Микроорганизмы - объекты биотехнологии

Обычная толщина жгутика — 10—20 нм, длина — от 3 до 15 мкм. У некоторых  бактерий длина жгутика может  на порядок превышать диаметр  клетки. Как правило, полярные жгутики  более толстые, чем перитрихиальные. Жгутик представляет собой относительную жесткую спираль, обычно закрученную против часовой стрелки. Вращение жгутика также осуществляется против часовой стрелки с частотой от 40 до 60 об/с, что вызывает вращение клетки, но в противоположном направлении. Поскольку клетка намного массивнее жгутика, она вращается со значительно меньшей скоростью — порядка 12—14 об/мин. Вращательное движение жгутика преобразуется также в поступательное движение клетки, скорость которого в жидкой среде для разных видов бактерий составляет от 16 до 100 мкм/с.

Изучение строения жгутика под  электронным микроскопом обнаружило, что он состоит из трех частей. Основную массу жгутика составляет длинная  спиральная нить (фибрилла), у поверхности  клеточной стенки переходящая в  утолщенную изогнутую структуру—крюк. Нить с помощью крюка прикреплена  к базальному телу, вмонтированному  в ЦПМ и клеточную стенку. У  большинства прокариот нить состоит  только из одного типа белка — флагеллина. Белковые субъединицы уложены в виде спирали, внутри которой проходит полый канал. Наращивание жгутика происходит с дистального конца, куда субъединицы поступают по внутреннему каналу. У некоторых видов жгутик снаружи дополнительно покрыт чехлом особого химического строения или же являющимся продолжением клеточной стенки и, вероятно, построенным из того же материала.

Крюк (толщина 20—45 нм) состоит из белка, отличающегося от флагеллина, и служит для обеспечения гибкого соединения нити с базальным телом. Базальное тело содержит 9—12 различных белков и представляет собой систему из двух или четырех колец, нанизанных на стержень, являющийся продолжением крюка. Два внутренних кольца (M и S) — обязательные составные части базального тела, в то время как наружные кольца (Р и L) отсутствуют у грамположительных эубактерий и, следовательно, не необходимы для движения. M-кольцо локализовано в ЦПМ, S-кольцо располагается в периплазматическом пространстве грамотрицательных или в пептидогликановом мешке грамположительных эубактерий.

 Рис. 10. Клетка Salmonella typhimurium в состоянии покоя (А) и при движении (Б). Стрелками показано направление вращения и движения клетки

Кольца Р и L, имеющиеся только у грамотрицательных эубактерий, локализованы соответственно в пептидогликановом слое и в наружной мембране. Особенности строения базального тела определяются, таким образом, строением клеточной стенки. Интактность последней необходима для движения жгутиковых бактерий. Обработка клеток лизоцимом, приводящая к удалению пептидогликанового слоя клеточной стенки, вызывает и потерю способности бактерий к движению, хотя жгутики остаются при этом неповрежденными.

Предполагают, что вращение жгутика  определяется вращением M-кольца. Другие кольца базального тела неподвижны и  служат для крепления стержня, проходящего  через клеточную стенку грамотрицательных эубактерий. У грамположительных эубактерий эту функцию в основном выполняет многослойный жесткий пептидогликановый мешок.

Большие успехи достигнуты в расшифровке  механизма движения прокариот, имеющих жгутики. Если в клетке много жгутиков. все они при движении собираются в пучок, вращаясь в одном направлении. Вращение жгутиков передается клетке, начинающей вращаться в противоположном направлении, и обеспечивает эффективное движение (плавание) в жидкой среде и более медленное перемещение по поверхности твердых сред.

Для работы двигательного аппарата прокариот необходима энергия. Установлено, что движение жгутиковых прокариот  обеспечивается энергией трансмембранного электрохимического потенциала (DmH+), причем обе его составляющие — электрическая (Dy) и концентрационная (DpH) — поддерживают движение. Скорость вращения жгутиков прямо зависит от величины мембранного потенциала. Таким образом, прокариотная клетка обладает механизмом, позволяющим превращать электрохимическую форму энергии непосредственно в механическую. Молекулярное устройство, обеспечивающее это превращение, к настоящему времени не выяснено, но можно полагать, что оно должно быть весьма эффективным, так как, по проведенным расчетам, энергия, расходуемая на движение, составляет десятые доли процента от общего количества энергетических потребностей клетки.

 Рис. 11. Клетка спирохеты в продольном (А) и поперечном (Б) разрезе. На рис. А изображена клетка, содержащая по одной аксиальной фибрилле у каждого конца; на рис. Б — поперечный разрез, прошедший через среднюю часть клетки, где показаны два пересекающихся пучка, состоящих из множества аксиальных фибрилл: 1 — протоплазматический цилиндр; 2 — наружный чехол; 3 — аксиальные фибриллы; 4 — место прикрепления аксиальных фибрилл; 5 — пептидогликановый слой клеточной стенки; 6 — ЦПМ.

