3.3.2. Мембрани прокарют

3.3.2.1. Цитоплазматична мембрана. Юптина будь- якого оргашзму мютить pi3Hi мембрани, що розрвняються морфоло- пчно та функщонально. Безпосередньо пщ юптинною стшкою роз- мыцена цитоплазматична мембрана (плазматична мембрана, плазмалема).

Ця мембрана покривае цитоплазму. У ж игл юптини вона мае ве- лике значения, виконуючи роль не тшьки структурного морфолопч- ного компонента. Мембрана е осмотичним бар'ером оргашзму, який регулюе осмотичний тиск усередиш юптини. Через мембрану здшс- нюеться виб1рковий транспорт поживних речовин i3 середовища в клгошу та вихщ i3 не! продукта обмшу — метаболтв. Мембрана е мюцем, де вщбуваеться синтез деяких юптинних структур, зокрема юптинноТ стшки та капсули. У мембраш локал1зований i з мембраною асоцшований рад ферменг1в (ферменти перенесения електрошв та окисного фосфорилювання, яю в еукарют мютеться в мнохондр1ях, у бактерш локалгзоваш всередин1 чи на noeepxHi плазматично! мембра­ни; компонента електрон-транспортного ланцюга — дихального лан- цюга — мютяться тшьки в мембранах). У мембранi мютиться весь фотосинтетичний апарат у пурпурових бактерш. Цшком можливо, що на мембран i локалвуеться центр репл1кацй ДНК.

Мембрани можна видшити, якщо пщдати осмотичному тиску про­топласта, одержан! за допомогою лвоциму. Мембрана багата на Л1п1- ди, особливо фосфолшщи (табл. 3.2). Маючи у склад1 всього 8—15 % сухо! речовини клгёини, мембрани мютять 70—90 % ycix 11 лшщ1в.

Таблиця 3.2

Склад мембран деяких бактерш

Компонента	Вмют, % сухо! маси мембран
	Micrococcus luteus	Пурпуров1 бактери
Лщщи:	28-37	40-50
нейтрал ьш	9	10-20
фосфо.'п/пяи	28	30
BijiKH	50	50
Гексози	15-20	5-30

За своею будовою мембрани мжробних, рослинних i тваринних клггин дуже тощдбш. Це дае пщставу говорити про ушверсальну «еле- ментарну мембрану».

Класичною, одшею з перших моделей будови мембран, була мо­дель Дателлг—Даусона — Робертсона (рис. 3.12). Мембрана скла­даеться з подвшного шару лшдав, що мютиться м1ж тонкими шарами битка. Внутршшш шар мембрани складаеться з лшдав, у яких, як вщо- мо, е по^ярний кшець (гщрофшьний), здатний до юшзаци, та непо- лярний (гщрофобний), що за своею х1м1чною природою являе собою вуглеводневий ланцюг. Лшщи в мембраш ор1ентоваш вуглеводневи- ми кшцями один до одного, полярними кшцями — назовш, тобто утворюють подвшний шар (б1молекулярний шар). 3 полярними кш­цями стикуеться мономолекулярний шар нелшщноТ природи. Зде- бшыыого це бшок.

Уперше припущення про те, що в мембраш присутш бшки, було висловлено англшськими вченими Дж. Ф. Дашелл1 та X. Даусоном у 1935 р. для пояснения низького поверхневого натягу клггинних мемб­ран. Оскшьки на меж1 подшу ол1я—вода повинен виникати великий

Рис. 3.12. Модель мембрани Дателл1—Даусона—Робертсона

На cxeMi видно два шари лшццв: водонерозчинш юнцев1 групи (жирш кислоти) спрямоват одна до одно! i всередину, а водорозчинш групи — назовш (середня частина схеми). Подвшний шар лшццв рстпщений М1Ж двома шарами бшка (заштрихован! смуги)

поверхневий натяг, Hi вчеш прийшли до висновку, що гхцрофобшсть лшщних компонент1в повинна компенсуватись якимсь гщрофшьним бшком. У 1959 р. на ochobI робгё американського вченого Дж.Д. Ро- бертсона (за допомогою електронноТ мжроскопи було виявлено два електронощшьних шари мембрани, роздыених менш щшьною дшян- кою) була сформульована гшотеза елементарно!" мембрани. Наявшсть електронощшьних зовншшк uiapiB мембрани пояснювалась тим, що з гщрофшьними поверхнями, що утворюються лшщними молекула­ми, зв'язаний биток. Але проти uie'i модел1 свщчили результати елект- ронно-мткроскошчних дослщжень препарат)в мембран, яы були одер­жан! методом заморожування-сколювання: виявилось, що бшков1 молекули розмйцуються не тшьки на поверхш мембрани, а е i таи, що пронизують ц наскр1зь. Ндинно-мозаИчна модель структури мембрани була запропонована у 1972 р. Г. Нжолсоном i С. Д. Сшгером (рис. 3.13). Згщно з щею моделлю, що отримала в наш час загальне визнан- ня, бшки можна уявити як айсберги, що плавають у лшщному Mopi.

Рис. 3.13. Рщинно-моза1чна модель плазматично! мембрани Школсона — Cirnepa

У подвшний шар л i гг Lai в зануреш 1нтсгралып бшки. Перифершш бшки розмщеш на поверхн1 мембрани

Мембранш б1лки. 1снують два типи мембранних бшк1в: ттегральш та перифершш (див. рис. 3.13).

