Морфологические и цитологические особенности

Содержание

 

 

  
Введение

 

Миксобактерии (лат. Myxococcales) — порядок класса дельта-протеобактерий. Миксобактерии распространены в почвах, способны к скользящему движению и обладают относительно большими для бактерий геномами, состоящим из 9—10 миллионов пар нуклеотидов. Sorangium cellulosum (Polyangium cellulosum) обладает геномом в 13 с лишним миллионов пар нуклеотидов, на 2007 год это был самый крупный из известных бактериальных геномов.

Миксобактерии образуют специфические колонии-швармы, способные передвигаться по поверхности среды. Колонии миксобактерий синтезируют многочисленные экзоферменты (лизоцим, протеазы и целлюлазы). Из-за того, что миксобактерии совместно разрушают органические субстраты, в том числе и бактерии других видов, их часто сравнивают с волчьей стаей.

При недостатке питательных субстратов на твёрдой поверхности и при числе клеток не менее 105 запускается особый цикл развития, включающий в себя формирование плодового тела и миксоспор. При голодании каждая клетка синтезирует определённое количество т. н. А-фактора. При большом числе клеток достигается пороговый уровень концентрации (около 10 мкмоль/л) и начинается образование плодового тела, которое регулируется С-фактором (белок с массой 17 кДа).

 

Морфологические и  цитологические особенности

 

Миксобактерии и цитофаги – это грамотрицательные скользящие бактерии, которые относят соответственно к порядкам Myxobacteriales и Cytophagales.

Грамотрицательные бактерии — это бактерии, которые не окрашиваются кристаллическим фиолетовым при окрашивании по Граму. В отличие от грамположительных бактерий, которые сохранят фиолетовую окраску даже после промывания обесцвечивающим растворителем (спирт), грамотрицательные полностью обесцвечиваются. После промывания растворителем при окрашивании по Граму добавляется контрастный краситель (обычно сафранин), который окрашивает всех грамотрицательных бактерий в красный или розовый цвет. Это происходит из-за наличия внешней мембраны, препятствующей проникновению красителя внутрь клетки. Сам по себе тест полезен при классификации бактерий и разделении их на две группы относительно строения их клеточной стенки. Из-за своей более мощной и непроницаемой клеточной стенки грамотрицательные бактерии более устойчивы к антителам чем грамположительные.

Обычно патогенность грамотрицательных бактерий связывают с определёнными компонентами их клеточных стенок, а именно, с липополисахаридным слоем (ЛПС или эндотоксический слой). В человеческом организме ЛПС вызывает иммунный ответ, который характеризуется синтезом цитокинов и активацией иммунной системы. Обычной реакцией на синтез цитокинов является воспаление, что также может привести к увеличению количества токсичных веществ в организме хозяина.

Общие признаки, свойственные большинству грамотрицательных бактерий:

Наличие двух мембран, между которыми находится клеточная стенка и периплазматическое пространство

Более тонкий, по сравнению с грамположительными бактериями, пептидогликановый слой

Наружная мембрана содержит липополисахариды (состоит из липида А, полисахаридного ядра и антигена О снаружи и из фосфолипидов изнутри)

В наружной мембране присутствуют порины, функционирующие подобно порам для определённых молекул

S-слой прикреплен к  наружной мембране, а не к пептидогликановому  слою

Если есть жгутик, он имеет четыре поддерживающих кольца, а не два

Отсутствуют тейхоевая и липотейхоевая кислоты

Обычно не образуют спор (примечательным исключением является Coxiella burnetii, образующая спороподобные структуры)

Липопротеины прикреплены непосредственно к полисахаридной основе.

Большинство содержат липопротеин Брауна, который связывает наружную мембрану и цепочки пептидоглюканов ковалентной связью.

Химический состав и структура клеточных покровов

Далее рассмотрены слои клеточных покровов грамотрицательных прокариотов, начиная с самого внутреннего:

Клеточная стенка

У грамотрицательных эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грамположительных. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. Для разных видов грамотрицательных эубактерий содержание этого гетерополимера колеблется в широких пределах. У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру, характеризующуюся весьма редкими поперечными связями между гетерополимерными цепями.

