Каппуччинелли - Подвижность живых клеток - 1982, страница 2

Структуры, обеспечивающие подвижность Жгутики бактерий — это длинные гибкие нитевидные выросты, исходящие из тела бактерии. Онн могут быть одиночными, или же пучки нх находятся на одном или на обоих полюсах клетки. Жгутики могут покрывать всю поверхность клетки, так что бактерия выглядит волосатой' (рис. 2.1). Характер расположения жгутиков относится к генетически стабильным свойствам, по нему жгутиковых бактерий делят на ВпЬас(ег(а!ез (с беспорядочным распределением жгутиков) и Рзеибошопаба!ез (жгутики располагаются на полюсах клетки). Из-за малого диаметра (120 — 250 нм) жгутики очень трудно разглядеть с помощью обычных методов световой микроскопии. Однако можно применить некоторые специальные приемы.

Так, например, жгутики можно окрасить раствором, содержащим осаждающийся реа; гент, например танин; танин откладывается на поверх- ' В атом случае их называют ресничками.— Прим. ред. иере- вода. 12 2. Подвижность прокариотических организмов 2, Подвижность прокариотическнх организмов 13 Рис. 2.1. Распределение жгутиков у бактерий; в — бактерия с одним жгутиком (вверху) н с пучком жгутиков, отходящих от одного из полюсов клетки (внизу); б — бактерия со многими жгутиками, рас- пределенными по всей поверхности клетки. ности каждого жгутика, увеличивая его диаметр, что позволяет наблюдать жгутики в обычном световом микроскопе.

Особенно хорош метод темного поля; при этом жгутики четко видны как светлые линии на черном фоне. В этих условиях жгутики выглядят тонкими нитями, длина которых обычно превышает длину клетки, из которой они исходят. В ранних работах подвижность часто изучали на родобактериях С(ггототайит ойепй. Было показано, что на, одном из полюсов этой большой (9 — 15 мкм) клетки находится группа из приблизительно 40 жгутиков длиной около 25 мкм каждый. Хорошо известная кишечная бактерия Е.

сой имеет, как правило, 6 жгутиков, каждый из которых в 2 — 3 раза длиннее самой клетки. В микроскоп видна еще одна важная морфологическая черта жгутиков, а именно нх форма. Жгутики всегда волнообразно или спиралевидно изогнуты, что характерно для всех штаммов бактерий, причем жгутики отходят от тела клетки под самыми разными углами, по-вндимому, без всякой закономерности. Более точные данные о морфологии жгутиков могут быть получены методом электронной микроскопии.

В ставших классическими исследованиях Де Памфилиса н Лдлера 135, 36), а также Днммита н Симона (38] на Е. сой и В. зибййз не только выявлены детали ультра- структуры жгутиков, но и заложена основа для понимания механизма подвижности бактерий. Этн авторы разработали методику получения интактных жгутиков в довольно больших количествах. Для этого применяли, ферментативное переваривание клеточной стенки, затем лизировали клеточную мембрану детергентом и отделяли жгутики от остатков клеток с помощью дифференциального и градиентного центрифугирования в СзС!. Этот метод позволяет удалить бактернальные оболочки и получить неповрежденные жгутики вместе со структурами, которые прикрепляют их к клетке.

Электронно-микроскопические исследования такого материала прояснили многие структурные особенности жгутиков. Прежде всего удалось различить три самостоятельные субструктуры: филамент (тело жгутика), крюк и базальное тело. Филамент и крюк находятся снаружи от клеточной оболочки, а базальное тело соединяет их с клеткой. В норме у Е. сой филамент имеет диаметр 20 нм и волнообразную форму (длина волны 2,3 мкм), однако получены мутанты с совершенно другими свойствами (рис.

2.2). Существуют, например, прямые мутанты, жгутики которых практически лишены извивов и извилистые мутанты с устойчивым признаком сильно выраженной волнообразности жгутика (длина волны 1,1 мкм) [72). Было обнаружено, что переход от жгутиков с нормальным шагом суперспирали (2,3 мкм) к извилистой форме' (1,1 мкм) происходит также н в обычных условиях — в рнс 2.2. Типы волнообразности жгутиков; о — прямок мутант; б — извилистый мутант; в — нормальный жгутик. 14 крюк ~ ланча в ь. оаоокал около ока лолым з калило 5 ~ калача М -ла кольцо Ы-о- 2.

