учебнике «Основы микробиологии» В. Л. Омелянский отмечал, что понятие «микробиология» шире, чем «бактериология», так как оно охватывает собой не только бактерии, но и другие группы низших организмов: дрожжи, плесневые грибы, мелкие водоросли, которые называют микробами.

Извитые формы микробов определяют не только по длине и диаметру, но и по количеству завитков. Вибрионы напоминают по форме запятую. Спириллы– извитые формы, образующие до 3–5 завитков. Спирохеты – тонкие длинные извитые формы с множеством завитков. Они занимают промежуточное положение между бактериями и простейшими. Микобактерии – палочки с боковыми выростами (возбудители туберкулеза, паратуберкулеза). Коринебактерии напоминают микобактерии, но отличаются от них образующимися на концах утолщениями и включениями зерен в цитоплазме (дифтерийная палочка). Нитчатые бактерии — многоклеточные организмы, имеющие форму нити. Миксобактерии скользящие микробы, по форме напоминающие палочки

или веретено. Простекобактерии могут быть треугольной или иной формы. У некоторых: из них лучевая симметрия. Свое название такие организмы получили по наличию остроко­нечных выростов – простек. Размножаются они делением, или почкованием. Так, у треугольных форм на одной из вершин образуется почка, которая при достижении размеров материнской клетки отделяется. С помощью простек, расположенных на двух других вершинах, происходит улавливание пищи. Простекобактерии обычно неподвижны; подвижные формы образуют круговые движения. Спор не образуют, по Граму не окрашиваются. Растут на картофельной среде (агаре) при температуре 28 "С.

Размеры микробов. Микробы– микроскопические организмы. Их размеры определяются в микрометрах (мкм) (10~⁶ м по системе СИ). Диаметр шаровидных форм 0,7– 1,2 мкм; длина палочковидных 1,6—10 мкм, ширина 0,3—1 мкм. Вирусы — еще более мелкие существа. Их размеры определяются в нанометрах (I нм = 10~ м). Нитчатые формы микробов достигают длины в несколько десятков микрометров. Для того чтобы представить размеры этих существ, достаточно сказать, что в одной капле воды может вместиться несколько миллионов или миллиардов микробов.

Строение микробных клеток. Ввиду малых размеров строение микробов в течение долгого времени не было изучено. С появлением электронного микроскопа и ультрамикротома, при помощи которого можно делать очень тонкие срезы, представилась возможность глубже проникнуть в микромир. В результате было установлено, что микробные клетки имеют такое же сложное строение, как и клетки животных и растений (рис.2).

Микробная клетка окружена оболочкой. В ней различают капсулу, клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану. Роль оболочки огромна: она придает клетке определенную форму, защищает ее от неблагоприятных воздействий, через нее осуществляется обмен веществ между клеткой и окружающей средой.

У некоторых микроорганизмов вокруг клеточной стенки образуется слизистый слой — капсула. У большинства микробов она состоит из полисахаридов, у отдельных содержит полипептиды и до 98 % воды. Капсула предохраняет клетку от высыхания, защищает ее от неблагоприятных воздействий макроорганизмов — фагоцитов, антител, обусловливает вирулентность. У возбудителя сибирской язвы капсула образуется в организме хозяина, а иногда также на средах с кровью, кровяной сывороткой животных.

Клеточная стенка – основная структурная единица оболочки микробной клетки. У «свободноживущих» микроорганизмов стенка представляет собой муреиновую сеть толщиной в 40 слоев. У грамотрицательных микробов муреиновая сеть однослойная (Г. Шлегель, 1987). Содержание пептидогликана (муреин, гликопептид, мукопептид) у грамположительных микробов составляет около 80 % массы сухого вещества стенки, у грамотрицатель-ных – 1–10 %. У грамположительных микробов клеточная стенка обычно толще и достигает 50 нм, у грамотрицательных – не превышает 5–15 нм. В клеточных стенках большинства грамположительных микробов содержится до 50 % (по массе) тейхоевых кислот, которые размещены по обе стороны пептидогликанового слоя. Их больше содержится на стороне, обращенной к цитоплазматической мембране, меньше– на наружной поверхности.

Микрофибриллы пептидогликана образуют каркас микробной клетки. При их переплетении формируются ячейки (поры), через которые осуществляется движение веществ внутрь клетки и из клетки во внешнюю среду. Разные химический состав и стро­ение стенок клеток лежат в основе деления микробов на грамположительные и грамотрицательные организмы. При окрашивании по Граму основные красители (генциановый фиолетовый, кристаллический фиолетовый) в присутствии йода (раствор Люголя) с компонентами клетки образуют комплекс, который при действии на него этиловым спиртом удерживает краситель у грамположительных и обесцвечивает у грамотрицательных микробов. В результате грамположительные микробы окрашиваются в цвет основных красителей (фиолетовый, синий), а грамотрицательные — в красный (цвет дополнительного красителя — фуксина).

Цитоплазматическая мембрана, расположенная между клеточной стенкой и цитоплазмой, представляет собой относительно плотное образование, которое можно обнаружить при помощи электронного микроскопа. Мембрана состоит из фосфолипидного бислоя и белковых глобул. Отдельная молекула фосфолипидного слоя имеет форму головки с двумя отростками (вытянутые цепи жирных кислот). Молекулы расположены в два ряда, в которых гидрофильные головки направлены в противоположные стороны. Фосфолипидный слой образует структурную основу мембраны. Толщина его равна 4,5 нм (по Р. Капальди). По обе стороны бинарного фосфолипидного слоя расположены белковые глобулы (шарики) диаметром около 6 нм. Белки могут находиться на поверхности или погружаться в бислой фосфолипида. Одни из них пронизывают его насквозь, другие — на Уз своей величины (рис. 3). Белковые глобулы формируют каналы, которые выполняют функцию насосов

— с помощью АТФ осуществляют движение веществ и ионов (натрия, калия, кальция и др.).

Рис. 3. Схема расположения слоев цитоплазматической мембраны

(по P.Капальди):

Глобулы белка: а – находятся на поверхности; б – погружены в фосфолипидный слой на небольшую глубину; в – пронизывают фосфолипидный слой поодиночке или парами.

Цитоплазма — содержимое клетки, за исключением ядра. Представляет собой коллоидную систему неодинаковой консистенции: чем ближе к поверхности, тем она плотнее. В цитоплазме содержатся рибосомы, мезосомы, включения (липиды, углеводы, волютин, сера, железо и другие соединения).

Рибосомы — рибонуклеопротеидные частицы цитоплазмы,, количество которых в одной клетке достигает нескольких тысяч. Сорма округлая или овальная, размер 20—25 нм. Располагаются одиночно или группами по 10—20 рибосом (полирибосома). Представлены двумя субъединицами: большой и малой. Имеют разный состав у прокариот и эвкариот. У прокариот состоят (по массе) на ²/3 из РНК и на 1/3 из белков. У звкариот они содержат примерно одинаковое количество РНК и белков. Коэффициент седиментации (осаждение) рибосом у прокариот 70S,

у эукариот — 80S. Рибосомы — место биосинтеза белка.

Мезосомы, или митохондрии, образуются в результате инвагинации (впячивания) и последующего ущемления цитоплазматнчеекой мембраны. Они являются энергетическими центрами клетки. С помощью ферментов в них происходит окисление жирных кислот, окислительное фосфорилирование, т. е. то, что называют процессами дыхания.

Гликоген — полисахариды, резервные вещества микробной клетки. Много гранулезы содержат маслянокислые бациллы. При действии на них раствором Люголя, в котором содержится йод, окрашиваются в синий цвет. Сера содержится в виде капель в клетках серобактерий. В такой же форме в клетках железобактерий находится железо.

Нуклеоид (генофор) — ядерное вещество прокариотической клетки, в отличие от ядер эукариот не имеет ядерной мембраны. Оно состоит из нуклеопротеидов, главным образом ДНК, принимает участие в передаче наследственных признаков и жизни клетки. Без нуклеоида клетка нежизнеспособна.

Споры (эндоспоры) образуются в конце экспоненциальной фазы роста, когда истощается питательная среда и накапливаются продукты жизнедеятельности. В это время внутри большинства вегетативных клеток появляются округлые образования, сильно преломляющие свет, которые отличаются от материнской клетки структурой, химическим составом и физиологическими свойствами. Эндоспоры образуют грамположительные анаэробные бациллы, грамположительные облигатно-анаэробные клостридии и грамположительные кокки рода Sporosarcina. У бацилл споры выполняют защитную функцию, у дрожжей и плесневых грибов служат для размножения. Форма спор округлая и овальная. Округлые споры чаще располагаются терминально (на концах клетки). Такие формы напоминают барабанные палочки (возбудитель столбняка). Овальные споры обычно располагаются в центре или ближе к одному из концов клетки и придают ей форму веретена — это клостридии (возбудитель эмфизематозного карбункула).

Жгутики — органы передвижения у микробов {рис. 6, а). Впервые обнаружены в 1838 г. Эренбергом и описаны в 1897 г. В. Мигулой. Они представляют собой тонкие спиральные нити, превышающие по длине размеры клетки. Микробы, имеющие прямую форму жгутиков, неподвижны. Диаметр жгутиков клетки выходит за пределы видимости в световом микроскопе, толщина их достигает 13 нм и более. Жгутик представляет собой цилиндр длиной до 20 мкм. В нем различают филамент (тело жгутика), крюк и базальное тело. Жгутик соединяется с клеткой базальным телом, которое имеет сложное строение. У основания жгутика находятся кольца. Нижним кольцом базальное тело прикрепляется к цитоплазматической мембране (рис. 6,). С помощью колец осуществляются вращательные движения. Установлено, что микробная клетка передвигается не волнообразными колебаниями жгутика, а его вращением (Берг, Андерсон, 1973), причем движение может быть как по ходу часовой стрелки, так и против хода часовой стрелки.

При множестве жгутиков они бывают собраны на конце клетки в один пучок и вытянуты вдоль продольной оси тела. Каждый из жгутиков пучка совершает синхронное и независимое вращательное движение. Вращается нижнее кольцо, находящееся в липидном слое клеточной мембраны, а вместе с ним и филамент. Такая система напоминает винт самолета, при вращении которого происходит движение микробной клетки.

Рис. 7, Увеличенный жгутик бактерии Salmonella (а) и схема его строения (б) (по С. J. Jones, S. I. Апавд):

Сарцины — результат деления кокков в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. (Сарцины) или колонии сферической формы. Спорообразующие микроорганизмы окрашиваются в основном по Граму положительно. Большинство из них имеют палочковидную форму и лишь Sporosarcina — шаровидную. Если же деление происходит в нескольких плоскостях неравномерно, образуются клеточные скопления неправильной формы. Прокариоты, имеющие форму цилиндра (палочковидные), сильно различаются по величине отношения длины клетки к ее поперечнику. Прокариоты спиралевидной формы отличаются разным количеством витков: у спирилл – от одного до нескольких витков, вибрионы выглядят наподобие изогнутых палочек, так что их можно рассматривать как неполный виток спирали. Многообразие и разнообразие форм: кольцо (замкнутое или разомкнутое в зависимости от стадии роста); образование простек – выростов от 1 до 8 (у м/о, размножающихся почкованием); в виде червей или 6-тиугольных звезд; в виде ветвящихся нитей. Выделяются и виды, имеющие морфологическую изменчивость в зависимости от условий: в виде палочек, кокков или слабого ветвления. У многоклеточных – это скопления различной конфигурации, чаще нити. Своеобразие бактериальным клеткам придают жгутики, имеющие различное расположение на клеточной поверхности, а также выделения внеклеточных веществ разной химической природы. Структура, химический состав и функции компонентов прокариотной клетки.. Принципиальные особенности ультраструктурной и химической организации: структуры, расположенные снаружи от ЦПМ – клеточная стенка, капсула, жгутики, ворсинки, слизистый чехол называют поверхностными структурами. Термином «клеточная оболочка» часто обозначают все слои, располагающиеся с внешней стороны от ЦПМ – это капсула, клеточная стенка, слизистый чехол. Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток, располагающийся под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирующий с окружающей средой (у клеток не содержащих этих слоев клеточной оболочки). Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную, присущую им форму. Клеточная стенка является определенным барьером для проникновения избытка воды в клетку как механическое образование, а содержание в клетке солей, создает осмотическое давление внутри клетки, которое и сохраняется благодаря наличию клеточной стенки и разности в осмотическом давлении в клетке и окружающей среде. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. Этот признак имеет резкие различия у прокариотной и эукариотной клеток. В зависимости от от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям, делятся на 2-ве большие группы. Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем иодом, образуется окрашенный комплекс. Если затем окрашенные препараты обработать спиртом, то у одних видов бактерий окраска сохраняется, а у других окрашенный комплекс разрушается и вымывается из клетки. Они обесцвечиваются. Этот способ был впервые предложен в 1884 г. датским ученым Х. Грамом, занимавшимся окраской тканей и позднее был использован для бактерий. И по отношению к этому способу окраски бактерии делятся на грамположительные и грамотрицательные виды. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протопласте, но его удерживание клеткой или вымывание из нее при последующей обработке спиртом определяются особенностями строения клеточной стенки. Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных эубактерий резко отличаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре. Отметим, что в состав клеточной стенки эубактерий входят 7 различных групп химических веществ, при этом пептидогликан присутствует только в клеточной стенке. У грамположительных эубактерий он составляет основную массу вещества клеточной стенки – от 40 до 90 %, у грамотрицательных его значительно меньше от 1 до 10 %, при том, что на долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухого вещества клетки. Различия в структуре клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных эубактерий хорошо видны в электронном микроскопе. У первых – клеточная стенка выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется для разных видов от 20 до 80 нм. У грамотрицательных эубактерий многослойная клеточная стенка, внутренний электронно-плотный слой которой состоит из пептидогликана и толщина его составляет 2 – 3 нм. Снаружи к нему прилегает, как правило, волнистый слой (8 – 10 нм), имеющий характерное строение: 2-ве электронно-плотные полосы, разделенные электронно-прозрачным промежутком. Такой вид характерен для элементарных мембран. Поэтому 3-хконтурный внешний компонент клеточной стенки грамотрицательных эубактерий получил название наружной мембраны. В состав пептидогликана входят углеводы N-ацетилглюкозамин и N-ацетилмурамовая кислота, остаток молочной кислоты, аминокислоты: L-аланин и D-глутаминовая и содержащая аминогруппу мезо-диаминопимелиновая карбоновая кислота. Отличительным признаком является и строение жгутика, которые располагаются на клеточной поверхности многих прокариот и являются структурами, определяющими способность клетки к движению в жидкой среде. Он состоит из 3-х частей: фибриллы – длинной спиральной нити, у поверхности клеточной стенки переходящей в утолщенную изогнутую структуру – крюк. С его помощью нить прикреплена к базальному телу, вмонтированному в ЦПМ и клеточную стенку. Базальное тело – это система из 2 или 4 колец нанизанных на стержень, являющийся продолжением крюка. 2-ва внутренних кольца (М и S) – обязательные составные части базального тела, в то время как наружные кольца (Р и L) отсутствуют у грамположительных эубактерий и следовательно не необходимы для движения. Последние кольца, имеющиеся только у грамотрицательных эубактерий, локализованы соответственно в пептидогликановом слое и в наружной мембране. Первое кольцо М локализовано в ЦПМ, второе в периплазматическом пространстве грамотрицательных или пептидогликановом мешке грамположительных эубактерий.

Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особенностей. касающихся ее как ультраструктурных, так и химической организации. Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, ворсинки) называют обычно поверхностными структурами. Клеточная оболочка – это все слои, распологающиеся с внешней стороны от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, слизистый чехол). Клеточная стенка – важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток, располагающийся под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирующий с внешней средой (у клеток, не содержащих этих слоев клеточной оболочки). Функции клеточной стенки: механический барьер между протопластом и внешней средой; определяет форму клетки; в связи с наличием осмотического давления внутри клетки, клеточная стенка механически защищает клетку от проникновения в нее воды. Для понимания структуры клеточной стенки бактерий важно, прежде всего, указать на сходство ее опорного «скелета» с полимерами β-D-глюкозы – целлюлозой и хитином. Целлюлоза – главный компонент клеточных стенок у высших растений, водорослей, оомицетов. У бактерий целлюлоза в качестве материала клеточной стенки не встречается, однако она соединяет клетки Sаrсinа vеntriсuli в большие пакеты и придает пленке «уксусного гриба» (Мусоdеrmа асеti) прочную кожистую консистенцию, в результате выделений целлюлозы Асеtоbасtеr асеti subsр. хуlinum в виде тонких фибрилл в среду. Хитин – материал наружного скелета членистоногих и некоторых других животных. Он является важнейшим компонентом клеточных стенок большинства групп грибов (базидиомицетов, аскомицетов, зигомицетов). Структурными элементами хитина являются остатки N-ацетилглюкозамина, соединенные между собой подобно глюкозным остаткам в целлюлозе, т. е. 1,4-гликозидными связями. Однако в бактериальной стенке содержатся структуры и вещества, которых нет у животных и растений. Опорный скелет бактериальной стенки состоит в значительной степени из однородного полимера – пептидогликана муреина. Эта макромолекула – гетерополимер, построенный из цепочек, в которых чередуются остатки N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями, они не входят в состав растительных и животных клеточных стенок. Такие неразветветвленные гетерополимерные цепи образуют основу муреина. Остатки мурамовой кислоты через лактильные группы соединены пептидной связью с аминокислотами – D-формами аланина и глутаминовой кислоты, а также не встречающаяся в составе белков мезо-диаминопимелиновая кислота. Отличительные особенности клеточных стенок грам-положительных и грам-отрицательных бактерий. Кроме пептидогликана в состав клеточных стенок грамположительных эубактерий входит другой уникальный класс химических соединений – тейхоевые кислоты, полимеры, построенные на основе рибита (5-и атомного спирта) или глицерина (3-х атомного спирта), остатки, которых соединены между собой фосфодиэфирными связями. Тейхоевые кислоты ковалентно могут быть связаны с N-ацетилмурамовой кислотой. Поскольку это длинные линейные молекулы, они могут пронизывать весь пептидогликановый слой, достигая внешней поверхности клеточной стенки. В этом случае, вероятно, они являются основными антигенами грамположительных эубактерий. Для клеточной стенки также характерно наличие небольших количеств полисахаридов, белков и липидов. К N-ацетилмурамовой кислоте присоединен обычно короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа (обычно 4 – 5) аминокислот, при этом две особенности пептидного хвоста заслуживают внимания. Первая особенность – наличие аминокислот в D-форме (неприродная конфигурация) и вторая – высоое содержание аминокислот с двумя аминогруппами. Обе аминогруппы этих аминокислот могут участвовать в образовании пептидных связей, причем вторые аминогруппы – в формировании пептидных связей между гетерополимерными цепчками. Нетрудно себе представить, что этим способом можно «сшить» между собой множество гетерополимерных цепей. Частота «сшивок» различна, поскольку не все пептидные хвосты участвуют в формировании межцепочечных связей. Некоторые образуют ковалентные связи с другим химическими молекулами, входящими в состав клеточной стенки, и, наконец, часть тетрапептидных хвостов находится в свободном состоянии. Это имеет принципиальное значение для пространственной организации пептидогликана. Пептидогликан, окружающий протопласт грамположительных эубактерий, – это по существу одна гигантская молекула, «сшитая» с помощью гликозидных и пептидных связей. Именно последние обеспечивают ей 3-хмерную пространственную организацию. Участвующие в образовании клеточных структур аминокислоты варьируют от вида к виду. Видоспецифическое строение опорного каркаса представляет собой хороший таксономический признак. У грам-отрицательных эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грам-положительных. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Муреиновая сеть однослойная или 2-х слойная, составляет менее 10% сухой клеточной стенки и характеризуется весьма редкими поперечными связями между гетерополимрными цепями. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. Муреин содержит только мезо-диаминопимелиновую кислоту и не содержит лизина; межпептидные мостики отсутствуют, тейховые кислоты не обнаружены. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки – наружная мембрана, состоящая из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида, они как бы наклеены снаружи на муреиновый каркас. Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки представлены небольшим числом различных видов, но составляют почти 80% всех наружной мембраны. Одна из функций этих белков – формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1нм, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул сахаров, аминокислот, небольших олигосахаридов и пептидов. Белки, пронизывающие наружную мембрану насквозь и образующие гидрофильные поры, называют поринами.. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов, основной функцией которых является транспорт и рецепторная, например, белки, ответственные за специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений. Таким образом, основные компоненты клеточной стенки эубактерий – три типа макромолекул: пептидогликаны, тейхоевые кислоты, полисахариды, которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с весьма упорядоченной пространственной организацией. Наличие в клеточных стенках пептидогликанового слоя – характерная особенность всех прокариот. Исключение составляют архебактерии, имеющие клеточную стенку, состоящую только из белка (экстремально галофильные, метанобразующие, ацидотермофильные), они не окрашиваются по Граму. Остальные типы архебактерий окрашиваются положительно по Граму. Именно, благодаря пептидогликану клеточная стенка прокариот выполняет разнообразные функции: механически защищает клетку от воздействия окружающей среды, обеспечивает поддержание ее внешней формы и дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах. Организация клеточной стенки грам-отрицательных и грам-положительных бактерий имеет отличия по строению опорного муреинового каркаса и по содержанию других веществ. Так у грамотрицательных эубактерий клеточная стенка имеет отличия в структурной дифференцировке за счет формирования дополнительного слоя в виде наружной мембраны. Что значительно расширило круг функций клеточной стенки и, в первую очередь, за счет проблем проницаемости и транспорта веществ в клетку. Наружная мембрана имеет специфические и неспецифические каналы (поры) для пассивного транспорта веществ и ионов, необходимых клетке, т. е. осуществляет функции молекулярного «сита». Кроме того, наружная мембрана препятствует проникновению вредных веществ в клетку, чем можно объяснить большую устойчивость грамотрицательных бактерий (по сравнению с грамположительными) к ядам, ферментам, антибиотикам. Наличие дополнительной мембраны в составе клеточной стенки фактически обеспечило появление обособленной полости (периплазматического пространства), отграниченного от цитоплазмы и внешней среды специфическими мембранами и несущего важную физиологическую нагрузку, связанную с наличием в нем белков 2-х видов (транспортных и гидролитических ферментов). Грамположительные бактерии выделяют гидролитические ферменты во внешнюю среду, у грамотрицательных они локализованы в преиплазматическом пространстве. Разнообразные функции выполняют макромолекулы, локализованные частично или полностью на внешней стороне клеточной стенки, контактирующей с окружающей внешней средой; это специфические рецепторы для фагов и колицинов; антигены (липополисахарид грамотрицательных эубактерий, тейхоевые кислоты грамположительных; макромолекулы, обеспечивающие межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов. По компонентам и структуре клеточной стенки и биохимическим механизмам ее синтеза бактерии коренным образом отличаются от растений и животных. Лекарственные препараты, специфически воздействующие на клеточные стенки и на процесс их синтеза, должны быть безвредными для высших организмов. Действие лекарственных препаратов направлено, в первую очередь, на разрушение – лизис, клеточной стенки бактерий (пример, действие лизоцима, открытое А. Флемингом). Этим действием пользуются и микробиологи в практике получения протопластов и сферопластов. У первых клеточная стенка полностью лизируется и, следовательно, отсутствует; у вторых лизирована и отсутствует частично. В этих случаях также используют лизоцим, фермент из группы гликозидаз, который содержится в яичном белке, слезной жидкости и выделяется некоторыми бактериями. Полученные с помощью лизоцима сферопласты (из грамотрицательных эубактерий) или протопласты (из грамположительных) имеют сферическую форму и очень чувствительны к осмотическому давлению. Для их существования это давление должно быть сбалансировано с осмотическим давлением внутри клетки, при этом в них происходят процессы жизнедеятельности, но утрачивается способность к размножению. Однако, прокариоты, не имеющие клеточной стенки, обнаружены и в природе. Это группа микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных и человека. Формы, сходные с микоплазмами, были получены опытным путем с помощью вышеуказанных ферментов и антибиотиков, они носят название L-форм и образуются из нормальных бактериальных клеток в результате несбалансированного роста в длину и толщину. В благоприятных условиях они обладают метаболической активностью и способностью к размножению. Антибиотик пенициллин действует главным образом на грамположительные бактерии (стафилококки и пневмококки), а также на некоторые грамотрицательные клетки (гонококки, менингококки, энтеробактерии), причем только на растущие клетки, покоящиеся клетки не затрагиваются. Снаружи клеточная стенка прокариот часто бывает окружена оводненным веществом – капсулами и слизью. Жизненно важного значения для бактерий они не имеют, но некоторые бактерии в связи с этим имеют резистентность (от англ. rеsistоr – сопротивляюсь) к фагоцитозу, что повышает их вирулентность для животных. Капсула состоит в основном из полисахаридов (экзополисахаридов), относительно прочно связанных с клеточной стенкой и определяется с помощью окрашивания тушью, нигрозином, конго красным, в виде светлого ореола при микроскопировании окрашенных клеток. Капсулы с толщиной менее 0,2 мкм – микрокапсулы могут быть обнаружены только с помощью электронного микроскопа, с толщиной более 0,2 мкм – макрокапсулы, обнаруживаются световым микроскопом. Слизи – это выделения вещества капсул в окружающую среду, они не связаны с клеточной стенкой. Например, бактерия Lеuсоnоstос mеsеntеrоidеs – гетероферментативная молочнокислая бактерия, превращающая раствор, содержащий тростниковый сахар, в декстрановый студень, за что ее на сахарных заводах называют «бактерией лягушачьей икры». Декстран – это полисахарид, состоящий из остатков α-D-глюкозы, соединенных в положении 1,6 (1,6-α–глюкан), входит в состав кровезаменителей. Используется для повышения вязкости растворов и служит основой декстранового геля (сефадекса). Стрептококки, вызывающие кариес (разрушение зубов), в том числе Strерtососсus mutαns и S. sαlivαrius, выделяют другую гексозилтрансферазу, превращающую сахарозу в полифруктузы (леваны). Эти полисахариды откладываются на поверхности зубов и служат матриксом, в котором накапливаются кислые продукты брожения, вызываемого стрептококками, главным образом молочная кислота. В отличие от капсул чехлы имеют тонкую структуру и нередко в них обнаруживают много слоев с разным строением. Между указанными структурами у прокариот обнаружено много переходных форм, так что иногда нельзя четко отграничивать капсулу от слизистых клеточных выделений или капсулу от чехла. Наличие капсулы зависит от штамма микроорганизма и условий его культивирования, и образование капсулы может теряться в результате мутаций, таким образом капсулу нельзя рассматривать как обязательный структурный компонент клетки Расположение жгутиков: у палочковидных бактерий жгутики могут прикрепляться полярно (у полюсов или в полярной области клетки), если вдоль боковой поверхности – латерально. В зависимости от числа жгутиков и их локализации на поверхности клетки различают монополярные монотрихи, например, одним, но достаточно толстым жгутиком снабжены монотрихи – Vibriо mеtsсhnikоvii. Политрихи – бактерии с монополярным пучком жгутиков или биполярным жгутикованием в виде 2-х пучков жгутиков на каждом полюсе по пучку жгутиков (от 2 до 50). Лофотрихи – имеют много жгутиков на одном конце клетки, монополярно-политрихальное расположение жгутиков (Рsеudоmоnαs), биполярно-политрихальное называют амфитрихальным (Sрirillum) – амфитрихи. Перитрихи имеют жгутики по всей поверхности клетки или по бокам до 1000 на клетку. Толщина жгутика – 10 – 20 нм, длина 3 – 15 мкм. Вращение жгутика также как и его строение в виде спирали, закрученной против часовой стрелки, происходит против часовой стрелки. Структура мембран: мембранные липиды всех эубактерий и части архебактерий образуют бислои, в которых гидрофильные «головы» молекул обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» погружены в толщу мембран. При «биологических температурах» мембранные липиды находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии, характеризующемся частичной упорядоченностью структуры. «Жидкая» структура мембран обеспечивает определенную свободу молекул белков, что является необходимым для осуществления процессов транспорта электронов и веществ через мембрану. Это же свойство обуславливает высокую эластичность мембран: они легко сливаются друг с другом, растягиваются и сжимаются. У мембранных белков, в отличие от липидов, нет единого способа структурной организации. Однако в зависимости от расположения в мембране и характера связи с липидным слоем мембранные белки условно можно разделить на 3-и группы: интегральные, периферические и поверхностные. Современная модель строения мембран учитывает большинство данных известных об их строении и представляет собой липидную основу, в которую включены ассиметрично расположенные белковые молекулы: интегральные белки образуют скопления на поверхностях липидного би- или монослоя, полностью погружены в него, а иногда пронизывают мембрану насквозь; периферические белки частично погружены в гидрофобную область; а поверхностные находятся вне её. Интегральные белки прочно связаны с мембранными липидами, периферические связаны с липидами в основном электростатическими силами, поверхностные белки связаны с мембранными липидами исключительно электростатическими взаимодействиями. В модели подчеркнута асимметрия строения мембраны, основанная на различиях в химическом строении и расположении молекул белка. Функции ЦПМ прокариот: барьерная – с помощью специальных переносчиков – транслоказ – через мембрану осуществляется избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов; энергетическая – процессы дыхания и фотосинтеза являются основными источниками энергии у бактерий, в ЦПМ расположены переносчики цепи электронного транспорта, функционирование которых приводит к генерированию электрохимической энергии (Δµ_н+), используемой затем в клетках по различным каналам, в том числе и для образования химической энергии (АТФ); участие в репликации и последующем разделении хромосомы прокариотной клетки; интегрирующая роль, обеспечивающая определение клетки как единого целого. Избирательное поступление в клетку и выход из неё различных веществ и ионов осуществляется с использованием разных механизмов мембранного транспорта. Выделяют 4-е системы транспорта: пассивную диффузию; облегченную диффузию; активный транспорт и перенос химически модифицированных молекул. Движущей силой пассивной диффузии служит градиент концентрации вещества по обе стороны мембраны. Молекулы воды, некоторых газов О₂, Н₂, N₂ и углеводородов, концентрация которых в о внешней среде выше, чем в клетке, проходят через ЦПМ, повидимому, через поры и с помощью переносчиков (транслоказ, или пермеаз, веществ белковой природы), локализованных в мембране и характеризующихся высокой субстратной специфичностью. Они связываясь с субстратом, подвергаются конформационным изменениям и вследствие этого приобретают способность к перемещению субстарта с одной стороны ЦПМ на другую. Облегченная диффузия происходит с участием транслоказ и не требует энергетических затрат и происходит только по градиенту концентрации. Наиболее распространен активный транспорт, позволяющий «накачивать» в клетку молекулы и ионы против их концентрационных и электрических градиентов. При этом для движения против электрохимического градиента требуются затраты метаболической энергии. Транспорт такого рода должен быть сопряжен с реакциями, продуцирующими энергию в химической или электрохимической форме. В результате переноса в виде химической модификации молекул, например, молекула глюкозы фосфорилируется и за счет этого обогащаются энергией. Внутриплазматические, (отличительные от наружной), мембраны прокариот: фотосинтетические, мезосомальные и прочие. Фотосинтетические мембраны характерны для фотосинтезирующих эубактерий (пурпурных, цианобактерий) и в клетке представлены в виде трубочек, пузырьков (везикул, хроматофоров) или уплотненных замкнутых дисков (тилакоидов), образованных 2-мя тесно сближенными мембранными пластинами (ламеллами). Локальные впячивания ЦПМ – мезосомы характерны для грамположительных эубактерий и выделяются 3-и основных типа мезосом: ламеллярные (пластинчатые), везикулярные (имеющие форму пузырьков), тубулярные (трубчатые), смешанного типа. Роль мезосом окончательно не выяснена. Существует мнение, что мезосомы не являются обязательной структурой, а служат только для усиления определенных клеточных функций, увеличивая общую «рабочую» поверхность мембран. Существуют данные о том, что с мезосомами связано усиление энергетического метаболизма клеток, что они играют роль в репликации хромосомы и ее последующем расхождении по дочерним клеткам, участвуют в процессе инициации и формировании поперечной перегородки при клеточном делении. Еще одна теория предполагает, что мезосомы выполняют структурную функцию, обеспечивая компартментализацию прокариотной клетки, т. е. пространственное разграничение внутриклеточного содержимого на относительно обособленные отсеки, что создает более благоприятные условия для протекания определенных последовательностей ферментативных реакций. Сами мезосомы при этом не принимают активного участия в процессах клеточного метаболизма. Следует отметить, что сильно развитая система внутрицитоплазматических мембран, морфологически отличающихся от мезосомальных, описана у представителей 3-х групп грамотрицательных хемотрофных эубактерий (азотфиксирующих, нитрифицирующих, метанокисляющих), для которых характерна высокая активность дыхания, а также способность метаболизировать растворенные в жидкой среде газообразные соединения. Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой, которую разделяют на 2-ве фракции. Цитозоль – фракция с гомогенной консистенцией, включающая набор растворимых РНК, ферментов (белков), продуктов и субстратов метаболических реакций. Другая фракция цитоплазмы, следовательно, представлена элементами различной структуры: рибосомами и включениями различной химической природы и функционального назначения, генетическим аппаратом и внутрицитоплазматическими мембранами (если они есть). Рибосомы прокариот имеют константу седиментации, (скорость осаждения при центрифугировании в определенных стандартных условиях), 70S и построены из 2-х неодинаковых субчастиц 30S и 50S. Рибосомы – это место синтеза белка в клетке, рибонуклеопротеиновые частицы. 30S рибосома состоит из одной рРНК и по одной молекуле белка 20 видов, 50S рибосома состоит из 2-х рРНК с разной скоростью седиментации.и более 30 белков также в виде одной копии, эти белки выполняют структурные функции. Полисомы или полирибосомы – агрегаты для синтеза белка, состоящие из рибосом, молекул иРНКи тРНК. Полисомы могут быть локализованы в цитоплазме или быть связанными с мембранными структурами. Генетический аппарат прокариот структурно отличается от ядра эукариот и называется нуклеоидом – это ДНК в виде компактного образования, занимающего определенную область в цитоплазме и неотделенное от нее мембраной. Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, в виде ковалентно замкнутого кольца, получившего название бактериальной хромосомы. В зависимости от условий нуклеоид прокариотной клетки может состоять из одной или нескольких копий хросомы, т. е. термины «нуклеоид» и «хромосома» не всегда идентичны. В прокариотной клетке ДНК может находиться и вне бактериальной хромосомы – в плазмидах, но плазмиды не являются обязательными клеточными компонентами. Длина молекулы бактериальной хромосомы (ДНК) в развернутом виде может составлять 1 мм, т. е. в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки и представляет собой высокоупорядоченную структуру с константой седиментации 1300 – 2000S и системой из 20 – 100—независимо суперспирализованных колец. В группе микоплазм содержится наименьшее количество молекул ДНК (0,4 – 0,8)10⁹, а наибольшее – у группы нитчатых цианобактерий (8,5 10⁹). ДНК эукариот и прокариот имеют общее строение, отличия касаются комплексов ДНК с химическими соединениями клетки для снятия отрицательных зарядов, которые несут фосфатные группы в виде ионизированных гидроксильных групп. У эукариот нейтрализация осуществляется за счет комплекса ДНК с основными белками – гистонами. Так как у прокариот гистоны практически отсутствуют нейтрализация отрицательных зарядов ДНК осуществляется взаимодействием ДНК с полиаминами (спермином и спермидином), а также с ионами Мg²⁺. Содержание пар оснований А+Т и Г+Ц в молекуле ДНК является постоянным для данного вида организма и служит важным диагностическим признаком. Деление молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму и в норме всегда предшествует делению клетки. Репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где локализован ферментативный аппарат, ответственный за репликацию, часто обнаруживается, что этот контакт ДНК с ЦПМ осуществляется с помощью мезосом. Репликация молекул ДНК происходит параллельно с синтезом мембраны в области контакта ДНК с ЦПМ. Это приводит к разделению (сегрегации) дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом. Рост и способы размножения. Рост клетки прокариот – это согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Этот процесс происходит в результате множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы (а следовательно, и размеров) клетки. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию 2-х одинаковых дочерних клеток. Клетки большинства грамотрицательных эубактерий делятся путем поперечной перетяжки, у большинства грамположительных эубактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру. Поперечная формируется из ЦПМ, с активным участием мезосом в процессах синтеза пептидогликана и других компонентов клеточной стенки. Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. Почкование – это образование на одном из полюсов клетки небольшого выроста, который увеличивается до размеров материнской клетки, после чего отделяется. Отличия 2-х типов бинарного деления клеток состоит в том, что при равновеликом делении образуются две новые дочерние клетки, во втором случае образуется одна дочерняя молодая клетка и остается материнская (старая) клетка, происходит старение клеток. Количество циклов почкования у разных групп микроорганизмов различно и может составлять более 4-х раз, данный способ размножения наблюдается среди фото- и хемотрофов, осуществляющих гетеротрофный конструктивный метаболизм. Бинарное деление может происходить в одной или нескольких плоскостях, в первом случае разделившиеся клетки могут не расходиться и образуются цепочки палочковидных или сферических клеток, во втором случае образуются скопления клеток различной формы. Для одной группы одноклеточных цианобактерий описано размножение путем множественного деления, с образованием мелких не растущих, но делящихся клеток – баеоцитов. Таким образом, в основе этого типа деления лежит принцип равновеликого бинарного деления. Внутрицитоплазматические включения. Одни из них следует рассматривать, как активно функционирующие структуры, другие – как продукты клеточного метаболизма, не выделяющиеся наружу, но откладывающиеся в цитоплазме. Последние можно характеризовать как приспособительные или запасные вещества. Функционирующие включения: хлоросомы зеленых бактерий; фикобилисомы цианобактерий; карбоксисомы или полиэдральные тела клеток некоторых прокариот из групп фототрофных и хемолитотрофных эубактерий. Хлоросомы выполняют определенную функцию в фотосинтезе, в них локализованы пигменты, поглощающие кванты света и передающие их в реакционные центры, они выполняют роль антенны. Они располагаются близко от ЦПМ и в них содержатся бактериохлорофиллы с, d или е. Фикобилисомы содержат водорастворимые пигменты белковой природы и локализованы правильными рядами на внешних поверхностях фотосинтетических мембран, под электронным микроскопом имеют вид гранул. Карбоксисомы имеют вид многогранника с 4 – 6 сторонами и состоят из частиц рибулозодифосфаткарбоксилазы, фермента, катализирующего фиксацию СО₂ на рибулозодифосфате в восстановительном пентозофосфатном цикле. Включения, имеющие приспособительное значение: магнитосомы и газовые вакуоли или аэросомы и различные запасные вещества. Аэросомы присущи водным прокариотам, они обнаружены у представителей 15 таксономических групп и состоят из множества регулярно расположенных газовых пузырьков, имеющих форму вытянутого цилиндра с заостренными концами. Мембрана газовых пузырьков проницаема для газов, но непроницаема для воды. Они обеспечивают плавучесть клеток и присутствуют, в основном, у безжгутиковых видов, что можно рассматривать как альтернативу жгутикам для движения в вертикальной плоскости. Запасные полисахариды – гликоген, крахмал, крахмалоподобое вещество – гранулёза, являются производными остатков глюкозы и используются клеткой в качестве источника углерода и энергии в неблагоприятных условиях. Гранулёза – специфический запасной полисахарид анаэробных ссспоровых бактерий группы клостридиев. Липиды накапливаются в виде гранул, резко преломляющих свет и поэтому хорошо видимых в световой микроскоп, и представлены поли-β-оксимасляной кислотой. Запасание липидов происходит в среде богатой углеродом и бедной азотом и служат для клетки источником углерода и энергии. Полифосфаты – это волютиновые или метахроматиновые зерна, используются клеткой как источник фосфора, т. к. содержат макроэргические связи, но участие их в энергетическом обмене клетки незнасительно. У цианобактерий в цианофициновых гранулах запасаются полипептиды, содержащие аргинин и аспарагиновую кислоту, которые являются источником азота при его недостатке в среде. Для прокариот, метаболиз которых связан с соединениями серы, характерно отложение в клетках молекулярной серы. Она накапливается при присутствии в среде сероводорода, и окисляется до сульфата, когда весь сероводород среды оказывается исчерпанным. Серу накапливают пурпурные серобактерии, бесцветные бактерии, окисляющие сероводород. Для аэробных тионовых бактерий, окисляющих сероводород, сера служит источником энергии, а для анаэробных фотосинтезирующих серобактерий она является донором электронов. Следует отметить, что все запасные вещества находятся в осмотически неактивном состоянии. Морфологическая дифференцировка и уровни клеточной организации прокариот. В основе морфологической дифференцировки лежат определенные биохимические процессы, которые, в свою очередь, являются выражением соответствующей генетической информации. Ф. Жакоб и Ж. Моно определили дифференцировку следующим образом: «одну клетку следует считать дифференцированной по сравнению с другой, если при одинаковых геномах набор белков, синтезированных в этих клетках, различен». Поразительное физиологическое разнообразие прокариот сформировано на базе весьма ограниченного числа морфологических форм. В подавляющем большинстве случаев все известные проявления морфологической дифференцировки эубактерий направлены на повышение их выживаемости. Это выражается как в формировании специальных клеток, обладающих повышенной устойчивостью к перенесению неблагоприятных условий – эндоспоры, цисты, так и в формировании структур, обеспечивающих эффективное размножение вида – гормогонии и баеоциты цианобактерий. Всё это относится только к эубактериям, для архебактерий характерно отсутствие сложных морфологических форм и какой-либо клеточной дифференцировки. Морфологически дифференцированные клетки относятся в основном к категории покоящихся форм, назначение которых – обеспечить переживание вида в течение длительного времени в неблагоприятных условиях. Это эндоспоры ряда грамположительных бактерий, цисты азотобактера и миксобактерий, акинеты цианобактерий, экзоспоры отдельных представителей метилотрофныхи фототрофных бактерий, экзо- и эндоспоры актиномицетов. После попадания в соответствующие условия покоящиеся формы прорастают, давая начало вегетативным клеткам. Другие морфологически дифференцированные клетки служат для размножения (гормогонии и баеоциты цианобактнрий). Третьи – гетероцисты цианобактерий, бактероиды клубеньковых бактерий связаны с осуществлением уникального процесса, свойственного только прокариотным организмам – фиксацией молекулярного азота атмосферы. Цисты встречаются у разных групп эубактерий: азотобактера, спирохет, миксобактерий, риккетсий. У большинства миксобактерий образование цист, называемых также миксоспорами, – закономерная стадия их жизненного цикла. После окончания стадии активного размножения клетки миксобактерий собираются вместе и образуют т. н. плодовые тела, представляющие собой массу слизи, в которую погружены клетки, или весьма дифференцированные структуры, поднимающиеся над поверхностью субстрата на простых или разветвленных стебельках. Внутри плодовых тел клетки переходят в покоящееся состояние. Морфологически цисты у одних видов не отличаются от вегетативных клеток, у других – при микроскопировании обнаруживаются более сильно преломляющие свет, оптически плотные, окруженные капсулой, укороченные палочки или сферические формы. Цисты миксобактерий более устойчивы к нагреванию, высушиванию, различным физическим воздействиям, чем вегетативные клетки. У азотобактера образование цист сопровождается значительным, заметным изменением морфологии клеток: потерей жгутиков, накоплением в цитоплазме гранул поли-β-оксимасляной кислоты и формируются дополнительные клеточные покровы: внешние (экзин) и внутренних (интин) по отношению к клеточной стенке. Они различаются структурно и по химическому составу. У цианобактерий, покоящиеся клетки, обладающие повышенной устойчивостью к ряду неблагоприятных факторов (высушивание, повышенные температуры), называются акинеты. Морфологически акинеты заметно крупнее вегетативных клеток, имеют продолговатую или сферическую форму, гранулированное содержимое и толстую оболочку. Гранулы акинет состоят из запасных веществ (гликогена, полифосфатов и особенно крупных цианофитиновых), а также карбоксисом. Значительно утолщается пептидогликановый слой клеточной стенки и слизистый чехол за счет отложения в нем электронно-плотного фибриллярного полисахаридной природы. Оболочка клетки в результате подобных превращений содержит больше липидов и полисахаридов, а цитоплазма меньше воды, чем вегетативная клетка. В цитоплазме отмечается увеличение количества ДНК, рибосом, но уменьшение содержания хлорофилла и фикобилиновых пигментов. Скорость дыхания в акинетах выше, а фотосинтеза ниже, чем в вегетативных клетках. Прорастание акинет осуществляется 2-мя путями: первый путь – через пору, формирующуюся на одном полюсе, выходит проросток; второй путь – прорастание через разрыв оболочки. Акинеты могут прорастать иногда вскоре после их образования или только после перенесения в свежую питательную среду. Образование эндоспор – процесс, имеющий место только в мире прокариот. Бактериальные эндоспоры – это особый тип покоящихся клеток грамположительных эубактерий, формирующихся эндогенно, т. е. внутри цитоплазмы «материнской» клетки (спорангия), обладающих специфическими структурами (многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом – внешний слой зачатков половых желез у животных) и устойчивостью к высоким температурам и дозам радиации, летальным в норме для вегетативных клеток. Эндоспорам свойственно также и особое физическое состояние протопласта. К спорообразующим относится большое число эубактерий примерно из 15 родов, характеризующихся морфологическим и химическим разнообразием. Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Вαсillus и Сlоstridium, хотя можно сказать, что процесс этот однотипен для всех видов микроорганизмов, образующих эндоспоры. В каждой бактериальной клетке формируется, как правило, одна эндоспора. Спорообразование сопровождается активным синтезом белка, богатого цистеином и гидрофобными аминокислотами, с чем и связывают устойчивость спор к действию неблагоприятных факторов. Существенные отличия эндоспор от вегетативных клеток выявляются при изучении химического состава отдельных споровых структур. Формирование споры начинается с того, что у одного из полюсов клетки происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с генетическим материалом, представляющим собой одну или несколько полностью реплицированных хромосом, обособляется от остального содержимого с помощью перегородки. Следующий этап формирования споры – «обрастание» отсеченного участка клеточной цитоплазмы с ядерным материалом мембраной вегетативной клетки, конечным результатом которого является образование проспоры – структуры, расположенной внутри материнской клетки и полностью отделенной от нее 2-мя элементарными мембранами: наружной и внутренней по отношению к проспоре. Описанные этапы формирования споры обратимы, их можно остановить с помощью ингибиторов белкового синтеза (антибиотик хлорамфеникол) и процесс спорообразования превратить просто в процесс клеточного деления. После образования проспоры дальнейшие процессы необратимы. Между наружным и внутренним мембранными слоями начинается формирование кортикального слоя (кортекса). Затем поверх наружной мембраны проспоры синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев, число, толщина и строение которых различны у разных видов спорообразующих бактерий. У многих бактерий поверх покровов споры формируется еще одна структура – экзоспориум, строение которого различно в зависимости от вида бактерий. После сформирования споры происходит разрушение (лизис) «материнской» клеточной стенки и спора выходит в среду. В отличие от эндоспор, образующихся внутри материнской клетки и окруженной 2-мя элементарными мембранами, экзоспоры бактерий из рода Меthуlоsinus и Rhоdоmiсrоbium формируются в результате отпочкования от одного из полюсов материнской клетки. Образование экзоспор сопровождается уплотнением и утолщением клеточной стенки. У экзоспор отсутствуют дипиколиновая кислота и характерные для эндоспор структуры (кортекс, экзоспориум). У актиномицетов споры являются покоящимися клетками и одновременно репродуктивными структурами и по типу образования делятся на эндогенные и экзогенные. Покоящиеся клетки эубактерий характеризуются низким уровнем метаболической активности и в первую очередь дыхания. От степени снижения метаболической активности зависит длительность сохранения жизнеспособности покоящихся клеток. Механизм поддержания клеток в состоянии покоя объясняется следующими 3-мя гипотезами: 1-ая – основана на том, что в покоящихся клетках имеются вещества, ингибирующие ферменты, а следовательно блокирующие метаболизм; 2-ая – связывает состояние покоя со структурой спор, обеспечивающей поддержание ее сердцевины в обезвоженном состоянии; 3-я – объясняет поддержание покоя, особым состоянием ферментов. Сформированные покоящиеся клетки в течение разного времени могут находится в жизнеспособном состоянии и прорастать в подходящих условиях с образованием активно метаболизирующих вегетативных клеток. Уровни клеточной организации. Большинство эубактерий одноклеточные организмы, однако известно временное агрегирование одноклеточных организмов для выполнения определенных функций (образование плодовых тел миксобактерий, в которых возможно созревание цист, в единичных клетках процесс этот невозможен). Тенденция эубактерий к механическому объединению клеток в агрегаты и дифференцировка отдельных клеток – необходимые предпосылки для возникновения простых вариантов истинной многоклеточности. Многоклеточные организмы встречаются в разных группах эубактерий, но наиболее высокоорганизованная многоклеточность присуща 2-м группам: актиномицетам и цианобактериям. Для формирования самого простого типа многоклеточного организма необходимы 3-и условия: 1) агрегирование клеток; 2) разделение функций в таком агрегате; 3) наличие между агрегированными клетками устойчивых и специфических контактов. Следствием такого типа клеточной организации должно быть повышение жизнеспособности многоклеточного комплекса по сравнению с одиночной клеткой того же вида в тех же условиях. Все этапы формирования многоклеточности хорошо прослеживаются именно в этой группе прокариот. В простейших случаях клетки после деления или почкования имеют тенденцию расходиться, для одноклеточных цианобактерий, наоборот, клетки после деления остаются объединенными с помощью окружающих их чехлов. У нитчатых цианобактерий между соседними вегетативными клетками, образующими трихом, обнаружены структуры – микроплазмодесмы, обеспечивающие непрерывность мембранных структур и цитоплазматического содержимого в клетках трихома. Микроплазмодесмы представляют собой каналы, окруженные мембраной и прорезающие поперечную перегородку между соседними клетками, в количестве 30 – 40 каналов (диаметр их менее 20 нм). С помощью микроплазмодесм осуществляются прямые контакты между ЦПМ соседних клеток. Т. о., можно с уверенностью утверждать, что существуют пути, обеспечивающие возможность обмена информацией между клетками в трихоме. Обмениваются химические вещества, растворенные в цитоплазме и энергия в форме электрической составляющей трансмембранного потенциала. Транспорт энергии происходит от места её образования в освещенной части трихома к неосвещенному её концу. Основные типы дифференцированных клеток цианобактерий – акинеты, служащие для переживания в неблагоприятных условиях, и гетероцисты, обеспечивающие фиксацию молекулярного азота в аэробных условиях. Между гетероцистами и вегетативными клетками происходит активный обмен метаболитов: из вегетативных клеток в гетероцисту поступают дисахара, продукты фотосинтетической фиксации СО₂, а из гетероцисты – азотсодержащие вещества. Микроплазмодесмы соединяют вегетативные клетки и гетероцисты (от 100 до 250 таких структур) и вегетативные клетки (около 50). У видов, имеющих функционально дифференцированные клетки, осуществляются более тесные межклеточные контакты, создающие условия для более активного обмена метаболитами внутри трихома. Таким образом, нитчатые цианобактерии можно считать истинно многоклеточными организмами, у которых трихом предстает как целостный организм, некая физиологическая единица, а не скопление отдельных, чисто механически объединенных клеток.