Некоторые скользящие бактерии (миксобактерии, флексибактерии) способны в процессе перемещения по твердому субстрату периодически менять форму клеток, например путем изгибания, что говорит об эластичности их клеточной стенки, и в первую очередь ее пептидогликанового слоя. Электронно-микроскопическое изучение, однако, обнаружило у них клеточную стенку, типичную для грамотрицательных эубактерий. Наиболее вероятное объяснение гибкости клеточной стенки этих бактерий — чрезвычайно низкая сшитость ее пептидогликанового компонента [ 25, с. 92].

Периплазматическое пространство

Появление у грамотрицательных эубактерий дополнительной мембраны в составе клеточной стенки фактически привело к созданию обособленной полости (периплазматического пространства), отграниченной от цитоплазмы и внешней среды специфическими мембранами и несущей важную функциональную нагрузку. Периплазматическое пространство, куда погружен пептидогликановый слой. заполнено раствором, в состав которого входят специфические белки, олигосахариды и неорганические молекулы. Периплазматические белки представлены двумя типами: транспортными белками и гидролитическими ферментами.

Было обнаружено также, что многие бактерии способны в больших количествах вырабатывать ферменты (гликозидазы, протеазы, липазы и проч.), гидролизующие все типы полимерных молекул. Последними могут быть как молекулы, синтезируемые самой клеткой, так и чужеродные, попавшие в клетку извне. Отрицательные последствия гидролиза собственных молекул (самопереваривание) очевидны. В то же время прокариоты нуждаются в гидролитических ферментах, так как это расширяет круг используемых ими веществ, включая в него полимеры разного типа. Становится понятна необходимость изолирования этих ферментов от цитоплазматического содержимого. Грамположительные эубактерии выделяют гидролитические ферменты во внешнюю среду, у грамотрицательных — они локализованы в периплазматическом пространстве.

Внешняя мембрана

Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30—40 % ее поверхности и локализованный во внешнем слое.

Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки представлены небольшим числом различных видов, но составляют почти 80 % всех белков наружной мембраны. Одна из функций этих белков — формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1-15 нм и длиной 50-70 нм, наклонённых к поверхности клеточной стенки по углом 30-40°. Через них осуществляется неспецифическая диффузия молекул с массой до 600—900 Да. Это означает, что через такие поры могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Белки, пронизывающие наружную мембрану насквозь и образующие гидрофильные поры, называют поринами. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов. Их основная функция — транспортная и рецепторная. Примером минорных белков могут служить белки, ответственные за специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений.

Разнообразные функции выполняют макромолекулы, локализованные частично или полностью на внешней стороне клеточной стенки, контактирующей с окружающей средой; это специфические рецепторы для фагов и колицинов; антигены; макромолекулы, обеспечивающие межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов.

S-слой и осцилиновые  фибриллы

S-слой или зубчатый  слой — слой из волоскоподобных фибрил, находится за пределами наружной мембраны в клеточной стенке цианобактерий способных к скольжению. Похожие на волоски фибриллы верхнего слоя состоят из стержнеподобного гликопротеина, называемого осцилин.

Скольжение происходит посредством секреции слизи через поры на внешнюю сторону клеточных покровов. Слизь проходит вдоль поверхности из осцилиновых фибрил наружного слоя клетки и по расположенному рядом субстрату, продвигая фибриллы вперёд. Совокупность организованных волоскоподобных фибрилл таким образом, действует как пассивный винт, в то время как слизь проходит по их поверхности в процессе скольжения.

К этому порядку относят грамотрицательных бактерий, вегетативные клетки которых обладают большой гибкостью и способны к скользящему движению в слизи, продуцируемой ими в большом количестве. Клетки имеют палочковидную или веретенообразную форму с острыми концами. Большинство миксобактерии - аэробы, гетеротрофы.

Аэробные микроорганизмы осуществляют окисление белков, жиров, углеводов и других сложных органических соединений, входящих в состав растительных и микробных остатков, до аммиака, воды и углекислого газа. Важная роль в превращении органических веществ принадлежит также грибам и актиномицетам. Минерализации подвергаются не только органические остатки растительного и животного происхождения, но и специфические органические вещества почвы — ее гумус.

