кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
прогетероцисты не способны защитить нитрогеназу от инактивирующего действия О 2 . Процесс дифференцировки на этой стадии обратим: при внесении в среду аммонийного азота прогетероцисты превращаются в вегетативные клетки, способные к делению. 38 2. На втором этапе процесс дифференцировки становится необратимым. Сформированные гетероцисты не способны к делению и не могут превращаться в вегетативные клетки. Формирование гетероцист из вегетативных клеток сопровождается глубокими ультраструктурными и функциональными перестройками. Зрелые гетероцисты окружены тремя дополнительными слоями, внешними по отношению к клеточной стенке (рис. 93). Рис. 93. Схема строения гетероцисты: 1 – клеточная стенка; 2 – цитоплазматическая мембрана; 3 – полярная цианофициновая гранула; 4 – тилакоиды; 5 – фибриллярный слой; 6 – пластинчатый слой оболочки гетероцисты; 7 – гомогенный слой; 8 – фикобилисомы; 9 – микроплазмодесмы (по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003) Гомогенный слой состоит из полисахаридов, пластинчатый – из пептидогликана муреина, для фибриллярного слоя точная химическая природа не установлена. Предполагается, что пластинчатый слой непроницаем для Н 2 О, ионов, нейтральных веществ гидрофильной природы и, возможно, для растворенных газов. Дополнительные слои, окружающие гетероцисту, в местах ее контакта с вегетативной клеткой прерываются. Перегородка, отделяющая гетероцисту от вегетативной клетки, пронизана множеством мелких каналов (микроплазмодесм), соединяющих цитоплазмы обеих клеток и обеспечивающих обмен клеточными метаболитами. В цитоплазме гетероцист в зонах контакта с вегетативными клетками располагаются светопреломляющие полярные гранулы. Терминальные гетероцисты содержат одну, а интеркалярные – две полярные гранулы. Они имеют гомогенное строение и содержат запасной полипептид цианофицин. Одновременно с ультраструктурной дифференциацией клетки происходят и биохимические изменения. В гетероцистах синтезируется фермент нитрогеназа, исчезают основные светособирающие пигменты фото-системы II – фикобилипротеины и содержащие их структуры – фикобилисомы; резко Фрагмент гетероцисты вегетативной клетки 39 снижается содержание ионов марганца – необходимого компонента системы разложения воды; утрачивается способность фиксировать СО 2 , так как в гетероцистах отсутствует рибулозо-1,5-дифос-фаткарбоксилаза в растворимой форме или внутри карбоксисом. Таким образом, в зрелых гетероцистах не функционирует фотосистема II, но сохраняется активность фотосистемы I, так как в них поддерживается значительный уровень хлорофилла и увеличивается количество фотореакционных центров этой системы. Известно, что для фиксации N 2 необходимы восстановитель в виде молекул восстановленного ферредоксина или НАДФ · Н 2 и химическая энергия в форме АТФ. Так как в гетероцистах отсутствует нециклический транспорт электронов, то они не могут обеспечивать процесс азотфиксации фотохимически образованным восстановителем и зависят в этом отношении от межклеточного переноса метаболитов. Восстановитель может или непосредственно транспортироваться из соседних вегетативных клеток в готовом виде, или же генерироваться в гетероцистах в темновых ферментативных процессах из исходного транспортируемого субстрата. Чаще всего в качестве такого субстрата служит мальтоза, которая является продуктом восстановительного пентозофосфатного цикла (цикла Кальвина). В гетероцистах мальтоза катаболизируется в окислительном пентозофосфатном пути. При этом образуется НАДФ · Н 2 . Далее водород с НАДФ · Н 2 передается на ферредоксин в реакции, катализируемой НАДФ- оксидоредуктазой. Источником АТФ служит зависимое от фотосистемы I циклическое фотофосфорилирование, в темноте – окислительное фосфорилирование. Нитрогеназная система катализирует восстановление N 2 до аммония (NH + 4 ). Последний включается в молекулу глутаминовой кислоты в реакции, катализируемой глутаминсинтетазой: В таком виде фиксированный азот транспортируется из гетероцист в вегетативные клетки, где с помощью глутаминсинтетазы осуществляется перенос аминогруппы на молекулу α-кетоглутарата: глутамин + α-кетоглутаровая кислота 2 мол. глутаминовой кислоты. Одна из молекул глутаминовой кислоты возвращается в гетероцисту для очередного акцептирования NH + 4 , другая используется в метаболических реакциях вегетативной клетки (рис. 94). глутаминовая кислота + NH + 4 + АТФ глутамин + АДФ + Ф н 40 Рис. 94. Схема обмена углеродными и азотными соединениями между гетероци- стой и вегетативной клеткой (по М. В. Гусеву и Л. А. Минеевой, 2003) Таким образом, в гетероцистах создаются специфические условия, при которых снижается парциальное давление молекулярного кислорода, и которые необходимы для функционирования нитрогеназы. Соединения углерода поступают из вегетативных клеток, а связанный азот преиму- щественно в форме глутамина возвращается к ним. Прохлорофиты Это одноклеточные или нитчатые, разветвленные или неразветвлен-ные бактерии, осуществляющие оксигенный фотосинтез. От цианобакте-рий отличаются составом пигментов и организацией фотосинтетического аппарата. Прохлорофиты относятся к порядку Prochlorales, который включает два рода: Prochloron – одноклеточные организмы и Prochlo-rothrix – нитчатые организмы. Бактерии рода Prochloron представлены клетками сферической формы без выраженного слизистого чехла. Это внеклеточные симбионты (экзосимбионты), обитающие на поверхности тела морских животных – колониальных асцидий (главным образом, дидемнид). Длительное время не удавалось культивировать данные бактерии в лабораторных условиях. Недавно было обнаружено, что зависимость от хозяина определяется потребностью бактерий рода Prochloron в аминокислотах, в частности в триптофане. Типовой (и единственный) вид – Prochloron didemni. Цикл Кальвина Мальтоза Мальтоза Глюкозо-6-фосфат НАДФ · Н 2 СО 2 Фд восст. Фд ок. Глутамин NH + 4 НАДФ · Н 2 Н 2 О О 2 СО 2 О 2 N 2 Вегетативная клетка Гетероциста АТФ Нитро- геназа 41 К роду Prochlorothrix относятся свободноживущие прохлорофиты. Они являются обитателями пресных озер и легко культивируются на минеральных средах. Это нитчатые бактерии, у которых отсутствует клеточная дифференцировка. Типовой (и единственный) вид – Prochlorothrix hollandica. Прохлорофиты осуществляют фиксацию СО 2 в цикле Кальвина. Ко- нечным продуктом углеродного обмена на свету является полисахарид, сходный с гликогеном цианобактерий. Помимо фотоавтотрофии, обнаружена способность прохлорофит к фотогетеротрофии и росту в темноте с получением энергии в процессе дыхания. Для прохлорофит показана способность фиксировать N 2 Распространение фототрофных бактерий Фототрофные, или фотосинтезирующие, бактерии – типично водные микроорганизмы, распространенные в пресных и соленых водоемах. Особенно часто они встречаются в местах, где есть H 2 S, как в мелководье, так и на значительной глубине. В почве фототрофных бактерий мало, но при затоплении ее водой они могут расти весьма интенсивно. Распространение фототрофных прокариот в природе определяют на- личием трех основных факторов: света, молекулярного кислорода и питательных веществ. Потребности в световой энергии и диапазоне длин поглощаемого света для фотосинтеза определяются набором светособирающих пигментов. Прокариоты с кислородным типом фотосинтеза поглощают свет в том же диапазоне длин волн, что водоросли и высшие растения. Пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии часто развиваются в водоемах под более или менее плотным поверхностным слоем, состоящим из цианобактерий и водорослей, эффективно поглощающих свет с длиной волны до 750 нм. Фотосинтез пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий в этих условиях связан со способностью бактериохлорофиллов поглощать свет в красной и инфракрасной областях спектра за пределами поглощения хлорофиллов. Крайняя граница этой части спектра определяется способностью бактериохлорофиллов некоторых пурпурных бактерий поглощать свет с длиной волны до 1100 нм. Некоторые фотосинтезирующие прокариоты могут расти в водоемах на глубине до 20–30 м за счет активности другой группы пигментов – каротиноидов. По отношению к молекулярному кислороду среди фототрофных про- кариот встречаются строгие и факультативные анаэробы, микроаэрофи-лы и организмы, у которых О 2 образуется внутриклеточно. 