кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Аноксигенный фотосинтезхарактерен для пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий, в клетках которых содержатся пигменты для функционирования только одной фотосистемы, а в процессе фотосинтеза кислород не выделяется, хотя фотореакции у них различаются. Рассмотрим фотореакции у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий. Энергия, поглощенная светособирающими пигментами (бактериохлорофиллом и каротиноидами) передается бактериохлорофиллу фотохимического реакционного центра. Первичным акцептором электронов служит бактериофеофитин а или b. Далее электроны возвращаются с участием ряда переносчиков электронтранспортной цепи на молекулы бактериохлорофилла фотореакционного центра. В результате такого циклического транспорта электронов синтезируется энергия, аккумулируемая в молекулах АТФ. Восстановительная сила (НАД · Н 2 или НАДФ · Н 2 ) Фотосистема I Фотосистема II П 700 * П 680 * П 680 П 700 Феоф ПХ ПХ FeS комплекс b 6 /f ПЦ c 553 Свет Свет А 1 FeS Фд Фп НАДФ + НАДФ · Н 2 Фвд Фд Н 2 О 1/2О 2 е – е – е – е – +1000 0 –1000 Е 0 , мB Протонный градиент 27 образуется в результате обратного транспорта электронов (переноса против электрохимического градиента) по электронтранспортной цепи за счет энергии, генерируемой в процессе циклического транспорта электронов. Это темновой процесс, донорами электронов которого являются экзогенные вещества (Н 2 S, тиосульфат, молекулярный водород, органические соединения) (рис. 86). Рис. 86. Организация фотосинтетического аппарата у пурпурных бактерий: б/хл – бактериохлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; Фп – флавопротеин; MX – менахинон; УХ – убихинон; b, с, с 552 , с 555 – цитохромы Таким образом, у пурпурных и зеленых нитчатых бактерий имеется циклический транспорт электронов, в процессе которого образуется АТФ, и обратный транспорт электронов, при котором синтезируется восстановитель НАД · Н 2 или НАДФ · Н 2 У зеленых серобактерий и гелиобактерий в результате фотохимической реакции одного типа индуцируется как циклический транспорт электронов, б/хл а* или b* б/хл а или b П 870 или П 960 б/феоф а или b МХ или УХ МХ b/с с 555 Фп НАД + с 552 с 552 /Фп S 2– Е 0 , мB –1000 0 +1000 свет е – 28 приводящий к образованию АТФ, так и нециклический, при котором образуется восстановитель (рис. 87). Рис. 87. Организация фотосинтетического аппарата у зеленых серобактерий: б/хл – бактериохлорофилл; б/феоф – бактериофеофитин; FeS – железосеросодержащий белок; Фд – ферредоксин; Фп – флавопротеин; MX – менахинон; b, с, с 553 – цитохромы Таким образом, в процессе фотохимических реакций у различных представителей фототрофных бактерий образуются молекулы АТФ и восстановителей НАД · Н 2 или НАДФ · Н 2 . Эти первые стабильные продукты фотосинтеза используются в конструктивном метаболизме бактерий для ассимиляции углекислого газа (фотоавтотрофы) и других соединений (фотогетеротрофы). б/хл а* П 663 * б/хл а П 840 FeS Фд МХ b/с Фп НАД + с 553 с S 2– Е 0 , мB –1000 0 +1000 свет е – b 29 Пурпурные бактерии Пурпурные бактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез и относятся к классу Anoxyphotobacteria. Общим для всех представителей пурпурных бактерий является то, что компоненты фотосинтетического аппарата находятся в тилакоидах. В большинстве случаев типичным для данной группы бактерий хлорофиллом является бактериохлорофилл а. Все эти бактерии способны фиксировать CO 2 в цикле Кальвина. Многие пурпурные бактерии проявляют способность к азотфиксации. Группа пурпурных бактерий в настоящее время насчитывает более 50 видов. Все пурпурные бактерии – одноклеточные микроорганизмы разной морфологии (рис. 88). Размеры их колеблются от 1 до 20 мкм в длину и от 0,3 до 6 мкм в ширину. Среди пурпурных бактерий есть неподвижные и подвижные формы. Движение осуществляется с помощью одного или пучка жгутиков, расположенных обычно полярно. Большинство пурпурных бактерий размножается бинарным делением, некоторые ви-ды – почкованием. Все пурпурные бактерии окрашиваются отрицательно по Граму. Рис. 88. Основные морфологические типы пурпурных бактерий: А – несерные пурпурные бактерии: 1 – Rhodospirillum; 2 – Rhodomicrobium; 3 – Rhodobac-ter sphaeroides; 4 – Rhodocyclus; 5 – Rhodopseudomonas palustris; Б – пурпурные серобактерии: 6 – Ectothiorhodospira; 7 – Thiospirillum; 8 – Chromatium; 9 – Thiocystis; 10 – Thiodictyon; 11 – Thiocapsa (по В. М. Горленко, Г. А. Дубининой, С. И. Кузнецову, 1977) По способности использовать в качестве доноров электронов элементарную серу в группе пурпурных бактерий выделяют два семейства: пурпурные серные (Chromatiaceae) и пурпурные несерные (Rhodospirillaceae) бактерии. 