Аэробной стабилизации могут быть подвергнуты избыточный активный ил и сырой осадок из первичных отстойников. На стабилизацию лучше направлять неуплотненный избыточный активный ил, продолжительность аэрации которого составляет 7—10 сут. За. это время распад беззольного вещества ила составляет 20—30%, а удельный расход воздуха 1 м3/(м3-ч). В результате аэробной стабилизации активного ила достигается также снижение бактериальных загрязнений: бактерий кишечной палочки—на 95—99%, а всего бактерий сапрофитов—на 25—60%. При последующем отстаивании стабилизированного ила в течение 1,5—2 ч он уплотняется до влажности 98% и имеет удельное сопротивление фильтрации порядка 100—200-1010 см/г [32, с. 121].

Аэробное дыхание — процесс, обратный «нормальному» фотосинтезу (см. словесную формулу фотосинтеза, приведенную выше). С помощью этого процесса все высшие растения и животные, а также большинство бактерий и простейших получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. В итоге завершенного дыхания образуются СО2, Н2О и вещества клетки, однако процесс может идти не до конца и в результате такого незавершенного дыхания образуются органические вещества, еще содержащие некоторое количество энергии, которая может быть в дальнейшем использована другими организмами.

Аэробные бактерии имеют систему цитохромов — пигментированных окислительно-восстановительных ферментов. Благодаря цитохромам аэробные бактерии могут в качестве конечного акцептора водорода использовать кислород воздуха.

Существенным отличием миксобактерии от истинных бактерий является их способность передвигаться за счет активного сгибания тела (жгутики отсутствуют). Такая особенность строения (эластичная клеточная стенка) свойственна простейшим животным организмам. Другой особенностью миксобактерии является образование плоских стелющихся по поверхности слизистых колоний, образующих выросты - псевдоплазмодий. Многие из них способны к образованию плодовых тел, напоминающих плодовые тела простейших. Эти тела, имеющие причудливую форму, но небольшие размеры (около 7 мм), являются разновидностью колониальной формы (рис. 1) и представляют собой стадию образования цист.

Рис.1. 1- Myxococcus stipitatus (высота колонии 0,1 мм); 2 – Podangium erectum (высота 50 мкм); 3 -  Myxococcus fulvus (высота 150 мкм); 4 – Chondromyces sp. (высота 0,5 мм)

 

Систематическое положение миксобактерии до сих пор вызывает споры. Одни специалисты их считают родственными сине-зеленым водорослям, другие - простейшим.

Как бы ни обстояло дело с таксономией, но та группа микроорганизмов со скользящим движением, которая образует плодовые тела, в цикле своего развития претерпевает смену форм, сходную со сменой форм у простейших: стадии роения и образования цист. На стадии псевдоплазмодия миксобактерии размножаются путем поперечного деления, выделяя обильную слизь, в которой живут и перемещаются. Эта стадия продолжается 1-7 дней, после чего палочки начинают образовывать скопления, растущие над поверхностью субстрата. У некоторых видов палочки передвигаются в верхней части этих сложных структур. Там палочки укорачиваются, переходя в состояние покоящихся клеток. У миксококков они, например, становятся овальными, окрашиваются в темный цвет, приобретают толстые оболочки и становятся похожими на хламидоспоры (микроцисты) (рис. 2). При увлажнении покоящиеся вегетативные клетки прорастают и снова переходят к стадии псевдоплазмодия [ 15, с. 109.

Рис. 2. Цикл развития  миксобактерий  из рода Chondromyces (по Щлегелю, 1972)

 

Истинные миксобактерии, образующие плодовые тела, представлены в природе следующими родами: миксококкус (Myxococcus), сорангиум (Sorangium), хондромицес (Chondromyces), хондрококкус (Chondrococcus), архангиум (Archangium), полиангиум (Polyangium), мелитангиум (Melittangium), подангиум (Podangium), стелангиум (Stelangium), синангиум (Synangium), ангиококкус (Angiococcus).

По способности к скользящему движению, форме клеток с миксобактериями сходны два рода целлюлозоразлагающих бактерий - цитофага (Cytophaga) и спороцитофага (Sporocytophaga). Эти бактерии не образуют плодовых тел. Веретенообразные вегетативные клетки Sporocytophaga могут переходить в кокковидные микроцисты.