Микробиология. Биология прокариотов. Учебник. Том 1 - Пиневич А.В.

Автор: Пиневич А.В.

Теги: микробиология биология

ISBN: 5-288-04057-5

Год: 2006

Похожие

Вирусология

Биохимические основы микробиологического синтеза

Протистология

Микробиология. Учебник для студентов ВУЗов

Текст

А. В. ПИНЕВИЧ

http://biotex.ibss.org.ua

МИКРОБИОЛОГИЯ

БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. В. ПИНЕВИЧ

МИКРОБИОЛОГИЯ

БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ

Учебник

Том I

ИЗДАТЕЛЬСТВО С.-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
ББК 28.4

П32

Рецензенты: д-р биол. наук, проф. А. Д. Харазова (C.-Петерб. гос. ун-т), чл.-кор. РАН,
проф. Ю. В. Гамалей (Ботан. ин-т РАН им. В. М. Комарова)

Печатается по постановлению
Редакционно-издательского совета
биолого-почвенного факультета
С.-Петербургского государственного университета

Пиневич А. В.

П32 Микробиология. Биология прокариотов: Учебник. В 3 т. Том 1.—
СПб.: Изд-во C.-Петерб. ун-та, 2006.— 352с.

ISBN 5-288-04057-5 (т. I)

ISBN 5-288-04056-7

Фундаментальный учебник по микробиологии, впервые издаваемый в С.-Петербурге, ос-
нован на курсах лекций, которые автор читает студентам Биолого-почвенного факультета
СПбГУ с начала 1970-х годов. Наряду с классическими сведениями излагаются современные
представления о биологии бактерий и архей. Многие вопросы в нем рассматриваются под
непривычным углом зрения, а некоторые еще не обсуждались в отечественной литературе.
Учебник отражает гигантский прогресс в изучении структурно-функциональной организа-
ции прокариотов, их биоразнообразия и филогении. Одним читателям это расширит круго-
зор, другим поможет переосмыслить представления об организации прокариотов, их роли в
органической эволюции и биосфере.

В I томе приводятся сведения по истории микробиологии, анализируется понятие «про-
кариоты», излагается современная классификация бактерий и архей, описываются их био-
разнообразие, экологические ниши и значение. Впервые в большом объеме даются сведения
по цитологии прокариотов. Избыточная информация может быть использована в справоч-
ных целях.

Учебник рекомендуется студентам, аспирантам биологических факультетов университе-
тов, может быть полезен исследователям-микробиологам, а также специалистам в сферах
других естественных наук. Табл. 8. Ил. 63.

ББК 28.4

Дизайн обложки профессора С.-Петербургской академии художеств И. В. Петрова

Издание подготовлено при частичной финансовой поддержке исследовательских грантов
(РФФИ 05-04-49621 и программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала
высшей школы» РНП 2.2.3.1.41.48)

ISBN 5-288-04057-5 (т. I)

ISBN 5-288-04056-7

С.-Петербургского
университета, 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................. 7

ВВЕДЕНИЕ. Прокариоты как главные объекты микробиологии..................... 12

ГЛАВА 1. История изучения бактерий ........................................ 16

1.1. Открытие бактерий................................................... 17

1.2. Брожение и гниение.................................................. 19

1.3. Инфекции............................................................ 21

1.4. Экология бактерий................................................... 23

1.5. Цитология бактерий.................................................. 27

1.6. Генетика бактерий.................................................... —

1.7. Метаболизм бактерий................................................. 29

1.8. Палеомикробиология.................................................. 33

1.9. «Виртуальная» микробиология......................................... 35

ГЛАВА 2. Место бактерий в биологической мегасистеме. От анималькулей Ле-
венгука, через схизофитов Кона и прокариотов Стэниера до филоге-
нетического домена Bacteria Воза........................................... 36

2.1. Ранние взгляды на биологическую природу бактерий.................... 37

2.2. История систематики бактерий........................................ 38

2.3. Дихотомическая мегасистема. Бактерии как прокариоты................. 42

2.4. Многозначность термина «прокариоты»................................. 45

2.5. Бактерии как филогенетический домен Bacteria........................ 47

ГЛАВА 3. История изучения архей............................................ 51

3.1. Экстремальные галофилы.............................................. 52

3.2. Метаногены.......................................................... 53

3.3. Термоплазмы......................................................... 54

3.4. Гипертермофилы и барофилы........................................... 55

3.5. Новые находки архей.................................................. —

ГЛАВА 4. Место архей в биологической мегасистеме. От «странных бактерий»,
через прокариотов Стэниера до филогенетического домена Archaea
Воза....................................................................... 56

ГЛАВА 5. Прокариоты в свете клеточной теории .............................. 59

5.1. Современное определение клетки. Новое содержание терминов «прокариоты» и «эу-
кариоты» ............................................................... 61

5.1.1. Монады и химеры................................................ 62

5.1.2. Прокариоты и эукариоты как два типа монад...................... 65

5.2. Эволюционное происхождение эукариотов............................... 66

5.3. Протоклетка......................................................... 67

ГЛАВА 6. Важнейшие свойства и значение прокариотов......................... 69

6.1. Важнейшие свойства прокариотов в сравнении с эукариотами............. —

6.1.1. Алгоритм сравнения............................................. 70

6.1.2. Итог сравнения.................................................. —

6.2. Значение прокариотов............................................... 75
ГЛАВА 7. Биоразнообразие, классификация и глобальные ниши прокариотов... 80

7.1. Биоразнообразие прокариотов............................................... 81

7.2. Современная классификация прокариотов...................................... 82

7.2.1 Система архей......................................................... 89

7.2.1.1. Фила AI Crenarchaeota........................................... 90

7.2.1.2. Фила АП Euryarchaeota........................................... 92

7.2.1.3. Новая фила «Nanoarchaeota»...................................... 97

7.2.1.4. Фантомная фила «Korarchaeota»................................... 98

7.2.2 . Система бактерий..................................................... —

7.2.2.1. Фила BI Aquificae............................................... 99

7.2.2.2. Фила ВП Thermotogae.............................................. —

7.2.2.3. Фила Bill Thermodesulfobacteria................................ 100

7.2.2.4. Фила BIV «Deinococcus—Thermus»................................... —

7.2.2.5. Фила BV Chrysiogenetes..........................................102

7.2.2.6. Фила BVI Chloroflexi............................................. —

7.2.2.7. Фила BVII Thermomicrobia........................................103

7.2.2.8. Фила BVIII Nitrospirae......................................... 104

7.2.2.9. Фила BIX Deferribaderes.........................................105

7.2.2.10. Фила ВХ Cyanobacteria (оксигенные фототрофные бактерии)........106

7.2.2.11. Фила BXI Chlorobi (аноксигенные фототрофные зеленые одноклеточные
бактерии)................................................................ 110

7.2.2.12. Фила ВХП Proteobacteria........................................112

7.2.2.13. Фила ВХШ Firmicutes........................................... 115

7.2.2.14. Фила BXIV Actinobacteria.......................................119

7.2.2.15. Фила BXV Planctomycetes........................................123

7.2.2.16. Фила BXVI Chlamydiae...........................................124

7.2.2.17. Фила BXVII Spirochaetes......................................... —

7.2.2.18. Фила BXVIII Fibrobacteres..................................... 125

7.2.2.19. Фила BXIX Acidobacteria......................................... —

7.2.2.20. Фила ВХХ Bacteroidetes.........................................126

7.2.2.21. Фила BXXI Fuso bacteria........................................127

7.2.2.22. Фила ВХХП Verrucomicrobia....................................... —

7.2.2.23. Фила ВХХШ Dictyoglomi..........................................128

7.2.2.24. Новая фила «Gemmatimonadetes»................................... —

7.2.2.25. Фантомные филы бактерий....................................... 129

7.3. Глобальные ниши прокариотов............................................... 130

7.3.1. Земная кора..........................................................132

7.3.2. Водоемы..............................................................133

7.3.3. Дно водоемов.........................................................136

7.3.4. Почвы............................................................... 137

7.3.5. Биопленки............................................................138

7.3.6. Поверхность растений.................................................139

7.3.7. Поверхность тела и пищеварительный тракт животных..................... —

7.3.8. Эукариотная клетка в роли глобальной ниши........................... 140

ГЛАВА 8. Цитология прокариотов.....................................................142

8.1. Прокариотный морфотип...................................................... —