30 Все представители пурпурных серных бактерий могут расти при освещении в анаэробных условиях на минимальной среде, содержащей в качестве единственного источника углерода СО 2 , используя H 2 S в качестве донора электронов. Таким образом, для серных бактерий основной способ существования – фотолитоавтотрофия. Многие виды используют для этой цели молекулярную серу (S 0 ), сульфит (SO − 2 3 ), тиосульфат (S 2 O − 2 3 ), молекулярный водород. Сульфид окисляется последовательно до молекулярной серы, далее до сульфата(SO − 2 4 ), при этом капли серы, окруженные белковой мембраной, временно откладываются в периплазматическом пространстве. Это происходит в результате того, что окисление H 2 S до S 0 превосходит скорость последующего окисления S 0 до SO − 2 4 Для большинства пурпурных несерных бактерий характерен фотоорганогетеротрофный образ жизни. Донорами электронов и источниками углерода в процессе фотосинтеза являются жирные кислоты, спирты, углеводы, аминокислоты. Некоторые пурпурные несерные бактерии растут при освещении на минеральной среде, используя в качестве донора электронов H 2 S, S 2 O − 2 3 , или S 0 . В большинстве случаев сульфид окисляется только до молекулярной серы, никогда не откладывающейся в клетке, но в отдельных случаях возможно последующее окисление S 0 до сульфата. В группе пурпурных несерных бактерий обнаружено большое разнообразие метаболических путей, связанных с получением энергии. Многие представители этой группы способны расти в темноте в микроаэрофильных или аэробных условиях, получая энергию в процессе дыхания. У них активно функционирует замкнутый цикл Кребса, гликолитический путь и другие пути катаболизма органических соединений. Представители рода Rhodobacter способны к хемоавтотрофии. Они растут на минеральной среде в темноте при пониженной концентрации О 2 , используя энергию, получаемую при окислении молекулярного водорода, для ассимиляции СО 2 . У представителей рода Rhodobacter обнаружена также способность к росту в анаэробных условиях за счет окисления органических соединений в процессе нитратного дыхания. Кроме того, для ряда пурпурных несерных бактерий показана способность расти анаэробно в темноте, осуществляя сбраживание органических субстратов (углеводы, пируват и др.). Таким образом, можно заключить, что для пурпурных несерных бактерий источниками энергии могут быть фотосинтез, аэробное дыхание, анаэробное дыхание и брожение. 31 Зеленые бактерии Зеленые бактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез и относятся к классу Anoxyphotobacteria. В группе зеленых бактерий выделяют зеленые серные (Chlorobiaceae) и зеленые нитчатые (Chloroflexaceae). Все зеленые серные бактерии – грамотрицательные одноклеточные неподвижные микроорганизмы (рис. 89). Клетки мелкие (0,3–1,2 х 0,5–2,7 мкм), палочковидные, яйцеобразные или слегка изогнутые. Размножение осуществляется бинарным делением. В качестве запасного вещества зеленые серные бактерии накапливают гликогеноподобный полисахарид. Поли-β- гидроксимасляная кислота не обнаружена. Рис. 89. Основные морфологические формы зеленых серобактерий: 1 – Chlorobium limicola; 2 – Chlorobium vibrioforme; 3 – Prosthecochloris aestuarii; 4 – Pelodictyon lutecium; 5 – Pelodictyon clathratiforme; 6 – Clathrochloris sulfurica; 7 – Ancalochloris perfilievii (по В. М. Горленко, Г. А. Дубининой, С. И. Кузнецову, 1977) Зеленые серные бактерии являются строго анаэробными фотолитоавтотрофами. В качестве доноров электронов они используют H 2 S или другие восстановленные неорганические соединения серы, а также молекулярный водород. Получающаяся при окислении H 2 S элементарная сера до окисления ее до сульфата откладывается вне клетки. Многие из них нуждаются в витамине В 12 . Как правило, зеленые серные бактерии способны фиксировать молекулярный азот. По всем вышеперечисленным свойствам они похожи на пурпурные серные бактерии. Действительно, пурпурные и зеленые серные бактерии обычно