Microbiology

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 много кратно сшиты между собой.

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 амилопектина. 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 амилопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее (путем образования 1,6-связей); у бактерий он встречается, видимо, чаще, чем крахмал. Гликоген 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 микро скопе 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 не растворимого 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, А). У факультативных анаэробов и строгих аэробов она накапливается, когда клетки испытывают недостаток O₂ и переходят на брожение; поэтому ее можно рассматривать как полимерный внутриклеточный продукт брожения. В аэробных условиях этот продукт может быть снова вовлечен в метаболизм как источник энергии и угле рода 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 не посредственно 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 орторомбическую 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 Sphaerotilusnatans, можно рассматривать как продукты обезвреживания сероводорода, часто присутствующего в местах обитания этих организмов.

Другие клеточные включения. У Bacillus thuringiensis и родственных видов (В. laterosporus, B. medusa) рядом со спорами можно бывает видеть кристаллоподобные включения - 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 особенности фототрофные, 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. Аноксигенные (не выделяющие О₂) 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. Плавучесть этих организмов, по-видимому, достаточна для того, чтобы они могли находиться во взвешенном состоянии в холодном (более тяже лом) 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 О₂) 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 субъеди ниц с молекулярной массой 14*10³. 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 рибулозобисфосфаткарбоксилаза. Карбоксисомы найдены у Nitrosomonas, Thiobacillus и многих цианобактерий.