:  

Запасные вещества и другие внутринлеточные включения

Печать E-mail
 

 

У многих микроорганизмов в определенных условиях среды внутри клеток откладываются вещества, которые можно рассматривать как за­пасные,-полисахариды, жиры, полифосфаты и сера. Эти вещества на­капливаются, если в питательной среде содержатся соответствующие исходные соединения, но вместе с тем рост бактерий ограничен или во­обще невозможен из-за недостатка каких-то отдельных компонентов питания или присутствия ингибиторов. Запасные вещества содержатся в клетках в осмотически инертной форме-они нерастворимы в воде. При условиях, благоприятных для роста, когда в этих веществах возни­кает потребность, они снова включаются в метаболизм. Запасные поли­сахариды, нейтральные жиры и поли-В-гидроксимасляная кислота могут служить источниками как энергии, так и углерода. Поэтому при отсут­ствии внешних источников энергии они могут продлить время суще­ствования клетки, а у спорообразующих видов-создать условия для образования спор даже в отсутствие экзогенных субстратов. Полифосфаты могут рассматриваться как резервный источник фосфата, а запас­ная сера-как потенциальный донор электронов.

Полисахариды. Запасные углеводы микроорганизмов еще мало изу­чены. У некоторых микробов при помощи цветной реакции с раствором Люголя удается идентифицировать крахмал (синяя окраска) или глико­ген (коричневая окраска). Запасные полисахариды, в отличие от полиса­харидов клеточной стенки, все образуются из a-D-глюкозы; молекулы глюкозы связаны между собой 1,4-а-гликозидными связями и много­кратно сшиты между собой (см. также рис. 14.2).

Благодаря a-глюкозидным связям полиглюкозные цепи не вытянуты в длину, а закручены винтообразно. Крахмал, который у растений от­кладывается в форме крахмальных зерен, состоит из амилозы и амило-пектина. Доля амилозы составляет 20-30% (по весу). Именно этот ком­понент ответствен за синее окрашивание с иодом; эта реакция основана на встраивании иода в витки спирали (реакция включения).

Крахмалоподобное соединение у клостридиев получило название «гранулозы» или «иогена». Клетки Clostridium butyricum почти целиком заполнены мелкими гранулами этого вещества; свободен от них только тот полюс клетки, где образуется спора. Клетки Acetobacter pasteurianus и многих видов Neisseria содержат крахмал.

Гликоген, называемый также «животным крахмалом», сходен с ами-лопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее (путем образования 1,6-связей); у бактерий он встречается, видимо, чаще, чем крахмал. Гли-

 

Image

 

 

Image

коген обнаружен также у дрожжей и других грибов, у бацилл (Bacillus polymyxa), у Salmonella, Escherichia coli (рис. 2.41) и других Enterobacteriaceae, у Micrococcus luteus и Arthrobacter.

Жироподобные вещества. В качестве включений в клетках микроорга­низмов часто встречаются гранулы и капельки жира. В световом микро­скопе они видны благодаря тому, что сильно преломляют свет; их мож­но также окрашивать липофильными красителями-Суданом III или Суданом черным В.

«Суданофильные» гранулы многих бактерий состоят из поли-Р-гидроксимасляной кислоты-полиэфира, растворимого в хлороформе, но не­растворимого в эфире и состоящего примерно из 60 остатков р-гид-роксибутирата. Доля этого вещества в сухой биомассе может достигать 80%.  Поли-Р-гидроксимасляную кислоту  образуют  многие  аэробные бактерии (рис. 2.42), а также цианобактерии и анаэробные фототрофные бактерии (рис. 2.43, Л). У факультативных анаэробов и строгих аэробов она накапливается, когда клетки испытывают недостаток 02 и перехо­дят на брожение; поэтому ее можно рассматривать как полимерный внутриклеточный продукт брожения. В аэробных условиях этот продукт

 

Image

может быть снова вовлечен в метаболизм как источник энергии и угле­рода и использован в процессе дыхания.

Нейтральные жиры (триглицериды), в особенно больших количествах откладывающиеся в вакуолях дрожжей и других грибов, сходны с жира­ми высших организмов. Дрожжи (Candida, Rhodotorula) могут накапли­вать до 80% жиров по отношению к сухому веществу.

Микобактерии, нокардии и актиномицеты накапливают в клетках иные жироподобные вещества и часто даже выделяют их в среду. Мико­бактерии могут содержать до 40% восков (сложные эфиры жирных кис­лот с длинной цепью и спиртов).

Содержание запасных жиров определяется составом питательной среды (высоким отношением C/N), и эти жиры могут быть выделены не­посредственно из клеток. Количества других липидных соединений от состава среды почти не зависят. Эти липиды освобождаются лишь по­сле гидролиза белков и полисахаридов и представляют собой компо­ненты липопротеинов, входящих в состав плазматической мембраны и внутренних мембран, и липополисахаридов.