66 ■ РОЗД1ЛЗ

Перифершш бшки легко вимиваються з мембрани м'якими детер­гентами або навпъ дистильованою водою, вони зв'язаш з поверхнею мембрани. На вщмшу вщ иерифершних штегральш бшки иронизують товщу мембрани наскр1зь. Як правило, штегральш бшки перебувають у комплекс! з лшщами. Бшки цих двох тшив повинн! р!знитись Mix собою за розмйденням гщрофобних амшокислотних залиипав. По- верхня перифершних бишв гщрофшьна (ui бшки розчинш у вод!), а гщрофо^ш амшокислоти! залишки зануреш всередину бшково1 глобули. В 1нтегральних бшках гщрофобш залишки локализован! на поверхн!, забезпечуючи максимальну взаемодио з неполярним сере- довищем всередин1 мембрани. Проте у деяких штегральних бшюв полярш групи теж розмицеш на поверхн! i взаемодтоть 13 полярними трупами лшдав i з перифершними бшками.

За б'юлог'тними функщями мембранш бшки умовно подшяються на три групи:

• з притаманною ферментативною актившстю;

• специф1чно зв'язують pi3Hi речовини, необхщш для юптини, тобто бшки, яким притаманна рецепторна функщя (бшки-пер- меази);

• структурш, але вони xiMi4HO мало дослщжеш. Вщомо, що Bci вони слабкорозчинш у вод! через наявшсть великих гщрофоб­них дшянок. Це створюе умови для утворення мщних структур з лшщами — лшопротещдв.

Мембранш вуглеводи. В!льних вуглевод1в у юптинних мембранах мало, бшышсть вуглеводних залитшав входить до складу глжолтщдв i глжопроте'шв. У ix склад! виявлено од Hi й Ti caMi моносахариди: галактоза, глюкоза, N-ацетилглюкозамш, N-ацетилгалактозамш, фу- коза, маноза, ксилоза.

Лшщи мембран. Лшщи представлен! в основному фосфолтдами та глшолшдами. 3 фосфолшипв найчастипе у бактерш зустр1чаються фосфатидилглщерин i фосфатидилетаноламш. Фосфатвдилхолш, фосфатидилшозит зустр!чаються рщше. Фосфолшщи мгстять у свош молекул! фосфор, з'еднаний двома еф1рними зв'язками. До складу фосфолтщ!в входить один спшьний компонент — глщерин, з яким з'еднаш еф1рним зв'язком flfii жирн1 кислоти з довгим ланцюгом, а та­кож фосфорвмюна сполука. Наявшсть двох неполярних залигшав жирних кислот у склад! мембранних структур е ix характерною особ- ливютю. У бактер1альних культур лшщи, у тому чис.'П i фосфолшщи,

мютять переважно насичеш жирш кислоти (хоча е i ненасичеш). У мембранах наявш й жирш кислоти з розгалуженим ланцюгом (особ­ливо у сарцин та мжрокоюв).

Вважаеться, що одшею з ознак, яю вщр1зняють бактер1альш лшщи вщ лшдав шших мжроортан1зм1в, е вщсутшсть стершие у бактерш.

KpiM л'шщш, що мютять глщерин, у деяких сполуках присутнш етиленглжоль. Таю лшщи називають диольними. У великих концент- ращях д иол bHi лшщи руйнують мембрани. Але в дуже обмежених илькостях вони лише змшюють "ix властивосп, наприклад, пщвищу- ють проникшсть для невеликих ioHiB i молекул. Очевидно, клггини використовують цю властивють. Так, у перюд швидкого росту вони штенсивно синтезують диольш лшщи. Коли picT сповшьнюеться, синтез диольних л шадв припиняеться.

Глисолшщи е вуглеводними похщними лшйцв.

У структуру мембран входять також юни двовалентних мета;пв. Передбачаеться, що вони утворюють i3 фосфолшщами хелатш комп- лекси, надаючи цим мембран! необхщно! мщносп за рахунок бшьшо! компактност1.

Плазматичш мембрани архей. Мембрани архей в електронному MiKpocKoni виглядають под1бно до мембран бактерш, проте суттево вщизняються вщ них за природою еф1рних зв'язюв i складом лшщних компонента. Так, у деяких екстремальних галофшв лшщи замють жирних кислот мютять гзопреноТдш ланцюги, приеднаш до глщеролу простим еф1рним зв'язком. Лшщи, що являють собою npocTi еф1ри глщеролу та гзопрено'цнв, виявлеш також у Thermoplasma acidophilum. У метаногешв лшщи представлен! розгалуженими простими еф1рами глщеролу та С₂₀- чи С₄₀-1зопреноТдт. Плазматична мембрана галобак- терщ мютить кластери мембранозв'язаних молекул бакгерюродопси- ну (так зваш «nypnypoei мембрани»).

3.3.2.2. Мембранн1 утворення. У деяких бактерш мемб­рана охоплюе цитоплазму без складок i загишв, тобто без твагтацш. Але якщо швидюсть росту цитоплазматично! мембрани перевшцуе Швидюсть росту клгошно! стшки, вщбуваеться швагшащя мембрани, i виникають внутр1шньокл1тинш мембранш утворення р1зно! склад- HocTi.

Грамнегативш бактерп. У грамнегативних бактерш мембранш ут­ворення розвинуи слабко i являють собою розмицеш по перифери клггини загини мембрани, наприклад, у Escherichia coli та Proteus vulgaris (рис. 3.14). Винятком е деяю групи грамнегативних бактерш (азотфжсатори, штрифжатори, метаноокиснювальн1 та фототрофш бактери), в яких мембранш утворення организован! складниые.

Так, у штрифжуючих бактерш (Nitrobacter, Nitrosomonas, Nitroso- coccus) мембранш утворення е пластинчастими (ламелярними), роз- мицеш вони купками по перифери кл1тини, в центрi або бьтя одного з полюс1в юптини.

