ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004
6. РІСТ МІКРООРГАНІЗМІВ
6.2. АДАПТИВНІ РЕАКЦІЇ МІКРООРГАНІЗМІВ НА СТРЕСОВІ ДІЇ
6.2.2. Утворення протекторних сполук
У несприятливих умовах протекторними сполуками можуть бути вуглеводи, в тому числі і скзополісахариди, каротиноїди, меланіни, протекторні білки, низькомолекулярні сполуки — осмопротектори та ін. Слід зазначити, що синтез деяких протекторних сполук у мікроорганізмів є конститутивним (ЕПС, пігменти), але у несприятливих умовах може спостерігатися збільшення їх синтезу. Ряд протекторних сполук, у тому числі протекторні білки, утворюються у відповідь на дію несприятливих факторів.
Осмонротектори. Для росту кожного мікроорганізму є оптимально значення а. Якщо водна активність у присутності розчинених речовин стає нижче оптимального для росту рівня, то частину доступної енергії мікроорганізм змушений витрачати на осморегуляцію, забезпечення енергією транспортних систем, синтез низькомолекулярних осмопротекторів. Тому в умовах пониженої водної активності спостерігається подовження лагфази, зниження швидкості росту та рівня біомаси: організм перебуває в умовах осмотичного стресу. Мікроорганізмам притаманні досить складні й досконалі системи пристосування до змін концентрації речовин у довкіллі. Серед них слід відзначити наявність у цитоплазматичній мембрані осмосенсорів. що реагують на зміну напруги мембрани, зміну співвідношення в зовнішній мембрані білків поринів, що утворюють гідрофільні пори, через які здійснюється надходження в периплазматичний простір не занадто великих молекул, а також синтез осмопротекторів.
Осмопротектори — це низькомолекулярні сполуки, концентрація яких у цитоплазмі врівноважує зовнішній тиск. У прокаріот такими осмопротекторами є гліцинбетаїн, пролін, глікозилгліцерин, глутвмат, диметилгліцин. Осмопротектори синтезуються клітиною або можуть поглинатися нею з навколишнього ссредовища, причому робота відповідних транспортних систем також індукується високою осмолярністю середовища.
Висока осмофільність у нижчих еукаріот, зокрема міцеліальних грибів, супроводжується появою в клітинах трегалози і поліолів. Існує припущення, що різна природа осмопротекторів в еукаріот і прокаріот може бути пов'язана з відмінностями в складі ліпідів мембран цих організмів, тобто природа протектора корелює зі складом мембранних ліпідів. Таке припущення ґрунтується на тому, що основна біологічна функція протекторів полягає в стабілізації ліпідного бішару мембрани. Можливо, захист мембрани бактерій, більш поліморфної за будовою і складом ліпідів у порівнянні з мембраною еукаріот. потребував більш вузькоспеціалізованих протекторів, таких як гліцинбетаїн, глікозилгліцерин. які не виявлені в еукаріот. Слід, проте. зазначити, що у деяких прокаріот у певних умовах осмопротектором може бути трегалоза. Архебактерії, в тому числі галофільнї бактерії, як осморегулятор використовують тільки калій. Останнім часом у літературі з’явилися повідомлення про те. Що деякі няфтоокиснювальні галофільні бактерії можуть використовувати як осмопротекторні сполуки аспарагмову і глутамінову кислоти, пролін і гліцинбетаїн.
Пігменти. Здатність до синтезу пігментів різної природи (меланінів, каротиноїдів, продигінінів) є характерною ознакою багатьох мікроорганізмів. Ці пігменти виконують різні функції в мікробній клітині.
Меланіни. Функції меланінів полягають головним чином у захисті від УФ та іонізуючого опромінення, висушування, дії літичних ферментів та існує думка, що роль меланініа у захисті від УФ та іонізуючого опромінення може бути зумовлена антиоксидантними властивостями цих сполук. У літературі зазначається. що меланіни можуть виконувати функції антиоксиданту в клітині. Справа в тому, що при опроміненні відбувається радіоліз води з утворенням активних вільних радикалів (гідроксидних, пероксидних та ін.), які спричиняють пошкодження біомолекул клітини. Антиоксиданти здатні поглинати та нейтралізувати такі активні радикали.
Меланіни, очевидно, відіграють також певну роль у стійкості мікроорганізмів до важких токсичних металів завдяки здатності до їх поглинання. Так, збільшення вмісту меланінів у клітинах Gaeumannomyces graminis var. graminis прирості на середовищі, що містить CuSO4, розглядається дослідниками як відповідь на присутність Сu2.
Каротиноїди. Каротиноїди у нефототрофних мікроорганізмів с протекторами фотосенсибілізації, а у фототрофів, крім того, беруть участь у процесах передачі енергії світла до реакційних центрів фотосистем. Каротиноїди н клітинах аеробних гетеротрофних бактерій Micrococcus lysodeiktlcus (М. luteus) захищають хінони від розщеплення. Припущення про те. що каротиноїди стабілізують мембрани клітин гетеротрофних бактерій — Micrococcus lysodeiktlcus і Sarcina lutea, не підтвердилося я подальших дослідженнях.