Необычная локализация структур, ответственных  за движение, описана у спирохет. Трехслойная структура, окружающая клетку и называемая у спирохет наружным чехлом, аналогична наружной мембране клеточной стенки грамотрицательных эубактерий. Этот чехол окружает так называемый протоплазматический цилиндр, состоящий из пептидогликанового слоя клеточной стенки, ЦПМ и цитоплазматического содержимого. Протоплазматический цилиндр обвивается пучком нитчатых структур — аксиальных фибрилл. Число их колеблется от 2 до 100. Один конец каждой аксиальной фибриллы прикреплен вблизи полюса протоплазматического цилиндра, другой— свободный. Клетка содержит по два набора фибрилл, прикрепленных субполярно у каждого клеточного конца. Так как каждая аксиальная фибрилла тянется почти вдоль всей длины клетки, пучки фибрилл, прикрепленных у разных полюсов, в центральной части перекрываются.

Мембраны

Содержимое клетки отделяется от клеточной  стенки цитоплазматической мембраной (ЦПМ) — обязательным структурным  элементом любой клетки, нарушение  целостности которого приводит к  потере клеткой жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8—15% сухого вещества клеток. У большинства прокариотных клеток ЦПМ — единственная мембрана. В клетках фототрофных и ряда хемотрофных прокариот содержатся также мембранные структуры, располагающиеся в цитоплазме и получившие название внутрицитоплазматических мембран. Их происхождение и функции будут рассмотрены ниже.

Химический состав мембран. ЦПМ  — белково-липидный комплекс, в котором  белки составляют 50–75%, липиды —  от 15 до 45%. Кроме того, в составе  мембран обнаружено небольшое количество углеводов. Как правило, липиды и  белки составляют 95% и больше вещества мембран. Главным липидным компонентом  бактериальных мембран являются фосфолипиды — производные 3-фосфоглицерина. Хотя у прокариот найдено множество различных фосфолипидов, набор их в значительной степени родо- и даже видоспецифичен. Широко представлены в бактериальных мембранах различные гликолипиды. Стерины отсутствуют у подавляющего большинства прокариот, за исключением представителей группы микоплазм и некоторых бактерий. Так, в ЦПМ Acholeplasma содержится 10–30% холестерина, поглощаемого из внешней среды, от общего содержания мембранных липидов. Из других групп липидов в мембранах прокариот обнаружены каротиноиды, хиноны, углеводороды.

 Рис. 12. Структура основных фосфолипидов мембран эубактерий.

R1 и R2 — остатки длинноцепочечных  жирных кислот, образующих гидрофобный  "хвост" молекулы; R3 может быть  остатком глицерина, его производных,  этаноламина, инозита и других соединений. Эта часть составляет гидрофильную "голову" молекулы. Простейшим фосфолипидом является фосфатидная кислота, не имеющая R3-остатка, связанного с фосфорной кислотой сложноэфирной связью. 1 — общая структура фосфолипида; 2 — фосфатидилглицерин; 3 — дифосфатидилглицерин (кардиолипин); 4 — фосфатидилинозит; 5 — фосфатидилэтаноламин; 6 — фосфатидилсерин .

Все липиды эубактерий — производные глицерина — содержат один или несколько остатков жирных кислот, состав которых весьма своеобразен. В основном это насыщенные или мононенасыщенные жирные кислоты с 16—18 углеродными атомами. Полиненасыщенные жирные кислоты у эубактерий отсутствуют. Исключение составляют цианобактерии, у разных видов которых найдены полиненасыщенные жирные кислоты типа C16:2, C18:2, C18:3, C15:4. Помимо обычных жирных кислот, т. е. обнаруживаемых и в клетках эукариот, в составе мембранных липидов эубактерий находят и кислоты, не встречающиеся, как правило, в мембранах эукариот. Это циклопропановые жирные кислоты, содержащие одно или больше трехчленных колец, присоединенных вдоль углеводородной цепи. Другие, редко встречающиеся и обнаруженные практически только у эубактерий кислоты — это разветвленные жирные кислоты с 15—17 углеродными атомами.

Набор жирных кислот в мембранных липидах также чрезвычайно видоспецифичен. У некоторых грамположительных эубактерий C15-жирная кислота с разветвленной цепью может составлять до 90% всех жирных кислот липидов. Главная функция липидов — поддержание механической стабильности мембраны и придание ей гидрофобных свойств.

