32. Плазмиды бактерий: форма, размеры, важнейшие свойства, строение. Виды плазмид. Несовместимость плазмид.

Плазмида (plasmid):способный к автономной(независимой от основной хромосомы)репликациивнехромосомный генетический элемент, существующий у многих видов бактерий, обычно дающий преимущество клетке-хозяину (например, устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам и т.п.). Это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 40000 пар нуклеотидов. Для них характерно стабильное существование и наследование в бактериях в ряду клеточных поколений. Используются в качестве векторов для клонирования.

Размеры плазмид варьируют от нескольких тысяч до сотен тысяч пар оснований, а число копий на клетку - от одной до нескольких сотен . Хотя многие плазмиды дают клеткам-хозяевам ощутимые селективные преимущества, большинство из них являются криптическими , т.е. не проявляющимися в фенотипе клеток.

Рассмотрим классификацию плазмид, основанную на свойствах клетки бактерий:

• R факторы (устойчивые плазмиды). Обуславливают устойчивость бактерий к лекарственным препаратам.

• F факторы (плодовитые плазмиды). Определяют образование новых структур поверхности клетки, так называемых F ворсинок, которые обеспечивают конъюгацию клеток и позволяют переносить ДНК из клетки в клетку. Плазмиды, сообщающие хозяину информацию о способности переноса ДНК хромосомы, называются половыми.

• Col- факторы (колиценогенные плазмиды). Этот фактор может определить способность бактерий к образованию особых веществ, вызывающих гибель близких по составу штаммов. Впервые они были обнаружены в составе кишечной палочки, отсюда и название, колицины.

• Пенициллиназные плазмиды. Определяют образование фермента пенициллиназы, разрушающий пенициллин.

• Плазмиды деградации псевдомонад.

Плазмидная несовместимость —механизм регуляции числа копий плазмид разного типа вбактериальной клетке. П.н. определяет невозможность внутриклеточного сосуществования близкородственных плазмид. Если плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке в условиях отсутствия селективного давления, их называют несовместимыми. Несовместимость плазмид обусловливается подавлением репликации одной из них и (или) блокированием распределения дочерних молекул ДНК по клеткам перед их делением. Эти оба механизма действуют независимо друг от друга.

33. Поверхностные органеллы: целлюлосомы, шипы и экстрацеллюлярные газовые баллоны.

Шипы (или «спин» от лат. spina-шип)

Распространенность:Обнаружены у грам(-) (в частности,у псевдомонад,метилотрофов,цианобактерий)и не обнаружены среди архей.

Строение: Жесткие полые белковые цилиндры,отходящие перпендикулярно от кл.стенки(прикрепленык наружной поверхности внешней мембраны). Шипы не протыкают насквозь оболочку клеток. У основания цилиндры могут расширяться раструбом. В среднем на 1 кл. – 10 шипов, расположены нерегулярно (беспорядочно, случайно). Длина шипов – 0,5-3 мкм, диаметр – 50-100 нм. Цилиндр образован одним белком - спинином, субъединицы которого уложены в спираль.

Функции в целом неизвестны(хотя на обр-е шипов расходуется много белка кл.).Бакт.с шипами обычнонеподвижны. Считают, что обр-е шипов способствует лучшему выживанию бакт. в естеств. среде обитания. Предположительно они способствуют:

1. Плавучести клеток;

2. Агрегации бактерий (обр-е микроколоний, присоед-е к (а)биотическим субстратам;

3. Защищают от фаготрофных протистов;

4. Служат для адаптации бактерий к некоторым условиям среды: pH, соленость, температура и т.д. (образование шипов индуцируется этими абиотическими факторами);

5. Предположительно, обеспечивают контакты между клетками, находящимися на расстоянии до 7 мкм. Возможно, образуют канал для обмена генетич. инф-цией между бактериями.

6. Экстрацеллюлярные газовые баллоны

Распространенность:Встречаются редко.Впервые описана у Bacillus vesiculiferous в1985г. Строение:Это крупн.газонакопительные структуры,прикрепленные к наружн.пов-ти кл.Имеют вид

сферических, цилиндрических или игольчатых везикул. Размер: нес-ко десятков нм – нес-ко десятков мкм. Стенка везикул – неунитарная мемб. толщиной 2 нм.

Функции: запасание О2для энергетического и конструктивного метаболизма клетки.

Целлюлосомы

Распространенность: Обнаружены только у бакт.из филыBXIII Firmicutes (н-ер,у ряда клостридий)и

филы BXX Bacteroidetes.

Строение: Сферич.частицаØ 20нм.На пов-ти кл.целлюлосомы образуют протуберанцы длиной50-

100нм.