8.1.1. Бактериальные морфотипы..............................................143

8.1.2. Археотный морфотип.................................................. 149

8.1.3. Связь между прокариотным морфотипом и размером прокариотной клетки . 150

8.1.3.1. Причины микроскопического размера прокариотной клетки...........151

8.1.3.2. Рациональный и нерациональный дизайн прокариотной клетки......... —

8.1.3.3. Функциональные последствия микроскопического размера прокариотной
клетки................................................................... 152

8.1.3.4. «Гигантские» прокариоты........................................ 154

8.1.3.5. «Карликовые» прокариоты.........................................157

8.2. Компартментализация у прокариотов........................................ 160

8.3. Цитоплазматический компартмент........................................... 162

8.3.1. Биомембраны......................................................... 163

8.3.2. Разнообразие мембранных структур у прокариотов...................... 167
8.3.3. Мембранные липиды.................................................169

8.3.3.1. Мембранные липиды бактерий.................................. 170

8.3.3.2. Мембранные липиды архей......................................177

8.3.3.3. Значение мембранных липидов для палеомикробиологии...........180

8.3.4. Цитоплазматическая мембрана...................................... 181

8.3.5. Интрацитоплазматические мембраны..................................182

8.3.6. Хромосомы.........................................................193

8.3.6.1. Хромосомы бактерий............................................ —

8.3.6.2. Хромосомы архей..............................................198

8.3.7. Квази-эукариотизм.................................................199

8.3.8. Рибосомы..........................................................202

8.3.8.1. Рибосомы бактерий............................................205

8.3.8.2. Рибосомы архей.............................................. 206

8.3.9. Цитоскелет....................................................... 207

8.3.9.1. Морфоскелет................................................. 208

8.3.9.2. Дивискелет.................................................. 213

8.3.9.3. Энзоскелет.................................................... —

8.3.10. Генеральные компартменты для посттранскрипционного и посттрансляцион-
ного процессинга........................................................ 213

8.3.10.1. Деградосомы................................................ 214

8.3.10.2. Шаперонины................................................. 215

8.3.10.3. Протеасомы................................................. 218

8.3.11. Специализированные компартменты..................................222

8.3.11.1. Вакуоли...................................................... —

8.3.11.2. Газовые везикулы............................................224

8.3.11.3. Полярные мембраноподобные органеллы........................ 227

8.3.11.4. Полифосфатные, полиглюкозидные и цианофициновые гранулы..... —

8.3.11.5. Цитоплазматические микрокристаллы...........................232

8.3.11.6. Магнитосомы, ацидокальцисомы и керитомические вакуоли.......233

8.3.11.7. Карбоксисомы и полигидроксиалканоатные гранулы..............236

8.4. Периплазматический компартмент..........................................239

8.4.1. Наружная мембрана................................................ 240

8.4.1.1. Липиды наружной мембраны.....................................241

8.4.1.2. Белки наружной мембраны......................................250

8.4.1.3. Везикулы наружной мембраны...................................255

8.4.1.4. Контакты Байера............................................ 257

8.4.2. Периплазма......................................................... —

8.4.3. Периплазматические ригидные слои..................................262

8.4.3.1. Муреиновый саккулус..........................................263

8.4.3.2. Белковый саккулус............................................273

8.4.4. Специализированные компартменты...................................274

8.4.4.1. Серные глобулы................................................ —

8.4.4.2. Микрокристаллы...............................................275

8.5. Экзоплазматический компартмент........................................... —

8.5.1. Надмембранные комплексы у грамположительных бактерий и архей......276

8.5.1.1. Мембранные тейхоевые кислоты.................................. —

8.5.1.2. Липополисахариды и липогликаны...............................278

8.5.1.3. Негликозилированные липопротеины и гликопротеины ............279

8.5.2. Экзоплазматические ригидные слои у бактерий.......................280

8.5.2.1. Муреин-тейхоатный саккулус...................................281

8.5.2.2. Муреин-миколил-арабиногалактановый саккулус. Особенности клеточ-
ной оболочки у бактерий группы «mycolata».............................284

8.5.2.3. Паракристаллический поверхностный слой...................... 291

8.5.3. Экзоплазматические ригидные слои у архей..........................293

8.5.3.1. Паракристаллический поверхностный слой...................... 294

8.5.3.2. Псевдомуреиновый саккулус................................... 296

8.5.3.3. Гетерополисахаридный ригидный слой...........................298

8.5.4. Специализированные компартменты.................................... —

8.5.4.1. Капсулы......................................................301

8.5.4.2. Чехлы....................................................... 305
8.5.4.3. Шипы и экстрацеллюлярные газовые баллоны......................307

8.5.4.4. Целлюлосомы...................................................308

8.5.4.5. Экзоплазматические микрокристаллы............................ 311

8.6. Специализированные компартменты со смешанной локализацией...............312

8.6.1. Системы секреции белка.............................................. —

8.6.2. Жгутики............................................................320

8.6.2.1. Типы подвижности у прокариотов............................... 321

8.6.2.2. Жгутики бактерий............................................ 325

8.6.2.3. Жгутики архей.................................................335

8.6.3. Фимбрии........................................................... 337

8.6.3.1. Фимбрии бактерий..............................................338

8.6.3.2. Фимбрии главного типа........................................ 340

8.6.3.3. Фимбрии альтернативного типа..................................341

8.6.3.4. Фимбрии архей................................................ 345

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................346

Предметный указатель............................................................347
ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука бесконечна, в ней являются с каждым
днем новые и новые задачи, и университетское об-
разование должно стараться возбудить желание
внести свою лепту в сокровищницу науки.

Из стенограммы лекций Д. И. Менделеева по неор-
ганической химии, прочитанных в С.-Петербургском
университете в 1889 г. (Томск, 1910)

Предисловие пишется для того, чтобы автор мог разъяснить свои задачи и оправ-
даться за просчеты.

Начнем с того, зачем потребовался новый учебник по микробиологии и почему за-
главие «Микробиология» сопровождается подзаголовком «Биология прокариотов».

К числу фундаментальных руководств по микробиологии, изданных за по-
следние 35 лет на русском языке, относятся: «Химическая микробиология»
Э. Роуза (1971); «Мир микробов» Р. Стейниера, Э. Эдельберга и Дж. Ингрэма (1979);
«Метаболизм бактерий» Г. Готтшалка (1982); «Строение бактерий» Б. В. Громова
(1985); «Общая микробиология» Г. Шлегеля (1972; 1987); «Экология бакте-
рий» Б. В. Громова и Г. В. Павленко (1989); «Фототрофные микроорганизмы»
Е. Н. Кондратьевой, И. В. Максимовой и В. Д. Самуилова (1989); «Микробиология»
М. В. Гусева и Л. А. Минеевой (1978; 1985; 1992; 1993); «Автотрофные прокарио-
ты» Е. Н. Кондратьевой (1996) и «Лекции по природоведческой микробиологии»
Г. А. Заварзина (2003)*.

Более поздние из них раскрывают предмет лишь в отдельных аспектах, более
ранние устарели.

Кроме того, во всех микробиологических руководствах очень мало внимания
уделяется функциональной цитологии, хотя понять специфику прокариотов без нее
невозможно.

Наконец, сказываются недоговоренности, схематизм и сжатость изложения, что
вообще свойственно учебной литературе.

* Во второй половине 2005 г., когда учебник уже был в редакции, изд-во «Мир» выпустило
русский перевод двухтомного руководства «Biology of the Prokaryotes» (J. W. Lengler, G. Drews,
H. G. Schlegel, eds. Stuttgart: G. Thieme Verlag, 1999). О достоинствах и недостатках этой книги,
соавторами которой являются 43 специалиста из Европы и Нового Света, предоставим судить
читателям.
В предлагаемом учебнике рассматриваются все основные аспекты микробиоло-
гии (биологии прокариотов), систематизированы сведения об организации и жиз-
недеятельности бактерий и архей, интересные и неподготовленному читателю, и
специалисту. По ряду вопросов автор имеет собственную позицию, поскольку в
высшей школе истины соседствуют с проблемами, далекими от окончательного
решения.

Среди биологов широко распространен взгляд, что прокариоты отличаются от
эукариотов только тем, что у них нет ядра. Иногда к этому добавляют, что у про-
кариотов нет компартментализации и цитоскелета. Однако различие между прока-
риотами и эукариотами лежит гораздо глубже.

