18

І. Мета.

Навчальна: сформувати у студентів знання про рухомі реакції мікроорганізмів на дію факторів зовнішнього середовища; розуміння понять адгезія бактеріальних клітин; цілісність уявлень про механізми бактеріальної адгезії та її роль у виживанні бактерій.

Розвиваюча мета: навчити студентів розрізняти механізми адгезії у різних бактерій по відношенню до особливостей їхнього існування.

ІІ. Методи, прийоми, засоби:

Методи, прийоми передачі та обміну словесною інформацією:

• розповідь;

• діалог.

Методи, прийоми переконування:

• апеляція до висловлювань відомих людей;

• наведення доказів;

Методи, прийоми розвитку мислительних дій:

• порівняння;

• розрізнення;

• аналогія;

• узагальнення;

• дедукція;

• індукція;

ІІІ. Наочність: мультимедійна презентація з таблицями, малюнками та графіками..

Технічні засоби навчання: ноутбук, проектор.

ІV. Основні питання лекції:

1. Рухомі реакції мікроорганізмів на дію факторів зовнішнього середовища.

2. Адгезія бактеріальних клітин.

V. Рекомендована література:

Основна:

1. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. - JI.: Изд-во ЛГУ, 1989. - 248 с.

2. Экология микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова.- М.: Академия, 2004,- 272 с.

3. Патика В.П., Омельянець Т.Г., Гриник І.В., Петриченко В.Ф. Екологія мікроорганізмів.- К.:Основа, 2007.- 192

Додаткова:

1. Петров С.А., Запорожченко О.В., Галкін Б.М., Філіпова Т.О., Чернадчук С.С. Ферменти захисту і агресії мікроорганізмів. − Одеса : Фенікс, 2011. – 118 с.

2. Кашнер Д. Життя мікробів в екстремальних умовах. Пер. з анг. / Д.Кашнер. – М.: Світ, 1981. – 511 с.

3. Бухарин О.В. Механізми виживання бактерій / Бухарин О.В.,Гинцбург О.Л., Романова Ю. М. та інших. - М.: Медицина, 2005. – 367 с.

4. Заварзин Г.А. Природоведческая мікробіологія / Заварзин Г.А., Колотилова М.М. – М.: Книжковий будинок «Університет», 2001. – 256 з.

Vі. Основні питання, що розглядаються під час лекції:

1. Загальна характеристика рухомих реакцій мікроорганізмів на дію факторів зовнішнього середовища. Фото-, магніто- та хемотаксис.

2. Адгезія бактеріальних клітин.

3. Види та механізми бактеріальної адгезії.

3.1. Неспецифічна адгезія

3.2. Тимчасова адгезія

3.3. Специфічна адгезія

4. Значення адгезії для бактерій.

Хід лекції:

І. Вступна частина(до10 хв.)

Доброго дня! Мене звати Марія Іванівна, я сьогодні читатиму вам лекцію.

На минулій лекції ми з вами розглядали кислотність та активність води, як важливі фактори існування мікроорганізмів у природі. Давайте пригадаємо:

1. Яке значення рН прісної води?

2. В яких межах рН можуть рости прокаріоти?

3. Як поділяють мікроорганізми по відношенню до рН, назвіть представників цих груп?

4. Як поділяють мікроорганізми по відношенню до показника активності води?

Сьогоднішньою темою буде:

1. Загальна характеристика рухомих реакцій мікроорганізмів на дію факторів зовнішнього середовища.

Багато прокаріотів характеризуються рухомістю і здатністю переміщатися в певному напрямі, тобто мають здатність до таксису. Вони можуть рухатися в напрямку сприятливіших умов (позитивний таксис) або уникати несприятливих умов (негативний таксис). Здатність до активного руху мають не всі види бактерій, але всі рухомі види, очевидно, здатні до таксису.

Таксис − це орієнтований рух активно рухомих організмів у напрямку до атрактанту (позитивний таксис) або віддалення від репеленту (негативний таксис). Тип переміщення позначають термінами фоботаксис (реакція уникнення) і топотаксис (реакція руху до чого-небудь); у прокаріотів переважає хемотаксис (реакція на зміну концентрації розчинених речовин); аеротаксис (реакція на зміну концентрації кисню); осмотаксис (реакція на зміну осмолярності); фототаксис (реакція на зміну освітленості); термотаксис (реакція на зміну температури); тігмотаксис (реакція на механічні чинники); гальванотаксис (реакція на зміну сили електричного струму) і магнітотаксис (реакція на зміну магнітного поля). У бактерій виявлений віскозитаксис – рух в сторону збільшення або зменшення в’язкості середовища.

Отже, рухомі бактерії можуть реагувати на приваблюючі або відштовхуючі подразники, така поведінка називається − таксисом.

Речовини, які викликають таксис у бактерії, називають ефекторами. Серед них розрізняють атрактанти – речовини, які приваблюють бактерій, і репеленти – які відлякують бактерій.

