Дія деяких антибіотиків на мікробні клітини

· Пеніцилін діє на пептидоглікан клитин,які ростуть;

 

· Пуроміцин викликає аборт поліпептидного ланцюга;

 

· Стрептоміцин діє на70Sрибосоми бактерій.Він зв’язується з білкомS12,підвищує спорідненість аміноацилтранспортної РНК (аат-РНК) до рибосоми в результаті чого зростають помилки зчитування;

 

· Тетрациклін інгібує зв’язування аат-РНК з рибосомою;

· Хлорамфенікол зв’язуються з70Sрибосомою в районі А-сайта;

 

· Еритроміцин діє тільки на70Sрибосоми;

· Циклогексимід –тільки на80Sрибосоми.

 

Ті антибіотики, які діють на рибосоми бактерій, негативно впливають і на 70S рибосоми мітохондрій еукаріот.

 

 

В цитоплазмі прокаріот виявляються різні включення. Одні з них слід розглядати як активно функціонуючі структури, інші - як продукти клітинного метаболізму, які не виводяться назовні, а залишаються всередині клітини. Деякі цитоплазматичні включення мають пристосувальне значення. І, на кінець, багато включень є запасними речовинами.

 

І. Активні включення

 

До включень, які виконують певну функцію у фотосинтезі, належать хлоросоми зелених бактерій і фікобілісоми ціанобактерій. В них знаходяться пігменти, які збирають кванти світла

 

(антени) і передають їх в реакційні центри, де відбувається власне процес фотосинтезу.

 

ІІ. Продукти клітинного метаболізму

 

Клітини деяких фототрофних та хемолітотрофних бактерій містять структури у вигляді багатогранників діаметром 500 нм – так звані поліедральні тіла. Це карбоксисоми. Вони складаються з ферменту рибулозодифосфаткарбоксилази, який каталізує фіксацію СО₂ на рибулозодифосфаті в циклі Кальвіна.

 

ІІІ. Включення, які мають пристосувальне значення

 

Прикладом включень, які мають пристосувальне значення, можуть бути аеросоми (газові вакуолі). Вони виявлені у багатьох представників водних прокаріот. Аеросоми мають вигляд пухирців, оточених білковою мембраною і заповнені газами, розчиненими у воді. Основна

43

 

функція аеросом - це забезпечення плавучості водних організмів, які з їхньою допомогою можуть регулювати глибину і вибирати сприятливі умови.

 

IV. Запасні речовини

 

Запасні речовини прокаріот представлені полісахаридами(глікоген і гранульоза),

 

ліпідами (полі-b-гідроксибутират), поліпептидами,  поліфосфатами (волютинові гранули),

 

атомарною сіркою. При певних умовах вони можуть включатися в метаболізм клітини.

 

БАКТЕРІАЛЬНЕ ЯДРО (НУКЛЕОЇД)

 

Генетичний матеріал прокаріотних організмів, як і еукаріотних, представлений ДНК, але є суттєві відмінності в його структурній організації.

 

ДНК прокаріот займає певне місце в цитоплазмі, не відокремлене мембраною. Це так званий нуклеоїд. ДНК має вигляд замкненої в кільце подвійної спіралі і називається

 

бактеріальною хромосомою (нуклеоїд в клітині один,а копій ДНК,тобто хромосом буваєдекілька. В період активного розвитку в клітині E.coli спостерігається до 4 копій ДНК).

 

Довжина молекули ДНК у бактерій становить приблизно 1,4 мм, що значно більше за розміри самої клітини. З цього можна зробити висновок, що в клітині вона знаходиться в компактному, суперспіралізованому стані. Як правило, нуклеоїд з¢єднаний з мезосомою або з ЦПМ. Усклад нуклеоїда входять 60% ДНК, трохи РНК, невеликі кількості білка.

 

Молекула ДНК має багато негативних поверхневих зарядів, зокрема іонізовані гідроксильні групи фосфатних залишків. У еукаріот негативні заряди нейтралізуються основними білками - гістонами. У прокаріот цю функцію виконують поліаміни (спермін і спермідин), а також іони Мg²⁺.