Более того, новые данные размывают когда-то существовавшую резкую грань
между прокариотами и эукариотами. Во-первых, выяснилось, что у прокариотов
существует компартментализация и цитоскелет. Во-вторых, оказалось, что в гено-
мах архей имеются гомологи эукариотных генов. В третьих, у прокариотов обна-
ружены типичные для эукариотов линейные хромосомы, а также такие элементы
инфраструктуры генома, как интроны.

В свете вышесказанного задача учебника состоит в том, чтобы охарактеризовать
следующие аспекты биологии прокариотов:

— место среди биологических объектов;

— эволюцию и филогению;

— биоразнообразие и классификацию;

— строение и функциональные свойства;

— экологию;

— биогеохимическую роль и практическое значение.

Хотя прокариоты используются в качестве объектов во многих областях совре-
менной биологии, их строение и физиология вызывают интерес главным образом
у микробиологов. Такая информационная дискриминация парадоксальна в нача-
ле XXI в., когда представления о роли, которую прокариоты играют в геохими-
ческих процессах, биосфере и биотехнологии, неуклонно завоевывают массовое со-
знание. Напомним, что про болезнетворные свойства бактерий мы знаем не толь-
ко по собственному опыту, но и в связи с угрозой их военно-террористического
применения.

Как бы то ни было, информационный взрыв, вызванный достижениями бак-
териологии, придает ей статус общебиологической дисциплины. Именно на основе
изучения бактерий в 1970-е годы была создана революционная концепция о трех
филогенетических доменах (Bacteria, Archaea, Еисагуа), которая внесла изменения
в основы клеточной теории.

Автор не стремился создать суррогат учебника по «общей» микробиологии, где
совместно рассматривались бы такие разнородные объекты, как прокариоты, ядер-
ные микроорганизмы и вирусы.

Задача-минимум состояла в том, чтобы заполнить лакуны в руководствах по
микробиологии, общей цитологии, генетике, физиологической биохимии и экологии,
где прокариоты описываются поверхностно или вообще игнорируются.

Задача-максимум — обосновать паритет биологии прокариотов и биологии эука-
риотов как двух разделов биологии клетки.

Термин «биология клетки» (франц, la biologie cellulaire), который предложил в 1884 г. француз-
ский гистолог Карнуа (С. В. Сагпоу), обозначает науку, занимающуюся структурами и процессами
на клеточном уровне. Поскольку прокариоты — это одноклеточные организмы, термины «биология
прокариотной клетки» и «биология прокариотов» дублируют друг друга. Однако не полностью,
поскольку биология прокариотов охватывает не только интравертные, но и экстравертные аспекты
жизнедеятельности, среди которых наиболее важны:

— структурные, генетические, трофические и регуляторные взаимодействия между гомологич-
ными или гетерологичными прокариотными организмами;

— существование прокариотов в симбиотических ассоциациях с ядерными организмами и ви-
русами;

— физико-химическое воздействие прокариотов на абиотическое окружение;

— геохимическая деятельность глобальных популяций прокариотов;

— использование прокариотов в исследованиях на ядерных организмах;

— использование прокариотов в биотехнологии.

На биологию прокариотов долго распространялась зоолого-ботаническая пара-
дигма, несмотря на то, что эти организмы устроены иначе, чем клетки животных
или растений, и обладают другими функциональными свойствами. В настоящее вре-
мя мы стали свидетелями революционных изменений в систематике прокариотов, а
также в концептуальных взглядах на их биоразнообразие и филогению. Пересмат-
риваются представления о численности прокариотов, занимаемых ими нишах, их
географическом расселении и биогеохимической роли. По глубине изученности кле-
точных механизмов и структур «прокариология» не только сравнялась с «эукарио-
логией», но во многом оставляет ее позади.

Тем не менее, в рейтинговом списке биологических объектов прокариоты зани-
мают строку, неадекватную их реальному значению. Прежде всего это выражается
в «эукариотной однобокости» биологического образования. Оправданием уже не мо-
жет служить то, что до начала 1960-х годов бактерий рассматривали как одну из
групп низших растений, и конспективные сведения о них сообщались во вводных
главах ботанических учебников.

Для большинства биологов бактерии по-прежнему остаются аутсайдерами орга-
нического мира. За ними закрепилась репутация примитивных существ, которые
обладают экзотической физиологией и при благоприятных условиях способны к
стремительному и потенциально не ограниченному размножению. Сложилось от-
части обоснованное убеждение, что при изучении бактерий больше, чем при изу-
чении других организмов, используются индуктивный метод и навыки, не нужные
при работе с животными и растениями. Это объясняется не только микроскопиче-
скими размерами и физиологической лабильностью бактерий, но и тем, что их вы-
деление и культивирование связаны со специальными процедурами, прежде всего с
поддержанием стерильности, не обязательной при проведении зоолого-ботанических
исследований.

Идя по пути, который во второй половине XIX в. проложили великие мик-
робиологи Луи Пастер (L. Pasteur) и Роберт Кох (R. Koch), бактериология реша-
ла в основном антропоцентрические задачи. От самого рождения она приобре-
ла прикладной характер и занималась болезнетворными формами, а также объ-
ектами, используемыми при производстве пищевых продуктов или вызывающими
их порчу.

Только на исходе XIX в. великий микробиолог С. Н. Виноградский привлек вни-
мание к проблемам экологии бактерий. Одновременно с этим, после открытий Мар-
тинуса Бейеринка (М. W. Beijerinck), последнего из «большой четверки», пробудился
интерес к биоразнообразию тех бактерий, которые не имеют очевидного утилитар-
ного значения. С начала XX в. стала развиваться биохимия, а позднее, в середине
1970-х годов, молекулярная биология бактерий. Однако, как и раньше, преимуще-
ственно изучаются структура и функции «злободневных» бактерий — важных в ме-
дицинском отношении видов и промышленных продуцентов. Получение информа-
ции о бактериях, не играющих роли в медицине и биотехнологии, по-прежнему не
рассматривается в качестве фундаментальной задачи. Биохимики, молекулярные ге-
нетики и иммунологи, имеющие дело с высшими эукариотами, убеждены в том, что
изучение бактерий следует ограничить рамками конкретных проблем их собствен-
ных дисциплин. Иначе и не может быть при повсеместном использовании методов
геномики, которые основаны на клонировании генов животных и растений в составе
бактериальных репликонов.

Однако не следует забывать о том, что главной целью биологии является систем-
ный анализ живых организмов и палеонтологических документов, т. е. бактерии и
археи не менее интересны, чем протесты, грибы, животные, растения и вирусы.
В планетарном масштабе именно прокариоты являются трофическим фундаментом
биосферы, управляют циклами углерода, азота, кислорода, серы, фосфора, железа,
марганца и других биогенных элементов, а также служат причиной глобальных гео-
химических изменений и морфологических преобразований в верхних слоях земной
коры. Несмотря на свое гигантское разнообразие ядерные, особенно высшие орга-
низмы имеют в этих процессах подчиненное значение.

Примечательно, что роль аутсайдеров, которую еще недавно играли бактерии,
теперь досталась археям. Объяснение все то же: среди них отсутствуют патогенные
формы, они еще мало вовлечены в промышленное производство и почти не исполь-
зуются в молекулярно-генетических экспериментах на ядерных организмах.

Археи, хотя они филогенетически не родственны бактериям, рассматриваются
вместе с ними не только в учебниках — непоследовательна и специальная литера-
тура, прежде всего «Руководство Берги по систематике бактерий» (2001). Причи-
на в том, что между представителями прокариотных доменов Archaea и Bacteria
существует конвергентное структурно-функциональное сходство, и, прежде всего,
они имеют одинаковый тип компартментализации, в то время как у эукариотов она
достигается иным способом. В прокариотной клетке все три этапа процессинга ге-
нетического материала (репликация, транскрипция и трансляция) локализуются в
цитоплазматическом компартменте и не разделены во времени, тогда как у ядер-
ных клеток репликация совместно с транскрипцией осуществляется в нуклеоплаз-
ме, а трансляция происходит в цитоплазме. И хотя «археотология» превращается в
самостоятельную дисциплину, учебная литература отражает пройденный этап раз-
вития микробиологии, когда еще не было археотной концепции, и архей считали
бактериями, пусть и обладающими рядом уникальных физиолого-биохимических
признаков.