За орг^нтзашею внутршшьоцитоплазматично! мембрани метано- окиснювальш бактери под Lie hi на два типи. У юптин першого типу мембранш утворення мають форму здавлених бульбашок, тюно роз- мицених паралельно одна однш. Це паличко-кокова трупа бактерш (Methylomonas, Methylococcus). У В1брощних метаноокиснювальних MiKpoopraHiiMiB (Methylosinus, Methylocystis) е система спарених мемб­ран, що проходять по периферп юптини паралельно цитоплазматич-

Рис. 3.14. Мембранш утворення грамнегативних (а, в) i грампозитивних (б) бактерш:

1 — Escherichia coir, 2 — Proteus vulgaris', 3 — Brucella abortus; 4— Azotobacter sp.; 5 — Corynebacterium diphteriae; 6 — Bacillus subtilis; 7 — Listeria monocytogenes; 8-11 — фототрофш nypnypoei бактери; 12 — фототрофш зелеш бактери

нш мембраш — другий тип клггин. Припускають, що у метанотроф- них бактерш функционально мембранш утворення е вштовщальними за окиснення метану, осюльки непрямими дослщами встановлено, що вони вщцрають певну роль у дихальнш активност1 клггин. Але прямих доказ1в цього немае. Цшком ймов1рно, що велика поверхня цих мембранних структур забезиечуе необхщний р1вень дихальних i фосфорилювальних процеав у юитинах.

Тилакогди та хроматофори е аналогами хлоропласте у рослин i характерн1 для фототрофних бактерш. Таю фотосинтетичш мембрани аналопчш за будовою та х1м!чним складом цитоплазматичнш мемб- paHi, але мютять гпгменти, що поглинають светло (бактерюхлорофь ли, каротино'щи), а також компонента фотосинтетичного електрон- транспортного ланцюга i фосфор ил ю вал ьно! системи.

Грампозитивш бактери. У грампозитивних бактерш мембранш утворення добре розвинуп, складнпие оргашзоваш i утворюють внут- ршшьоюптинш мембранш структури, яи називаються мезосома- м и. Мезосоми вперше були описаш у Bacillus cereus. За морфолопч- ними особливостями розргзняють ламелярш (пласгинчастО, вези- кулярш (мають форму бульбашок), тубулярш (трубчаст1) мезосоми. Часто в бактер1альнш юптиш спостер1гаються мезосоми змпцаного типу. Мезосоми розгладають як дитянки проникнення в юптину трансформуючоТ ДНК, прикршлення плазмщ, мюце синтезу екзофер- метш, а також як шертне утворення, що виникае за надлишку мемб­ранного MaTepiany. 1снуе припущення, що мезосоми беруть участь у кштинному подт.

3-3.3. Внутршньоклггинш структури

3.3.3.1. Р и б о с о м и. Рибосоми е мгсцем синтезу бшка. На елект- ронних м!крофотограф1ях вони виглядають як частинки, що лежать у Цитоплазм!. Рибосоми бактерш мають розм1ри 16x18 нм. Приблизно 80—85 % ycie'i бактер1ально! РНК мютиться в рибосомах. Складаються з бшка (35-40 %) та РНК (60-65 %). Осюльки штактш (nbi, незруй- нован1) рибосоми бактерш пщ час ультрацентрифугування осщають 3i швидюстю близько 70 одиниць Сведберга (S), !х називають 70S-pn6o- сомами. Цитоплазматичн1 рибосоми еукарют бЬтыш — 80S. 1з мгго- хондрш еукарют (наприклад i3 мггохондрш др1ждаов) можна також видштги рибосоми, яю за розм1рами схож1 на бактер1альш.

Бактер1альна 70Б-рибосома складаеться з двох субодиниць — 30S- та 508-субодинии1 (рис. 3.15). Бактер1альна клтша мктить вщ 5 ООО до 50 ООО рибосом. Ix юльюсть тим битьша, чим швидтие росте клгги- иа. Пщ час активного синтезу бшка на електронних м iкрофотографiaх можна бачити правильш ланцюжки рибосом. Це рибосоми, нанизан i, як намисто, на ланцюги матричноТ РНК; ix називають п о л i р и б о- со ми або п о л i с о м и.

Р1зниия м1ж рибосомами бактерш (70S) та еукарют (80S) мае вир1- шальне значения для боротьби з шфекцшними хворобами. Деяю ан- тибютики частково чи иовнютю иригн1чують синтез бшка, який вщ­буваеться на 708-рибосомах, i не иорушують функ1нй 808-рибосом.

3.3.3.2. Аеросоми. Тазов1 вакуол\ (аеросоми) характерш для вод- них бактерш, особливо пурпурових i зелених с1ркобактерш, мешкан- iiiB мул1в, окремих Грунтових бактерш. Газов! вакуол1 складаються з газових бульбашок, розмпцених паралельними рядами, утворюючи сть1ьникопод1бну структуру. Газов1 бульбашки — це порожнисп ци-

Рис. 3.15. Схема будови бактер1ально1 рибосоми

лшдри, оточеш одношаровою бшковою мембраною. У цш бшковш мембраш гщрофобш амшокислоти повернут! всередину цилшдра, а пдрофшьш — назовш. Таке розмйцення амшокислот перешкоджае проникненню води в бульбашку. Цилшдри заповнеш газом, склад якого аналопчний складу газу навколишнього середовища. Аеросоми е регуляторами плавучосп бактерш. Вони дають можливють бактерь ям, яю не мають джгутик1в, здшснювати вертикальний рух у водоймах i кашлярах Грунту i таким чином займати найвигщнйце положения щодо джерела свила, концентрацн розчиненого кисню i поживних ре- човин, тобто газов! вакуол1 у бактерш мають пристосувальне значения.

