Бактерии находятся везде. Больше всего их в почве - от 200 млн. до 2 млрд. на 1 г почвы. В чистой родниковой воде их 100 - 200 на 1 мл, а в загрязненной стоячей - от 100 тыс. до 300 тыс. на 1 мл. В воздухе от 5 тыс. до 300 тыс. в 1 м3. На коже человека насчи- тывается от 85 млн. до 1 млрд. бактерий, а в ротовой полости - свыше 100 разных видов. Каждый взрослый человек выделяет ежедневно с экскрементами около 18 млрд. бактерий. Свободны от них только органы, не соединяющиеся с внешней средой (мозг, сердце, кровь, печень, мочевой пузырь и др.). В эти органы бактерии попадают только во время болезни.

Бактерии разнообразны по форме - шарообразные (кокки), вытянутые (бациллы), изогнутые (вибрионы), извитые (спириллы) и др. Дополнительные различия выявляются после окраски бактерий специальными красителями. Наиболее распространен метод окраски по Граму, предложенный им еще в 1884 г. Окраска бактерий кристаллическим фиолетовым с последующей обработкой иодом приводит к образованию комплекса красителя с иодом синего цвета. Последующая обработка спиртом смывает этот комплекс с некоторых бактерий (грамотрицательные), тогда как другие (грамположительные) бактерии удерживают комплекс на поверхности. После обесцвечивания грамотрицательные бактерии могут быть дополнительно окрашены фуксином в красный цвет. Дальнейшие исследования показали, что различия в окрашивании связаны с разницей в строении клеточной оболочки бактерий.

У грамположительных бактерий клеточная стенка представляет собой многослойный пептидогликановый мешок, тогда как у грамотрицательных пептидогликановый мешок однослойный, но поверх него есть дополнительные наружные слои (рис. 171). Помимо клеточной оболочки бактерии могут иметь и дополнительные покровы - капсулы (полисахаридные и полипептидные) и полисахаридные слизи.

Многие бактерии способны двигаться с помощью жгутиков. Однако жгутики бактерій принципиально отличны по строению и механизму движения от жгутиков эукариотических клеток (рис. 172, А). Жгутиковая нить построена из белка флагеллина с мол. массой от 40 до 60 кДа в зависимости от вида бактерии. Глобулярные субъединицы флагеллина полимеризуются в спирально закрученные нити так, что образуется трубчатая структура диаметром 12 - 25 нм, полая изнутри.

Так же, как тубулины, флагеллины могут спонтанно полимеризоваться в нити, причем нарастание жгутика происходит на его конце, так что транспорт флагеллинов для надстройки жгутика происходит через его полую середину. Остальные части жгутика (крючок, палочка, диски) состоят, по крайней мере, еще из 12 разных белков и служат для закрепления жгутика и приведения его в движение. Движение жгутика осуществляется только благодаря электрохимическому градиенту протонов на плазматической мембране клетки и не зависит от АТФ. Предполагаемый механизм вращения жгутика показан на рис. 172, Б. Считают, что М-диск жгутика служит ротором, а плазматическая мембрана – статором.

В статоре находятся два протонных "колодца", каждый из которых пересекает часть толщины мембраны. На дне входного "колодца" расположена протон-акцепторная группа Х М-диска (например, аминогруппа остатка лизина). Появление положительного заряда на Х при его протонировании вызывает кулоновское притяжение этой группы к другой протон- акцепторной группе Y- (например, ионизированной карбоксильной группе остатка аспарагиновой или глутаминовой кислоты мембранного белка). Притяжение приводит к вращению М-диска и сближению ХН+ и Y-. Перенос протона от ХН+ к Y- и далее в цитоплазму по выходному "колодцу" завершает цикл. Теперь другой ион Н+ из периплазмы может протонировать следующую группу Х, занявшую место на дне входного "колодца". Один оборот ротора требует переноса около 200 протонов через мембрану по градиенту DmH. Скорость вращения жгутика находится в пределах от 5 до 50 оборотов/с, что обеспечивает бактериям скорость движения 20 - 30 мкм/с. Интересная особенность мотора бактеріального жгутика - его способность вращать жгутик как по часовой стрелке, так и против нее при неизменной направленности DmH.

Первооначально систематика бактерий строилась на основе морфологических признаков (размеры, цвет и характер поверхности колоний, форма бактерий, окраска по Граму) и биохимических признаков (например, аэробы или анаэробы). Однако болем информативным оказался метод сравнительного анализа нуклеиновых кислот, о котором было рассказано во второй лекции. Сравнение последовательности нуклеотидов бактериальных рРНК позволило выделить уникальную и наиболее древню группу археобактерий и построить следующее филогенетическое дерево бактерий: 6 эукариоты 6 грамположительные бактерии 26 археобактерии 26 грамотрицательные бактерии прогеноты --6 эубактерии -----6 цианобактерии.