Вина за то, что цитология прокариотов неинтересна не только зоологам и бота-
никам, но и большинству микробиологов, лежит на учебных программах, хотя даже
беглое сравнение прокариотов с эукариотами показывает, что это альтернативные
типы клеточной организации, цитология прокариотов — это «другая» цитология, а
физиология прокариотов иная, чем у эукариотной клетки.

В заключение отметим, что основу биоразнообразия составляют «митохондри-
альные» животные, а также растения, клетки которых наряду с митохондриями
содержат пластиды. Поскольку по строению эти органеллы относятся к бактери-
альному морфотипу, а по эволюционному происхождению принадлежат к филоге-
нетическому домену Bacteria, знакомство с биологией прокариотов позволит глубже
понять их природу.
Учебник основан на 30-летнем опыте чтения автором общего курса «Микробиология», а также
спецкурсов «Археи», «Литотрофные микроорганизмы», «Метаболизм прокариотов», «Промышлен-
ная микробиология», «Систематика и биоразнообразие прокариотов», «Цианобактерии» и «Цито-
генетика прокариотов».

Материал учебника поделен на три тома.

Том I:

— история изучения прокариотов;

— место в метасистеме;

— биологическое значение;

— систематика, биоразнообразие и глобальные ниши;

— цитология.

Том II:

— основы питания;

— хемотрофия;

— фототрофия;

— автотрофия;

— ключевые биосинтезы.

Том III:

— цитогенетика;

— онтогенез;

— регуляция;

— автоэкология и синэкология;

— природные популяционные закономерности;

— существование в культурах;

— основы биотехнологии.

Автор глубоко признателен своим учителям, отечественным и зарубежным кол-
легам, а также сотрудникам по кафедре микробиологии СПбГУ. Но особенно он
благодарен тем, чья поддержка, советы, помощь в редактировании текста и под-
готовке иллюстраций больше всего способствовали подготовке учебника — жене
Т. В. Серговской и дочери А. А. Пиневич.
ВВЕДЕНИЕ

ПРОКАРИОТЫ КАК ГЛАВНЫЕ ОБЪЕКТЫ
МИКРОБИОЛОГИИ

Quis potis est dignum pollenti pectore carmen

Condere pro rerum maiestate hisque repertis?

Quisve valet verbis tantum, qui fingere laudes
Pro meritis eius possit, qui talia nobis

Pectore parta suo quaesitaque praemia liquit?

(Кто в состояньи найти в своем сердце столь мощную силу,
Чтобы достойно воспеть все величие наших открытий?

Кто же владеет словами настолько, что мог бы прославить
Должно заслуги того, кто собственной силою духа

Столько сокровищ добыл и оставил их нам во владенье?)

Lucretius. De rerum natura

В наше время термины «прокариоты» и «эукариоты» знает не только каждый
биолог, с ними сталкивается любой в меру образованный человек. Хотя в отличие от
терминов «жизнь», «клетка», «организм» и «эволюция», они более конкретны, не все
их понимают одинаково, а многие — неправильно. Поэтому нам придется заняться
их расшифровкой.

Дело в том, что за терминами «прокариоты» и «эукариоты» стоят конкрет-
ные живые организмы, и каждому отведено определенное место в таксономической
иерархии. На примере прокариотов и эукариотов мы имеем дело с таксономическими
группами максимально высокого ранга, которые используются в мегатаксономии.

Мегатаксономия (греч. megas — большой) является одним из важнейших разде-
лов биологии. Это глобальный алгоритм для реконструкции высших системных свя-
зей между живыми существами.

Из всех когда-либо предложенных вариантов мегатаксономии лишь один выдер-
жал испытание временем — это дихотомическая система французского протистолога
Шатона (Е. Chatton). В сборнике работ, опубликованном в 1937 г., он рассматривал
ядро в качестве дискриминирующего признака при классификации клеточных мор-
фотипов. Организмы, в клетках которых есть ядро, он назвал «эукариотами» (греч.
ev — хороший и сагуоп — ядро), а организмы, клетки которых не дифференцированы
на ядро и цитоплазму — «прокариотами» (греч. pro — предшественник и сагуоп — яд-
ро). В наше время термины «эукариоты» и «прокариоты» приобрели расширенный
смысл и отражают не формальное наличие или отсутствие ядра, а разную цитоар-
хитектонику, т.е. общий план строения клетки, который определяет организацию ее
генетических, транспортных, метаболических и регуляторных систем.

До конца 1970-х годов никто и не подозревал, что организмы, расположенные
далеко друг от друга на эволюционном древе, могут иметь конвергентные цитоло-
гические признаки, в том числе, такой негативный признак, как отсутствие ядра.
В настоящее время различают две группы прокариотов, имеющие разное происхож-
дение — это бактерии и археи.

Чтобы полнее раскрыть содержание термина «прокариоты», нам придется за-
тронуть тему о глобальных клеточных морфотипах и глобальной филогении.

Прежде всего необходимо охарактеризовать предмет и методы микробиологии.
Классическая микробиология и современная наука с таким названием различаются
не только теоретической глубиной и количеством накопленных фактов, но опреде-
лением, которое они дают своему предмету.

Классическая микробиология противопоставляла микроорганизмы макроорга-
низмам, однако игнорировала организационный и филогенетический статус тех и
других. Поэтому необходимо в первую очередь раскрыть содержание терминов
«микроб», «прокариот», «бактерия» и «археот».

Из-за ошибок, нередких при использовании термина «прокариот», попытаемся
его проанализировать. Это тем более необходимо, поскольку исходное прочтение
этого термина (= клетка без ядра), а также структурное и филогенетическое со-
держание, которое вкладывалось в него в середине 1960-х годов (= бактерия), не
соответствуют современному состоянию эволюционной цитологии и отражают прой-
денный этап в истории науки.

Напомним, что термин «биология» ввел в 1802-1816 гг. немецкий ботаник Тревиранус
(G. R. Treviranus) в шеститомном труде «Biologie oder Philosophie der lebenden Natur». Следом за
ним его использовал Жан Батист де Ламарк (J.de Lamarck).

Интересна история термина «микробиология». Вопреки фонетической традиции ставить уда-
рение на первом слоге, он расшифровывается не как «малая биология», а как «наука о микро-
биотах», или «наука о малых формах жизни» (греч. microbios — малое живое существо, logos —
учение). Употребляя этот термин, мы не обращаем внимание на то, что размерная категория .мик-
ро- не очевидна (существуют как относительно, так и абсолютно малые живые существа; например,
человек не входит в круг объектов микробиологии, хотя он на несколько порядков меньше самых
крупных из животных и растений — голубого кита и гигантской секвойи).

Термин «микроб» (франц, microbe) ввел французский врач Седилло (J. S6dillot). В речи, про-
изнесенной 11 марта 1878 года на заседании Acad£mie des Sciences «Влияние открытий г-на Пасте-
ра на прогресс хирургии» он подчеркнуто говорил об абсолютно малых существах. Что касается
самого Пастера, то он называл эту науку «микробией» (франц, microbie). Только после смерти
патрона в 1895 г. его сотрудник Дюкло (Е. Duclaux) предложил термин «микробиология» (франц,
microbiologie), который вскоре стал общепризнанным.

Известны разные алгоритмы классификации, на основе которых биологические
дисциплины делят между собой «сферы влияния». Когда на первое место выходит
метод, мы говорим о систематике, микроскопии, биометрии, молекулярной биоло-
гии и т.д. Если главная роль принадлежит уровню организации или отдельному
аспекту строения, мы говорим о клеточной биологии, цитологии, физиологической
биохимии, генетике и т.д. Оба эти подхода эклектичны. Они сформировались во
второй половине XIX в. — первой половине XX в. и до известного момента обеспечи-
вали интеграцию исследований на сравнительно узком круге объектов при помощи
несовершенного методического арсенала.

Предмет биологии — это мир живых существ в его единстве и частностях; поэто-
му критерием специализации биологических дисциплин служит организация объек-
тов, образующих объективно обособленные систематические группы. Границы меж-
ду ними можно провести путем реконструкции филогении, при соблюдении логиче-
ских законов и формальных правил таксономии. Иными словами, задача конкретной
биологической дисциплины — изучить тот или иной естественный таксон.

Классическая микробиология не пользовалась этим алгоритмом. Она изучала все
микроскопические (греч. micros —малый и scopia — наблюдение), т.е. неразличимые
невооруженным глазом живые объекты.