Полифосфаты. Многие бактерии и зеленые водоросли способны на­капливать фосфорную кислоту в виде гранул полифосфата. Такие гра­нулы были впервые описаны у Spirillum volutans, поэтому их называют волютиновыми  гранулами; другое  их  название-«метахроматические гранулы» - обусловлено тем, что они вызывают характерное изменение цвета (метахромазию) у некоторых красителей (метиленового синего, толуидинового синего). Эти гранулы состоят в основном из полифосфа­тов с длинной цепью типа соли Грэма (полиметафосфат натрия); часто находимые при анализах циклические метафосфаты являются, по-види­мому, артефактами, возникающими при распаде полифосфатов.

Волютиновые гранулы играют роль фосфатных депо, за счет ко­торых клетка может при недостатке фосфора в среде осуществить еще несколько делений. Как источники энергии полифосфаты играют второ­степенную роль.

Сера. У многих бактерий, окисляющих сульфид до сульфата, сера временно сохраняется в виде шариков, сильно преломляющих свет. Се­ра, накопленная внутри клеток, так же как и выделенная клеткой нару­жу, находится в жидком состоянии и постепенно переходит в свою ор-торомбическую модификацию. Количество накопляемой серы зависит от содержания сероводорода в окружающей среде: при отсутствии H2S сера окисляется до сульфата. Для аэробных серных бактерий (Beggiatoa, Thiothrix, Achromatium, Thiovulum; рис. 2.44) сера служит источником энергии, а для анаэробных. фототрофных пурпурных серобактерий (Chromatium)-донором электронов. Включения серы, встречающиеся иногда у цианобактерий и Sphaerotilus natans, можно рассматривать как продукты обезвреживания сероводорода, часто присутствующего в ме­стах обитания этих организмов.

 

Image

Другие клеточные включения. У Bacillus thuringiensis и родственных видов (В. laterosporus, B. medusa) рядом со спорами можно бывает ви­деть кристаллоподобные включения (см. рис. 3.6)-параспоральные тельца, состоящие из протоксина. Протоксин растворяется в кишечном соке чувствительных к нему насекомых (гусениц), и освобождающийся при этом токсин разрушает кишечный эпителий, что приводит к гибели гусеницы. Полученные из этих бацилл препараты, токсичные лишь для немногих групп насекомых, уже с успехом применяются для биологиче­ской борьбы с вредителями.

Газовые вакуоли. Многие водные бактерии, в особеннгсти фото-трофные, но также и бесцветные (Pelonema, Peloploca), галобактерии (Halobacterium halobium) и некоторые клостридии содержат газовые ва­куоли. Они придают клеткам способность изменять свою среднюю плотность и оставаться взвешенными в воде. Благодаря такой способ­ности некоторые бактерии могут в стратифицированных озерах дер­жаться в определенном слое воды с оптимальными условиями для их роста, не прибегая к активному движению с помощью жгутиков. Анок-сигенные (не выделяющие 02) фототрофные бактерии, в том числе пур­пурные (Lamprocystis, Amoebobacter, Thiodictyori) и зеленые (Pelodictyon), растут в водоемах в анаэробной зоне (в гиполимнионе) непосредственно под слоем температурного скачка-термоклином (см. рис. 17.1). Плаву­честь этих организмов, по-видимому, достаточна для того, чтобы они могли находиться во взвешенном состоянии в холодном (более тяже­лом) слое воды гиполимниона, но не обеспечивает им подъемной силы, которая позволяла бы им держаться в теплом (более легком) слое воды над термоклином. Оксигенные (т.е. выделяющие 02) цианобактерии (Oscillatoria agardhii, Aphanizomenon flos-aquae, Microcystis aeruginosa) про­цветают в слоях выше термоклина. Плавучесть их, по-видимому, регу­лируется с помощью фотосинтеза, тургора клеток, а также путем изме­нения числа и величины газовых пузырьков.

Каждая газовая вакуоль представляет собой скопление газовых пузырьков (везикул). Эти пузырьки имеют веретенообразную форму (цилиндры с коническими концами). Их оболочка состоит не из обыч­ной мембраны, а из чистого белка, обладающего складчатой структу­рой ; толщина ее составляет всего лишь 2 нм. На фотографиях можно различить ребра, расположенные на цилиндрической части пузырька подобно обручам на бочке. Оболочка построена из белковых субъеди­ниц с молекулярной массой 14-Ю3. Белковые молекулы, очевидно, ориентированы таким образом, что внутренняя сторона стенки оказы­вается гидрофобной, а наружная-гидрофильной. В клетке имеется мно­жество газовых пузырьков, расположенных параллельно друг другу. В световом микроскопе такое скопление газовых пузырьков (т.е. газо­вая вакуоль) имеет вид оптически пустого участка, сильно преломляю­щего свет.

Карбоксисомы. В клетках некоторых автотрофных бактерий имеются карбоксисомы. Это полиэдрические образования величиной с головку фага, в которых (иногда наряду с небольшим количеством ДНК) содер­жится фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза. Карбоксисомы най­дены у Nitrosomonas, Thiobacillus и многих цианобактерий.

 
« Пред.   След. »