ТЕМА 4

ФИЗИОЛОГИЯ И МЕТАБОЛИЗМ ПРОКАРИОТ

Химический состав прокариотной клетки. Известно, что химический состав клеток в принципе у всех организмов одинаков. Клетки прокариот содержат от 70 до 90% воды, основную массу сухих веществ составляют белки, нуклеиновые кислоты, липды и полисахариды и лишь несколько процентов приходится на низкомолекулярные органические вещества и неорганические ионы. Макромолекулы, составляющие основную массу сухих веществ клетки, – полимеры, построенные из мономерных единиц. Исключением являются липиды, не являющиеся полимерами,так как молекулы в них не соединены между собой ковалентными связями. В основе огромного числа видов и функционально специфических белков лежат комбинации из 20 аминокислот, а весь объем генетической информации одной клетки или многоклеточного организма зашифрован в комбинациях из 4-х нуклеотидов. Мономеры, необходимые для построения основных клеточных компонентов, могут синтезироваться клеткой или поступать в готовом виде из среды. Следует отметить, чем больше готовых соединений должен получать организм извне, тем ниже уровень его биосинтетической активности, т. к. химическая организация всех свободноживущих форм одинакова. Обмен веществ прокариотных организмов. Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или метаболизмом. Клеточный метаболизм складывается из 2-х потоков реакций, имеющих разную направленность: энергетического и конструктивного метаболизма. Энергетический метаболизм – это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием её в электрохимическую (Δμ_Н+) или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. Конструктивный метаболизм (биосинтезы) – поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений. Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно, и метаболические пути этих направлений состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на 3-и этапа. Периферический метаболизм – начальный этап воздействие периферических ферментов на молекулы, которые являются исходными субстратами. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к образованию промежуточных продуктов, или метаболитов, а сама цепь превращений объединяется под названием промежуточного метаболизма. Образующиеся на последних этапах конечные продукты конструктивных путей используются для построения вещества клеток, а энергетических – выделяются в окружающую среду. Тесная связь между энергетическими и конструктивными процессами в клетке проявляется в том, что определенные промежуточные этапы или метаболиты обоих путей могут быть одинаковыми (хотя направленность потоков реакций, относящихся к каждому из путей различна). Это создает возможности для использования общих промежуточных продуктов в каждом из метаболических путей. Промежуточные соединения такой природы называют амфиболитами, а промежуточные реакции, одинаковые для обоих потоков – амфиболическими. Таким образом, метаболизм прокариот, как энергетический, так и конструктивный, отличается чрезвычайным разнообразием, которое есть результат способности этих форм жизни использовать в качестве источников энергии и исходных субстратов для построения веществ клетки самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных периферических ферментов, воздействующих на исходные субстраты. Ферменты. Практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция клеточного метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться 2-мя основными способами: путем изменения количества ферментов и/или изменения их активности, т.е. степени использования их каталитического потенциала. Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие её ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы клетке в конкретных условиях. Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1 – 2 молекул, в других – составлять несколько процентов. Поскольку ферменты – соединения белковой природы, следовательно синтез их в клетке, т. е. количество фермента регулируется на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка. Известно, что фермент может выполнять метаболическую функцию после приобретения соответствующей структуры. Таким образом, контроль на уровне сборки функционально активного фермента может играть существенную роль в метаболической регуляции, по скорости синтеза на стадии транскрипции ферменты делятся на 2-ва класса. Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными. Кроме этого в бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности и их называют индуцибельными. При этом осуществляется либо индукция синтеза фермента, либо репрессия конечным продуктом. В клетке индуцибельные ферменты содержатся в следовых количествах, даже в случае отсутствия субстрата для этого фермента. При добавлении в среду этого субстрата происходит быстрый его синтез, т. е. имеет место индукция синтеза фермента. Второй случай наступает тогда, когда в среде в готовом виде содержится соединение, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, и наступает быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути. Дерепрессия (увеличение скорости их синтеза выше обычной) этих ферментов наступает в том случае, если концентрация конечного продукта упадет до минимума, т. е. дерепрессия этих ферментов аналогична индукции. Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции был изучен Ф. Жакобом и Ж. Моно в 50-х гг. ХХ в. Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей (синтеза) описан тип репрессии, называемой катаболитной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма. Причем подавляется синтез ферментов, участвующих в метаболизировании сравнительно медленно используемых источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее «удобных» для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются. Например, если в среде для выращивания Е. соli одновременно содержатся глюкоза и лактоза, сначала используется глюкоза. Несмотря на присутствие индуктора лактозного оперона (единица транскрипции и регуляции – группа структурных генов, относящихся к одному биохимическому пути вместе с оператором; оператор или ген О – белок –репрессор, узнающий определенную последовательность нуклеотидов на участке ДНК), ферменты, участвующие в катаболизме лактозы не синтезируются. Транскрипция генов лактозного оперона начинается, когда концентрация глюкозы в среде становится низкой. Т. о., глюкоза препятствует синтезу ферментов лактозного оперона. Роль ферментов в обмене веществ. Химические превращения осуществляются в клетке с помощью ферментов. За каждое превращение одного метаболита в другой ответственен особый фермент. Ферменты – это белки, обладающие каталитической функцией. Основные свойства ферментного белка заключаются в его способности распознавать определенные метаболиты, катализировать их превращения и обеспечивать регуляцию каталитической активности. Катализируемая ферментом реакция начинается со связывания определенного метаболита (субстрата) с ферментным белком. Каждый фермент взаимодействует, как правило, лишь с одним метаболитом – своим субстратом – и катализирует его превращение в другой метаболит до установления равновесия. Т. о., каждый фермент характеризуется определенной субстратной специфичностью (взаимодействует только с одним метаболитом и продуктом его превращения) и определенной специфичностью действия (катализирует лишь одно из многочисленных превращений, которым может подвергаться данный метаболит). Узнавание субстрата ферментом происходит в процессе связывания. Субстрат присоединяется в совершенно определенном участке молекулы ферментного белка – так называемом каталитическом центре. Стерические свойства субстрата и распределение зарядов в его молекуле служат теми признаками, по которым субстрат распознается ферментом. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку, по другой теории как перчатка к ладони руки. Ферментные белки действуют как биокатализаторы, снижая энергию активации. Химические превращения метаболита на ферменте протекают при обычной температуре. Ферменты, таким образом. Обеспечивают протекание таких реакций, которые без их участия могли бы происходить только при высокой температуре или при других условиях отличных от физиологических, которые клетка не могла бы выдержать. Скорость реакции, катализируемой ферментом, примерно на 10 порядков выше, чем скорость неферментативной реакции; увеличение скорости в 10¹⁰ раз сокращает полупериод какой-либо реакции с 300 лет до одной секунды. Регуляция каталитической активности осуществляется и с помощью другого связующего участка, т. н. регуляторного центра. Ферменты, имеющие 2-ва центра, с помощью каталитического центра распознают субстрат, а с помощью регуляторного центра – конечный продукт данной цепи реакций или иные низкомолекулярные вещества, определенным образом влияющие на их активность. Связывание конечных продуктов или других метаболитов, называемых также эффекторами, влияет на каталитический центр, изменяя его активность. Конечные продукты действуют как отрицательные эффекторы. Положительные эффекторы повышают активность фермента. Т. о., концентрации метаболитов, играющих роль эффекторов, определяют активность фермента, а тем самым и скорость соответствующих превращений. Эффекторы по своей структуре не имеют ничего общего с субстратами ферментов. Они стерически отличны от субстратов и называются аллостерическими эффекторами, а центры, ответственные за регуляцию, называют аллостерическими центрами ферментов. В связывании и последующем переносе отдельных фрагментов субстрата, например, водорода, метильных групп, аминогрупп и т. п., наряду с ферментными белками участвуют низкомолекулярные соединения – так называемые коферменты и простетические группы. Коферменты – косубстраты, переносчики – соединения, которые на ферментном белке присоединяют к себе фрагмент субстрата, а затем отделяются от него, чтобы передать этот фрагмент на другом ферментном белке второму соединению. Низкомолекулярные соединения, прочно связанные с белковой частью фермента и не отделяющиеся от нее во время присоединения и переноса фрагментов субстрата называются простетическими группами этих ферментов. Коферменты имеют особое значение, так как многие организмы не способны их синтезировать и должны получать с пищей в виде витаминов. Многим молочнокислым бактериям, почвенным и водным бактериям, а также другим одноклеточным организмам для роста необходимы те или иные витамины или их предшественники, которые добавляют в питательную среду. Итак, вернемся к метаболизму и рассмотрим его с точки зрения питания прокариот. Первый и главный элемент, который должен поступать в клетку и определять конструктивный метаболизм – это углерод. Прокариоты способны использовать в своем метаболизме любое соединение углерода. В зависимости от источника углерода для конструктивного метаболизма все прокариоты делятся на автотрофы, организмы способные синтезировать все компоненты клетки из углекислоты (термин «автотрофия» означает питающийся самостоятельно), и гетеротрофы, источником углерода для конструктивного метаболизма которых служат органические соединения (термин «гетеротрофия», питающийся другими). Эти понятия, таким образом, характеризуют тип конструктивного метаболизма. Автотрофия – довольно четкое и узкое понятие, гетеротрофия – понятие весьма широкое и объединяет организмы, резко отличающиеся по своим потребностям в питательных веществах. Наибольшая степень гетеротрофности присуща прокариотам, относящимся к облигатным внутриклеточным паразитам, т. е. организмам, которые могут жить только внутри других живых клеток. Они полностью зависят от метаболизма клетки хозяина, поскольку, из за паразитического образа жизни произошла утрата или редукция некоторых метаболических путей. Формы, способные расти при создании подходящих условий вне клетки хозяина, называют факультативными паразитами. Факультативные паразитические прокариотные организмы очень требовательны к составу искусственных питательных сред при их культивировании. Сапрофиты (от греч. sарrоs – гнилой и рhуtоn – растение) – гетеротрофные организмы, которые непосредственно от дркгих организмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях. Они используют продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относится большая часть бактерий. Степень требовательности к субстрату у сапрофитов весьма различна. В эту группу входят организмы, которые могут расти только на достаточно сложных субстратах (молоко, трупы животных, гниющие растительные остатки), т. е. им нужны в качестве обязательных элементов питания углеводы, органические формы азота, в виде набора аминокислот, пептидов, белков, все или часть витаминов, нуклеотиды или готовые компоненты, необходимые для синтеза последних (азотистые основания 5-и углеродные сахара). Чтобы удовлетворить потребность этих гетеротрофов в элементах питания, их обычно культивируют на средах. Содержащих мясные гидролизаты, автолизаты дрожжей, растительные экстракты, молочную сыворотку. Особую группу гетеротрофных прокариот, обитающих в водоемах, составляют олиготрофные бактерии, способные расти при низких концентрациях в среде органических соединений (примерно 1 – 15 мг/л). Копиотрофы – организмы, предпочитающие высокие концентрации питательных веществ (примерно 10 г/л). Различия между гетеротрофными прокариотами с высокими потребностями в готовых органических соединениях и теми, потребности которых минимальны и сводятся, как правило, к одному какому-нибудь органическому источнику углерода, заключаются, таким образом, в степени развития их биосинтетических способностей. Крайняя степень развития биосинтетических способностей – способность строить все клеточные компоненты из углекислоты – присуща группе автотрофных прокариот. Термины происходят от греческих слов оligоs – малый, сорiоsus – изобилие и trорhе – пища. Таким образом, следует подчеркнуть, что в мире прокариот не существует резкой границы между авто- и гетеротрофными организмами, так же как нет ее в ряду одноуглеродных соединений (СО₂, СО, НСООН, СН₃ОН, НСНО, СН₄), каждое из которых может служить источником углерода для определенной группы прокариот. Однако использование термина «автотрофия» удобно для обозначения конкретного типа конструктивного метаболизма, поскольку в процессе эволюции он оказался специфически связанным с определенными видами энергетических процессов, что привело к появлению у прокариот таких типов жизни, которые отсутствуют у более высокоорганизованных форм. Азот (наряду с углеродом, водородом и кислородом) является одним из 4-х основных элементов, участвующих в построении клетки. Природный азот бывает в окисленной, восстановленной и молекулярной форме. Подавляющее большинство прокариот усваивают азот в восстановленной форме, это соли аммония, мочевины, органические соединения (аминокислоты или пептиды). Окисленные формы азота, главным образом нитраты, также могут потребляться многими прокариотами. Однако нитраты перед включением в органические соединения должны быть восстановлены, так как в конструктивном метаболизме азот используется в аммиачной форме. Многовековый опыт земледелия, показавший, что возделывание бобовых растений положительно влияет на плодородие почвы, был подтвержден затем работами Буссенго (1837, 1838). Клубеньки, которые можно видеть как вздутия на корнях бобовых растений, наполненные бактериями, похожими на палочки, впервые обнаружили Э. Лахман (1858) и М. Воронин (1866). И только Г. Гельригелю и Г. Вильфарту (1884 – 1886)удалось установить, что клубеньки на корнях образуются в результате инфицирования корней бактериями, и что именно эти клубеньки обеспечивают растения азотом. В чистую культуру эти бактерии были выделены М. В. Бейеринком в 1888 г и вначале названы им Васillus rаdiсiсоlа. Открытием же свободноживущих, фиксирующих азот бактерий мы обязаны Виноградскому (1894), он вносил почву в питательный раствор, содержащий сахар без какого бы то ни было источника связанного азота, и наблюдал, как раствор становился мутным, а затем появлялся запах масляной кислоты. Он выделил из такого раствора Сlоstridium раstеriаnum и обнаружил его способность фиксировать N₂. Но Виноградский не обратил внимание на образование поверхностной пленки бактерий и таким образом позволил открыть Аzоtоbасtеr сhrоососсum Бейеринку и Ван Дельдену. В последнее время установлено, что этими свойствами обладают многие прокариоты, принадлежащие к разным группам : эу- и архебактерии, аэробы и анаэробы, фототрофы и хемотрофы, свободноживущие и симбиотические формы. Органические соединения, необходимые в очень небольших количествах получили название факторов роста для тех бактерий, которые не могут сами синтезировать их. Организмы, которым в дополнение к основному источнику углерода необходим один или больше факторов роста, называют ауксотрофами в отличие от прототрофов, синтезирующих все необходимые органические соединения из основного источника углерода. Потребности в источниках серы и фосфора большинство прокариот обеспечивают за счет сульфатов, которые при этом восстанавливаются до уровня сульфидов. Однако некоторые группы прокариот не способны к восстановлению сульфата и нуждаются в восстановленных соединениях серы. В природе сера находится в форме неорганических солей, главным образом сульфатов, в виде молекулярной (элементной) серы или входит в состав органических соединений. Основной формой фосфора в природе являются фосфаты, которые и удовлетворяют потребности прокариот в этом элементе. Всем прокариотным организмам нужны металлы, которые могут использоваться в форме катионов неорганических солей. Такие катионы металлов, как магний, кальций, калий, железо, нужны в достаточно высоких концентрациях (макроэлементы), потребность в микроэлементах – цинк, марганец, натрий, молибден, медь, ванадий, никель, кобальт – невелика. Роль перечисленных металлов определяется тем, что они входят в состав основных клеточных метаболитов, коферментов, пигментов и, таким образом, участвуют в осуществлении жизненно важных функций организма. Анаболические процессы или синтез прокариотами основных клеточных компонентов осуществляется по метаболическим путям, характерным для живых организмов. Мы уже говорили о том, что основная масса органических клеточных соединений состоит из полимеров: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов (липиды не являются полимерами). Отмечали также, что полимеры клетки создаются из синтезируемых клеткой мономеров: аминокислот, моносахаров, рибо- и дезоксирибонуклеотидов. У подавляющего большинства автотрофов на среде с СО₂ в качестве единственного источника углерода сахара синтезируются в реакциях восстановительного пентозофосфатного цикла. У гетеротрофов не среде с С₂- и С₃-соединениями для синтеза необходимых сахаров (С₆) используются в значительной степени реакции катаболического пути, например. гликолиза. Процесс, обеспечивающий синтез С₆-углеводов из неуглеводных предшественников, например, аминокислот, глицерина, молочной кислоты, получил название глюконеогенеза. Таким путем, сочетающим использование имеющегося в клетке катаболического аппарата и специальных реакций, служащих только для биосинтетических целей, решается прокариотами проблема биосинтеза необходимых моносахаров. С₁₄ – С₁₈ –жирные кислоты синтезируются путем последовательного присоединения 2-хуглеродных фрагментов к активированной С₂-группе, выполняющей функцию затравки, и последующего восстановления окисленных углеродных атомов. Следует напомнить, что липиды и фосфолипиды входят в состав клеточных мембран и клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами пигментных систем и цепей электронного транспорта. В клетках эубактерий компонентами липидов являются в основном насыщенные жирные кислоты или содержащие одну двойную связь (мононенасыщенные). Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие 2-ве и более двойных связей, найдены только у цианобактерий. Синтез фосфолипидов осуществляется в несколько этапов. Исходным соединением для синтеза является фосфодиоксиацетон (промежуточный метаболит гликолиза – расщепления глюкозы), восстановление которого и присоединение 2-х остатков жирных кислот получается фосфатидная кислота. Активирование ее с помощью ЦТФ и последующее присоединение к фосфатной группе серина, инозита, глицерина или другого соединения приводят к синтезу кардиолипина (дифосфадилглицерин), лецитина и др. фосфолипидов. Большинство прокариот способны синтезировать все аминокислоты, входящие в состав клеточных белков. В качестве исходных углеродных скелетов для биосинтеза аминокислот служит небольшое число промежуточных соединений различных метаболических путей (таблица). Введение в молекулу некоторых из них (ЩУК, α-кетоглутаровой, пировиноградной кислот) аминного азота приводит к образованию аспарагиновой, глутаминовой кислот и аланина. Однако в большинстве случаев исходные соединения должны подвергнуться значительным перестройкам, чтобы сформировать углеродный остов молекулы будущей аминокислоты.