По этому размерному признаку в круг микробов попадают пять групп объектов
с разным строением и, что еще более существенно, с независимым эволюционным
происхождением:

— прокариоты (филогенетический домен Bacteria}-,

— «другие» прокариоты (филогенетический домен Archaea}-,

— одноклеточные ядерные организмы (сборная группа протистов, состоящая из
нескольких десятков царств);

— многоклеточные ядерные микроорганизмы (представители Fungi, Plantae и
Animalia — в частности, ряд грибов, нитчатых водорослей и плоских червей);

— микроскопические существа, не имеющие клеточного строения (сборная груп-
па вирусов и вирусоподобных агентов).

Филогенетически гетерогенную группу протистов изучает протистология. Мик-
роскопические представители царств грибов, растений и животных, образующих
крону родословного древа ядерных организмов, составляют предмет соответствен-
но микологии, ботаники и зоологии. Аналогичным образом, неклеточные живые
существа составляют предмет вирусологии.

Основным объектом микробиологии являются прокариоты. Однако это нарушает
продекларированный нами принцип филогенетического единства объекта, посколь-
ку группа прокариотов состоит из неродственных микроорганизмов — бактерий и
архей.

Дисциплина, изучающая бактерий, называется бактериологией (греч. bacteria —
палка и logos — учение). Авторство этого термина принадлежит немецкому ботанику
Фердинанду Кону (F. Cohn), который в 1875 г. назвал бактериями одноклеточные
микроорганизмы, размножающиеся бинарным делением и не имеющие ядра. Часто-
та встречаемости палочковидных бактерий не выше, чем у сферических бактерий,
или кокков (греч. coccos —зерно). Лишь случайно или, может быть, благодаря фи-
лологическому чутью Кона, не существует науки с курьезным названием «кокколо-
гия».

По отношению к прокариотам-не-бактериям в 1977-1990 гг. применяли термин
«архебактерии» (греч. archaios — древний и bacteria — палка; «древние бактерии»).
Его предложил американский микробиолог Карл Воз (C.Woese). Этот неудачный
термин создал путаницу, и в конце концов Воз заменил его термином «археи» (греч.
archaios — древний). Так было исправлено первое недоразумение, связанное с тер-
мином «архебактерии», поскольку они не относятся к филогенетическому домену
Bacteria. Зато осталось второе, поскольку филогенетический домен Archaea не име-
ет оснований претендовать на роль самого архаичного (он сформировался позже
домена Bacteria и по возрасту соответствует домену Еисагуа}.

На глобальном древе прокариоты-археи обособлены от прокариотов-бактерий,
что дает «археотологии» (греч. archaios — древний и logos — учение; «наука об архе-
ях») право выделиться в самостоятельную дисциплину.
В предлагаемом учебнике по биологии прокариотов, в котором совместно излага-
ются бактериология и «археотология», не соблюдается принцип филогенетического
единства объекта. В чем же причина допущенной эклектики — невольный просчет,
дань традиции, или перед нами неразделимые сиамские близнецы?

Дело в том, что на русском языке еще не было современного учебника по био-
логии прокариотов. Кроме того, археотология еще не полностью обособилась от
бактериологии. И, наконец, самое главное — бактерии и археи имеют ряд общих фе-
нотипических свойств как дивергентной, так и конвергентной природы:

— у них сходная цитоархитектоника, в частности, они одинаково компартмента-
лизованы, но иначе, чем эукариоты;

— они имеют много общего в организации функциональных субклеточных струк-
тур;

— у них сходные метаболические и транспортные системы, а также однотипные
регуляторные процессы;

— они размножаются амитотическим делением и в природе существуют в виде
клональных популяций; микроэволюция таких генетических систем и основанные
на ней процессы видообразования подчиняются сходным закономерностям.

Кроме того, бактерий и архей исследуют с помощью одних и тех же методов; для
анализа их биоразнообразия используется одинаковая стратегия скрининга; они сов-
местно рассматриваются в «Руководстве Берги по систематике бактерий». В любом
случае изучение бактерий тесно и надолго связано с изучением архей.

По мере того, как биология прокариотов осваивает новые объекты, представле-
ние о двух группах прокариотов, бактериях и археях, становится все более убеди-
тельным. Однако дальнейший прогресс в этой области непредсказуем. Поскольку
не все согласны с концепцией архей, она еще может быть пересмотрена — в целом
или каких-то частностях.
ГЛАВА 1

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ БАКТЕРИЙ

Every occurrence in Nature is preceded by other
occurrences which are its causes, and succeeded by others
which axe its effects. The human mind is not satisfied with
observing and studying any natural occurrence alone, but
takes pleasure in connecting every natural fact with what
has gone before it, and with what is to come after it.

(Все явления Природы предваряются теми, что
служат их причиной, и влекут за собой другие, кото-
рые являются их следствием. Человеческому уму мало
наблюдать и изучать природное явление; ему отрадно
увязать каждый факт с тем, что ему предшествовало,
и с тем, что за ним последует).

John Tyndall. The forms of water in clouds & rivers,
ice & glaciers (London, 1885).

Познание всегда утилитарно — оно удовлетворяет индивидуальные и коллектив-
ные потребности в субстрате, энергии и информации. Традиционные и новые суб-
страты служат источниками питания, материалами для изготовления одежды, ин-
струментов, приборов, механизмов, строений, транспортных средств и систем ком-
муникации. В свою очередь, традиционные и альтернативные энергоносители ис-
пользуются в качестве топлива для жилищ, а также приводят в действие техниче-
ские приспособления. Наконец, информационные, в том числе, эстетические потреб-
ности человека объясняют его интерес к элементам окружающей действительности.

Субстратные, энергетические и информационные аспекты в познании макроорганизмов оче-
видны и прослеживаются с доисторических времен. Напротив, о существовании бактерий не зна-
ли до конца XVII в., и до середины XIX в. их самих осознанно не использовали. В качестве
исключения можно назвать редко встречающиеся суперпопуляции пигментированных бактерий.
В частности, драматический феномен цветения морской воды, вызванный пурпурными бактерия-
ми, описал во второй половине I в. н. э. римский энциклопедист Гай Плиний Старший (Caius Plinius
Secundus). Ацтеки до испанского нашествия в конце XV в. добавляли в пищу биомассу цианобак-
терии Spirulina. Третьим примером могут служить миксобактерии, образующие ярко окрашенные
плодовые тела (еще в конце XIX в. их принимали за гастромицетов или за гифомицетов). В качестве
источника энергии биомассу бактерий не применяют, хотя их липиды являются биологической аль-
тернативой нефтепродуктов. До тех пор, пока микробиология не превратилась в фундаментальную
науку, что произошло в начале XX в., информационное значение бактерий было незначительным.
Наконец, эстетические качества бактерий еще не востребованы, хотя по совершеству форм и ярко-
сти окраски некоторые из них не уступают аквариумным рыбкам.
Во второй половине XIX в. было окончательно доказано, что бактерии могут
вызывать заболевания человека и животных. Так появилась медицинская микро-
биология — цитология, физиология и систематика патогенных бактерий, а также ее
практические приложения — диагностика, антисептика и терапия. Агрономическая
микробиология сформировалась во второй половине XIX в., тогда как биотехно-
логия, основанная на промышленном использовании ферментативной активности
микроорганизмов, возникла только в начале XX в.

Микробиология стала самостоятельной наукой благодаря изучению биоразно-
образия бактерий и их экологических свойств. Со второй половины XX в. резко
выросло число работ, выполненных при помощи методов электронной микроско-
пии, биохимии и молекулярной биологии. Одновременно с этим активизировались
поиски новых объектов — стены лабораторий как бы раздвинулись, предметом ис-
следований стали труднодоступные уголки нашей планеты и другие небесные тела
(экзобиология уже не фантастика, а реальность).

Если микробиология поначалу обслуживала медицину, пищевую промышлен-
ность и агрономию, то теперь она стала дисциплиной со своими собственными иде-
ями и методами. Ушло в прошлое представление о ней, как о науке второго плана,
занимающейся не «биологически близкими» животными и растениями, а невиди-
мыми существами, отрицательная роль которых очевиднее, чем польза.

Благодаря микроорганизмам, прежде всего бактериям, формируется обитаемая
оболочка Земли. В ходе эволюции микроорганизмов возникли высшие формы жиз-
ни. Микробные сообщества обладают уникальной способностью использовать сол-
нечную энергию и неорганические субстраты, делая их доступными для растений и
животных.