сосуществуют в освещенной, богатой сульфидами анаэробной водной среде и области их распространения в значительной степени перекрываются. Однако эти две группы заметно различаются по используемым ими источникам углерода. Ни один из видов зеленых серных бактерий не может расти фотогетеротрофно, имея в качестве единственного и основного источника углерода органические соединения, если в среде отсутствуют неорганические восстановители (пурпурные серные могут использовать и органические 32 источники углерода). Зеленые серные бактерии не имеют рибулозо-1,5- дифосфаткарбоксилазы, поэтому они не могут фиксировать СО 2 в цикле Кальвина. Они фиксируют СО 2 в цикле Арнона, в котором СО 2 фиксируется на органических кислотах с образованием конечного продукта – щавелевоуксусной кислоты (для сравнения, конечный продукт цикла Кальвина – глюкоза, гликоген и другие углеводы). Зеленые нитчатые бактерии представляют собой передвигающиеся путем скольжения организмы, состоящие из множества палочковидных клеток, которые называются трихомами и достигают в длину 100– 300 мкм (рис. 90). У некоторых видов трихомы окружены слизистым чехлом. Все описанные представители семейства Chloroflexaceae имеют типичную грамотрицательную клеточную стенку, но не ригидную, а гибкую, обеспечивающую скользящее движение со скоростью 0,1–0,4 мкм/с. Клетки размножаются поперечным бинарным делением. Кроме того, как и все нитчатые формы, зеленые скользящие бактерии размножаются путем отделения небольшой части трихома. Рис. 90. Основные морфологические формы зеленых скользящих бактерий: 1 – Chloroflexus aurantiacus; 2 – Chloronema giganteum; 3 – Oscillochloris chrysea (по В. М. Горленко, Г. А. Дубининой, С. И. Кузнецову, 1977) Физиолого-биохимическая характеристика зеленых нитчатых бактерий основана на данных, полученных для одного из представителей этой группы – Chloroflexus aurantiacus, поскольку остальные не получены к настоящему времени в чистой культуре. Нитчатые зеленые бактерии C. aurantiacus являются факультативными анаэробами и фототрофами. На свету они растут в аэробных и анаэробных условиях в присутствии разнообразных органических соединений: углеводов, спиртов, органических кислот и аминокислот. В темноте рост возможен только в аэробных условиях. Таким образом, органические соединения используются этим организмом несколькими путями: в качестве источников углерода, источников энергии и доноров электронов. 33 Зеленые нитчатые бактерии практически не способны к фототрофному росту на СО 2 и Н 2 и, следовательно, эти бактерии являются, скорее, фотогетеротрофами. Фотоассимиляция СО 2 у Chloroflexus aurantiacus происходит в цикле Кальвина, на что указывает обнаруженный у них активный фермент рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза. Метаболизм органических углеродных соединений осуществляется в результате функционирования полного цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного цикла. Попытки обнаружить у данных бактерий способность к фиксации молекулярного азота пока не дали положительных результатов. Гелиобактерии Гелиобактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез благодаря наличию в клетках единственного бактериохлорофилла g, который не обнаружен у других бактерий с бескислородным типом фотосинтеза. В клетках гелиобактерий, кроме бактериохлорофилла g, имеется небольшое количество каротиноидов. Гелиобактерии являются единственными грамположительными фототрофами, способными к образованию настоящих эндоспор. Описаны два вида, различающиеся морфологически: Heliobacterium chlorum – одиночные длинные палочки (1,0 х 7,0–10 мкм), способные передвигаться скольжением, и Heliobacillus mobilis – короткие палочковидные формы с перитрихиально расположенными жгутиками. Гелиобактерии – облигатные фототрофы. Рост возможен только на свету в анаэробных условиях. Источниками углерода могут служить некоторые органические кислоты (уксусная, молочная, масляная, пировиноградная). Фиксация СО 2 осуществляется в цикле Кальвина. Дыхательный метаболизм отсутствует. Гелиобактерии – активные азотфиксаторы. Они обитают в почвах и содовых озерах. Цианобактерии Цианобактерии еще недавно рассматривали как синезеленые водо-росли – особый тип низших растений. Сходство синезеленых водорослей с бактериями было отмечено давно. В 1875 г. Ф. Кон объединил