У світлі сучасних уявлень каротин с одним з біоантиоксидантів, які захищають клітини мікроорганізмів від дії токсичних перекисних сполук, що також можуть накопичуватися в клітинах під дією УФ опромінення та іонізуючої радіації. Так, радіостійкі бактерії (представники родів Delnococcus. Methylobaclerium. Rubrobacter) містять каротиноїди. Ґрунтові бактерії, ізольовані з 10-кілометрової зони ЧАЕС, також виявилися пігментованими (забарвлення від жовтого до оранжево-червоного).
Вуглеводи. Останніми роками дослідники звернули увагу на той факт, що трегалоза накопичується в значних кількостях у організмів (зокрема мікроміцетів), здатних переносити стан дегідратації (ангідробіоз). Кореляція між високим рівнем трегалози і зневодненням клітин при переході мікроорганізмів у стан анабіозу дала можливість припустити, що цей дисахарид змінює фізичні властивості мембранних ліпідів так, що вони набувають особливої стабільності в ангідробіотичному стані, тобто трегалоза є своєрідним захисним механізмом, який запобігає зневодненню мембран.
Вважають, що одним із механізмів термостійкості у мікроорганізмів є здатність організму переносити дегідратацію, бо саме завдяки цьому відбувається стабілізація ряду клітинних полімерів і в першу чергу білків. Не менше значення мас і збереження цілісності мембран у разі зневоднення. У бактеріальних спорах функцію захисту молекулярних структур від деформації виконує дипіколінова кислота, у грибів аналогічна роль приписується тре гал оді. Відповідно вважають, що з підвищенням рівня трегалози зростає і термостійкість організму.
Показано, що дріжджові культури Saecharomyces vinі і Тоrulорsіs datllla з високим вмістом внутрішньоклітинних вуглеводів (глікоген, глюкан, манан, трегалоза) є радіостійкими. Pадіочутливі культури відрізняються від радіостійких пониженим резервом вуглеводів.
Екзополісихариди Серед різноманітних біологічних функцій БПС основне місце відводиться захисній функції цих полі мерів. Мікробні ЕПС захищають клітини продуцентів від різ них несприятливих факторів (висушування, дії важких токсичних металів, антибіотиків, біоцидів. детергентів, фагів, ультрафіолетового опромінення).
Позаклітинні полісахариди, завдяки своїй гідрофільності, тривалий час утримують воду, зберігаючи життєздатність клітин. Так, лолісахлриди, що утворюються ґрунтовним та ризосферними мікроорганізмами, перешкоджають висушуванню і грунтів і зменшують водні стреси. Мукоїдні вили Eacherichia coli. Aclnetobacter catcoacrtlcue. Erwinia etruartii значно стійкіші до висушування, ніж відповідні мутанти, які не синтезують ЕПС. ЕПС здатні утворювати а важкими металами нерозчинні комплекси «метал—ЕПС».
ЕПС, синтезований Beljetrinckia derxii. проявляє захисні функції щодо нітроїтиази. Позаклітинні полісахариди деяких мікроорганізмів здатні захищати екзоферменти продуцентів від протеолітичної деградації. Збереження життєздатності клітин мікроорганізмів в умовах ультрафіолетового опромінення може бути також зумовлене захисною дією екзополісахаридів.
Протекторні білки. При переході з експоненційної в стаціонарну фазу росту у E. coli спостерігається синтез 20-30 нових специфічних (так званих постекспоненційних) білків» що забезпечують збереження життєздатності клітин у відповідь на дно несприятливих факторів. Процеси, що відбуваються при переході клітин у стаціонарний стан, можна розглядати як такі, що с в природних умовах існування мікроорганізмів. Адже в природі бактерії рідко знаходять оптимальні для росту умови. Між короткими спалахами росту вони тривалий час проводять в умовах голодування, в незбалансованому середовищі тощо. У таких несприятливих умовах клітини не припиняють повністю метаболічної активності, а переходять у нову фазу життєвого циклу — фазу підтримання життєздатності. Вони стають метаболічно менш активними і більш резистентними до несприятливих факторів середовища. Так, клітини E. coli з стаціонарної фази росту є стійкішими до нагрівання, дії перекисів, антибіотиків, осмостресу, ніж клітини з сксіпоненційної фази росту.
У відповідь на тривале голодування бактерії синтезують протекторні білки, наприклад, біпок D, що захищає безпосередньо ДНК. Під дією несприятливих факторів спостерігається синтез так званих стрес протеїнів, які утворюються для захисту основних білків.
У багатьох мікроорганізмів стійкість до металів зумовлена синтезом металозв'язувальних білків. Механізм детоксикації Cd2 поля в утворенні комплексу метилу з білком, синтез якого індукується Cd2. Металозв'язувальні білки утворюються термоацидофільними бактеріями Sulfolobus solfataricus і Васillus caldurius при вирощуванні їх у присутності Zn2 iCu2. Поклітинний Сu2 зв'язувальний білок виявлений у культурах Vibrio alglnolyticus і Pacudomonas аcruginоsa, що пережили Сu2 стрес. Стійкі до важких металів бактерії роду Cltrohacter осаджують метали у вигляді асоційованого а клітиною комплексу МеHРО4 при посередництві зв'язаної з мембранами кислої фосфатази. Припускалося. що надпродукція цього ферменту с причиною стійкості бактерій до металів. Проте останніми дослідженнями виявлена зворотна залежність між фактичною активністю і стійкістю бактерій до міді.