При этом наибольшее разнообразие бактерий наблюдается не по строению, а по метаболическим процессам, лежащим в основе их энергетики. Если у высших эукариотических организмов есть только один анаэробный катаболический процесс - гликолиз, то у бактерий мы видим целый спектр аналогичных анаэробных процес сов получения энергии - брожений, которые так же, как и гликолиз, начинаются с расщепления глюкозы до пирувата, но различаются по конечному продукту, в который превращается на заключительных стадиях пируват. Так, например, различают молочнокислое брожение, пропионовокислое брожение, а клостридии и бактерии группы кишечной палочки сбраживают сахара до бутандиола, бутанола, пропанола или ацетата. Клеточное дыхание у бактерий тоже отличается большим разнообразием. Наиболее древним считается так называемое анаэробное дыхание, при котором конечным акцептором электрона в электрон- транспортной цепи служит не кислород, а другие неорганические соединения - NO3 (нитратное дыхание), SO4 2- (сульфатное дыхание) или CO2 (карбонатное дыхание). Вероятно, что такие типы дыхания появились еще в период отсутствия кислорода в земной атмосфере и явились предшественниками кислородного дыхания. Фотосинтез у пурпурных и зелених растений отличается от обычного фотосинтеза хлоропластов растений тем, что электроны для восполнения электронной дырки в хлорофилле, отдавшем свой электрон в результате фотохимической реакции, берутся не из молекулы воды, а из молекул H2S, H2 или даже из органических веществ. Кислород при этом не образуется, и такой, вероятно, наиболее древний тип фотосинтеза называется аноксигенным фотосинтезом. Помимо разнообразных "проб" уже знакомых нам по эукариотической клетке метаболических процессов, у бактерий встречаются и другие оригинальные "разработки".

Уже было рассказано про бактериородопсин галобактерий, который является прямым преобразователем энергии света в DmH. Другой принцип получения энергии используют хемотрофные бактерии - источником энергии для них служат реакции окисления при помощи кислорода соединений азота (нитрифицирующие бактерии), соединений серы (тиобактерии) и железа (железобактерии) или могут использовать в качестве восстановителя водород (водородные бактерии). Кроме того, многие бактерии используют в качестве сопрягающего иона не H+, а Na+: у бактерий найдены первичные мембранные DmNa-генераторы, Na+-транспортирующие дыхательные цепи и Na+-АТФазы. Предполают, что первичной была энергетика, базирующаяся на циркуляции протонов, а замена протонов на Na+ в качестве сопрягающего иона - более позднее эволюционное приобретение. Такая замена придает клетке устойчивость к средам с низкой концентрацией Н+ и, кроме того, внутриклеточные ферменты гораздо чувствительней к изменению концентрации Н+, чем Na+. Подтверждением такого эволюционного преобразования является факт, что внутриклеточные органеллы эукариотической клетки (митохондрии и хлоропласты) используют протонную энергетику, тогда как плазматическая мембрана - натриевую (Na+,К+-АТФаза).

К бактериальным "изобретениям" относятся и антибиотики - вещества, которые выделяются бактериями для подавления других конкурирующих бактерий, и токсины, выделяемые болезнетворными бактериями. Антибиотики часто представляют собой очень специфические ингибиторы биологических процессов. Рифомицин, образуемый бактериями Streptomyces, специфически ингибирует инициацию синтеза только про- кариотической РНК, не предотвращая связывания РНК-полимеразы с ДНК-матрицей.

Рифомицин препятствует образованию первой фосфорнодиэфирной связи в цепи РНК, но практически не влияет на элонгацию цепи. Молекула другого антибиотика – актиномицина D - имеет плоскую часть, которая проникает в двойную спираль ДНК между соседними парами Г-Ц, деформируя матрицу ДНК. Таким образом, актиномицин D ингибирует элонгацию транскрипции как у прокариот, так и у эукариот, вызывая как бы "заедание молнии". a-аманитин (продуцируемый ядовитым грибом Amanita phalloides) ингибирует синтез мРНК, осуществляемый только эукариотической полимеразой II, но не влияет на синтез РНК у прокариот. Антибиотик кирромицин связывается с EF-Tu. Такой связанный с антибиотиком фактор способен доставлять аминоацил-тРНК в А-участок рибосомы, происходит единичный акт гидролиза ГТФ, после чего EF-Tu не способен покинуть рибосому, и элонгация останавливается. Антибиотик фузидиевая кислота препятствует освобождению транслоказы [EF-G7ГДФ] у прокариот и в меньшей степени [eEF27ГДФ] у эукариот, "консервируя" рибосомы в транслоцированном состоянии. Антибиотик пуромицин настолько структурно похож на аминокислоту, присоединенную к концевому аденозину тРНК, что рибосома воспринимает его как аминоацил- тРНК. Рибосома присоединяет пуромицин к растущему белку пептидной связью, но после этого происходит преждевременное отделение растущего полипептида в форме полипептидпуромицина. Дифтерийный токсин, используя НАД в качестве кофактора, присоединяет АДФ-рибозид к eEF2. Модифицированный eEF2 не может осуществлять транслокацию рибосомы, при этом одна молекула токсина способна модифицировать такое кол-во транслоказы, которое вызывает гибель клетки. Бактерии способны отличить свою собственную ДНК от любой вторгающейся чужеродной ДНК по характерному метилированию оснований (по типу модификации).

Отличие по типу модификации делает чужеродную ДНК доступной для разрезания рестрицирующими ферментами, которые узнают отсутствие метилирующих групп в соответствующих участках ДНК. После репликации ДНК только исходная родительскаая цепь несет метильные группы, однако дочерняя цепь тоже вскоре метилируется специфическими клеточными метилазами. Таким образом, система рестрикции и модификации защищает бактериальную клетку от вторжения чужой ДНК. Метилирование у эукариот имеет совсем другую цель: узнать гены, находящиеся в различных функциональных условиях. Этот процесс не связан с рестрикцией неметилированных участков.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+