3. К а р б о к с и с о м и. Щ структури виявлено в клнинах щанобактерш, деяких пурпурових бактерш, штрифжуючих бактерш. Вони являють собою чотири- чи шестигранш включения д!аметром до 500 нм, оточен! одношаровою бигковою мембраною, мютять фер­мента фжсацп вуглекислого газу в циюи Кальв1на.

4. Магн1тосоми. Виявлено в клнинах бактерш, яким притаманний магштотаксис. Це частники Fe₃0₄, оточен! мембраною, pi3Hi за формою, кшькютю i характером розмйцення в юитиш.

5. 3anacHi речовини. У багатьох мпсрооргашзм!в у певних умовах середовища вщкладаються речовини, як1 можна розглядати як запасн! — пол'юахариди, жири, пол'кросфати та Ырка (табл. 3.3). Щ речовини накопичуються, якщо в поживному середови- щ1 мютеться neBHi вихщн! сполуки, але водночас picT мжроорган1зм!в обмежений чи взагал1 неможливий через брак окремих компонентов живлення чи присутнють iHri6iTopiB. 3anacHi речовини мютяться в idiiTHHi в осмотично шертнш форм1 — вони нерозчинш у вод1. За умов, сприятливих для росту, якщо в цих запасних речовинах виникае потреба, вони знову залучаються до метаболизму. Запасш полкахари- ди, пол1-р-оксимасляна кислота можуть бути джерелами вуглецю та енергй", тому за вцхсутност! зовн1шн1х джерел енерги вони можуть про- довжити термш юнування кл1тини, а у спороутворювальних вид!в створити умови для утворення спор навггь за вщсутноеп екзогенних субстраг1в. Пол!фосфати можуть бути резервним джерелом фосфору, a cipKa — потенцшним донором електрон!в.

w

У деяких MiKpoopraHi3MiB за допомогою кольорово! реакци з роз- чином Люголю вдаеться щентифжувати крохмаль (сине забарвлення) або глйсоген (коричневе забарвлення). Запасш полюахариди, на вщ- мшу вщ полюахарид!в клнинно! стшки, утворюються з а-глюкози,

молекули глюкози з'еднаш 1,4-а-зв'язками. Завдяки а-зв'язкам no.'ii- глюкозн! ланцюги не витягнуп в довжину, а закручен! Гвинтотуцбно. Крохмалепод1бна сполука гранулъоза е специфичною запасною речо- виною у бактерш роду Clostridium. Глжоген (тваринний крохмаль) схожий на амшопектин, але його ланцюги ще бшьш розгалужеш (за рахунок утворення 1,6-зв'язюв). У бактерш глжоген зустр1чаеться частице, шж крохмаль. BiH також виявлений у др|ждж1в i гриб1в.

Гранули багатьох бактерш складаються з пол1-^-оксимасляно!кисло­ти. Це пол1еф1р, що чистить близько 60 залишюв р-гщроксибутирату. Частка ще! речовини в сухш 6ioMaci може досягати 80 %. Пол1-(3- Шроксимасляну кислоту утворюють аеробн! бактери, а також щано- бактери та анаеробш фототрофн! бактери. Утворення польр-оксимас- ляно! кислоти спостери-аеться у aepo6ie через нестачу кисню.

Воски (склада! еф1ри жирних кислот i спирт!в з довгим ланцюгом) виявлен! у мжобактерш (можуть мютити до 40 % восюв), нокардш та акгином1цет1в. Вмют запасних жир!в визначаеться складом поживно- го середовища (високим сгпввшношенням C/N), i ui жири можуть бути видшеш безпосередньо з клпин.

Багато яи бактери здатн! накопичувати фосфорну кислоту у виг- ляд! гранул пол1фосфату. Так1 гранули вперше були описан! у бактерш Spirillum volutans, тому !х часто називають волютиновими гранулами (волютином).

У багатьох бактерш, яю окиснюють сульфщ до сульфату, cipKa тимчасово збер!гаеться у вигляд! кульок, що сильно заломлюють свет­ло. Кшьюсть cipKH, яка може накопичитись, залежить вщ вмюту cipKO- водню в навколишньому середовищ1: за вщсутност! с1рководню cipKa окиснюеться до сульфату. Для аеробних с!ркових бактерш cipKa е джерелом енерги, а для анаеробних фототрофних пурпурових бак- терШ — донором електрон!в.

f

3.3.3.6. Н у к л е о!' д. Питания про наявшсть ядра у бактерш було дискусшним упродовж багатьох десятилеть. Мал! розм1ри клетин, не- досконалють метод!в дослщження утруднювало виявлення ядерних структур у бактерш, хоча не було сумшв1в щодо наявност! у них спад- кового апарата, оскшьки у npoueci розмноження клетини одного виду бактерш давали нащадюв того самого виду. Су час Hi електронно- MiKpocKoni4Hi та генетичн! дослщження дали змогу встановити, що бактери мають структури, аналопчж ядрам клетин еукарют, але вщр1з- няються вщ них рядом особливостей:

1. ядра бактерш не мають ядерно! оболонки (мембрани), i ДНК безпосередньо контактуе з цитоплазмою;

2. вщсутнш подш на хромосоми, нитка ДНК являе собою аналог хромосоми еукарют i називаеться б а к т е р i а л ь н о ю хро­мосомою(в юйтиш може бути юлька ц копш);

3. вщсутнш мейоз i мпоз.

У зв'язку з цим ядерний апарат бактерш називають бактергаль- н и м ядром, або н у к л е о i д о м. Встановлено, що бактер1альна хромосома мае форму замкнутого кшьця або може бути лшшною. Це гйантська молекула ДНК з молекулярною масою 10⁹ дальтон. Вона мае р1зну довжину у ргзних бактерш: у мжоплазм — 0,25, у шанобак- Tepiii — до 3 мм. У юптинах прокарют може бути юлька нуклеоцда i кшька копш хромосоми (у Bacillus subtilis — вщ 2 до 9 хромосом у кшь- кох нуклео'щах, у Azotobacter vinelandii — близько 40 хромосом в одно­му нуклеоцц).