Знания о свойствах микроорганизмов приумножились, число изученных пред-
ставителей мира невидимых глазу существ многократно увеличилось, и человек все
шире использует их в своих интересах.

1.1. ОТКРЫТИЕ БАКТЕРИЙ

Хотя с помощью микроскопа человек впервые увидел бактерий только в конце
XVII в., о существовании микроорганизмов подозревали еще в античности. Осно-
воположник медицины древнегреческий ученый Гиппократ (Hippokrates) в V в. до
н.э. высказал гениальную догадку о том, что ветер разносит невидимых существ,
виновников заразных заболеваний. Много позже, в 36 г. до н.э. римский натура-
лист Марк Теренций Варрон (Marcus Terentius Varro) предположил, что в воздухе
содержатся микроскопические животные (лат. animalia quaedam minuta).

Через полторы тысячи лет, в 1546 г., итальянский энциклопедист Джироламо
Фракасторо (G. Fracastoro) в трактате «De contagione et contagiosis morbis... » вы-
сказал гипотезу о заразном пути передачи сифилиса, чумы, сыпного тифа и оспы, а
также описал простейшие способы для предотвращения и лечения этих заболеваний.
Спустя еще столетие, в 1658 г. немецкий натуралист Атаназиус Кирхер (A. Kircher)
предположил, что причиной чумы служит «живая зараза» (лат. contagium vivum),
которая, попав в тело здоровых людей, превращается в «живые частицы» (лат.
corpuscula animata). Поскольку с помощью слабого микроскопа увидеть возбуди-
теля чумы, бактерию Yersinia pestis, было невозможно, частицы, о которых говорил
Кирхер, были, скорее всего, форменными элементами крови. Но так или иначе, идея
о микроскопических возбудителях заразных болезней была положительно воспри-
нята его современниками.

С начала XVII в. на смену натурфилософии пришел эмпирический метод, обос-
нованный английским философом и писателем Фрэнсисом Бэконом, бароном Веру-
ламским (F. Bacon Baronis de Verulamio). Наука предпочла дедукции чувственное
восприятие и индуктивное умозаключение. Началась охота за фактами, и она не
обошла стороной бактериологию.

Прогресс бактериологии тесно связан с развитием инструментальной базы, и пер-
вое место среди специального оборудования принадлежит оптическим приборам —
микроскопам.

Считается, что двухлинзовый микроскоп изобрели не позднее 1590 г. в Голландии братья Иоган-
нес и Захариас Янсены (J. et Z. Janssen). По другим источникам, это произошло в 20-е годы XVII в.,
и приоритет принадлежит голландцу Корнелису Дреббелю (С. Drebbel) или итальянцу Галилео Га-
лилею (G. Galilei). Во второй половине XVII в. голландский физик Христиан Гюйгенс (С. Huygens)
создал оптическую теорию стеклянных линз. Однако сконструированные им микроскопы давали
увеличение в лучшем случае в 100 раз. Вдобавок они обладали низкой разрешающей силой из-за
хроматической и сферической аберрации, поскольку свет с разной длиной волны фокусировался в
разных плоскостях, а на краю поля зрения изображение было расплывчатым. С помощью таких
оптических приборов невозможно было не только изучать строение, физиологические свойства и
поведение бактерий, но и просто их увидеть.

Бактерий открыл в 1676 г. натуралист-самоучка, голландец Антониус ван Левенгук
(A. van Leeuwenhoek). Парадокс в том, что оптический прибор, который он использовал, был ша-
гом назад, а не вперед в развитии инструментальной базы микробиологии. Это была элементарная
лупа, уникальность которой заключалась в том, что она имела крошечное апертурное отверстие
и очень короткое фокусное расстояние. В результате по линейному увеличению (хЗОО) при разре-
шающей силе (1,5 мкм) она в несколько раз превосходила имевшиеся тогда микроскопы, которые
состояли из трубки (тубуса), объектива и окуляра. Это позволило Левенгуку не только увидеть
бактерий, но и в общих чертах описать их морфологию, причем он был настолько точен и объ-
ективен, что мы догадываемся, о каких бактериях идет речь. Левенгука можно по праву считать
и основоположником цитологии прокариотов, и их физиологии (в числе прочего, он выяснил, что
бактерии обездвиживаются при нагревании или после обработки уксусом).

К сожалению, лупа Левенгука не стала инструментом для серийного производства и широко-
го использования. До сих пор непонятно, как изготавливалась ее главная деталь, линза — путем
обтачивания и шлифовки или путем отливки стеклянного шарика. Кроме того, короткофокусная
лупа крайне неудобна для наблюдателя с нормальным зрением (сам Левенгук был близоруким),
поскольку ее приходилось подносить вплотную к глазу.

Конструктивные ограничения первых микроскопов удалось преодолеть только в конце XIX в.,
когда немецкий оптик Аббе (Е. Abbe) разработал теорию получения световых изображений. На ее
основе немецкий механик Цейсс (С. Zeiss) и его соотечественник фабрикант стекла Шотт (F. Schott)
изобрели составные объективы, иммерсионную масляную систему и конденсорный осветитель.
Микроскопы нового поколения обладали максимальной разрешающей силой 0,2 мкм, и в конце
1870-х годов Фердинанд Кон и Роберт Кох ввели их в повседневную практику микробиологиче-
ских исследований. После того, как Кох предложил методику фиксации мазков на предметных
стеклах, заменил природные краски (индиго, гематоксилин и др.) синтетическими анилиновыми
красителями (генцианвиолетом, метилротом и др.), а также применил в исследовательских целях
микрофотографирование, бактерий стало легко наблюдать, и полученные данные надежно доку-
ментировать.

Хотя бактерии были обнаружены еще в конце XVII в., общие представления об
их строении, физиологии и биоразнообразии начали складываться лишь к середине
XIX в., поскольку раньше не было доказательств того, что они могут влиять на
жизненные процессы других организмов, а также изменять физико-химические па-
раметры окружающей среды.

В хроники бактериологии вписано много имен, среди которых такие корифеи,
как Луи Пастер, Роберт Кох, Фердинанд Кон, С. Н. Виноградский, Мартинус Бей-

Рис. 1. Надгробие Антониуса ван Левенгука (1632-1723) в Oude Kerk в Дельфте.
Фотография автора.

еринк, Альберт Клюйвер (A. J. Kluyver), Роджер Стэниер (R. Y. Stanier), Хэрленд
Вуд (H.G. Wood), Ральф Вулф (R. S. Wolfe) и многие, многие другие. Яркий след в
истории микробиологии оставили французская школа (в Париже), немецкая школа
(в Берлине), голландская школа (в Дельфте) и две американские научные школы
(в Беркли и Сан-Диего).

Не отставая от других биологических наук, бактериология постоянно расширяла
круг своих объектов, все глубже проникая в закономерности их организации. Первые
свидетельства того, что бактерии обладают особыми физиологическими свойствами
и проявляют биологическую активность, были получены при изучении брожения и
гниения.

1.2. БРОЖЕНИЕ И ГНИЕНИЕ

Практическое использование этилового спирта и молочной кислоты уходит кор-
нями в незапамятную древность. Однако до начала XIX в. образование этих веществ
не связывали с жизнедеятельностью микроорганизмов — дрожжей и бактерий.
Химическую природу спиртового брожения, или «ферментации» (лат. fermen-
tum — бурление) доказал в 1810 г. французский физик Гей-Люссак (J. L. Gay-Lussac).
В рамках господствовавшего представления, что сахар расщепляется на «меловую»
кислоту и винный спирт, он приблизился к современному пониманию брожения как
окислительно-восстановительной реакции. В конце 1830-х годов Каньяр де Латур
(С. Cagniard de Latour), Шванн (Т. Schwann) и Кютцинг (F. Т. Kiitzing) сообща уста-
новили, что спиртовое брожение представляет собой биологический процесс, вызван-
ный «сахарными» грибами, или дрожжами рода Saccharomyces. Однако этот пра-
вильный вывод вызвал резкую критику со стороны химиков-органиков, сторонников
«контактной» теории брожения — Берцелиуса (J. J. Berzelius), Велера (F. Wohler),
Либиха (J. von Liebig) и Мичерлиха (E.Mitscherlich). Они рассматривали дрожжей
как белковый «фермент», который катализирует превращение сахара в этанол, од-
нако сам, подобно неорганическому катализатору, остается неизменным.