Фототаксис — тип таксису, властивий клітинам мікроорганізмів, які можуть рухатися у напрямку або від джерела світла, бактерії реагують на зміну спектрального складу світла або освітленості. Бактеріальні клітини, яким властивий фототаксис, різко змінюють напрям руху, якщо попадають з більш освітленої ділянки в менш освітлену або зовсім неосвітлену. Це вигідно для фототрофних організмів, оскільки вони можуть орієнтуватися в просторі по відношенню до джерела світла і ефективніше використовувати світло в процесі фотосинтезу.

Види позитивного фототаксису, що спостерігаються у бактерій.

Перший — «скотофототаксис» (від слова «скотофобія») — спостерігається тільки під мікроскопом. Він відбувається, коли бактерія плаває випадково в освітленій області, але коли вона залишає її, бактерія змінює напрямок руху і знову входить до освітленої області. Другий вид фототаксису — дійсний фототаксис — проявляється у направленому русі у напрямку градієнту освітлення.

У деяких умовах спостерігається негативний фототаксис ─ рух у бік зменшення освітлення. Подібні реакції визначають як фотофобні. Зміна сили світла може привести до зміни швидкості руху бактерій, це явище визначають як фотокінез.

Магнітотаксис – рух бактерій за силовими лініями магнітного поля Землі або магніту, зумовлений наявністю в спеціальних гранулах ─ магнітосомах, великої кількості заліза (до 0,4 % сухої речовини) у вигляді феромагнітного окису.

Це явище виявлене у деяких коків та спірил. Відомими є бактерії − мікроаерофільні хемогетеротрофи Aquaspirillum magnetotacticum. Магнітобактерії зустрічаються в морських маршах (наносні грунти, утворені з морських відкладів, переважно на узбережжях Північного моря та Атлантичного океану), заболочених прісних водоймах, ставках для очищення стічних вод, тобто у водоймах з стоячою водою. Їх кількість може бути досить значною: так, в області дії постійного магніту, піднесеного до проб води або мулу із очисного ставка, може зібратися і до 10⁶ ─ 10⁷ клітин таких бактерій в мілілітрі води. Клітини магнітобактерій мають магнітосоми ─ кубічні або октаедричні кристали магнетиту. Магнітосоми розміщені біля місць прикріплення джгутиків.

Хемотаксис − здатність до направленого руху в бік збільшення або зменшення концентрації певних речовин.

Вивченню хемотаксису бактерій протягом декількох останніх десятиліть були присвячені численні дослідження. Як було встановлено, ще в ІX ст. Пфеффером, Енгельманом, Сталем та іншими дослідниками, прокаріоти проявляють реакцію таксису у відповідь на різноманітні подразники. Пфеффер продемонстрував у експерименті, що рухливі бактерії збираються біля кінчика капіляра, якщо він містить атрактант, наприклад розчин вуглеводів, амінокислот і неорганічних іонів, але віддаляються від капіляра, якщо розчин містить репелент, наприклад розчин слабких органічних кислот або інших шкідливих речовин. Для цієї реакції рухомих організмів на хімічні сполуки, на відміну від реакцій на інші чинники, Пфеффер запропонував термін хемотаксис.

Вивчення бактеріального хемотаксису відновив в 1960-х рр. Й. Адлер. Він використовував в якості об’єктів ентеробактерії і застосовував генетичний, біохімічний та фізіологічний підходи. У світловому мікроскопі джгутики бактерій рухаються в рідкому середовищі і вони невиразні, однак можна визначати зміну пробіжок і перекидів по зигзагподібної траєкторії їх руху. Коли клітина переміщається в напрямку зростання концентрації атрактанта (тобто вгору по градієнту), перекидання стають рідшими. Репеленти викликають зворотний ефект − їх додавання збільшує частоту перекидань, тоді як забирання зменшує. Завдяки цьому механізму клітини триваліший час рухаються в сприятливому напрямку, а переорієнтацію клітини, що рухається в невірному напрямку, забезпечує саме перекидання . Таким чином, регуляція частоти перекидань є головним моментом в цій формі хемотаксису (фоботаксису). Коли суспензію нестимульованих бактерій швидко змішують з розчином атрактанту, перекидання відразу пригнічується, хоча градієнт концентрації відсутній. Бактерії в цьому випадку до 5 хв. можуть рухатись в одному напрямку. Такий експеримент показує, що бактерії здатні «пам’ятати» про відсутність атрактанта до змішування і «відчувають» його високу концентрацію після змішування. Вони ведуть себе так, ніби рухались в напрямі збільшення градієнта концентрації, що вказує на наявність механізму пам’яті. Клітини наче вимірюють концентрацію атрактанта, «запам’ятовують» її, знову вимірюють, порівнюють з попередньою і таким способом «відчувають», рухаються вони в сприятливому напрямку або несприятливому.

Як і більшість інших біологічних сенсорних систем, бактерії реагують не на абсолютну концентрацію, а на зміну концентрації речовини. Вони повинні послідовно адаптуватися до вищої концентрації речовини, щоб визначити ще більш високу її концентрацію. Ця адаптація призводить до того, що клітини в описаних експериментах із змішуванням через деякий час повертаються до тієї частоти перекидів, яка була у нестимульованих клітин, хоча дія (висока концентрація атрактанта) зберігається. Якщо суспензію таких адаптованих клітин швидко розвести середовищем, яке не містить атрактантів (що еквівалентно переміщенню в сторону зменшення градієнта), частота перевертань у них тимчасово зростає, поки не відбудеться адаптація до нових умов.