1 — петля хромосоми; 2 — РНК, що з'еднуе nerai; opi — точка origin на хромосом! бактерп; р — рибосоми; зм — зовншня мембрана; м — муре!н; цм — цитоплазматична мембрана

Рис. 3.16. Модель ор- гашзацп нуклеощу (я) та будова ком­пактно! хромосоми

Escherichia coli (б):

Хромосоми бактерш — це високоупорядковаш структури двох ти- nie: зв'язан1 з елементами оболонки та втьш з коефпиентами седи- ментаци вщповщно 3200 — 7000S та 1600 — 2000S. ДНК у цих структу­рах перебувае в суперсп1рал1зованому стан1 i утворюе 20—140 петель, з'еднаних 3i щщьною центральною дшянкою, яка складаеться з РНК i е вщповщальною за пщтримання компактно! форми (рис. 3.16). Хро­

мосома бактерш завжди зв'язана з мембраною (кшькють мюць зв'язку може досягати 20 i бшьше) безпосередньо 3i специф1чними мембран- ними бшками або через рибосоми, зв'язаш з мембраною.

На вщмшу вщ еукарют, у прокарют не спостериаеться суттевих змш у стан1 нуклеощу в npoueci клпинного циклу, за винятком його ущшьнення перед спороутворенням. У бактер1альнш клети Hi синтез ДНК вщбуваеться безперервно i приблизно 1—3% сухох маси клетини припадае на ДНК.

3.3.4. Морфолопчно диференщйоваш клггини прокарют

Утворення морфолопчно диференцшованих клетин у р1зних пред- ставник1в бактерш наведено далг

Морфолог1чно диферен!ийован1 клетини бактер1й

СпещалЬовам клшини

Ендоспори

Екзоспори

Цисти

Мжсоспори

Бактерощи

Гетероцисти, аюнети, баеоцити, гормогонн

Бактери, у яких вони виявлет

Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, деяи актином1цети

Rhodomicrobium, деяю види Methylosinus, багато яи актином1цети

Azotobacter, Bdellovibrio, ковзн] бактерп,

MiKco6aKTepi'i

Бульбочков1 6aKTepi'i

Ц1анобактерн

Бшышсть таких морфолопчно диференцшованих структур нале- жить до форм спокою, призначення яких — забезпечити юнування виду впродовж тривалого часу за несприятливих умов. Це ендоспори Деяких грампозитивних бактерш, цисти азотобактера, мжсоспори мжсобакгерш, акшети ц1анобактер1й, екзоспори окремих представ- ник1в метилотрофних i фототрофних бактерш, екзо- i ендоспори ак- тиномщет1в. Пюля потрапляння у вщповщн1 умови форми спокою проростають, утворюючи вегетативш клетини.

iHini морфолог1чно диференцнюван! клетини служать для розмно- ження. До них належать, наприклад, гормогони та баеоцити щано-

бактерш. Hapeiirri, TpeTi (гетероцисти щанобактерш, бактерощи буль- бочкових бактерш) беруть участь у здшсненш унисального процесу, властивого тшьки прокарютам, — фиссаци молекулярного азоту.

Розглянемо випадки морфолопчного диференциовання у бактерш на прикладах формування ними ргзних форм спокою. Вщомосп про iHnii типи клиинно! диференщаци мютяться у роздшах, де розгля- даеться коротка характеристика pi3HHX груп прокарют.

3.3.4.1. |Е н д о с п о р и. До утворення спор здатна лише невелика група бактерш. Велике значения спор пов'язано з Yx термостшюстю. Тимчасом як майже вся ренгга бактерш, а також вегетативш клнини спороутворювальних вншв гинуть при 80 °С (при температур! пасте- ризацц) через 10 хв, терморезистентш спори витримують кип'ятшня впродовж кшькох годин. Трудомютка та дорога технжа стершнзацц (знезараження) розрахована на знищення спор. 3 шшого боку, термо- резистентшсть спор е своерщною можливютю виб1ркового збагачен- ня культур спороутворювальних форм. Грунт чи шший матер1ал (мул, сшо, вода) прогр1вають упродовж 10 хв при 80 °С. Така операщя приз- водить до загибе.п вегетативних клиин, i тшьки терморезистентн1 спори залишаються життездатними i проростають у вщповщному по- живному середовищ1.

Характеристика спороутворювальних бактерш. Спороутворю- вальн1 бактерп, за одним винятком, належать до паличкоиод1бних грампозитивних бактерш. Грамнегативними спороутворювальними бактер1ями е представники роду Desulfotomaculum. Описано понад 10 род1в бактерш, яы утворюють ендоспори, наприклад, Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Oscillospora та iH. (табл. 3.4). Бшышсть i3 цих бактерш е рухливими завдяки перитрихально розмщеним джгутикам. Бактери, яю належать до роду Bacillus, е стро­гими аеробами або факультативними анаеробами. Роди Clostridium i Desulfotomaculum об'еднують анаеробн1 бактери, здатн1 до утворення спор. Клостриди одержують енергйо за рахунок бродшня, види Desulfotomaculum — шляхом анаеробного дихання. Sporolactobacillus належить до молочнокислих бактерш. Sporosarcina мае сферичш кл1- тини, але за сво1ми ф1зюлог1чними ознаками належить до бацил.

Характерною особливютю спороутворювальних бактерш е низь- кий bmict ГЦ (гуанш + цитозин) у ДНК клнин. Так, у клостридш ДНК мютить вщ 22 до 27 % ГЦ.