Луи Пастер был химик по образованию, и его научная карьера началась с откры-
тия стереоизомерии. Однако он не интересовался химической стороной брожения,
и рассматривал его только под физиологическим углом зрения. В 1850-х годах он
основательно занялся изучением микроорганизмов, вызывающих накопление молоч-
ной и масляной кислот, а также этилового спирта. Его первым вкладом в микро-
биологию было доказательство биологической природы молочнокислого брожения.
Он установил, что возбудители — это микроорганизмы, которые обходятся без воз-
духа и по морфологии отличаются от дрожжей (теперь их относят к бактериям, в
частности к роду Lacto bacillus).

В 1861 г. Пастер исследовал микробных возбудителей маслянокислого брожения
(Clostridium butyricum). Полученные результаты позволили ему прийти к парадок-
сальному для того времени выводу, что жизнь возможна в отсутствии кислорода.
Открытие анаэробиоза оказало огромное влияние на дальнейшее развитие микро-
биологии.

В 1858 г. Траубе (М. Traube) пришел к идее о том, что сахар сбраживается био-
логическим катализатором, или «энзимом» (франц, en zymotique — происходящий
из бродила), который выделяют дрожжи. Однако прошло много лет, прежде чем
в 1897 г. Бухнер (Е. Buchner, Нобелевская премия по химии, 1907 г.) получил бес-
клеточный препарат дрожжей, где сохранялась активность «зимазы» — ферментно-
го комплекса, расщепляющего сахарозу до этилового спирта и диоксида углерода.
В 1905 г. Харден (A. Harden, Нобелевская премия по химии, 1929 г.) установил, что
для спиртового брожения требуется неорганический фосфат. Вскоре после этого
Эйлер-Хельпин (Н. von Euler-Chelpin, Нобелевская премия по химии, 1929 г.) опре-
делил молекулярную природу продуктов расщепления глюкозы и идентифицировал
соответствующий коэнзим — НАД. С этого момента началась история энзимологии
и связанной с ней прикладной науки, биотехнологии.

Другой микробный процесс, анализ которого стал важной вехой в понимании
биоразнообразия бактерий — это гниение. Оно связано с разложением богатого бел-
ком органического материала и наблюдается при заболеваниях животных, некроти-
ческих поражениях органов и тканей, а также при разложении трупов. Механизм
гниения связан, в частности, с образованием зловонных и токсичных продуктов де-
карбоксилирования лизина и орнитина — путресцина (лат. putor — зловоние и facio —
делать) и кадаверина (лат. cadaver — мертвое тело). Когда во второй половине XIX в.
были разработаны методы выделения бактерий и приемы получения чистых куль-
тур на питательных средах, идея Юстуса Либиха о том, что гниение связано со
спонтанным распадом органических веществ, была отвергнута. Гниение всесторонне
изучили в 1870-е годы Луи Пастер и Фердинанд Кон. В частности, они установи-
ли, что в его основе лежит разложение азотсодержащих веществ под воздействием
бактерий. Кон провел параллель между растительной «диастазой», превращающей
крахмал в сахар, и «энзимами», с помощью которых бактерии расщепляют белки
на простые азотсодержащие соединения, чтобы использовать их для своего роста.
Луи Пастер впервые сообщил об аммонификации мочевины и выделил шаровид-
ные бактерии, отвечающие за этот процесс (теперь их относят к виду Sporosarcina
итеае).

1.3. ИНФЕКЦИИ

Начиная с 1870-х годов гниение и токсикогенные гнойно-септические процессы
стали рассматривать как причину, а не следствие заболеваний человека и животных,
инфицированных болезнетворными бактериями.

Основатель французской микробиологической школы Луи Пастер доказал связь
между жизнедеятельностью конкретных групп бактерий и разными типами броже-
ний. В свою очередь, Роберт Кох, создавший немецкую школу медицинской бак-
териологии, выяснил, что бактериальные инфекции вызывают характерные гисто-
патологические изменения, и зараженная ткань содержит болезнетворного агента.
Развивая идеи анатома Генле (J. Henle), который в 1840 г. разработал стратегию
поисков возбудителей инфекционных болезней, Кох сформулировал минимальные
требования, так называемую «триаду Коха», необходимые для того, чтобы уста-
новить причинно-следственную связь между специфическим микробным агентом и
патологическим процессом, который он вызывает:

— с помощью микроскопических методов установить, что инфекционный агент
обнаруживается только (и всегда) при данной болезни;

— отделить инфекционного агента от сопутствующих микробов и вырастить его
чистую культуру;

— воспроизвести болезнь у экспериментального животного, заразив его чистой
культурой инфекционного агента; контролем может служить повторное выделение
этого агента из зараженного животного.

В 1876 г. Кох определил этиологическую природу возбудителя сибирской язвы
(Bacillus anthracis). Это была первая инфекционная бактерия, обнаруженная в кро-
ви больного животного, и одновременно с этим — первая патогенная бактерия, по-
лученная в культуре. Таким образом, было доказано, что конкретный вид бактерий
вызывает заболевание со специфической симптоматикой.

1870-1890-е годы стали «золотым веком» охоты за микробами. В 1874 г. Хансен (Е. Hansen)
обнаружил возбудителя проказы Mycobacterium leprae, после чего открытия болезнетворных бак-
терий последовали одно за другим.

В 1881 г. Луи Пастер и Штернберг (G. Sternberg) открыли возбудителя бактериальной пнев-
монии Streptococcus pneumoniae и тогда же Огстон (A. Ogston) описал патогенного стафилококка
Staphylococcus aureus, вызывающего фурункулез и такие заболевания, как эндокардит и менингит.

В 1882 г. Роберт Кох выделил бактерию легочного туберкулеза Mycobacterium tuberculosis.
Во время эпидемии, разразившейся в 1883 г. в Египте и Индии, он открыл возбудителя холеры —
холерного вибриона Vibrio cholerae. В том же году Клебс (Е. Klebs) и Лефлер (F.Loeffler) сообщили
о находке этиологического агента дифтерии Corynebacterium diphtheriae.

В 1884 г. ученик Коха, Гаффки (G. Gaffky) идентифицировал возбудителя брюшного тифа,
Salmonella typhi. Одновременно с этим Розенбах (F. J. Rosenbach) описал спорообразующую бак-
терию Clostridium tetani, вызывающую грозное нейротропное заболевание — столбняк. В 1885 г.
Эшерих (Т. Escherich) открыл кишечную палочку Escherichia coli.

В 1889 г. Нейсер (A.Neisser) обнаружил первого агента венерического заболевания — возбуди-
теля гонореи Neisseria gonorrhoeae. В 1892 г. Вэлч (W. Welch) и Наттэл (G.Nuttal) выявили возбу-
дителя газовой гангрены, которым оказалась спорообразующая анаэробная бактерия Clostridium
perfringens.

Чума часто упоминается в анналах истории; в частности, о ней упомянул в V в. до н. э. древ-
негреческий писатель Фукидид (Thucydidis) в своей «Historiae». Возбудителя, чумную палочку
Yersinia pestis независимо друг от друга нашли Йерсен (A. Yersin) и Китасато (S. Kitasato) во вре-
мя эпидемии в Гонконге в 1894 г.

В 1895 г. Ван Эрменгем (Е. van Ermengem) обнаружил Clostridium botulinum, возбудителя
смертельно опасного пищевого отравления — ботулизма.

В 1898 г. Шига (К. Shiga) выделил агента бактериальной дизентерии Shigella dysenteriae.
Возбудителя сифилиса Treponema pallidum открыли в 1905 г. Шаудин (F. Schaudinn) и Гофман
(Е. Hoffmann). В 1906 г. Борде (J. Bordet) и Жангу (О. Gengou) установили этиологического агента
коклюша—Bordetella pertussis.

Изучение свойств возбудителей бактериальных инфекций стало залогом первых
побед над ними. В 1867 г. английский медик Джозеф Листер (J.Lister) изобрел хи-
мическую антисептику (лат. anti-sepis — противоядие) и предложил использовать
фенольные соединения для стерилизации открытых ран и операционных полей.
В 1880-1890-е годы Роберт Кох и Фердинанд Кон, а также Пауль Эрлих (Р. Ehrlich,
Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1908 г.) открыли антибактериаль-
ное действие других химических веществ, в частности, формалина. Температурную
стерилизацию изобрел во второй половине 1870-х годов известный английский на-
туралист Джон Тиндэл (J. Tyndall).