их с бактериями в отдел Schyzophyta – растения-дробянки, т. е. растения, разм- ножающиеся бинарным делением. В 1978 г. Н. Гиббонс и Р. Меррей, основываясь на ряде свойств, отнесли синезеленые водоросли к прокариотам, а Р. Стейниер пред-ложил отказаться 34 от названия «синезеленые водоросли» и ввести термин «цианобактерии», что обусловлено рядом специфических свойств: • наличием клеточной стенки, состоящей из пептидогликана муреи-на; • отсутствием мембраны, отделяющей наследственный материал от цитоплазмы; • наличием рибосом 70S-типа; • способностью развиваться при температуре выше 55 ºС; • способностью фиксировать молекулярный азот; • наличием в ряде случаев аэросом и карбоксисом – цитоплазматических включений, встречающихся только у прокариот; • сходством с другими эубактериями по спектрам чувствительности к антибиотикам. Цианобактерии – морфологически разнообразная группа грамотица- тельных прокариот, включающая одноклеточные, колониальные и мно- гоклеточные формы. Клетки могут быть сферическими, палочковидными или изогнутыми, одиночными или образующими скопления, удерживаемые совместно после ряда делений с помощью окружающего их общего чехла. Многоклеточные формы имеют нитевидное строение. Нити (трихомы или филаменты) бывают простые или ветвящиеся. Простые нити состоят из одного ряда клеток, имеющих одинаковые размеры, форму и строение, или клеток, различающихся по этим параметрам. Ветвящиеся трихомы возникают в результате нескольких механизмов, в связи с чем различают ложное и истинное ветвление. К истинному ветвлению приводит способность клеток трихома делиться в разных плоскостях, в результате возникают многорядные трихомы или однорядные нити с однорядными боковыми ветвями. Ложное ветвление трихомов не связано с особенностями деления клеток внутри нити, а есть результат прикрепления или соединения нитей под углом друг к другу. Для разных представителей этой группы прокариот характерна спо- собность к скользящему движению, осуществляющемуся по твердому субстрату без помощи жгутиков. Основной способ размножения цианобактерий – последовательное бинарное деление. Однако при определенных условиях вегетативная клетка генетически предрасположена к дифференциации в специализи-рованную репродуктивную структуру. Это нанноциты, баеоциты и экзо-споры у одноклеточных представителей и гормогонии и гормоцисты у нитчатых цианобактерий. Нанноциты образуются в результате ряда последовательных делений материнской клетки, не сопровождающихся ростом дочерних клеток. 35 Баеоциты образуются в результате многократного деления клеток внутри общей дополнительной оболочки-чехла, в результате которого образуется спорангий с мелкими баеоцитами. Последние освобождаются после разрыва оболочки спорангия. Освобождающиеся баеоциты окружены либо только обычной для цианобактерий клеточной стенкой грамотрицательного типа, либо имеют дополнительный внешний чехол. Баеоциты могут быть подвижными и неподвижными. Образование экзоспор происходит также путем деления клетки внутри чехла. При этом наблюдается непрерывное последовательное отчленение спор от апикальной части материнской клетки. Базальная часть продолжает расти и, достигнув исходных размеров, делится с образованием экзоспоры. Гормогонии представляют собой фрагменты трихома, отделившиеся от материнской нити и обладающие подвижностью. Гормоцисты, или гормоспоры, – короткие ряды гранурованных клеток, окруженные самостоятельным плотным толстым слизистым чехлом. В настоящее время цианобактерии разделены на пять порядков, различающихся морфологическими признаками: Chroococcales, Pleurocapsales (одиночные клетки или колонии), Oscillatoriales, Nostocales и Stigonematales (многоклеточные нитчатые формы). Одноклеточные формы цианобактерий отличаются друг от друга способом размножения. Размножение бинарным делением в одной или более плоскостях или почкованием характерно для представителей порядка Chroococcales. Цианобактерии, входящие в порядок Pleurocapsales, размножаются множественным делением или чередованием бинарного и множественного деления (рис. 91). Рис. 91. Микрофотографии одноклеточных цианобактерий: А – Chroococcales; Б – Pleurocapsales (из «The Japanese Fresh-water Algae, 1977»; http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Prokaryotes/Chroococcaceae/) Б А 36 В основе деления на