Таблиця 3 .4 Спороутворювальш бактери

Рщ бактерш	Форма вегетативних клггин	Забарвлення за Грамом	Вщношення до кисню
Bacillus	Паличкоподабна	+	Аероби
Clostridium	»	+	Анаероби
Desulfotomaculum	»	-	»
Sporolactobacillus	»	+	Аероби
Sulfobacillus	»	-	»
Sporosarcina	Сферична	+	»
Thermoactinomyces	Нитки, що гшкуються	+	»
Actinobiflda	»	+	»
Sporospirillum	Си1рили	-	Анаероби
Oscillospira	Дискоиоддбн1 кл1тини	-	»
	у трихомах	—	»
Fusosporus	Сшрили

Спори ргзних вищв бактерш розргзняються за формою, розм1ром, положениям у KJiiTHHi (рис. 3.17). За формою вони можуть бути круг- лими, овальними. Поверхня спор бувае гладенькою, хвилястою, осте- тадбною та iH. Спори можуть займати таке положения в клетиш:

1. бацилярне, коли спора лока:пзуеться в клетиш центрально, екс- центрально чи термшально, i при цьому клетина не змшюе свое!" форми. Тага клетини називають бацилами (Bacillus);

2. клострид1альне, коли при формуванш спори клетина змшюе свою форму, набуваючи вигляду човника чи веретена. Таю юп- тини називають клострщцями (Clostridium, вщ грец. closter — ве­ретено);

3. плектрид1алъне, коли спора локалгзуеться термшально, у мющ и розташування клетина розширюеться i набувае форми ракетки.

Кл остр ид i ал ь н и й i плектрвд1альний типи розмйцення спор влас- THBi в основному видам роду Clostridium i нерщко одночасно зустр1ча- ЮТЬСЯ В KyjIbTypi одного виду.

Рис. 3.17. Розмйцення спор у клпиш (a) i поверхня спор (б):

1 — Bacillus megaterium; 2 — В. thuringiensis\ 3 — Clostridium polymyxa\ 4 — С. butyricum; 5 — С. tetani; 6 — остепсщдбна; 7 — з псингональними опух­лостями; 8— гладенька; 9\ 10— хвиляста; 11 — остеподдбна у коншеспор актиномщет1в

Виявлення ендоспор. У npoueci мжроскошчного дослщження спо­ри в иди Mi завдяки своему високому показников1 заломлення свила — такому самому, як у зиезводиеного бижа. Це вказуе на те, що в спорах велика китькють багатого на бшок матер1алу сконцентрована в малому об'емь Спора мютить майже всю суху речовину материнсько'1 юити- ни, але займае в 10 раз1в менший об'ем. У сумшвних вииадках вияви- ти в клнинах справжн1 ендоспори можна за допомогою спещального фарбування. Якщо препарат бактерш, фжсований нагр1ванням, про- кип'ятити з карболовим розчином фуксину, то спори мщно зв'язують барвник i не знебарвлюються навпь у раз! оброблення етанолом чи 1М оцтовою кислотою (в умовах, коли решта вмюту клетини стае без- барвною).

Спороутворення (спорулящя). Спори утворюються всередиш бак- тер1ально'1 клетини. Цей процес починаеться з накопичення бшкового матерiaiy, тому показник заломлення у Miciii утворення спори збшь- шуеться. При цьому вщбуваеться споживання запасних речовин (по л i г щро кси м ас л я н о i кислоти у aepo6ie i полюахарщда у анаероб1в). Упродовж перших 5 год спороутворення значна частина бшюв мате- ринсько! клетини розкладаеться. При цьому утворюеться специфична для спор речовина — дишколшова кислота, яка не зустр1чаеться у ве- гетативних юптинах. У xofli синтезу дипжолшово! кислоти вщбуваеть­ся поглинання ioHiB кальшю; очевидно, в зрщих спорах ця кислота мютиться у вигляд1 хелату з каты нем i може становити 10—15 % cyxoi речовини спор. Дипжолшова кислота мютиться тшьки в терморезис- тентних спорах.

Спороутворення е одним з найскладнпних nponeciB диферешпагпУ 6aKTepia.ibHoi клетини. Воно починаеться з особливого нер1вном1рно- го подшу клетини (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Спороутворення i будова зршо! спори:

А, Б процес вщщлення протопласта спори; В, Г, Д — утворення передспори; Е — зрша спора; 1 — цитоплазма; 2 — плазматична мембрана; 3 — юптинна стшка зарод ко во! клетини; 4 — кора спори; 5, 6— вщповщно внутршпя i зовншня оболонки спори; 7— екчоспор1ум

У результат! швагшацп цитоплазматично!' мембрани частина про­топласта вщдшяеться Bin материнсько! юптини. Цей протопласт Mic- тить частину ядерного материалу — одни геном. Утворення юптинно!" стшки Mix обома протопластами (як за звичайного подшу юптини) не вщбуваеться. Замклъ цього протопласт майбутньо! спори оточуеться, мовби обростае, плазматичною мембраною материнсько! юптини. В результат навкруги протопласта розмицуються ДВ1 плазматичт мембрани, i кожна з них бере участь у синтез! стшки спори. Мембрана протопласта спори синтезуе назови) вщ себе стшку зародковоТ к лин­ии, а мембрана, яка походить вщ материнсько! юптини, синтезуе все- редину кору спор и (кортекс). Кортекс складаеться з багатошарового пептидоглжанового остова, який вщр!зняеться вщ каркаса стшок ве­гетативно! юптини ступеней зшивання. Зовншшю оболонку спори утворюе материнська юптина. Ця оболонка складаеться з полшеп- Т1щдв. Материнська юптина утворюе також ще один додатковий пол i- иептидний шар — екзоспорш, який оточуе спору у випицц особливого чохлика. Екзосгюрш мктиться тшьки у небагатьох бактерш (напри­клад у Bacillus cereus).