Некоторые особенности синтеза аминокислот

Предшественник	Метаболический путь, приводящий к образованию предшественника	Аминокислоты с общими биосинтетическими путями
Щавелевоуксусная кислота α-кетоглутаровая кислота 3-фосфоглицери новая кислота Пировиноградная кислота Фосфоенолпировиноградная кислота + эритрозо-4- фосфат 5-Фосфорибозил-1- пирофосфат + АТФ	цикл трикарбоновых кислот реакции карбоксилирования цикл трикарбоновых кислот гликолиз цикл Кальвина гликолиз, путь Энтнера – Дудорова гликолиз, окислительный пентозофосфатный путь окислительный пентозофосфатный путь	аспарагиновая кислота аспарагин, метионин, треонин, лизин, изолейцин глутаминовая кислота, глутамин, аргинин, пролин серин, глицин, цистеин аланин, валин, лейцин триптофан, тирозин, фенилаланин гистидин

Особенностью биосинтеза аминокислот является использование общих биосинтетических путей. Так, 19 из 20 аминокислот, входящих в состав белков, можно по способу их происхождения разделить на 5 групп и только одна аминокислота (гистидин) образуется по отдельному биосинтетическому пути. Азот вводится в молекулу аминокислоты посредством реакций аминирования, амидирования и переаминирования. Из мононуклеотидов построены нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) клеток. Мононуклеотиды входят в состав многих коферментов и участвуют, таким образом, в осуществлении различных каталитических функций. Центральное место в биосинтезе мононуклеотидов занимает синтез пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований. Большинство прокариот способно к синтезу этих соединений dе nоvо из низкомолекулярных предшественников. Синтез пуриновых и пиримидиновых мононуклеотидов осуществляется независимыми путями. В результате последовательных ферментативных реакций при синтезе пуриновых нуклеотидов образуется инозиновая кислота, из которой путем химических модификаций пуринового кольца синтезируется адениловая (АМФ) и гуаниловая (ГМФ) кислоты. Многие прокариоты способны использовать содержащиеся в питательной среде готовые пуриновые и пиримидиновые основания, их нуклеозиды и нуклеотиды, имея ферменты, катализирующие следующие этапы взаимопревращений экзогенных пуриновых и пиримидиновых производных: азотистое основание ↔ нуклеозид ↔ нуклеотид (моно ↔ ди ↔ трифосфат). Энергетический метаболизм прокариот. Энергетические процессы прокариот по своему объему (масштабности) значительно превосходят процессы биосинтетические, и протекание их приводит к существенным изменениям в окружающей среде. Разнообразны и необычны в этом отношении возможности прокариот, способы их энергетического существования. Доступными для живых систем внешними источниками энергии (энергетическими ресурсами) являются электромагнитная (физическая) энергия (свет определенной длины волны) и химическая (восстановленные химические соединения). Способностью использовать энергию света обладает большая группа фотосинтезирующих организмов, в том числе и прокариот, имеющих фоторецепторные молекулы нескольких типов (хлорофиллы, каротиноиды, фикобиллипротеины). Для всех остальных организмов источниками энергии служат процессы окисления химических соединений. Для обеспечения внутриклеточных потребностей в энергии, внешние доступные организмам источники энергии (свет, химические соединения) должны быть трансформированы в клетке в определенную форму. Часто энергетическими ресурсами служат биополимеры, находящиеся в окружающей среде (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты), а также липиды. Прежде чем быть использованными, биополимеры должны быть гидролизованы до составляющих их мономерных единиц. И это в природе закономерно и объяснимо и осуществляется для сокращения набора химических молекул, всего 20 протеиногенных аминокислот, дающих многообразие белковых молекул, и 5 азотистых оснований, дающих разнообразные ДНК и РНК. Полимерные молекулы расщепляются до мономеров с помощью ферментов, синтезируемых и выделяемых прокариотами в окружающую среду (экзоферментов). Образующиеся небольшие молекулы легко транспортируются в клетку через мембрану. Многие бактерии образуют пектиназу, хитиназу, агаразу и другие ферменты, гидролизующие соответствующие полисахариды и их производные, белки расщепляются соответствующими протеазами, воздействующими на пептидные связи. Процесс распада жирных кислот локализован в клетки и включает несколько этапов, с получением ацетил-КоА, который по катаболическим каналам используется для получения клеткой энергии. В прокариотной клетке осуществляется несколько метаболических путей, циклов, которые направлены на получение из мономеров таких структур, которые могли бы включиться на каком-либо этапе в качестве метаболитов в функционирующие клеточные катаболические системы. Основные из них: путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса (гликолиз), окислительный пентозофосфатный путь, путь Энтнера – Дудорова и ЦТК. Общее для всех катаболических путей – многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата. На некоторых этапах окисление субстрата сопряжено с сообразованием энергии в определенной форме, в которой эта энергия может использоваться в самых разнообразных энергозависимых процессах. Общая характеристика энергетических процессов. В биохимических процессах передача энергии происходит в результате окислительно-восстановительных перестроек, деления электронных пар между атомами углерода и кислорода. Например, окисление углеродного субстрата можно в равной мере рассматривать как отрыв от него водорода (дегидрирование) или независимое удаление 2-х протонов (Н⁺) и электронов (е). В биохимических процессах, как правило, перенос водорода осуществляется путем раздельного транспорта протонов и электронов: протоны выделяются в среду и при необходимости поглощаются из нее, электроны обязательно должны быть преданы на соответствующие молекулы. Поэтому все ОВ превращения определяются по существу «перемещениями» электронов или присоединением атомов кислорода (замена связи). При этом в каждой редокс-паре, соединения способные окисляться, т. е. являющиеся источниками отрываемых электронов, называются донорами электронов, а молекулы, способные их воспринимать и, т. о. восстанавливаться – акцепторами электронов. Здесь существуют ограничения: донором электронов не может быть предельно окисленное соединение, а их акцептором – предельно восстановленное.Таким образом, исходный субстрат должен быть внешним энергетическим ресурсом. С помощью ферментных систем организм извлекает энергию из этого субстрата в реакциях его ступенчатого окисления, приводящего к освобождению энергии небольшими порциями. У прокариот известны 3-и способа получения энергии: разные типы брожения, дыхания и фотосинтеза. В процессах брожения в определенных ОВР образуются нестабильные молекулы, фосфатная группа которых содержит много свободной энергии. Эта группа с помощью соответствующего фермента переносится на молекулу АДФ, что приводит к образованию АТФ. Реакции, в которых энергия, освобождающаяся на определенных окислительных этапах брожения, запасается в молекулах АТФ, получили название субстратного фосфорилирования. Многие прокариоты получают энергию в процессе дыхания. Они окисляют восстановленные соединения с относительно низким ОВ потенциалом (Е₀), возникающие в реакциях промежуточного метаболизма или являющиеся исходными субстратами, например. НАДН₂, сукцинат, лактат, аммиак, сероводород и др. Окисление происходит в результате переноса электронов через локализованную в мембране дыхательную электронтранспортную цепь, состоящую из цепи переносчиков, и приводит в большинстве случаев к восстановлению молекулярного кислорода до Н₂О. Т. о., в процессе дыхания молекулы одних веществ окисляются, других восстанавливаются, т. е. ОВ процессы в этом случае всегда межмолекулярны. Наиболее широко распространена среди прокариот способность окислять органические субстраты. Обнаружены также весьма специализированные группы прокариот, способные окислять различные неорганические субстраты (Н₂, NН₄⁺, NО₂, Н₂S, S⁰, S₂О₃, Fе²⁺ и др.) с соответствующим восстановлением О₂. Некоторые прокариоты могут окислять органические и неорганические соединения с использованием в качестве конечного акцептора электронов не молекулярного кислорода, а целого ряда органических и неорганических соединений (фумарат, СО₂, NО₃, S⁰, SО₄^2-, SО₃^2- и др.). Количество освобождающейся энергии определяется градиентом ОВПов при переносе электронов от донора к акцептору. У прокариот известны 3-и типа фотосинтеза: 1 – зависимый от бактериохлорофилла бескислородный фотосинтез, осуществляемый группами зеленых, пурпурных и гелиобактерий; 11 – зависимый от хлорофилла кислородный фотосинтез, свойственный цианобактериям и прохлорофитам; 111 – зависимый от бактериородопсина бескислородный фотосинтез, найденный у экстремально галофильных архебактерий. В основе фотосинтеза 1 и 11 типа лежит поглощение солнечной энергии различными пигментами, приводящее к разделению электрических зарядов, возникновению восстановителя с низким и окислителя с высоким ОВП. Перенос электронов между этими 2-мя компонентами приводит к выделению свободной энергии. В фотосинтезе 111-го типа переносчики отсутствуют. В этом случае энергия в доступной для организма форме возникает в результате светозависимого перемещения Н⁺ через мембрану. В процессах дыхания и фотосинтеза освобождающаяся при переносе электронов энергия запасается первоначально в форме электрохимического трансмембранного градиента ионов водорода (Δμ_Н+), т. е. имеет место превращение химической и электромагнитной энергии в электрохимическую. Последняя затем может быть использована для синтеза АТФ. Поскольку в обоих процессах синтез АТФ обязательно связан с мембранами, реакции, приводящие к его образованию, получили название мембранзависимого фосфорилирования. Которое разделяется на 2-ва вида: окислительное (АТФ образуется в процессе электронного переноса при окислении химических соединений) и фотосинтетическое (синтез АТФ связан с фотосинтетическим электронным транспортом) фосфорилирование. Следует подчеркнуть, что принципы генерации Атф при фотосинтезе и дыхании, т. е. механизмы мембранзависимого фосфорилирования одинаковы. Таким образом, энергия, получаемая в процессах брожения, дыхания или фотосинтеза, запасается в определенных формах. Существуют 2-ве универсальные формы энергии, которые могут быть использованы в клетке для выполнения разного рода работы: энергия высокоэнергетических химических соединений (химическая) и энергия трансмембранного потенциала ионов водорода (электрохимическая). К первой группе у прокариот относится несколько типов богатых энергией химических соединений: соединения с высокоэнергетической фосфатной связью: ацилфосфаты, фосфорные эфиры енолов (фосфоенолпируват), нуклеотидди- и трифосфаты, аденозинфосфосульфат. Другая распространенная группа – соединения с высокоэнергетической тиоэфирной связью – ацетилоэфиры. Эти соединения характеризуются тем, что по крайней мере одна из входящих в состав молекулы групп имеет высокий энергетический потенциал. При переносе этой группы происходит разрыв связи, соединяющей ее с молекулой, что приводит к резкому уменьшению свободной энергии, заключенной в молекуле химического соединения. Такие связи называются высокоэнергетическими, или макроэргическими. Присоединение группы с высоким энергетическим потенциалом к молекуле-акцептору повышает уровень ее свободной энергии, переводя таким образом молекулу в активированную форму, в которой это соединение может участвовать в биосинтетических реакциях. Центральное место в процессах переноса химической энергии принадлежит системе АТФ. АТФ образуется в реакциях субстратного и мембранзависимого фосфорилирования. В первом случае, реакции передачи фосфатной группы могут идти 2-мя путями: по первому пути –фосфатная группа от молекулы донора переносится на АДФ, в реакциях катализируемых соответствующими киназами; примером реакций второго типа, может быть реакция передачи фосфатной группы на ГТФ в ЦТК при превращении сукцинил КоА в янтарную кислоту, от ГТФ фосфатная группа затем поступает на АДФ. АТФ образуется также за счет энергии Δμ_Н+ в процессе мембранзависимого фосфорилирования. Молекула АТФ содержит 2-ве макроэргические фосфатные связи, при гидролизе которых выделяется значительное количество свободной энергии, по 31,8 кДж/моль. Свойства АТФ, обеспечивающие важную роль в энергетическом метаболизме клеток: химическая стабильность молекулы, что не позволяет запасенной энергии бесполезно рассеиваться в виде тепла; малые размеры молекулы АТФ, позволяющей ей легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической, механической работы; промежуточное положение на шкале энергетических соединений клетки, что позволяет служить переносчиком энергии от высокоэнергетических к низкоэнергетическим соединениям. Порция свободной энергии в макроэргической фосфатной связи АТФ – это как раз та энергетическая порция, использование которой в биохимических реакциях делает клетку высокоэффективным энергетическим механизм – «энергетической валютой» клетки. Существование в клетке еще одной формы энергии, позволяющей превращать (трансформировать) энергию, освобождающуюся при электронном транспорте в энергию фосфатной связи АТФ, было открыто в 60-х гг. ХХ в. Питером Митчеллом и названо хемиосмотической теорией энергетического сопряжения. Расположение преносчиков электронов в ЦПМ прокариот таково, что при работе любой электронтранспортной цепи (фотосинтетической или дыхательной) во внешней среде происходит накопление ионов водорода (протонов), приводящее к подкислению среды, а в клеточной цитоплазме – их уменьшение, сопровождающееся ее подщелочением, т. е. на мембране возникает ориентированный поперек (трансмембранный) градиент ионов водорода. По обе стороны мембраны, в результате неравномерного накопления ионов водорода, возникает не только химический (концентрационный) градиент этих частиц, но и электрическое поле (суммарный положительный заряд, где происходит накопление Н⁺, и отрицательный заряд по другую сторону мембраны). Таким образом, при переносе электронов на ЦПМ возникает трансмембранный электрохимический градиент ионов ионов водорода, обозначаемый символом Δμ_Н+ и измеряемый в вольтах, который состоит из электрического(трансмембранная разность электрических потенциалов Δψ) и химического (концентрационного) компонентов (градиент концентраций Н⁺ - ΔрН). Итак, в соответствии с хемиосмотической теорией П. Митчелла, энергия, освобождаемая в результате работы электронтранспортной цепи, первоначально накапливается в форме трансмембранного градиента ионов водорода. Разрядка образующегося Δμ_Н+ происходит с участием локализованного в той же мембране протонного АТФ-синтазного комплекса: Н⁺ возвращаются по градиенту Δμ_Н+ через Н⁺- АТФсинтазу, при этом без возникновения каких-либо промежуточных высокоэнергетических соединенийиз АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Энергия в форме Δμ_Н+ может использоваться в различных энергозависимых процессах, локализованных на мембране. Известно несколько реакций генерирующих Δμ_Н+: у разных групп прокариот от 1 до 3 из них локализованы в дыхательной цепи; в темновых реакциях фотосинтеза; при гидролизе АТФ в Н⁺-зависимой АТФ-синтазной реакции; пигмент бактериородопсин галофильных архебактерий и т. д. Для чего клетке необходимы две формы энергии? АТФ участвует в реакциях, протекающих в цитоплазме, т. е. в форме АТФ энергией обеспечиваются все процессы, протекающие в водной среде. К числу последних относится большинство биосинтетических реакций. АТФ служит источником энергии для протекания ряда мембранзависимых процессов. Энергия протонного градиента связана исключительно с мембранами, которые являются и необходимым компонентом для его образования. Поэтому энергией в форме Δμ_Н+ могут обеспечиваться только процессы, локализованные на мембране, т.е. более узкая область приложения. Хотя каждая форма клеточной энергии может быть использована для осуществления химической, механической и осмотической работы, между ними существует определенное «разделение труда», например, большинство биосинтезов обеспечивается энергией АТФ, активный транспорт (против концентрационного градиента этого вещества) – энергией Δμ_Н+. Энергетические затраты клетки. В растущей бактериальной культуре потребление энергии в первую очередь связано с процессами биосинтеза веществ, из которых состоит клетка. Количество энергии, необходимое для биосинтетических целей, в большей степени зависит от состава среды культивирования. Например, для синтеза 1 г клеточной массы Е. соli, растущей в среде с глюкозой в качестве единственного источника углерода, расходуется около 37 ммоль АТФ. 20 ммоль используется в реакциях, ведущих к синтезу белковых молекул, 7 ммоль АТФ тратится на биосинтетические пути РНК и ДНК, около 2 ммоль на реакции полимеризации моносахаридов. Помимо энергетических затрат на биосинтетические процессы, связанные с ростом, энергия затрачивается на специфические функции поддержания жизнедеятельности: обновление клеточного материала, осмотическая работа, обеспечивающая поддержание концентрационных градиентов между клеткой и внешней средой, подвижность клетки и др. Этот вид энергии называется энергией поддержания жизнедеятельности. В состоянии покоя, когда не идут процессы роста, в клетке не прекращаются метаболические процессы, например, в состоянии эндоспор, метаболическая активность не регистрируется приборами. Однако и в этом случае она не равна нулю. Следует всегда помнить принципиально важный для живых организмов момент: состояние покоя для живых организмов всегда динамическое, в отличие от статического состояния неживых систем. Это означает, что в покоящихся организмах концентрации большинства молекул поддерживаются не статически, а динамически, т. е. процессы распада органических соединений и компенсирующие их биосинтетические процессы продолжаются и в состоянии кажущегося покоя. В условиях активного роста энергия, используемая в процессах обновления, составляет лишь небольшую часть общих энергетических расходов клетки. В состоянии покоя общие энергетические затраты клетки значительно понижаются, и на этом фоне удельный вес расходуемой на обновление клеточных веществ энергии заметно возрастает. Значительная часть энергии поддержания жизнедеятельности расходуется на совершение осмотической работы. В приведенном выше примере энергетических затрат Е. соli для процессов активного транспорта используется примерно 5 ммоль АТФ. Величина энергии поддержания жизнедеятельности в значительной степени зависит от условий роста. Так для Аzоtоbαсtеr vinеlαndii, фиксирующего азот при низком (0,02 атм) и высоком (0,2 атм) уровне растворенного кислорода, она колеблется от 22 до 220 ммоль АТФ на 1 г биомассы, т. е. прямо пропорциональна концентрации растворенного кислорода. Клетка тратит много дополнительной энергии для защиты от избытка кислорода, ингибирующего ферментную систему, ответственную за фиксацию атмосферного азота. Обычно затраты энергии на поддержание жизнедеятельности составляют 10 – 20 % всей энергии, расходуемой в энергозависимых процессах (в некоторых условиях и до 90 %). Прокариоты, обладающие наиболее совершенными системами получения энергии (дыхание, фотосинтез), способны генерировать энергию в значительно больших количествах, чем необходимо для роста и обеспечения всех энергозависимых клеточных функций. В этом случае клетка запасает энергию путем синтеза восстановленных высокополимерных молекул, главным образом полисахаридов, реже липидов или полипептидов. Молекулы запасных веществ плотно упакованы в гранулах и часто окружены белковой оболочкой. В таком виде они находятся в осмотически неактивном состоянии, что очень важно для клетки. Такие формы энергии как молекулы АТФ и Δμ_Н+ являются мобильными и призваны обеспечивать все идущие в настоящий момент энергозависимые процессы. Средняя продолжительность «жизни» молекулы АТФ составляет около1/3 с, энергия в форме Δμ_Н+ также не может накапливаться.