порядки многоклеточных форм цианобактерий лежит способность нитей к ветвлению, а также морфология и строение клеток, из которых они образованы. Цианобактерии, входящие в порядок Oscillatoriales, имеют неветвящиеся трихомы, состоящие из одного ряда только вегетативных клеток. Рост трихома осуществляется делением клеток в одной плоскости. Неветвящиеся трихомы характерны также для цианобактерий порядка Nostocales. Однако их трихомы, помимо вегетативных клеток, содержат гетероцисты и иногда акинеты. Отличительным признаком цианобактерий порядка Stigonematales является способность вегетативных клеток трихома к делению более чем в одной плоскости, приводящему к появлению многорядных трихомов или трихомов с истинным ветвлением (рис. 92). Рис. 92. Микрофотографии нитчатых цианобактерий: А – Oscillatoriales; Б – Nostocales; В – Stigonematales (из «The Japanese Fresh-water Algae, 1977»; http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Prokaryotes/Chroococcaceae/) Подавляющее большинство цианобактерий является облигатными фототрофами, т. е. могут расти только за счет энергии солнечного света. При этом для них характерен фотосинтез, основанный на функцио-нировании двух фотосистем с использованием Н 2 О в качестве донора электронов и сопровождающийся выделением молекулярного кислорода. Образующиеся в процессе фотосинтеза АТФ и НАДФ · Н 2 используются далее в темновых реакциях для фиксации СО 2 в цикле Кальвина. В качестве первого стабильного продукта этого цикла идентифицирован гликоген. Помимо этого пути, у цианобактерий обнаружена активность фосфоенолпируваткарбоксилазы, что позволяет им ассимилировать СО 2 путем карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислотой. В настоящее время у многих представителей цианобактерий обнаружена способность к бескислородному фотосинтезу, когда функционирует только фотосистема I. Активность ассимиляции CO 2 за счет этого процесса низка и составляет несколько процентов от скорости ассимиляции СО 2 в условиях функционирования обеих фотосистем. А Б В 37 Обнаружение у цианобактерий бескислородного фотосинтеза позволяет ликвидировать «разрыв», существующий между фотосинтезом пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий и кислородным фотосинте-зом цианобактерий, прохлорофит и эукариотических организмов. Способность цианобактерий переключаться при изменении условий с одного типа фотосинтеза на другой служит иллюстрацией гибкости их светового метаболизма. Это имеет важное экологическое значение для цианобактерий. Хотя подавляющее большинство цианобактерий могут расти, используя только энергию света, т. е. являются облигатными фототрофами, в природе они часто находятся в условиях темноты. В темноте у цианобак-терий обнаружен активный эндогенный метаболизм, энергетическим субстратом которого служит запасенный на свету гликоген. В качестве основного пути катаболизирования последнего идентифицирован окислительный пентозофосфатный путь. Другой возможный путь получения цианобактериями в темноте энергии – гликолиз. Цианобактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез, могут получать энергию в темноте в процессе анаэробного дыхания при наличии в среде серы. При этом происходит перенос электронов на молекулярную серу, восстанавливая ее до сульфида. Установлено, что у таких цианобактерий цикл Кребса «не замкнут» из-за отсутствия α-кетоглута-ратдегидрогеназы. Среди цианобактерий широко распространена способность к азот- фиксации. Это обеспечивается наличием нитрогеназной активности, которая в свою очередь зависит от содержания в среде связанного азота и молекулярного кислорода. Связанный азот репрессирует синтез и ингибирует активность нитрогеназы, молекулярный кислород быстро инактивирует фермент. Проблема фиксации молекулярного азота в аэробных условиях у циа- нобактерий решена путем формирования дифференцированных клеток – гетероцист, в которых чувствительный к молекулярному кислороду ап-парат фиксации молекулярного азота отделен от кислородовыделяющего фотосинтетического аппарата с помощью определенных ультраструк-турных и биохимических перестроек. При отсутствии в среде связанного азота некоторые клетки нитчатых цианобактерий превращаются в гетероцисты. Образование гетероцист происходит за 24 ч и может быть разделено на два этапа: 1. Формирующиеся на первом этапе |