1ндукц1я спороутворення. Спори не е обов'язковою стад!ею житте- вого циклу бактерШ. За сприятливих умов бактери можуть необмеже- ний час розмножуватися подшом, як вегетативш юптини. Утворення спор починаеться лише тод1, коли не вистачае поживних речовин або коли в надлишку накопичуються продукти обмшу. 1накше кажучи, воно вщбуваеться лише тод1, коли для цього створюються певш умо- ви. Висихання не стимулюе спороутворення. Якщо помютити вегета- тивт юптини в дистильовану воду, можна cnocTepirara «ендотрофну спорулящю», тобто утворення спор за рахунок внутршшьоюнтинних запасних речовин. У таких випадках утворення спор, очевидно, викликане браком екзогенного субстрату. 1ндукшя спороутворення вщбуваеться впродовж декшькох годин. Якщо, наприклад, до суспен- 3ii вегетативних юптин Bacillus cereus у nepiui 5 год теля внесения ix у дистильовану воду добавити глюкозу, то утворення спор припинить- ся: добавления субстрату пригшчуе спорулящю. Але якщо глюкозу добавити п шише нiж через 6 год, пригшчення спороутворення не вщ­буваеться. 1ндукщя спороутворення продовжуеться, i вже через 10— 13 год гпеля внесения у воду близько 90 % юптин утворюють спори. Отже, спорулящя регулюеться зовниишми факторами.

Кшьюсть клетин, що утворюють спори, у багатьох випадках збиь- шуеться пюля добавления в середовище солей марганцю.

Здатшсть утворювати ендоспори поступово втрачаеться за багато- разових nepeciBie вегетативних клетин. Осюльки суспенз1я спороутво- рювальних бактерш мютить i спори, i вегетативш клетини, перед кож- ним перес1ванням культуру, як правило, шддають короткочасному кип'ятшню. Це сприяе збержанню чи пщвищенш здатност! клетин ут­ворювати спори.

Властивосп зрших спор. Спори вившьнюються за автолгзу мате- ринських клетин. Зрип спори не виявляють жякоТ метабол1чно1 актив- ност1. Вони надзвичайно стшю до ди високих температур, р1зного роду опромшень, xiMi4Hnx агента. Терморезистентшсть зумовлена низьким вмютом води у спорах — 15 % (стшьки само, сюльки в сухому казеин або у вовш) i приблизно пропорцшна вмюту в них дипйсолшо- boY кислоти.

Проростання спор. У вщповщних сприятливих умовах бгтышсть спор проростають. Вщповщне по передне оброблення, певш умови збер1гання та прогр1вання можуть пщвищити «схожють» спор — збшь- шити процент проростання. У випадку Bacillus subtilis оптимальними умовами для стимуляци проростання спор вважають семиденний пе- рюд спокою i п'ятихвилинне прогр1вання у вод1 при 60 °С. 1нш1 спори можуть бути активоваш короткочасним кип'ятшням (10 хв, 100 °С). Теплове оброблення спор повинно проводитися безпосередньо перед виаванням, оскыьки процес активацп е зворотним.

Проростанню спор передуе поглинання ними води та набухання. Для проростання активованих спор у ряд1 випадюв необхщною е на- явнють глюкози, амгнокислот, нуклеозид1в та шших речовин. У про- ueci проростання вщбуваються глибою ф1зюлог1чн1 змши: дихання та ферментативна активнють швидко пщвищуються, починаеться вид1- лення амшокислот, дипжолшово! кислоти та пептид1в. У процесi про­ростання втрати cyxo'i речовини досягають 25—30 %. Пщ час пророс­тання спори втрачають термостшюсть. Ростова трубка, яка виходить i3 спори, оточена дуже тонкою, не до юнця сформованою клетинною стшкою, так що в протопласт може проникати наветь ДНК. Ростова трубка може утворюватись як у полярному, так i латеральному поло- женш (рис. 3.19). В одному випадку оболонка спори при цьому розри- ваеться, в шшому — ростова трубка ц проколюе.

Рис. 3.19. Проростання спори:

1,2— полярне; 3 — латеральне; а — Bacillus cereus; б — Bacillus subtilis

Тривал1сть жнття спор. Бактери у виглящ спор можуть тривалий час перебувати у стаж анабюзу. Так, у зразках грунту, що зберналися 50—100 роив, були виявлеш спори бацил. За даними такого роду екс- перимештв, у сухому грунт! за 50 роив зберц-ання до 90 % спор втра- чають життездатшсть. Але при цьому 1 т сухого грунту навпъ через 1000 роив мютитиме життездатш спори.

У сухому стан1 багато бактерш (якщо не Bci з них) упродовж бага­тьох роив зберпають життездатшсть. Для консервацн бактерш у ко- лекшях культур вегетативн1 клггини, як правило, пщдають люфшьно- му висушуванню (висушуванню з замороженого стану) i зберпають при имнатнш температур! або низьких температурах у вакуум i. Бак- терн, якi не витримують люфшзацн, збер1гаються упродовж багатьох роив у вигляд1 суспензи при температур! рщкого азоту.

3.3.4.2. iHUii форми спокою. KpiM ендоспор, у деяких бак­терш спостернаеться утворення шших форм спокою — екзоспор i цист. Екзоспори утворюють метаноокиснювальш бактери роду Methylosinus i фототрофш nypriypoei бактери Rhodomicrobium vannielii.

Екзоспори утворюються брунькуванням материнсько! юптини. Екзо- спори значно менш термостшю, нЬк ендоспори, але стшкши до ви- сушування, ультрафюлетового (УФ) опромшення, Н1Ж вегетативш клггини. Екзоспори не мютять дипжолшово! кислоти, вони не стшю до ди л1зоциму, погано фарбуються р1зними барвинками.