Способы существования и типы жизни у прокариот.

В зависимости от того, какой источник энергии могут использовать прокариоты их делят на фототрофов (источник энергии – свет) и хемотрофов (источник энергии – ОВР). Организмы, у которых источниками (донорами) электронов в энергетическом процессе являются неорганические вещества предложено называть литотрофными, а те, у которых донорами электронов служат органические соединения органотрофными. В зависимости от источника энергии и природы донора электронов возможны 4-е основных типа энергетического метаболизма: хемолитотрофия, хемоорганотрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия. У фототрофов использование света в качестве источника энергии требует дополнительного подключения химических соединений, служащих донорами электронов для образования восстановителя. Это связано со спецификой света как энергетического ресурса для живых систем. У прокариот с хемотрофным типом энергетического метаболизма одно и то же соединение служит донором электронов, большая часть которых перемещается в соответствии с термодинамическим градиентом, что приводит к выделению свободной энергии, меньшая – используется для образования восстановителя, потребляемого в конструктивном метаболизме. Можно также выделить 8 сочетаний типов конструктивного и энергетического метаболизма, которые отражают возможности способов существования (питания) прокариот (таблица). Всем способам питания соответствуют реально существующие прокариотные организмы. Однако число видов прокариот, относящихся к группам, характеризующимся разными способами питания, далеко не одинаково. Подавляющее число прокариот сосредоточено в группе с хемоорганогетеротрофным типом питания. Такая же неравномерность в распределении по типам питания присуща и фотосинтезирующим прокариотам. Большинство из них (цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии) относятся к группе с фотолитоавтотрофным способом питания. Мы разобрали более подробное деление прокариот по способам питания, в практике для характеристики способов питания прокариот пользуются более общими понятиями, употребляя для этого сочетания только 2-х признаков: источник энергии (фото-, хемо-) + источник углерода для построения веществ тела (авто-, гетеро-). Перечисленные в таблице сочетания основных видов энергетического и конструктивного метаболизма характеризуют все возможные способы питьания прокариотных организмов. Некоторые прокариоты могут существовать только на базе одного какого-нибудь способа питания. Например, одноклеточная цианобактерия Sуnесhососсus еlоngаtus может использовать в качестве источника энергии только свет, а как основной источник углерода в конструктивном метаболизме – углекислоту. Характеризуя способ существования (образ жизни, тип метаболизма) этого организма, мы говорим, что он облигатный фотолитоавтотроф. Многие бактерии, относящиеся к роду Тhiоbαсillus, – облигатные, хемолитоавтотрофы, т.е. источником энергии для них служат процессы окисления различных соединений серы, а источником углерода для построения веществ тела – углерод углекислоты.

Способы существования прокариот

Источник энергии	Донор электронов	Источник углерода	Способ существования	Представители прокариот
окислительно- восстановитель ные реакции Свет	неорганические соединения (Н2, Н2S, NН3, Fе2+ и др.)	СО2	хемолитоавто трофия	нитрифицирующие, тионовые, водородные бактерии, ацидофильные железобактерии
		органические соединения	хемолитогетеро трофия	метанобразующие архебактерии, водородные бактерии
	органические соединения	СО2	хемоорганоавто трофия	факультативные метило трофы, окисляющие муравьиную кислоту
		органические соединения	хемоорганогете ротрофия	большинство про кариот (все животные, грибы)
	неорганические соединения (Н2О, Н2S, S0 и др.)	СО2	фотолитоавто трофия	цианобактерии, пурпурные и зеле ные бактерии (высшие растения)
		органические соединения	фотолитогетеро трофия	некоторые цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии
		СО2	фотоорганоавто трофия	некоторые пурпурные бактерии

В приведенных выше примерах метаболические возможности указанных цианобактерий и видов Тhiоbαсillus оказались гораздо шире, чем необходимо для осуществления метаболизма по одному типу. В этом случае мы говорим о том, что данные организмы – факультативные фотолитоавтотрофы или хемолитоавтотрофы, т.е. осуществление данного типа метаболизма не является для них единственным и обязательным (облигатным). Организмы, способные одновременно использовать 2-ва источника углерода (СО₂ + органические вещества) и/или энергии(например, энергию света + энергию окисления химического соединения) называются миксотрофами. В рамках разобранных выше основных способов питания, определяющих возможности существования прокариотных организмов, в мире прокариот обнаружено множество типов (форм) жизни. Тип жизни – понятие, отражающее, с одной стороны, специфику процессов энергетического метаболизма, с другой – специфику процессов конструктивного метаболизма, присущую определенной группе организмов. Разберем это на примере прокариот, для которых обязателен хемоорганогетеротрофный способ существования. Энергетические процессы этих организмов различаются исходными субстратами, специфичностью промежуточных окислительно-восстановительных превращений и природой конечных акцепторов электронов; конструктивные – разной степенью развития биосинтетических способностей, т.е. различными потребностями в готовых питательных веществах. Наиболее примитивную и древнюю группу энергетических процессов составляют процессы брожения, когда органические соединения служат донором и конечным акцептором электронов, а молекулярный кислород в реакциях окислительной природы участия не принимает. Известны молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое и некоторые другие виды брожения, каждое из которых является специфической формой решения «энергетической проблемы» и осуществляется группой прокариот, характеризующихся определенными биосинтетическими способностями. Известны прокариотные орагнизмы, получающие энергию за счет процессов неглубокого или полного окисления органического субстрата молекулярным кислородом. Таким образом, на базе хемоорганогетеротрофного способа питания можно выделить несколько типов жизни, представленных определенными группами прокариот, осуществляющими конкретный тип энергетического метаболизма в сочетании с присущими им особенностями метаболизма конструктивного. Прокариоты синтезируют вещества, регулирующие не только внутриклеточный метаболизм, но межклеточные взаимодействия. Особенности этих веществ, называемых ауторегуляторами, являются их выделения в окружающую среду, проявление биологической активности в очень низкой концентрации (10^-9 – 10^-12 М) и воздействие не на организмы иного вида, а на другие особи (клетки) того же вида. Эти вещества выделяются клетками прокариот в обычных условиях культивирования и обнаруживают строгую видо- или родоспецифичность. Vibriо fisсhеri – обычный светящийся симбионт рыб семейства Моnосеntudае, синтезирует ауторегулятор, стимулирующий образование нескольких компонентов системы свечения. Несколько видов ауторегуляторов, контролирующих синтез антибиотика и спорообразование, обнаружено у актиномицета Strерtоmусеs grisеus. Таким образом, прокариотные организмы синтезируют химические вещества-сигналы, регулирующие различные процессы, связанные с межклеточными взаимодействиями в популяции одного вида или даже штамма. Примечательно, что большинство изученных регуляторов – вещества липидной природы, что позволяет им легко диффундировать через клеточные мембраны без помощи специальных транспортных систем, обнаружены и феромоны. Выявление нового класса веществ – регуляторов жизнедеятельности прокариот на межклеточном уровне – интересно тем, что позволяет рассматривать эти организмы не просто как популяцию разрозненных клеток, но указывает на существование более высоко уровня их организации.

Прокариготы и факторы внешней среды.

Для прокариот как группы в целом характерна способность существовать в гораздро большем диапазоне условий внешней среды, чем для эукариотных организмов. Среди прокариот есть организмы, которые могут расти в подводных вулканических источниках (температура до 300 ⁰С), кислой (рН 1 и выше) среде, при давлении 1000 атм, высоких концентрациях тяжелых металлов, концентрации соли до 30 %, высоких уровнях радиации. По отношению к молекулярному кислороду можно выделить три группы организмов. Облигатные аэробы способны получать энергию только путем дыхания и поэтому нуждаются в О₂. Облигатные анаэробы могут расти только в среде лишенной кислорода. Факультативные аэробы и анаэробы растут как в присутствии, так и в отсутствие О₂. Среди каждой из этих групп выделяют еще по 2-ве группы: У аэробов – это, растущие на воздухе и микроаэрофильные, для анаэробов – это строгие анаэробы и аэротолерантные (рис. стр. 127). Указанные группы имеют существенные различия в отношении к уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы неспособны к росту при концентрации О₂, равной атмосферной, но могут расти, если содержание О₂ в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2 %) – их относят к микроаэрофилам. В качестве примера можно привести потребности в кислороде аэробных азотфиксирующих бактерий. Метаболические особенности аэробных азотфиксирующих бактерий связаны с ингибирующим действием кислорода на активность фермента нитрогеназы – ферментного комплекса, ответственного за фиксацию молекулярного азота. Многие аэробные азотфиксирующие бактерии могут расти в среде с молекулярным азотом только при концентрации О₂ ниже 2 %, т.е. как микроаэрофилы, а в присутствии связанного азота, например, аммонийного, – на воздухе. Второй пример – многие водородокисляющие бактерии. На среде с органическими соединениями в качестве источника энергии они хорошо растут при атмосферном содержании О₂. Если источником энергии является окисление молекулярного водорода, эти же бактерии для роста требуют низкой концентрации О₂. Подобные процессы связаны с инактивацией молекулярным кислородом гидрогеназы – фермента, катализирующего использование Н₂. Облигатные анаэробы могут расти только в среде, лишенной кислорода; кислород для них токсичен, т.е. энергетический и конструктивный обмены у них осуществляются без участия кислорода. К ним относятся метанобразующие архебактерии, сульфатвосстанавливающие, маслянокислые и некоторые другие эубактерии. В настоящее время выяснено, что облигатные анаэробы получают энергию не только за счет брожения, но и за счет анаэробного дыхания – переноса электронов по цепи переносчиков на СО₂, SО^-2₄, фумарат и другие акцепторы. По степени устойчивости к молекулярному кислороду, находящемуся во внешней среде, облигатные анаэробы, погибающие даже при незначительном содержании кислорода в среде, называют строгими анаэробами. Например, маслянокислые бактерии рода Сlоstridium среди которых есть умеренно или достаточно высоко (С. реrfringеns, С. асеtоbutуliсum) толерантные к О₂. Молочнокислые бактерии, обладающие метаболизмом только анаэробного типа, могут расти в присутствии воздуха, и выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов. В природных условиях имеются примеры совместного роста облигатных анаэробов и облигатных аэробов, что объясняется,

во-первых, наличием эндоспор не чувствительных к кислороду, например, представители бактерии рода Сlоstridium, во-вторых, совместное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный кислород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией О₂, создает возможности и для развития строго анаэробных видов. Многие прокариоты приспособились в зависимости от наличия или отсутствия О₂ в среде переключаться с одного метаболического пути на другой, например с дыхания на брожение, и наоборот. Такие организмы называются факультативными аэробами или факультативными анаэробами, представителями этой физиологической группы прокариот являются энтеробактерии. В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания, в анаэробных условиях источником энергии для них служат процессы брожения или анаэробного дыхания. Ферменты и их роль в процессах дыхания. Кислород служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании и поэтому нужен всем аэробным организмам. При этом реакцию одновременного переноса 4-х электронов на кислород: О₂ + 4е^- -> О^2- + О^2- катализирует цитохромоксидаза – конечный фермент электрон-транспортной цепи. В этой реакции происходит перенос 4-х электронов, и в результате получаются 2-ва иона О^2-, каждый из которых при взаимодействии с 2-мя протонами образует воду. Из всех ферментов только цитохромоксидаза и некоторые «синие ферменты», содержащие медь (тирозиназа, лакказа), способны переносить сразу 4-е электрона на О₂. Для ферментов, содержащих флавин – глюкозооксидаза, оксидазы аминокислот, ксантиноксидаза, – переносящих 2-а электрона и восстанавливающих О₂до иона пероксида О^2-₂, который реагируя с протонами образует Н₂О₂. Перекись водорода для клетки токсична, т.к. окисляет, например, SН-группы; защитное действие в этом отношении оказывают ферменты каталаза и пероксидаза. Они разлагают перекисные соединения до воды и свободного кислорода 2Н₂О₂ ^{каталаза} -> 2 Н₂О + О₂. Ферменты, содержащие флавин, есть у многих аэробных и анаэробных бактерий, становится понятным, почему большинство аэробных организмов обладает каталазой. В реакции переноса одного электрона на О₂ участвуют ферменты оксидазы О₂ + 1е^- -> О₂^- , при этом образуется супероксид ион О^-₂, который как радикал, очень реакционноспособен. Супероксид радикал и продукт его реакции с Н₂О₂ гидроксидрадикал также весьма реакционноспособны и вызывают образование в клетке высокореактивных соединений. Защитное действие оказывает фермент супероксиддисмутаза. Всю совокупность взаимодействия молекулярного кислорода с клеткой, с точки зрения лежащих в основе этого химических механизмов, можно свести к участию О₂ в двух типах реакций, в первом из которых он выступает в качестве конечного акцептора электронов, а во втором происходит его прямое внедрение в молекулу вещества. Только первый тип реакций с участием молекулярного кислорода может стать источником энергии для клетки. Поэтому в клетках сформированы электронтранспортные цепи с определенным образом ориентированными в мембране митохондрий переносчиками, обеспечивающими на отдельных этапах перемещение протонов через мембрану, а электронов – на О₂, и ферментный комплекс, преобразующий возникающую при электронном транспорте электрохимическую энергию в химическую, запасаемую в молекулах АТФ, с помощью АТФ-синтаз. В анаэробных условиях, хемоорганотрофные организмы могут получать биохимическую энергию (в форме АТФ) двумя способами – путем брожения и путем фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов. Многие бактерии, однако, и в анаэробных условиях используют окислительное (электрон-транспортное) фосфорилирование; при этом происходит перенос электронов, получаемых при расщеплении субстрата, по (укороченной) электрон-транспортной цепи на экзогенные (добавленные в питательную среду) или эндогенные (образующиеся при разложении субстрата) акцепторы. Акцепторами электронов могут быть ионы нитрата, сульфата, карбоната и фумарата, а также сера; соответствующие виды бактерий объединяют в физиологические группы нитратвосстанавливающих, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих, метаногенных и ацетогенных бактерий. а также бактерий, восстанавливающих серу. Все эти бактерии играют важную роль в природном балансе. Так как фосфорилирование, сопряженное с транспортом электронов, долгое время считалось характерной принадлежностью аэробного дыхания, то, говоря о преобразовании энергии, при окислительном фосфорилировании в анаэробных условиях, в настоящее время пользуются также термином «анаэробное дыхание».