 

Вміст пар А+Т і Г+Ц в молекулі ДНК є постійним для даного виду організма і служить важливою діагностичною ознакою.

 

Реплікація ДНК (подвоєння) відбувається за напівконсервативним механізмом і в нормі завжди передує поділу клітини. Під час реплікації ДНК прикріплюється до ЦПМ за допомогою мезосом.

 

Клітини багатьох бактерій містяться позахромосомні кільцеві молекули ДНК - плазміди.

 

Вони здатні до автономної реплікації і обумовлюють деякі властивості бактерій (резистентність до антибіотиків, здатність до деструкціі та синтезу деяких речовин).

 

РОЗМНОЖЕННЯ БАКТЕРІЙ

 

Бактеріальна клітина росте, і, досягаючи певного розміру, що зумовлено генетично,

 

починає ділитися.

 

Переважна більшість бактерій розмножується шляхом бінарного поділу, внаслідок якого утворюються дві однакові дочірні клітини.

44

 

Рис.1. Розмноження бактерій: А – утворення поперечної перегородки; Б – утворення перетяжки; В – брунькування; Г – множинний поділ; 1-клітинна стінка (товстою лінією позначена материнська клітинна стінка, тонкою – нова синтезована), 2-ЦПМ, 3-

 

мезосома,4-цитоплазма, в центрі – нуклеоїд, 5-додатковий фібрилярний шар клітинної стінки.

 

У більшості грампозитивних бактерій та нитчастих ціанобактерій в середині клітини спостерігається вп¢ячування ЦПМ і формування мезосом. Вони приймають участь в синтезі пептидоглікану і компонентів клітинної стінки. Поперечна перегородка – септа - росте від периферії до центру клітини (рис.1).

 

Після розділення дочірніх клітин синтезуються їх поверхневі структури.

 

Грамнегативні бактерії поділяються перетягуванням, тобто звуженням клітини в місцях поділу (рис.1). При цьому ЦПМ і КС викривляються і прямують всередину клітини

 

Варіантом бінарного поділу є брунькування (рис.1). Брунька утворюється на одному з полюсів материнської клітини. У процесі росту вона збільшується до розмірів останньої, а

 

потім відокремлюється від неї.

 

Бінарний поділ може проходити в одній або кількох площинах. У випадку, коли клітини після поділу не розходяться, утворюється угруповання коків або паличок.

45

 

У деяких одноклітинних ціанобактерій спостерігається множинний поділ (рис.1). Він починається із збільшення розмірів вегетативної клітини, в якій далі відбувається кілька послідовних бінарних поділів. В результаті цього утворюються від 4 до 1000 дрібних клітин -

 

баеоцитів. Після розриву материнської оболонки вони звільняються.

 

СПОРОУТВОРЕННЯ

 

У світі прокаріот досить поширеним явищем є спороутворення. Воно притаманне представникам 15 родів, зокрема Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina.

 

Бактеріальні ендоспори - це специфічні структури, стійкі до несприятливих умов. Їх утворення сприяє виживанню бактерій, але не є способом розмноження, оскільки число особин при цьому не збільшується. З однієї вегетативної клітини утворюється одна ендоспора.

 

Споруляція починається після стадії логарифмічного росту, після останнього поділу клітини. Спороутворення складається з декількох стадій (рис.2).

 

I - вегетативна клітина,яка містить1або декілька хромосом.

 

II - на одному з полюсів клітини відбувається ущільнення цитоплазми.Частинагенетичного матеріалу переходить у цю ділянку. Спостерігається інвагінація ЦПМ

 

(вп¢ячування).

 

III - з¢являється спорова перегородка–септа.

 

IV – мембрана більшої клітини та її цитоплазма оточує меншу клітину.Формуєтьсяподвійна мембранна система.

 

V -Утворюється проспора. До цієї стадії процес спороутворення має зворотній характер,

 

після неї спороутворення незворотне.