Функции: необходимы для биодеградации целлюлозы.Целлюлосомы обеспечивают адгезию бакт.ксубстрату, оптимальное взаимод-е целлюлаз и канализированное поступление продуктов гидролиза к пов-ти бактерий.

34. Покоящиеся формы прокариот: цисты, акинеты, экзоспоры, микоспоры. Морфологическая дифференцировка вегетативных клеток в особые формы, специализированные на выполнении какой-либо определенной/особой функции.

Состояние клетки, когда она активно питается, растет и размножается, называется вегетативной формой. Некоторые бактерии способны образовывать т.н. покоящиеся формы - формы существования живых клеток с замедленным метаболизмом, исключительно устойчивые к неблагоприятным условиям внешней среды (температуре, радиации, химическим реагентам, отсутствию влаги и питательных веществ).

К покоящимся формам относятся, прежде всего, эндоспоры, которые могут образовывать грамположительные бактерии. В споровой форме клетка выдерживает несколько часов кипячения, может сохранять жизнеспособность во льдах, без воды тысячи лет (обнаружены жизнеспособные споры в отложениях девонских, пермских, силурийских месторождений).

Споры начинают образовываться, когда истощается питательная среда и накапливаются продукты метаболизма. Процесс образования спор сложный, выделяют несколько стадий:

• репликация ДНК, отделение одной хромосомы и перемещение ее к полюсу клетки, инвагинация ЦПМ, отделение участка клетки и образование проспоры – округлого образования, сильно преломляющего свет, с высокой концентрацией белка и ядерным веществом;

• отделение проспоры от остальной клетки путем впячивания цитоплазматической мембраны, т.о. образуется двойная мембрана – внешняя экзин, внутренняя интин; в процессе участвует дипиколиновая кислота и кальций; проспора может перемещаться в цитоплазме;

• между мембранами проспоры образуется толстый слой - кортекс, состоящий из прочно соединенных молекул пептидогликана;

• формирование белковых защитных оболочек – экзоспориума;

• окончание формирования всех структур споры, приобретение термоустойчивости;

• лизис материнской клетки, выход споры наружу.

Попадая в благоприятные условия, споры прорастают – сначала набухают, активизируются ферментативные процессы, затем оболочка разрушается и прорастает вегетативная клетка.

Другие покоящиеся формы (цисты, экзоспоры, миксоспоры). Эндоспоры являются длительнопереживающими формами бактерий, устойчивыми к высокой температуре, высыханию, облучению и химическим воздействиям. Помимо эндоспор у некоторых других бактерий существуют иные покоящиеся формы-экзоспоры и цисты. Образование экзоспор до сих пор наблюдалось только у метаболизирующих метан бактерий Methylosinus trichosporium. Экзоспоры возникают путем почкования материнской клетки; они сходны по своим свойствам с эндоспорами бацилл. Некоторые бактерии образуют шарообразные толстостенные клетки, называемые цистами. При истощении пищевых ресурсов в цисту превращается вся палочковидная вегетативная клетка, а не только часть ее, как при образовании эндоспоры. Цисты видов Azotobacter, а

также Methylocystis устойчивы к высушиванию, механическим нагрузкам и облучению, но не к действию высоких температур. Подобного рода превращение всей клетки в цисту лежит и в основе образования миксоспор из палочковидных вегетативных клеток Myxococcus и Sporocytophaga. Покоящимися клетками некоторых цианобактерий, обладающими повышенной устойчивостью к ряду неблагоприятных факторов (высушиванию, пониженным температурам), являются акинеты. Эти покоящиеся клетки с утолщенной оболочкой, как правило, заметно крупнее вегетативных клеток, они имеют продолговатую или сферическую форму, гранулированное содержимое.

35 и 36. Покровы прокариотной клетки: капсулы, слизистые слои, чехлы; их строение и химический состав. (про паракристаллический поверхностныйS-слой и поверхностные органеллы выше ужеесть ответы ;)

Покровы: капсулы, слизи, чехлы

Покровы – верхняя «одежда» прокариотной клетки. Покровы может образовывать (а) отд. клетка; (б) гроздь, цепочка или кубический пакет клеток; (в) трихом или группа трихомов.

Обычно покровы сост. из полисахаридов (поэтому покровы часто называются термином «экзополисахариды», ЕРS), реже – из белков, иногда – из полипептидов (капсула Bacillus anthracis из поли-D-глутаминовой к-ты), др. полимеров (полифосфатная капсула Neisseria meningitides), липидов.

Покровы разделяют на капсулы, слизистые слои (слизи) и чехлы (влагалища). Между этими структурами у прокариот обнаружено много переходных форм, так что не всегда между ними можно провести четкую грань.