Важнейшие общие представления механизма обмена веществ у прокариот.

Как мы уже выяснили, вегетативные клетки постоянно нуждаются в притоке энергии, т.к. живая клетка представляет собой высокоорганизованную материю. Высокая организация клеточной материи заключается в том, что клетка состоит из различных соединений, и, в первую очередь, различных биополимеров, способных к самовоспроизводству, катализу, участвующих в обмене веществ и энергии. Энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности организм получает в процессе обмена веществ, или метаболизма, т.е. путем регулируемых превращений, которым различные вещества подвергаются внутри клетки. Источниками энергии служат питательные вещества, поступающие из внешней среды. В клетках эти вещества претерпевают ряд изменений в результате последовательных ферментативных реакций, образующих этапы определенных метаболических путей. Такие пути выполняют 2-ве главные функции: они, во-первых, поставляют материалы-предшественники для построения клеточных компонентов, и, во-вторых, обеспечивают энергию для клеточных синтезов и других процессов, требующих затрат энергии. Превращения веществ в клетке – обмен веществ или метаболизм – в результате которых из сравнительно простых предшественников, например глюкозы, жирных кислот с длинной цепью или ароматических соединений, образуется новое клеточное вещество, можно подразделить условно на три группы. Первая группа реакций метаболизма – это расщепление питательных веществ на небольшие фрагменты называется распадом или катаболизмом, во второй группе реакций небольшие фрагменты превращаются в ряд органических кислот и фосфорных эфиров – это реакции промежуточного обмена или амфиболизма. Два эти пути переходят незаметно один в другой. При этом образуется много разнообразных низкомолекулярных соединений, из которых синтезируются мономерные молекулы – строительные блоки биополимеров или макромолекул (нуклеиновые кислоты, белки, компоненты клеточной стенки и т.п.), из которых состоит клетка. Эти два этапа биосинтеза клеточных веществ – синтез строительных блоков и синтез биополимеров составляют синтетическую ветвь метаболизма или анаболизм. Основная догма, признаваемая в нашем веке – это принцип «биохимического единства», согласно которому все живые существа, обитающие на Земле, в биохимическом отношении в основе своей сходны. Этот принцип выражается, например, в единообразии строительных блоков (в том числе в однотипности их оптического вращения), во всеобщей роли АТФ, как элементарного кванта биологической энергии, в универсальности генетического кода, а также в единстве путей превращения сахаров и природы дыхательной цепи. Почти идентичны у всех живых существ и главные метаболические пути. Все варианты обмена веществ микроорганизмов можно свести к общей схеме (рис. 7.1, стр. 215, Шлегель). Существует лишь несколько групп бактерий, у которых основные схемы метаболизма так или иначе модифицированы – преобладают какие-то определенные пути, а другие укорочены или иным образом изменены. В круговороте углерода главным продуктом фотосинтеза у растений являются углеводы, которые в то же время служат основными питательными веществами для большинства микроорганизмов. Мы рассмотрим глюкозу как основное соединение – субстрат клеточного метаболизма. Макромолекулы, как правило, сначала расщепляются вне клетки выделяемыми ею ферментами (экзоферментами) на мономерные и димерные блоки и лишь в такой форме поглощаются клеткой. Затем в результате последовательности реакций метаболического пути (гликолиз, гликогенолиз) происходит расщепление глюкозы на 2-ве триозы, которые превращаются в пировиноградную кислоту. Пируват занимает ключевое положение в клеточном метаболизме, т. к. служит исходным соединением во многих процессах распада и синтеза. Так в результате декарбоксилирования пирувата образуются С₂-соединения, которые связываются с молекулой оксалоацетата (щавелевоуксусной кислотой, ЩУК), а затем в цикле трикарбоновых кислот постепенно окисляются до СО₂. ЩУК в этом циклическом процессе регенерируется. Этот цикл называется «метаболическим котлом» клетки, в котором «сгорают» органические соединения, при каждом обороте ЦТК из одного С₂-соединения (ацетилкофермента А) выделяется 2 молекулы СО₂ и четыре раза по 2 [Н]. Атомы водорода (или окислительные эквиваленты), отщепившиеся на разных этапах окисления органических веществ, поступают в АТФ-регенерирующую систему дыхательной цепи (окислительное фосфорилирование). ЦТК играет важную роль в обмене веществ не только как участник конечного окисления питательных веществ, но служит и распределителем-поставщиком исходных соединений для синтеза мономеров (строительных блоков) клетки. Промежуточные органические кислоты цикла (2-оксоглутарат, сукцинат, оксалоацетат) являются исходным материалом для процессов биосинтеза. Эти органические кислоты постоянно пополняются в цикле за счет анаплеротических реакций, которые обеспечивают поступление в ЦТК все новых количеств промежуточных соединений взамен израсходованных для биосинтеза. Пути катаболизма глюкозы (гексоз). Наиболее распространенный путь распада через образование фруктозо-1,6-бифосфата, он так и называется фруктозобифосфатный путь, или гликолитическим расщеплением, или гликолизом, или путем Эмбдена – Мейергофа – Парнаса. Другой метаболический путь – окислительно пентозофосфатный или гексозомонофосфатный или схема Варбурга – Диккенса – Хореккера. Только у бактерий встречается, видимо, путь Энтнера – Дудорова или КДФГ-путь (по характерному промежуточному продукту – 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконату). В анаэробных условиях все микроорганизмы, сбраживающие углеводы (за немногими исключениями), используют энергию, получаемую в результате окисления глицеральдегидфосфата в пируват. Пентозофосфатный цикл представляет собой явно побочный путь, значение которого заключается в подготовке важных исходных веществ (пентозофосфатов, эритрозофосфата, глицеральдегид-3-фосфата), а также получении восстановительных эквивалентов (NАDРН₂) для процессов синтеза. Пентозофосфаты – предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот – образуются путем дегидрирования и декарбоксилирования глюкозо-6-фосфата, а также в транскетолазной и трансальдолазной реакциях из фруктозо-6-фосфата (рис. 7.4, стр. 228, Шлегель). Путь Энтнера – Дудорова начинается также как и пентозофосфатный цикл с превращения путем дегидрирования глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконата, который после отщепления воды образует 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат. Кетодезоксифосфоглюконат расщепляется специфической альдолазой на пируват и глицеральдегид-3-фосфат, который окисляется до пирувата, также как и в гликолитическом пути. Таким образом все пути окисления гексоз приводят к получению пирувата и глицеральдегида-3-фосфата, которые являются продуктами промежуточного метаболизма и связующими продуктами или переходными соединениями связывающими метаболические пути распада и синтеза (ЦТК, обмен жиров, синтез аминокислот и т.п.). Микроорганизмы заметно различаются между собой по степени использования того или иного из рассмотренных путей. Универсальными являются гликолиз и пентозофосфатный путь (для несовершенных и плесневых грибов, кишечной палочки), путь Энтнера – Дудорова у бактерий также широко распространен для расщепления глюконата. Брожение. Получение энергии необходимо для жизнедеятельности клетки. Из 3-х принципиально возможных способов регенерации АТФ (дыхание, брожение, фотосинтез) брожение – наиболее простой. Брожение – это такой метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода (схема на стр. 263, Шлегель). Реакции, приводящие к фосфорилированию АДФ, являются реакциями окисления. От окисленного углерода клетка избавляется, выделяя СО₂. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на NАD. Акцепторами водорода, находящегося в составе NАDН₂, служат промежуточные продукты расщепления субстрата. При регенерации NАD последние восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки. При сбраживании углеводов и ряда других веществ образуются (по отдельности или в смеси) такие продукты, как этанол, лактат, пропионат, формиат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандиол, ацетон, 2-пропанол, СО₂ и Н₂. В зависимости от названия преобладающего продукта и разделяют типы брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует: «Брожение – это жизнь без воздуха» (Л. Пастер). Многие микроорганизмы, осуществляющие брожение, – облигатные анаэробы, а некоторые факультативные анаэробы, способные расти как в присутствии кислорода, так и без него; при этом кислород подавляет брожение и оно сменяется дыханием. При сбраживании глюкозы микроорганизмами образуется от 1 до 4-х молей АТФ. Имеется несколько реакций преобразования энергии путем фосфорилирования на уровне субстрата – субстратное фосфорилирование, из них 2-ве из гликолитического цикла: превращение 1,3-Бифосфоглицерата в 3-фосфоглицерат и фосфоенолпирувата в пируват. И одна реакция – ацетилфосфат + АДФ-->ацетат + АТФ – уксуснокислое брожение. Эти соединения характеризуются тем, что свободная энергия, освобождающаяся при их гидролизе, находится в области значений от – 35 до – 88 кДж/моль и с помощью соответствующих ферментов может быть перенесена на АДФ. Другие реакции субстратного фосфорилирования ограничены какими-либо специфическими видами брожения. Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитозоле клетки, что указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования (отличия окислительного фосфорилирования). В каждом виде брожения можно выделить 2-ве стороны: окислительную и восстановительную. Процессы окисления сводятся к отрыву электронов от определенных метаболитов с помощью специфических ферментов (дегидрогеназ) и акцептирования их другими молекулами, образующимися из сбраживаемого субстрата, т.е. в процессе брожения происходит окисление анаэробного типа. Таким образом, брожение – это способ получения энергии, при котором АТФ образуется в процессе анаэробного окисления органических субстратов в реакциях субстратного фосфорилирования. Гомоферментативное молочнокислое брожение представляет собой энергетическую сторону образа жизни группы гомоферментативных молочнокислых бактерий. В этом процессе существуют 3-и типа химических превращений: перестройка углеродного скелета исходного субстрата; окислительно-восстановительные превращения; образование АТФ. Энергетический выход процесса – образование 2 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Этот вид брожения, в основе которого лежит гликолитический путь разложения глюкозы, является единственным способом получения энергии для группы эубактерий, которые при сбраживании углеводов превращают в молочную кислоту от 85 до 90 % сахара среды. В эту группу входят морфологически различные формы бактерий: кокки, относящиеся к родам Strерtососсus и Реdiососсus, а также длинные или короткие палочки из рода Lасtоbасillus. Последний подразделяется на три подрода, два из них Тhеrmоbасtеrium и Strерtоbасtеrium, также осуществляют гомоферментативное молочнокислое брожение. Все бактерии этой группы положительно окрашиваются по Грамму, не образуют спор, неподвижны. В качестве источника углерода используют лактозу или мальтозу (растительный сахар, образующийся при гидролизе крахмала), некоторые пентозы, сахароспирты, органические кислоты. Из всех известных непатогенных прокариот молочнокислые бактерии отличаются наибольшей требовательностью к субстрату. В связи с тем, что у них слабо развиты биосинтетические способности, для их роста в питательной среде должны присутствовать готовые органические соединения (аминокислоты, витамины группы В, пурины, пиримидины). Они распространены там, где могут обеспечить свои высокие потребности в питательных веществах и где имеются большие количества углеводов. Их много в молоке и молочных продуктах, на поверхности растений и в местах разложения растительных остатков; обнаружены в пищеварительном тракте и на слизистых оболочках животных и человека. Они с давних пор используются человеком в получении молочнокислых продуктов, квашении овощей (молочная кислота понижает рН и является консервантом). К гетероферментативным молочнокислым бактериям, сбраживающим сахара с образованием молочной кислоты, СО₂, этанола и/или уксусной кислоты относятся представители рода Lеuсоnоstос и бактерии, объединенные в подрод Веtаbасtеrium рода Lасtоbасillus (L. fеrmеntum, L.brеvis). У них отсутствует ключевой фермент гликолитического пути – фруктозодифосфатальдолаза, и поэтому сбраживание субстратов они могут осуществлять только по окислительному пентозофосфатному пути, т.е. являются облигатно гетероферментативными формами. Кроме того, представители подрода Strерtоbасtеrium (L. саsеi, L. рlаntаrum, L. хуlоsis) этого же рода сбраживают гексозы по гликолитическому пути, а пентозы по окислительному пентозофосфатному, осуществляя в первом случае гомоферментативное, а во втором гетероферментативное молочнокислое брожение. Обе группы бактерий близки по морфологическим, культуральным признакам и особенностям конструктивного метаболизма. Путь Энтнера – Дудорова имеет важное значение, когда сбраживаемыми субстратами служат глюконовая, маннановая, гексуроновые кислоты или их производные. Он функционирует у довольно широкого круга эубактерий, главным образом грамотрицательных, получающих энергию, в процессе дыхания (энтеробактерии, виды Аzоtоbасtеr, Рsеudоmоnаs, Аlсаligеnеs, Rhizоbium, Sрirillum, Хаnthоmоnаs, Тhiоbасillus). У энтеробактерий гликолитический и окислительный пентозофосфатный пути функционируют как центральные конститутивные пути метаболизирования углеводов, путь Энтнера – Дудорова – как индуцибельный. Этот путь обнаружен у некоторых клостридиев (весьма неоднородной этой таксономической группы эубактерий). Появление пути Энтнера – Дудорова, вероятно, было вызвано высокой потребностью клеток в пирувате, т.к. это более короткий путь и прямой путь его получения из субстрата, чем гликолиз, включающий всего 4-е реакции, вместо 9. Спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами, до последней реакции идет по гликолитическому или гомоферментативному молочнокислому брожению, но последняя реакция заменена 2-мя другими ферментативными реакциями: сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и СО₂. Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД⁺-зависимой алкогольдегидрогеназы, донором водорода служит 3-ФГА. Изучение процесса спиртового брожения, осуществляемого дрожжами, дало возможность открытия ряда принципиально важных положений: «эффекта Пастера», инактивирования процесса брожения в условиях свободного доступа кислорода и активирования процесса дыхания; Г. и Э. Бухнеры показали возможность осуществления спиртового брожения вне клетки, т.е. ферментную природу этого процесса; в 1933 г Г. Эмбден и О. Мейергоф предложили полную схему спиртового брожения; работами К. Нойберга показана важная особенность метаболизма низших форм жизни – его чрезвычайная гибкость. К. Нойберг обнаружил, что в зависимости от условий процесс спиртового брожения может идти с образованием продуктов, которые в норме не образуются, если добавить в среду бисульфит (NаНSО₃), то основным продуктом брожения будет глицерин, то же самое происходит в щелочной среде. Накопление этанола в среде в анаэробных условиях наблюдается у разных групп эубактерий и группы эукариотных микроорганизмов – дрожжей. К первым относятся грамположительные анаэробные кокки Sаrсinа vеntriсuli, аэротолерантный анаэроб, клетки неподвижны; делятся в 3-х плоскостях, поэтому в культуре под микроскопом видны в виде пакетов из 8 и более клеток, способны образовывать эндоспоры. Еrwiniа аmуlоvоrа относится к группе энтеробактерий, грамотрицательные подвижные палочки, этот вид является патогенным для растений. Факультативный анаэроб, в аэробных условиях получающий энергию в процессе дыхания. Помимо этилового спирта и СО₂ в качестве продуктов брожения S. vеntriсuli в среде накапливается уксусная кислота и выделяется молекулярный водород, у Е. аmуlоvоrа накапливается молочная кислота. У бактерий Zуmоmоnаs mоbilis грамотрицательных подвижных бактерий, имеющих форму коротких палочек, анаэробов, используемых в Мексике для получения национального спиртового напитка «пульке» разложение глюкозы до пировиноградной кислоты идет по пути Энтнера – Дудорова и далее до этанола по обычному пути. Таким образом, этиловый спирт образуется анаэробными микроорганизмами разных групп и разными метаболическими путями. Основными продуцентами этилового спирта, имеющими широкое практическое применение, являются дрожжи – одноклеточные эукариотные микроорганизмы, принадлежащие к разным классам высших грибов.