 

VI - утворюється специфічна оболонка спори- кортекс.

 

VII - спора оточується білковими оболонками,які складають від30до60 %її ваги.На ційстадії спори оптично активні і стійкі до дії різних факторів середовища. Завершується дозрівання спор, яке супроводжується певними хімічними перебудовами, а саме синтезом

 

дипіколінової кислоти,яка нагромаджується у протопласті у формі солі Са²⁺.

 

Вона становить до 15% від сухої ваги спори і стабілізує ДНК. Спори на цій стадії стають термостійкими.

 

VIII - лізис материнської клітини та звільнення спори.

 

IX – вільна зріла спора.

 

X – проростання спори.

46

 

 

Рис.2. Схематичне зображення формування ендоспори спороутворюючими бактеріями. 1

 

– нуклеоїд; 2 – цитоплазма; 3 – ЦПМ; 4 – клітинна стінка; 5 – спорова перегородка; 6 –

 

зовнішня мембрана спори; 7 – внутрішня мембрана спори; 8 – кортекс; 9 – покриви спори

 

(за Дудою, 1974). Пояснення стадій в тексті.

 

 

За сприятливих умов спори проростають і утворюють вегетативну клітину.

 

Спори відрізняються від вегетативної клітини незначним вмістом води, хімічним складом,

 

стійкістю до висушування, нагрівання, дії УФ та іонізуючих променів, хімічних розчинів.

 

Цікаво, що у деяких бактерій - Bacillus thuringiesis (B. medusa, B popіllae) в процесі спороутворення паралельно синтезуються білкові кристали, які складаються з протоксину.

 

Потрапляючи в кишечник гусені під дією кишкового соку протоксин перетворюється в токсин і руйнує епітелій комах. На використанні протоксину, зокрема із застосуванням методів генетичної модифікації рослин, базуються біологічні способи боротьби з комахами-

 

шкідниками.

 

 

Лекція № 5

 

Тема: СИСТЕМАТИКА БАКТЕРІЙ

47

 

Систематика –це розприділення(класифікація)мікроорганізмів по групах(таксонах)увідповідності з певними ознаками, а також встановлення споріднених зв’язків між ними. Такономія об’єднує класифікацію, номенклатуру та ідентифікацію.

 

Основною таксономічною групою в мікробній таксономії є вид. У висших організмів вид - це група організмів із спільними морфологічними, фізіологічними, біохімічними ознаками, які здатні між собою вільно схрещуватись і утворювати плодюче потомство. Вони утворюють популяцію і репродуктивно відокремлені від інших груп організмів. Для бактерій таке визначення застосувати дуже важко, оскільки не всі вони розмножуються статевим шляхом. Бактеріальні види – це колекція штамів, які мають багато спільних стабільних властивостей і суттєво відрізняються від інших груп штамів.

 

Існують інші визначення бактеріального виду:

 

Вид – це група штамів,які проявляють високий ступінь загальної фенотипової подібностіта відрізняються від споріднених груп штамів за багатьма незалежними ознаками.

 

Вид –сукупність мікроорганізмів,які мають спільний корінь походження,східнийгенотип зі ступенем гомології ДНК 60% і більше, близький сумарний вміст пар Г+Ц (вміст Г+Ц пар вважається видоспецифічним і розглядається як таксономічна ознака) і максимально близькі фенотипові ознаки та властивості.

 

Штам –культури(популяція мікроорганізмів)одного виду,виділені з різних джерел,абоз одного джерела, але в різний час. Штами в межах одного виду в незначній мірі відрізняються один від одного по багатьох параметрах. Типовий штам – один з перших вивчених штамів цього виду, найбільш повно охарактеризований.

 

Клон –чиста культура,яку одержано з однієї клітини.

 

Популяція –багаточисельні клітини одного виду,які існують у ряді поколінь в певнихумовах, де не має помітних перепон для випадкового схрещування. Мікроорганізми в популяції характеризуються спільною генетичною програмою і можливістю і можливістю вільного обміну генетичною інформацією. Взаємодія різних видів бактерій відбувається на рівні популяції.