Деяю бактери утворюють кулепод1бш товстостшш клпини — цис- ти. Цисти мютять цитоплазму з нуклеощом (i гранулами поль^-окси- масляно! кислоти у Azotobacter vinelandii), оточену цитоплазматичною мембраною та двома оболонками. Виникають у старих культурах за в!Дсутност1 поживних pecypciB, при цьому в цисту перетворюеться вся клпина. На вщмшу вщ вегетативних клпин, цисти мютять багато лшипв. Цисти стшкши до висушування, мехашчних пошкоджень, ди л1зоциму, Н1Ж вегетативш клпини, але малорезистентш до темпера- тури. За сприятливих умов (за наявност! джерел вуглецю) цисти про- ростають. Цисти утворюють бактери род1в Azotobacter, Bdellovibrio, Methylococcus, cnipoxeTH. У метанотрофних бактерш роду Methylococcus цисти утворюються в несприятливих умовах, наприклад, за браку кисню. У багатьох випадках цистоутворення у цих бактерш супро- воджуеться змшенням пйментаци клпин вщ жовтого до темно- коричневого кольору. Культура, яка не утворюе цист, залишаеться кремовато-битою. Але у Methylococcus thermophilus цистоутворення не завжди супроводжуеться посиленням тгментацп.

У миссобактерш утворення цист, яю називаються м i к с о с п ор а м и, е законошрною стад1ею !х життевого циклу. Вегетативн1 клпини миссобактерш июля заюнчення стади активного бшарного подшу за умов дефщиту джерел живлення збираються разом у масу i формують pi3Ho! форми плодовi тыа (рис. 3.20), яю складаються i3 слизу та MiK- соспор. При цьому тшьки частина клйин перетворюеться на мжсо- спори, решта гине, лгзуеться i е буд^вельним мате pi ал ом для утворен­ня плодових тш.

Мжсоспори мало вщр'гзняються вщ вегетативних клпин, але е таю, Що р1зняться сильно — за формою, стшюстю до висушування, УФ опромшення, температури, наявнютю додаткових оболонок. Таю мж­соспори називаються м1кроцистами.

У деяких прокарют спори е одночасно i формами спокою, i репро- Дуктивними системами. У актиномщет1в род is Thermoactinomyces та Actinobifida спостерпаеться ендогенне утворення спор, проте у бшь- UiocTi род1в актиномщет1в спори формуються екзогенно — артро-

Рис. 3.20. Плодов! тша мксобактерш

спори, KOHUiitспори та iH. Артроспори формуються виникненням по- перечних перетинок у пфах i3 вщдшенням сегмент1В так, що утворюеться ланцюжок спор. Konidiecnopu утворюються на поверхш особливих Г(ф)в коншеносщв, або концшфор1в. Спорангюспори — спори, що формуються в cnopamiMX. Осюльки спорангюспори утво­рюються всередиш спорангпв, 1х називають ендогенними. Спорангп утворюються на пфах — спорангюфорах.

Формами спокою деяких щанобактерш е а к i н е т и. Вони зазви- чай бЬьцл за вегетативш клетини, мають продовгувату або сферичну форму, гранульований вмют i товсту оболонку. Утворення аюнет вщ- буваеться у перюд сповшьнення росту i починаеться 3i збшьшення po3Mipy клетини; при цьому у цитоплазм! накопичуються гранули за- пасних речовин (глжогенових, по.пфосфатних i особливо великих щанофгцинових), а також карбоксисоми. Одночасно вщбуваеться по- товщення пептидоглжанового шару клетинно! стшки i уццльнення слизового чохла в результат! вщкладення у ньому електронощшьного ф1брилярного viaTepiajiy полюахаридно! природа. Оболонки аинет мютять битьше лшщш i полюахарщда, а цитоплазма — менше води, нЪк вегетативш клггини. Пщ час формування аинет у цитоплазм! збшыыуеться вмют ДНК, рибосом, проте зменшуеться ильисть хло- рофыу та фисобшпротеш1в. Шввдисть фотосинтезу в аинетах нижча, а дихання — вища пор1Вняно з вегетативними клнинами. Проростан- ня аинет вщбуваеться шод! вщразу ж июля ххнього утворення або Т1льки пюля перенесения у св1же поживне середовище.

Форми спокою прокарют характеризуются низьким р1внем мета­бол in но! активност1, пщвищеною стшистю до ди несприятливих фак- TopiB (табл. 3.5), здатнютю тривалий час перебувати у життездатному стан1.

Таблиця 3.5

Спйшсть форм спокою бактерш до дп несприятливих фактор1в

Форми спокою	Несприятливий фактор
	Висока температура	Висушування
Мжсоспори мжсобактерШ	Загибель 90 % шсля витримування при 50 °С упродовж 20 хв	Загибель 50 % теля зберпання упродовж бдаб
Цисти азотобактера	100 %-а загибель пюля витримування при 60 °С упродовж 15 хв	100 %-а життездатшеть гпсля збернання упродовж 12даб
Аынети щанобактерш	Загибель 95 % гпсля витримування при 40 °С упродовж 10 хв	95 %-а життездатшеть гпсля збернання упродовж 15 мюящв при 4 °С
Ендоспори деяких бактерш	Загибель 90 % пюля витримування при 100 °С упродовж 11 хв	Життездатшеть зберпа- лась упродовж приблизно 1000 роив
Ендоспори актиномще-пв	Загибель 99 % пюля витримування при 75 °С упродовж 70 хв	Життездатшеть збериа- лась упродовж 14 роив

«() ■ РОЗДШЗ