Энергетическая сторона процессов брожения. Энергетической стороной процессов брожения является их окислительная часть, поскольку реакции, ведущие к выделению энергии, – это реакции окисления. Есть исключения из правила: некоторые анаэробы часть энергии при сбраживании субстрата получают также в результате его расщепления. Однако сравнение процессов дыхания и брожения по их энергетическому выходу показывает, что при брожении не происходит полного извлечения энергии из субстрата, часть энергии остается в продуктах брожения. Так при брожении одной молекулы глюкозы выделяется – -196,65 кДж/моль, а при дыхании – -2870,22 кДж/моль стандартной свободной энергии ΔG₀^′. При этом в процессе гомоферментативного молочнокислого брожения синтезируются 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы; в процессе дыхания при полном окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. В обоих случаях эффективность запасания выделяющейся энергии в макроэргических связях АТФ примерно одинакова. Как мы уже знаем, при брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитвным типом фосфорилирования – субстратным фосфорилированием. К синтезу АТФ по типу субстратного фосфорилирования ведут катаболические реакции, которые в зависимости от химической природы, могут быть разделены на 2-а типа: окислительно-восстановительные и реакции расщепления субстратов с помощью ферментов, относящихся к классу лиаз (окисление ФГА, катализируемое ФГА-дегидрогеназой приводит к образованию богатого энергией метаболита 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1,3-ФГК, расщепление цитруллина, приводящее к синтезу карбамоил фосфата – соединения с макроэргической фосфатной связью). Анаэробное окисление пировиноградной или α-кетоглутаровой кислот приводит к образованию высокоэнергетических метаболитов – ацетил-КоА или сукцинил-КоА соответственно. Символ «КоА» означает кофермент А, связанный с ацильной группой (R–СО~S-КоА), «КоА–SН», находящийся в свободном состоянии. Богатые энергией соединения, образующиеся в реакциях указанных типов, представляют в большинстве случаев ангидриды фосфорной кислоты или тиоэфиры органических кислот. Последние используются для синтеза АТФ через ферментативную стадию образования соответствующих ацилфосфатов: ацил-КоА + Ф_н---> ацилфосфат + КоА –SН. Несмотря на большое число углеродных субстратов, доступных для сбраживания, количество реакций, приводящих непосредственно к синтезу АТФ при брожениях, составляет всего три (вышеперечисленные и последняя реакция гликолиза, образование пирувата из фосфоенолпирувата).

Фотосинтез. Типы жизни, основанные на фотофосфорилировании.

Эволюционно возникновение фотосинтетического типа жизни возникло из-за нехватки органических веществ, для поддержания жизнедеятельности живых организмов и в результате поиска новых источников углеродного питания и свободной энергии. В энергетическом плане необходимо было найти способ получении энергии за счет постоянно действующего источника. Такой источник энергии представляет собой солнечная радиация. Глобальное значение развившейся способности использовать световую энергию в том, что фотосинтез – единственный процесс, приводящий к увеличению свободной энергии на нашей планете. Таким образом, фотосинтез обязан своим «происхождением» экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе развития жизни органических ресурсов планеты. Жизнь за счет анаэробных превращений органического субстрата привела к возникновению анаэробной формы жизни за счет света. Для этого, прежде всего, должны были возникнуть молекулы, поглощающие кванты света. Когда сформировались структуры для улавливания света, появилась возможность использования световой энергии. То, как эта возможность реализовывалась, доказывает наличие нескольких типов фотосинтеза, осуществляемого разными группами эубактерий, энергетический метаболизм которых полностью или частично основан на использовании энергии света. К фотосинтезирующим эубактериям относятся пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии, цианобактерии и прохлорофиты. Способность организмов существовать за счет энергии света в первую очередь связана с наличием у них специфических фоторецепторных молекул – пигментов. Набор пигментов характерен и постоянен для определенных групп фотосинтезирующих эубактерий. Соотношения между отдельными пигментами колеблются в зависимости от вида и условий культивирования. В целом фотосинтетические пигменты эубактерий обеспечивают поглощение света с длиной волны в области 300 – 1100 нм. Все фотосинтетические пигменты относятся к 2-м химическим классам соединений: 1) пигменты, в основе которых лежит тетрапиррольная структура (хлорофиллы, фикобилипротеины); 2) пигменты, основу которых составляют длинные полиизопреноидные цепи (каротиноиды). У фотосинтезирующих эубактерий известно больше 10 видов хлорофиллов, они получили общее название бактериохлорофиллы. Основными хлорофильными пигментами зеленых бактерий являются бактериохлорофиллы с, d или е, незначительно отличающиеся между собой по спектрам поглощения. Кроме них в клетках всех зеленых бактерий в небольшом количестве содержится бактериохлорофилл α, что позволяет зеленым бактериям использовать свет с длиной волны до 840 нм. Необычный хлорофилл g с максимумом поглощения 790 нм обнаружен у облигатно анаэробных фотосинтезирующих бактерий Неliоbасtеrium сhlоrum, Неliоbасillus mоbilis, выделенные в группу гелиобактерий. Эубактерий, фотосинтез которых сопровождается выделением молекулярного кислорода (цианбактерии и прохлорофиты), содержат хлорофиллы, характерные для фотосинтезирующих эукариотных организмов. У цианобактерий – это только хлорофилл α, у прохлорофит α и b, что обеспечивает поглощение света до 750 нм. Фикобилипротеины – красные и синие пигменты, содержащиеся только у цианобактерий. Хромофорная группа пигмента, называемая фикобилином, ковалентно связана с водорастворимым белком типа глобулина и представляет собой структуру, состоящую из 4-х пиррольных колец, но не замкнутых, как в молекуле хлорофилла, а имеющих вид развернутой цепи, не содержащей металла. Эти пигменты способны к агрегированию, что и сопровождается формированием фикибилисом – структур, в которых эти пигменты организованы в агрегаты высокого порядка. Фикобилипротеины обеспечивают в клетках цианобактерий поглощение света в области 450 – 700 нм и с высокой эффективностью (больше 90%) передают поглощенный свет на хлорофилл, при этом основное количество энергии передается хлорофилл. Связанный со 11 фотосистемой. Все цианобактерии содержат небольшие количества аллофикоцианина и значительные количества фикоцианина, одного из основных клеточных пигментов, содержание которого в условиях низкой освещенности может достигать 60 % от общего уровня растворимых белков клетки. Некоторые цианобактерии содержат также второй основной фикобилипротеин – фикоэритрин. Способность синтезировать фикоэритрин может быть конститутивным свойством организма или индуцироваться в определенных условиях освещения. К вспомогательным фотосинтетическим пигментам, которые содержат все фотосинтезирующие организмы, относятся каротиноиды, большая группа химических соединений, представляющих собой продукт конденсации остатков изопрена: – СН = С (СН₃) – СН=СН – (СН₃ в боковой цепи). Выделяют кислородсодержащие – ксантофиллы, и, не содержащие кислорода каротиноиды. Состав каротиноидов фотосинтезирующих эубактерий разнообразен. Наряду с пигментами, одинаковыми у разных групп, для каждой из них обнаружены определенные каротиноиды или наборы последних. Наиболее разнообразен состав каротиноидных пигментов у пурпурных бактерий (свыше 50). Набор и количество отделных каротиноидов определяют окраску пурпурных бактерий, густые суспензии которых имеют пурпурно-фиолетовый, красный, розовый, коричневый, желтый цвета. У зеленых серобактерий арильные, содержащие 1 или 2 ароматических кольца и алициклический каротиноид γ-каротин. У зеленых нитчатых бактерий – цианобактерий и прохлорофитов основной пигмент β-каротин (с 1 или 2 β-иононовыми кольцами). Каротиноиды поглощают свет в синем и зеленом участках спектра – 400 – 550 нм. Эти пигменты, как и хлорофиллы, локализованы в мембранах и связаныс мембранными белками без участия ковалентных связей. Функции каротиноидов: вспомогательные фотосинтетические пигменты, поглощающие кванты света в коротковолновой области спектра, которые затем передаются на хлорофилл (у цианобактерий на 1-ую фотосистему); участие в процессах фототаксиса; защита от токсического действия кислорода (синглетного). Строение фотосинтетического аппарата эубактерий. У разных групп он организован по разному и проявляется как в химической природе составляющих его компонентов, так и в структурной организации в клетке. Фотосинтетический аппарат состоит из 3-х основных компонентов: 1) светособирающих пигментов, поглощающих энергию света и передающих ее в реакционные центры; 2) фотохимических реакционных центров, где происходит трансформация электромагнитной формы энергии в химическую; 3)фотосинтетических электронтранспортных систем, обеспечивающих пренос электронов, сопряженный с запасанием энергии в молекулах АТФ. В фотохимической реакции участвуют,как правило, хлорофиллы или бактериохлорофиллы α в модифицированной форме. Эти же виды хлорофиллов наряду с другими, а также пигментами иных типов (фикобилипротеины, каротиноиды) выполняют функцию антенны. Два компонента фотосинтетического аппарата – реакционные центры и электронтранспортные системы – всегда локализованы в клеточных мембранах, представленных ЦПМ и у большинства фотосинтезирующих эубактерий развитой системой внутриплазматических мембран – производных ЦПМ. У пурпурных бактерий, гелиобактерий и прохлорофит светособирающие пигменты в виде комплексов с белками интегрированы в мембраны. В клетках зеленых бактерий и цианобактерий основная масса светособирающих пигментов находится в особых структурах, прикрепленных к поверхности мембраны, но не являющихся ее компонентом. Это хромосомы зеленых бактерий и фикобилисомы цианобактерий. Пурпурные и зеленые бактерии объединяемые в порядок Rhоdоsрirillаlеs, можно рассматривать как реликтовые организмы. Они не в состоянии использовать в качестве донора водорода воду (как у зеленых растений); им требуются доноры с более высокой степенью восстановления (Н₂S, Н₂, органические вещества). Поэтому фотосинтез у этих бактерий протекает без выделения О₂. В таких случаях говорят об аноксигенном фотосинтезе. Бактерии этой группы – типичные водные организмы, распространенные как в пресной, так и в морской воде. Как уже говорилось они окрашены в соответствии с содержащимися в них пигментами – бактериохлорофиллами и каротиноидами. Оксигенный фотосинтез, т.е. используют в качестве донора водорода воду и выделяют на свету О₂, осуществляют цианобактерии. Процесс фотосинтеза у цианобактерий принципиально не отличается от фотосинтеза зеленых растений, и их называли сине-зелеными водорослями и относили к фотосинтезирующим эукариотам. Однако по строению клеток это типичные прокариоты. Итак, аноксигенный фотосинтез осуществляют пурпурные (Rhоdоsрirillаlеs) и зеленые бактерии (Сhlоrоbiаlеs). По способности использовать в качестве донора электронов элементарную серу в группе пурпурных бактерий выделяют два семейства: пурпурные серные бактерии, или Сhrоmаtiасеае и пурпурные несерные бактерии Rhоdоsрirillасеае. Характерной особенностью Сhrоmаtiасеае является то, что во время окисления Н₂S в их клетках в качестве промежуточного продукта откладывается сера, другие представители этого семейства откладывают серу не в цитоплазме, а вне клеток и там же окисляют ее далее до сульфата. Фототрофные бактерии относятся к организмам, наиболее разносторонним в отношении обмена веществ. В процессе фотосинтеза происходит превращение энергии света в биохимическую энергию. Первичное действие света состоит в том, что в фотохимических реакционных центрах электроны донора переносятся на акцептор в термодинамически невыгодном направлении. По крайней мере, часть электронов возвращается по электрон-транспортной цепи к реакционным центрам. Благодаря особому расположению компонентов электрон-транспортной системы в мембране это сопровождается направленным переносом протонов и созданием протонного потенциала. Т. о, аппарат фотосинтеза – это, прежде всего протонный насос, приводимый в действие светом. Протонный потенциал обеспечивает возможность преобразования энергии путем фосфорилирования. Синтез АТФ происходит с помощью тех же в своей основе механизмов, что и в мембранах аэробных бактерий или митохондрий. Что же касается преобразования энергии света в биохимически полезную энергию АТФ, то здесь нет принципиального различия между фототрофными бактериями и зелеными растениями. У пурпурных бактерий роль фотосинтеза, по-видимому, исчерпывается этим преобразованием. У цианобактерий и зеленых растений можно видеть дальнейший этап эволюции фотосинтеза. У них благодаря последовательному включению 2-х фотореакций энергетический уровень электронов в ходе первой реакции удается поднять настолько, что становится возможным восстановление ферредоксина и НАДФ. Вторая фотореакция позволяет использовать в качестве источника электронов воду. В результате такой комбинации наряду с запасанием энергии происходит восстановление НАДФ и выделение О₂. Т. о., отличия фотосинтеза у бактерий от фотосинтеза у растений: 1) набором пигментов – бактериохлорофилл и бактериородопсин; 2) используемым источником водорода - сероводород, спирты, органические соединения; 3) протеканием фотосинтеза в анаэробных условиях (в отсутствии свободного кислорода). Филогенетически это более древний тип фотосинтеза и позволяет воссоздать эволюцию связывания энергии. Первые живые существа были первично гетеротрофными и использовали для ассимиляции имевшиеся в первичном океане органические молекулы. Первые зачатки фотосинтетических ассимиляционных процессов появились у галобактерий (соляных бактерий), группы архебактерий, Наlоbасtеrium hаlоbium, например, не содержат хлорофилла, но с помощью другого пигмента – бактериородопсина могут использовать энергию света и синтезировать АТФ. Однако энергия, добытая таким способом, недостаточна для освобождения электронов, а, следовательно, и для окисления субстрата. О появлении фотосинтеза мы говорили выше и отметим, что у некоторых групп истинных бактерий 3,3–3,5 млрд. лет назад появился зеленый пигмент (бактериохлорофилл, хлорофилл α, сначала в виде фотосистемы 1, а позже в виде фотосистемы 11), с помощью которых стал возможен фотосинтез. При фотосинтезе посредством бактериохлорофилла в качестве донора водорода используется сероводород. Только с появлением хлорофилла α и двух отдельных фотосистем, а также благодаря появлению сильного окислителя вследствие формирования дефицита электронов (электронных дырок) в молекулах хлорофилла, стал возможен фотолиз воды и вода стала использоваться в качестве восстановителя. Цикл Кальвина (темновые реакции) мог развиваться позднее на основе реакций пентозофосфатного цикла у первичных гетеротрофных организмов. Первичными диссимиляционными процессами были различные формы брожения, субстратами которых сначала явились альдегиды, кетоны и органические кислоты. На основе брожения могли развиться и аэробные процессы распада углеводов через гликолиз и параллельно с ним, через окислительный пентозофосфатный цикл. После того, как фотосинтетические процессы привели к накоплению кислорода в атмосфере в большем объеме, стало возможным дыхание как окислительный путь распада углеводов через ЦТК и электронтранспортную цепь. Эти процессы могли быть очень сходными с таковыми при фотосинтезе, и, может быть, электронтранспортная цепь дыхания и является производной от электронтранспортной цепи фотосинтеза. Образующееся в ходе фотосинтеза органическое вещество стало основой дальнейшего развития первичной гетеротрофности. Так с момента появления гетеротрофных организмов (около 2 млрд. лет) наряду с автотрофными прокариотами и эукариотами развивались гетеротрофные бактерии, грибы и животные. Аэробные хемолитотрофные бактерии. Многие группы почвенных и водных бактерий могут использовать в качестве доноров водорода или электронов неорганические соединения или ионы (ионы аммония, нитрита, сульфида, тиосульфата, сульфита и 2-х валентного железа), а также элементарную серу, молекулярный водород и СО₂, т.е. способны получать в результате их окисления восстановительные эквиваленты и энергию для синтетических процессов. Получение энергии происходит, как правило, в результате дыхания с О₂ как конечным акцептором водорода. Лишь немногие из относящихся к этой группе бактерий способны расти за счет (анаэробного дыхания), используя в качестве акцепторов водорода нитрат, нитрит, закись азота. Такой образ жизни с использованием неорганического донора водорода называют хемолитотрофным. Большинство бактерий с таким типом метаболизма используют СО₂ в качестве единственного или главного источника клеточного углерода и являются автотрофами (хемолитоавтотрофами). Облигатные хемоорганогетеротрофы – это организмы, в которых энергетические процессы различаются исходными субстратами, специфичностью промежуточных окислительно- восстановительных превращений и природой конечных акцепторов электронов; конструктивные – разной степенью развития биосинтетических способностей, т.е. различными потребностями в готовых питательных веществах. Наиболее примитивную и древнюю группу энергетических процессов составляют процессы брожения, когда органическое вещество служит донором и конечным акцептором электронов, а молекулярный кислород в реакциях окислительной природы участия не принимает. Известны молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое, маслянокислое и некоторые другие виды брожения, каждое из которых является специфической формой решения «энергетической проблемы» и осуществляется группой прокариот, характеризующихся определенными биосинтетическими способностями. Известны прокариотные организмы, получающие энергию за счет процессов неглубокого или полного окисления органического субстрата молекулярным кислородом. Таким образом, на базе хемоорганогетеротрофного способа питания можно выделить несколько типов жизни, представленных определенными группами прокариот, осуществляющими конкретный тип энергетического метаболизма в сочетании с присущими им особенностями метаболизма конструктивного.