Подвижность прокариотических организмов Рис. 2.3. Схематическая модель базального тела жгутика у грам- отрицательной бактерии (Е. со10; злементы базального тела соот- несены со структурами клеточной оболочки (35, 361. процессе движения бактерии; такой переход, как будет показано ниже, играет особую роль в плавательных движениях бактерии.

Крюк — это структура, находящаяся в основании филамента, обычно он изогнут углом или плавно. Наружл ный диаметр крюка несколько превышает диаметр фила- мента; общая длина его — около 900 нм. Функция крюка еще не вполне понятна, хотя можно предполагать, что он играет роль гибкого сочленения, обеспечивая эффективную передачу движения от банального тела к филаменту и одновременно придавая структуре фила- мента устойчивость по отношению к изменениям в окружающей среде. Стержень, выходящий из проксимального конца крюка, проходит сквозь клеточные оболочки и соединяется с базальными структурами.

Базальное тело †э сложная структура, ответственная не только за прикрепление жгутика к бактериальной клетке, но также и за создание движения. Исследование его ультраструктуры (рис. 2 3) показало, что у грамотрицательных бактерий (т е. у бактерий, которые имеют наружную липополисахарндиую мембрану и слой пептидогликанов внутри клеточной стенки) в базальном 2. Подвижность прокариотических организмов 1б Рис. 2.4. Схематическая модель базального тела жгутика у грамположительной бактерии (В. лиЬЩМ); злемеаты базальиого тела соотнесены с клеточной мембраной и клеточной оболочкой 135, 361. теле есть четыре кольца, почти одинаковых по диаметру.

Самое нижнее, или кольцо М (тешЬгапе), прикреплено к цитоплазматической мембране и из него выходит стержень жгутика. Кольцо Б (зпреппешЬгапе) расположено как раз над цитоплазматической мембраной и, повидимому, не соединено ни с какими другими клеточными структурами. Остальные два кольца, Р (от рер11бод1усап, т. е. на уровне пептидогликанного слоя) и 1.

(от Нроро!узассагЫе, т. е. на уровне липополисахаридной мембраны), погружены в соответствующие слои клеточной стднки; они фиксируют стержень, проходящий сквозь бактериальную стенку. У грамположительных бактерий (например, В. зиЬИгз) базальное тело имеет сходную структуру, но несколько упрощенную по сравнению с грамотрицательными бактериями. В нем имеется только одна пара колец, расположенных у основания стержня и, по-виднмому, аналогичных кольцам 3 и М у В. со(1;их обозначают соответственно теми же буквами (рис.

2.4). У В. зиЬИи кольцо М находится в цитоплазматической мембране, а кольцо 8 прикреплено к внутренней части пептидогликанного слоя, где оно, вероятно, контактирует с молекулами тейхоевых кислот (тейхоевые кислоты 16 2. Подвижность прокариотических организмов 17 2. Подвижность прокариотических организмов входят в состав:однослойной клеточной стенки грамположительных бактерий).

Колец, фиксирующих положение стержня в клеточной стенке, не обнаружено. Поскольку исследования ультраструктуры показали, что структура базального тела у грамположительных и грамотрицательных бактерий в принципе одна и та же и что у тех и других есть кольца Я и М, можно предполагать, что одно из этих колец или они оба участвуют в генерации движения.

Полученные в последнее время данные позволили лучше понять связь между структурой жгутика и движением и, похоже, указывают на то, что именно кольцо М ответственно за генерацию движения. 2.2. Молекулярная структура жгутика у бактерий Упомянутый выше метод выделения интактных жгутиков обеспечил возможность не только изучить их морфологически, но также исследовать химическую структуру, что необходимо для лучшего понимания всей сложности механизма функционирования этих органелл и регуляторных процессов в них. С химической точки зрения филамент жгутика построен из идентичных субъединиц, состоящих из единственного белка — флагеллина; этот белок легко отделить от структуры базальное тело — крюк, снизив рН или повысив температуру среды с интактными жгутиками до 60'С 131 Флагеллиновые субъединицы способны ассоциировать 1п нйго с образованием филаментов, весьма сходных с теми, которые наблюдаются 1п ч)чо.