За відсутності градієнта концентрації ефекторів клітина рухається більш-менш прямо протягом 1−2 с, потім протягом секунди перекидається і потім знову рухається по прямій вже в іншому, випадковому напрямку. Таким чином, в русі клітин спостерігаються періоди плавання й перевертання. В результаті останнього відбувається переорієнтація клітин і виникає картина активної, але неупорядкованої міграції клітин. Прямолінійний рух бактерій забезпечується обертанням їх джгутиків проти годинникової стрілки. Здатність клітини реагувати на зміну концентрації ефекторів визначається наявністю у бактерій специфічних хеморецепторів. У E. coli знайдено більше 30 різних рецепторів, специфічних до вуглеводів, амінокислот, спирту, і до 10 тис. копій кожного з рецепторів. Рецептори представляють собою білки, вони синтезуються переважно в присутності індуктора. Специфічність рецептора визначається його здатністю утворювати комплекси тільки з певними, звичайно з хімічно спорідненими речовинами.

Деякі рецептори, наприклад, рецептори галактози, мальтози і рибози у E. coli, являються периплазматичними білками і одночасно як білки-переносники беруть участь у транспорті цих вуглеводів. Рецепторами для інших вуглеводів, наприклад, глюкози у E. coli, можуть бути відповідні ферменти ІІ-В-фосфотрансферазної системи транспорту, які є інтегральними мембранними білками. Амінокислотні рецептори ─ також інтегральні білки цитоплазматичної мембрани, але вони не беруть участь в транспорті відповідних амінокислот. Деякі мембранні білки мають декілька функціонально різних рецепторних ділянок. Відомі рецептори, що реєструють зміни мембранного потенціалу ─ протометри. Під впливом специфічного ефектора змінюється конформація макромолекули рецептора, і останній переходить в збуджений стан. Якщо ефектором є хімічна речовина, то утворюється комплекс атрактант − рецептор (або репелент − рецептор). Зв’язавшись з субстратом, рецептор формує комплекс з метилакцепторним білком (МАБ) цитоплазматичної мембрани. У E. coli виявлено три метилакцепторні білки. Сигнал, потрапляючи на МАБ, впливає на рівень метилювання цього білка. У E. coli поява в середовищі атрактанта підвищує рівень метильованості МАБ, а поява репеленту − знижує цей рівень. Метилювання здійснюється ферментом метилтрансферазою, яка переносить метильну групу з S-аденозилметіоніну на білок і метилює один з його радикалів. МАБ може деметилюватись метилестеразою. Період часу, протягом якого змінюється рівень метилювання, називається часом адаптації бактерій до нової концентрації речовини. Коли рівень метилювання білка більше не змінюється, бактерія повертається до свого звичайного ненаправленого руху, тобто клітина адаптувалася до нової ситуації. Взаємодія процесів метилювання і деметилювання, мабуть, визначає частоту перекидань клітини, хоча конкретні механізми перенесення сигналу з МАБ на мотор джгутика залишаються невідомими.

В умовах складного середовища з різноспрямованими градієнтами різних ефекторів бактерії здатні узагальнювати сигнали, реагуючи відповідно до отриманого результату. У багатьох випадках доцільність хемотактичних реакцій бактерій безсумнівна. Так, для клітин Vibrio alginolyticus, що мешкає на морських водоростях, атрактантами є гліколева кислота, акрилова кислота та диметилсульфід − звичайні компоненти виділень водоростей. Фітопатогенних бактерій Erwinia amylovora, збудників м’якої гнилі, приваблюють виділення клітин рослин, які вони переважно інфікують. Клітини Xanthomonas oryzae реагують на воду, взяту з плантації культури рису, чутливого до цього патогену, хоча специфічний хемоаттрактант поки що не встановлений. Клітини Rhizobium sp. приваблюються багатьма речовинами, що виділяються корінцями бобових: цукри, амінокислоти, спеціальні глікопротеїни. Рухливі клітини здатні за 1 день мігрувати в грунті на відстань до 2 см. Хемотаксис полегшує представникам роду Rhizobium зараження бобових рослин. Клітини патогенного для риб штаму Aeromonas приваблюють слизові виділення риб, а патогенів Vibrio cholerae, E. coli, Salmonella typhimurium – слизові виділення епітелію кишківника тварин, що збільшує ймовірність їх успішного прикріплення до його поверхні. Маловірулентні штами V. cholerae і Pseudomonas aeruginosa часто не здатні до хемотаксису.

Перераховані вище приклади свідчать про адаптивне значення атракції бактерій. Разом з тим доцільність реакцій хемотаксису не настільки очевидна. Атрактанти не завжди служать їжею, а репеленти не завжди шкідливі. Наприклад, для E. сoli ацетат є репелентом, але може бути використаний в якості їжі. Тому ефектори, важливі не самі по собі: їх концентраційні градієнти свідчать про певні зміни екологічної ситуації.