 

Біовари –це варіанти бактеріальних штамів,які відрізняються за біохімічними абофізіологічними ознаками. Морфовари – відрізняються морфологічно, серовари мають різні антигенні властивості. Для бактерій, як для рослин і тварин, застосовується бінарнаноменклатура,запропонована вперше шведським ботаніком Карлом Ліннеєм.Назва видускладається з двох частин:перша - назва роду, друга - епітет, або ім’я безпосередньо виду. Розрізняють природню,філогенетичну та штучну класифікації. Метою перших двох класифікацій є встановлення спільності походження та побудова філогенетичного дерева живих організмів. На жаль, мікробіологи не мають достатньої кількості данних, щоб побудувати таку природню класифікацію, як це зроблено для тварин і рослин. Тому сучасна систематика бактерій є штучною і відіграє роль діагностичних ключів або визначників, які використовуються для ідентифікації бактерій.

 

Для класифікації та ідентифікації бактерій застосовують багато характеристик (ознак), які можна поділити на групи: морфологічні, фізіологічні та метаболічні, екологічні, молекулярні та генетичний аналіз.

 

До морфологічних ознак належать:

 

·                    Форма бактерій (коки, палички, звивисті форми)

·                    Розміри клітин

 

·                    Морфологія колоній

·                    Колір

·                    Угруповання (нитки, стрептококи, тетради, пакети)

 

·                    Рухомість (способи пересування, наявність джгутиків, пілей)

·                    Наявність капсул, чохлів, ендоспор.

До фізіологічних та метаболічних ознак належать:

 

·                    Джерела вуглецю та азоту

48

 

·                    Склад клітинної стінки

 

·                    Джерела енергії (дихання, бродіння, фотосинтез або хемосинтез)

·                    Здатність зброджувати різні субстрати

·                    Залежність росту бактерій від температури і рН середовища

 

(визначають оптимум цих показників і межи стійкості – максимум і мінімум – цих показників)

 

·                    Здатність до люмінісценції

 

·                    Відношення до кисню (аероби, анаероби, облігатні, факультативні)

·                    Осмотолерантність

·                    Утворення вторинних метаболітів

 

Екологічні ознаки:

 

Деякі ознаки важливі з екологічної точки зору, оскільки вони впливають на відносини між мікроорганізмом і оточуючим середовищем. Дуже часто буває так, що навіть близько споріднені мікроорганізми суттєво відрізняються за своїми екологічними характеристиками. Мікроорганізми, що живуть в різних частинах людського організму сильно відрізняються один від одного, а також від тих, що живуть в прісній воді, грунті, морській воді. Прикладами важливості екологічних ознак для таксономії служать моделі життєвих циклів; природа симбіотичних відносин; здатність викликати хворобу у певних господарів.

 

Генетичний аналіз застосовують для мікроорганізмів,у яких спостерігаєтьсяпарасексуальний процес. Трансформація (перенос розчинної ДНК без переносників) має місце між різними бактеріальними видами, але дуже рідко між родами. Наявність трансформації між двома штамами свідчить про значну подібність їх геномів.

 

Вивчення кон’югації (перенос ДНК безпосередньо при контакті між клитинами різних типів спарювання) теж дозволяє зібрати корисні для таксономії данні, особливо в межах ентеробактерій.

 

Для таксономії важливе значення має вивчення плазмід, оскільки вони присутні в більшості бактеріальних родів і можуть переносити гени, що кодують фенотипічні зміни. Наприклад, утворення H₂S та ферментація лактози – дуже важливі ознаки в класифікації ентеробактерій, але за них можуть відповідати як гени плазмід, так і гени бактеріальних хромосом.

 

Молекулярні ознаки:

 

· Порівняння білків у різних мікроорганізмів (цитохроми та інші білки ланцюга переносу електронів, гістони, ферменти). Використовують методи сиквенування, електрофорезу, імунологічні методи.