42 Значительны также различия в питательных веществах, необходимых для конструктивного и энергетического метаболизма. Они могут варьировать от сложных пищевых потребностей до практически минималь-ного уровня. Фототрофные прокариоты, особенно цианобактерии, играют значи- тельную роль в круговороте углерода и азота, а серобактерии – и серы. В настоящее время фототрофные бактерии широко используют для иссле- дования фотосинтеза в различных аспектах, особенно начальных стадий. Кроме того, пурпурные и зеленые бактерии интересны для выяснения организации фотосинтетического аппарата, путей биосинтеза пигментов, метаболизма углерода, эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих форм. Хемолитотрофные бактерии Хемолитотрофия – способ существования, обнаруженный только у прокариот, при котором источником энергии служат реакции окисления неорганических соединений. Впервые данная группа бактерий была открыта русским микробиологом С. Н. Виноградским. Хемолитотрофы могут существовать как в аэробных, так и анаэробных условиях и использовать довольно широкий круг неорганических соединений в качестве источников энергии. На основании специфичности хемолитотрофов в отношении субстратов их можно разделить на пять основных групп (табл. 11): • нитрифицирующие бактерии окисляют восстановленные неорга- нические соединения азота; • бактерии, окисляющие серу, используют в качестве источника энергии H 2 S, молекулярную серу (S 0 ) или ее частично восстановленные окислы; • железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец; • водородные бактерии используют в качестве источника энергии молекулярный водород; • у карбоксидобактерий единственный источник углерода и энергии – СО 2 К хемолитотрофным можно отнести сульфатвосстаналивающие и метанобразующие бактерии. Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию окислением в анаэробных условиях молекулярного водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат (SO − 2 4 ). Метаногенные бактерии используют CO 2 в качестве конечного акцептора электронов при окислении молекулярного водорода. Эти группы бактерий рассмотрены в гл. 6. 43 Таблица 11 Группы хемолитотрофных прокариот Группа прокариот Характеристика энергетического процесса Способность к автотрофии донор электронов акцептор электронов конечные продукты Нитрифицирующи е бактерии NH + 4 NO − 2 O 2 NO − 2 NO − 3 + Железобактерии Fe 2+ O 2 Fe 3+ + Бактерии, окисляющие серу H 2 S, S 0 , SO − 2 3 , S 2 O − 2 3 , S 3 O − 2 6 , S 4 O − 2 6 O 2 NO − 3 SO − 2 4 SO − 2 4 , NO − 2 ,N 2 + Водородные бактерии H 2 O 2 NO − 3 , NO − 2 H 2 O H 2 O, NO − 2 , N 2 + Карбоксидобактер ии CO O 2 CO 2 + Сульфатвосстанав ливающие бактерии H 2 SO − 2 4 H 2 S m (у отдельных видов) Метаногенные бактерии H 2 CO 2 CH 4 ± (у большинства видов) Нитрифицирующие бактерии Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиак, азотистая кислота). Они входят в семейство Nitrobacteriaceae, которое состоит из восьми родов. В природе процесс нитрификации проходит в две фазы, за каждую из них ответственны свои возбудители. Первую фазу – окисление солей аммония до солей азотистой кислоты – осуществляют представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira и Nitrosovibrio: NH + 4 + 1,5 O 2 NO − 2 + H 2 O + 2H + Вторую фазу – окисление нитритов в нитраты – осуществляют бактерии из родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus: NO − 2 + 1/2 O 2 NO − 3 Нитрифицирующие бактерии – грамотрицательные микроорганизмы, различающиеся формой и размером клеток. В эту группу входят бактерии с палочковидной, сферической, спиралевидной, грушевидной формой клеток. Все нитрифицирующие бактерии, кроме представителей рода Nitrobacter, размножаются бинарным делением. Бактерии, принадлежащие к роду Nitrobacter, размножаются почкованием. Среди нитрифицирующих бактерий 44 есть подвижные (с полярным или перитрихиальным жгутикованием) и неподвижные формы. Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы; большинство – облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофных прокариот. Ассимиляция СО 2 осуществляется в цикле Кальвина. Оптимальные условия для роста нитрифицирующих бактерий – температура 25–30 °С при рН 7,5–8,0. Процесс нитрификации происходит в цитоплазматической мембране. Ему предшествует поглощение амиака и перенос его через цитоплазматическую мембрану с помощью медьсодержащей транслоказы. Окисление аммиака в нитрит осуществляется в несколько этапов. На первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью моноок- сигеназы. Этот фермент катализирует присоединение к молекуле ам-миака одного атома кислорода; второй атом кислорода взаимодействует с НАД · Н 2 , что приводит к образованию Н 2 О: NH 3 + O 2 + НАД · H 2 NH 2 OH + H 2 O + НАД + Этот этап окисления является эндергоническим, так как здесь проис- ходит потребление энергии. Далее гидроксиламин с помощью гидроксиламиноксидоредуктазы окисляется до нитрита: NH 2 OH + O 2 NO − 2 + H 2 O + H + В качестве промежуточного продукта предполагается образование нитроксила: NH 2 OH HNO + 2е – + 2H + Электроны от NH 2 OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу и на конечный акцептор – молекулярный кислород. Транспорт электронов по электронтранспортной цепи, расположенной в цитоплазматической мембране, сопровождается переносом двух протонов через мембрану. Это приводит к созданию протонного градиента и в конечном итоге к синтезу молекул АТФ (в этом процессе участвует фермент АТФ-синтаза). Вторая фаза нитрификации – окисление нитрита до нитрата – катализируется молибденсодержащей нитритоксидазой. Это происходит по следующему уравнению: NO − 2 + H 2 O NO − 3 + 2H + + 2е – Электроны поступают на цитохром а 1 и через цитохром с на терми- нальную оксидазу аа 3 , где акцептируются молекулярным кислородом. При этом происходит перенос через мембрану двух протонов, что приводит к 45 синтезу АТФ. Схематически вторую фазу нитрификации можно представить следующим образом: Внешняя сторона Внутренняя сторона 2е – NO − 2 + H 2 O 2Н + с а 1 NO − 3 1/2 O 2 + 2H + 2е – H 2 O аа 3 Цитоплазматическая мембрана Таким образом, суммарно процесс окисления аммиака можно предс-тавить в следующем виде: NH 3 NH 2 OH [HNO] NO − 2 NO − 3 Энергетически выгодными являются только стадии окисления гидроксиламина в нитрит и нитрита в нитрат, так как в результате происходит образование молекул АТФ. Каким же образом у нитрифицирующих бактерий происходит обра- зование восстановителя НАД · Н 2 , который необходим для ассимиляции СО 2 в цикле Кальвина? Поскольку субстраты (аммиак, нитриты), которые окисляют нитрифицирующие бактерии, обладают сильно положительным окислительно-восстановительным потенциалом, который для пары NH + 4 / NH 2 OH составляет +899 мВ, для пары NO − 2 / NO − 3 – +420 мВ, а окислительно- восстановительный потенциал НАД / НАД · Н 2 имеет отрицательную величину -320 мВ, то окисление NH + 4 или NO − 2 по термодинамическим причинам не может быть прямо связано с восстановлением НАД. Образование НАД · Н 2 в таком случае происходит за счет функционирования обратного транспорта электронов, который имеется у нитрифицирующих бактерий наряду с прямым транспортом по дыхательной цепи. Обратный транспорт электронов сопровождается затратой энергии. Схематически перенос электронов у нитрифицирующих бактерий можно представить следующим образом: 46 Неорганические доноры электронов NO − 2 , NH 3 H 2 е – Цепь переноса электронов НАД О 2 е – е – Обратный транспорт, Прямой транспорт, сопровождающийся приводящий к получению энергии затратами энергии NO − 2 , NО − 3 Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа (озера, моря, океаны) и в почвах, где они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата нитрификации – аммиака. Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитратную способствует обед- нению почвы азотом, так как нитраты как весьма растворимые соединения легко вымываются из почвы. В то же время известно, что нитраты – это хорошо используемый растениями источник азота. Кроме того, связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа. Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении разного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. д.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствующий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты. |