Особый состав липидов обнаружен  в мембранах архебактерий. У них не найдены типичные для эубактерий эфиры глицерина и жирных кислот, но присутствуют эфиры глицерина и высокомолекулярных С20-, С40-спиртов, а также нейтральные изопреноидные С20—С30-углеводороды.

На долю белков приходится больше половины сухой массы мембран. К  мембранам с наиболее высоким  содержанием белка относятся  бактериальные ЦПМ. При изучении их белкового состава не было обнаружено какого-либо универсального структурного белка. ЦПМ Escherichia coli содержит 27 основных и множество минорных белков, но ни один из основных белков не присутствует в преобладающих количествах. Поскольку ЦПМ прокариот многофункциональна и участвует в осуществлении разнообразных ферментативных процессов, был сделан вывод, что мембранные белки — это, как правило, ферменты. По аминокислотному составу мембранные белки не отличаются от других клеточных белков, за исключением того, что в них содержится мало (иногда следы) цистеина.

В некоторых бактериальных мембранах  в значительных количествах обнаружены углеводы. По-видимому, они содержатся не в свободном состоянии, а входят в состав гликолипидов и гликопротеинов.

Структура мембран. Мембранные липиды всех эубактерий и части архебактерий образуют бислои, в которых гидрофильные "головы" молекул обращены наружу, а гидрофобные "хвосты" погружены в толщу мембраны (рис. 15). Углеводородные цепи, прилегающие к гидрофильным "головам", довольно жестко фиксированы, а более удаленные части "хвостов" обладают достаточной гибкостью. У некоторых архебактерий (ряд метаногенов, термоацидофилы) мембранные липиды, в состав которых входит C40-спирт, формируют монослойную мембрану, по толщине равную бислойной. Монослойные липидные мембраны обладают большей жесткостью сравнительно с бислойной. При "биологических" температурах мембранные липиды находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии, характеризующемся частичной упорядоченностью структуры. При понижении температуры они переходят в квазикристаллическое состояние. Чем более ненасыщены и разветвлены остатки жирных кислот или чем большее число циклических группировок они содержат, тем ниже температура перехода из жидкостно-кристаллического состояния в квазикристаллическое.

"Жидкая" структура мембран  обеспечивает определенную свободу  молекул белков, что является  необходимым для осуществления  процессов транспорта электронов  и веществ через мембрану. Это  же свойство обусловливает высокую  эластичность мембран: они легко  сливаются друг с другом, растягиваются  и сжимаются.

 Рис. 13. Модель строения элементарной биологической мембраны: 1 — молекулы липидов: а — гидрофильная "голова"; б — гидрофобный "хвост"; 2 — молекулы белков: в — интегральная; г — периферическая; д — поверхностная.

В отличие от липидов у мембранных белков нет единого способа структурной  организации. 30–50% белка имеет конфигурацию a-спирали, остальная часть находится  преимущественно в виде беспорядочного клубка. Вероятно, часть белков лишена ферментативной активности и участвует  только в поддержании мембранной структуры. В то же время доказано, что для осуществления белками  некоторых функций необходима их строго упорядоченная взаимная организация  в мембране.

В зависимости от расположения в  мембране и характера связи с  липидным слоем мембранные белки  условно можно разделить на три  группы: интегральные, периферические и поверхностные. Интегральные белки  полностью погружены в мембрану, а иногда пронизывают ее насквозь. Связь интегральных белков с мембранными  липидами очень прочна и определяется главным образом гидрофобными взаимодействиями. Периферические белки частично погружены  в гидрофобную область, а поверхностные  находятся вне ее. В первом случае связь с липидами в основном, а во втором — исключительно определяется электростатическими взаимодействиями. Помимо этого некоторые белки и липиды в мембране могут быть связаны ковалентно.

Предложено несколько моделей  строения мембраны. Наибольшее признание получила модель, учитывающая большинство данных, известных о мембранах, согласно которой в липидную основу включены асимметрично расположенные белковые молекулы. Некоторые из них образуют скопления на поверхностях липидного би- или монослоя, другие частично или полностью погружены в него, третьи пронизывают его насквозь. В модели подчеркнута асимметрия строения мембраны, основанная на различиях в химическом строении и расположении молекул белка.

Функции ЦПМ прокариот. ЦПМ прокариот  выполняет разнообразные функции, в основном обеспечиваемые локализованными  в ней соответствующими ферментными  белками. Первоначально была постулирована  барьерная функция клеточной  мембраны, получившая позднее экспериментальное  подтверждение. С помощью специальных  переносчиков, называемых транслоказами, через мембрану осуществляется избирательный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов. В ней локализованы ферменты, катализирующие конечные этапы синтеза мембранных липидов, компонентов клеточной стенки и некоторых других веществ.