 

· Виявлення процентного вмісту Г+Ц пар в молекулі ДНК. Можна визначити послідовність нуклеотидів в ДНК; температуру плавлення – чим більше Г+Ц - пар, тим вище Т_п. Плавлення ДНК легко визначити спектрофотометрично при 260 нм УФ-світла.За вмістом Г+Ц - пар бактерії дуже сильно розрізняються між собою, наприклад, Staphylococcus мають Г+Ц - пар 30-38%, а Micrococcus – 64-75%, хоча ці два рода грампозитивних коків мають дуже багато інших спільних рис. Якщо два організма відрізняються за вмістом Г+Ц - пар більше, ніж на 10%, їхні геноми мають дуже сильні відмінності в послідовності нуклеотидів.

 

·                    Гібридизація нуклеїнових кислот.

 

При нагріванні ДНК два її полінуклеотидних ланцюга розходяться внаслідок розриву водневих зв’язків. Цей процес називається денатурацією і призводить до утворення поодиноких ланцюгів. Процес зворотній – при повільному охолодженні при температурі приблизно на 25⁰ С нижче, ніж Т_п ДНК, буде відбуватися спарювання ДНК і реасоціація комплементарних ділянок. Ступінь реасоціації ДНК/ДНК буде залежити від того, наскільки ідентичні (гомологічні) послідовності нуклеотидів ДНК різних видів.

49

 

Чим більша гомологічність ДНК різних видів (штамів), тим ближче спорідненість цих видів між собою. Вважають, що діапазон гомології в межах 60-100% свідчить про належність до одного і того ж виду, а ступінь гомології від 40 до 60% - до різних родів однієї родини. Для зручності проведення експерименту, досліджувану ДНК прикріплюють до мембранного фільтру і обробляють радіоактивною ДНК відомого виду. Потім вимірюють радіоактивність на фільтрі. Чим більше зв’язаної радіоактивності, тим вище гомологія між ДНК.

 

ДНК/ДНК гибридизацію можна використати тільки для вивчення близько споріднених мікроорганізмів. Більш віддалені організми порівнюють за допомогою ДНК/РНК гибридизації, застосовуючи радіоактивну рибосомальну або транспортну РНК.

 

· Сіквенс нуклеїнових кислот

 

Багато уваги приділяють сіквенуванню 5S і 16S рРНК, виділених з 50S і 30S субодиниць бактеріальних рибосом. Рибосоми – місце синтезу білка, вони є у всіх клітинах. За своїми функціями вони дуже консервативні, особливо це відноситься до рРНК, оскільки на послідовність їх основ (нуклеотидів) не можуть впливати ні виродженість генетичного коду, ні супресорні мутації. Тому рРНК може бути загальним маркером для визначення філогенетичної спорідненості бактерій.

 

Результати, які були отримані при вивченні 16S рРНК, виявились дуже незвичайними. З’ясувалось, що всі живі організми можна поділити не на дві групи, як вважалось раніше, а на три.

 

Першу групу утворюють всі еукаріоти:рослини,тварини,дріжджі,водорості.В цю групуне війшли органели еукаріот (хлоропласти і мітохондрії).

 

В другу групу, яка отримала назву еубактерій (справжні бактерії) об’єднали більшість прокаріот. Сюди ж на підставі будови 16S рРНК потрапили мітохондрії і хлоропласти.

 

І, накінець, в третю групу увійшли прокаріоти, які існують в екстремальних умовах: метанутворюючі бактерії, екстремальні галофіли і термофіли. Вони отримали назву

 

Архебактерій.

 

Порівняльна характеристика Eubacteria, Archaeobacteria і Eucaryotes представлена в таблиці.

 

Властивості		Eubacteria			Archaeobacteria			Eucaryotes
Оточене		Відсутнє			Відсутнє			Присутнє
мембраною ядро
Клітинна стінка		Пептидоглікан, який			Варіації	типів,	не	Немає	мурамової
		містить	мурамову		містить	мурамову		кислоти
		кислоту			кислоту

Мембранні ліпіди