Капсулы (лат. capsula –коробочка) –часто встречаются у бактерий,у архей–редко(н-ер,есть уMethanosarcina и Staphylothermus).Наличие капсулы зависит от штамма микроорганизма и условий егокультивирования. В чистых культурах бактерий капсула образуется реже.

Толщина меньше 0,2 мкм (видно только в электронный микроскоп) – микрокапсула.

Толщина больше 0,2 мкм (видно в световой микроскоп при негативном контрастировании) – макрокапсула.

Хим. состав капсул

Капсулы сильно гидратированы (гидрофильна): до 98-99% капсулы – вода.

1. Чаще всего капсулы сост. из полисахаридов – гомо- или гетеро. Н-ер: (а) Альгинаты, (б) Декстран - полимер правовращающей глюкозы, или декстрозы. (в) Ксантан (г) Леван - полимер левовращающей фруктозы, или левулозы. (д) Целлюлоза – нек. бакт могут синтезировать целлюлозу: Aerobacter, Acetobacter, Achromobacter,Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Pseudomonas, Sarcina, Rhizobium, многие цианобактерии.Например,

капсула Acetobacter xylinum состоит из целлюлозы

2. Полипептидная капсула Bacillus anthracis (воз-ль сибирской язвы у КРС и человека)из поли-D-глутаминовой к-ты.

   3. Полифосфатная капсула Neisseria meningitidis из конденсированного неорг. фосфата.

Чехлы

Встречаются реже, чем капсулы. Их образуют вегет. кл. (н-ер, хламидобактерии (Leptothrix, Sphaerotilus), цианобактерии (однокл. и трихомные), а также разл. дифференцированные клетки: эндоспоры, цисты, гетероцисты цианобактерий, «везикулы» актинобактерий.

Чехлы у хламидобактерий (Leptothrix, Sphaerotilus) – трубчатый чехол, внутри кот-го цепочка кл. или (реже) 2-3 цепочки кл. Чехол сост. из одного или нес-ких слоев (в отл. от однородных капсул): внутр. – из белковых фибрилл (ширина 6,5 нм), над ним – полисахаридн. диффузный слой. Чехлы инкрустированы окислами металлов (н-ер, оксидами Fe и Mn). Чехол хламидобактерий уч-ет в биоминерализации, что приводит к образованию железных и марганцевых руд.

Чехол у Sphaerotilus natans. Это одноклеточная грам(-) бактерия. После прикрепления к подходящему субстрату, она растет в виде длинных нитей, которые состоят из цепочки клеток, удерживаемых вместе тонким трубчатым чехлом. Этот чехол состоит из: 36% сахаров, 11 —гексозамина, 27— белка, 5,2— липида и 0,5% фосфора. Эта бактерия растет в загрязненных проточных водах, в отстойниках сахарных заводов, на плотинах и в градирнях. Она образует нити и хлопья или, прочно прикрепившись к подложке, длинные, напоминающие мех полотнища или чехлы. За короткое время S. natans может полностью забить трубы, отстойники и канавы.

Слизи

Образование слизей наиболее интенсивно происходит в условиях, когда среда содержит много дисахаридов. Leuconostoc mesenteroides –за счет внекл.ферм. (гексозилтрансфераза-декстрансахароза)превращаетраствор сахарозы в 1,6-альфа-глюкан (еще Пастер в 1861 г. описывал этот процесс и связывал его с мал. кокками).

Streptococcus mutans, Streptococcus salivarius –превращает сахарозу в полифруктозы(леваны).Этиполисахариды откладываются на пов-ти зубов и служат матриксом, в кот-ом накапливаются кислые продукты брожения стрептококков (в осн. молочная к-та). Накопление молочной к-ты приводит к разрушению зубной эмали и развитию кариеса.

Ф-ции покровов:

1. Аккумулирующие – концентрация неорг. ионов и низкомолек-х орг. субстратов вблизи кл-ой пов-ти. В-ва адсорбируются веществом капсул, затем расщепляются внеклеточными ферментами.

2. Защитные – от высыхания, антибакт-х агентов (антибиотиков, бактериоцинов, гидролитических ферм. и т.д.), иммун. системы макроорганизма, бактериофагов, хищных бакт. и фаготрофных протистов.

Особ. – у зоопатогенных бакт. Капсулы нек. патогенных микробов (возбудителей пневмонии, коклюша - Bordetella pertussis, сиб. язвы и др.) повышают их вирулентность, помогая бактериям противостоять действию фагоцитов (защищает от фагоцитоза) и др. защитных механизмов макроорганизма. Капсула антигенна, она препятствует взаимодействию бактерий с антителами.

3. Адгезионные – агрегация бакт. одного вида или разных членов микробиоты, адгезия к субстрату.

4. Слизь участвует в скольжении, т.е. движении скользящих прокариот.