Одновременно с представителями немецкой школы, которые занимались поиска-
ми возбудителей болезней, французские бактериологи искали биологические сред-
ства борьбы с инфекционными заболеваниями. Луи Пастер и его ученики предло-
жили аттенуацию (лат. at-tenuo —ослаблять), или способ снижения вирулентности
патогенного микроба в результате многократных пересевов на искусственных сре-
дах при субоптимальной температуре (42° С) или после заражения этим микробом
животного, которое не является основным носителем. Введение аттенуированного
возбудителя позволило вызвать активный иммунитет к ряду заболеваний, в частно-
сти к сибирской язве и чуме.

В начале 1900-х годов наблюдения за процессом внутриклеточного пищеварения
у беспозвоночных привели И. И. Мечникова (Нобелевская премия по физиологии и
медицине, 1908 г.) к открытию фагоцитоза и созданию теории клеточного иммуни-
тета. Одновременно с этим Беринг (Е. von Behring, Нобелевская премия по физиоло-
гии и медицине, 1917 г.) и Китасато разработали теорию гуморального иммунитета.
Исключительно важное значение для иммунологии имела гипотеза Пауля Эрлиха о
распознавании антигенов специфическими антителами.

Первый антибиотик, пенициллин открыл в 1928 г. Флеминг (A. Fleming, Нобе-
левская премия по физиологии и медицине, 1945 г.). Его промышленное производ-
ство началось в 1943 г. За относительно короткий период, в 1955-1962 гг. были
описаны до 90% антибиотиков, продуцентами которых являются актинобактерии
рода Streptomyces. В настоящее время общее число антибиотиков, в том числе по-
лусинтетических, гибридных и мутасинтетических, достигло нескольких десятков
тысяч. Успехи иммунизации и антибиотикотерапии в 1940-1960-е годы настолько
впечатляли, что в 1969 г. генеральный хирург США Стюарт (W. Н. Stewart) объ-
явил Конгрессу о полной и окончательной победе над инфекционными заболева-
ниями. Но, к сожалению, оптимизм оказался преждевременным. Хотя, по данным
ВОЗ, в 1980-1990-е годы смертность от инфекционных заболеваний снизилась по-
чти в 20 раз (с 797 случаев на 100 тыс. населения до 36 случаев на 100 тыс. насе-
ления), в конце XX в. она по-прежнему составляла 25%. Самой частой причиной
летального исхода служила пневмония (3,5 млн случаев в год), острые кишечные
заболевания (2,2 млн случаев в год) и туберкулез (1,5 млн случаев в год). В на-
стоящее время обнаружены новые этиологические агенты острых и хронических
инфекций, например Legionella pneumoniae и Helicobacter pylori. «Реванш» болезне-
творных бактерий обусловлен техническим прогрессом, антропогенным изменением
окружающей среды, демографическими сдвигами и расширением международных
контактов. Другими причинами, которые негативно влияют на борьбу с болезне-
творными бактериями, служат адаптационная изменчивость, приводящая к появ-
лению резистентных форм, а также неэффективность превентивных мер здраво-
охранения.

1.4. ЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

Бактерии занимают всевозможные ниши — от благоприятных для массового раз-
вития до экстремальных, где скорость распада АТФ, НАД(Ф)Н, белков и нуклеино-
вых кислот превышает скорость биосинтеза de novo или скорость репарации. Бак-
терии по эко лого-географическому распределению являются космополитами, чему
способствуют их микроскопические размеры, разнообразие и лабильность метабо-
лических систем, а также способность переносить стрессы, вызванные неблагопри-
ятными условиями окружающей среды (англ, environmental stress).

Основоположником экологической бактериологии был С. Н. Виноградский, кото-
рый превзошел Луи Пастера и Роберта Коха в понимании физиологической специ-
ализации микроорганизмов. Он создал учение о роли отдельных групп бактерий в
природных экосистемах и об участии бактериальных сообществ в циклах биоген-
ных элементов. Изучая нитрифицирующих бактерий, он сформулировал в 1890-х
годах концепцию об элективных (лат. electio — выбор) условиях развития. Согласно
ей, специализированные бактерии получают физиологическое преимущество перед
своими партнерами по экоценозу и начинают численно преобладать над ними. На
методе элективных сред основывается скрининг биоразнообразия бактерий, а также
лабораторный анализ бактериальных сообществ и отдельных видов.

В 1892 г. Такстер (R. Thaxter) выделил миксобактерий, которые являются одни-
ми из главных компонентов почвенной микробиоты, и описал их дифференцирован-
ные клетки и плодовые тела. Распространение и экологическую роль других типич-
ных обитателей почвы, актиномицетов установили в 1920-е годы Зелман Ваксман
(S. A. Waksman, Нобелевская премия по физиологии и медицине,1952 г.) и Мартинус
Бейеринк.

В 1900-1940-е годы Бейеринк и его ученики усовершенствовали метод Виноград-
ского и впервые получили накопительные и чистые культуры бактерий, принадле-
жащих к разным эколого-физиологическим группам. К ним относились бактерии,
гидролизующие мочевину; разрушающие агар или целлюлозу; окисляющие водород,
серу или метан; восстанавливающие сульфат или нитрат; синтезирующие целлюло-
зу; светящиеся; анаэробные спорообразующие; аэробные диазотрофные; молочно-
кислые; уксуснокислые.
В начале XX в. от общей экологии бактерий отделились самостоятельные дис-
циплины — почвенная микробиология, водная микробиология и геомикробиология.
Первые микроскопические наблюдения бактериальных пейзажей в почвенных об-
разцах, отобранных в разных регионах Земного шара, провел в начале 1920-х годов
С. Н. Виноградский на биостанции Бри-Конт-Робер (Brie-Comte-Robert) под Пари-
жем. Полученные результаты позволили ему создать концепцию об автохтонных и
аллохтонных видах как двух основных группах бактерий в почвенных экосисте-
мах. «Автохтонными» называют бактерий, характерных для почвы конкретного
типа (греч. avtos — сам и chthon — земля; «живущий на своей земле»). Они имеют
невысокую, относительно стабильную численность и используют труднометаболи-
зируемые почвенные субстраты, прежде всего гумус. Это понятие можно использо-
вать и по отношению к нормальной микрофлоре покровов животных и нормальным
эпифитам растений. В свою очередь, «аллохтонными» названы бактерии, случайно
заселяющие почву конкретного типа (греч. alios — чужой и chthon — земля; «живу-
щий на чужой земле»). Их также называют «зимогенными» (греч. zyme — закваска
и genea— рождение; «образующий ферменты»), поскольку они накапливаются при
эпизодическом попадании в почву легкометаболизируемых субстратов.

Важную роль в изучении биоразнообразия почвенных бактерий сыграл ме-
тод «стекол обрастания», предложенный Н. Н. Холодным в 1930 г., и капилляр-
ный метод, разработанный в 1961 г. Б. В. Перфильевым и Д. Р. Габе. Выдающи-
еся представители российской школы почвенной микробиологии Д. Г. Звягинцев,
Н. А. Красильников, Е. Н. Мишустин и Г. А. Надсон, а также их зарубежные кол-
леги, в первую очередь Зелман Ваксман и Лочхед (A. G. Lochhead) внесли основной
вклад в изучение экологии почвенных микроорганизмов.

Первые исследования бактериального состава континентальных водоемов были
проведены в конце XIX в. на богатых каротиноидами пурпурных бактериях, которых
описал еще в конце 1830-х годов немецкий протистолог Эренберг (С. Ehrenberg).
Адаптированных к слабому освещению и с трудом поддающихся культивированию
зеленых аноксигенных бактерий Г. А. Надсон открыл только в 1906 г.

Пионером морской микробиологии является Зобелл (С. Zobell), который в 1940-
1950-х годах определил видовой состав популяций бактерий, заселяющих толщу
морской воды. Во второй половине 1970-х годов Джэнеш (Н. W. Jannash) провел ис-
следования микробиоты Мирового океана, в результате чего было установлено, что
численность психрофильных (греч. psychros — холодный и phileo — любить) бакте-
рий увеличивается с глубиной. Вообще изучение психрофилов началось еще в конце
XIX в., после того, как Фостер (J. Foster) показал, что биолюминесцентные бактерии
могут расти при 0°С. В 1950-1970-х годах биологию психрофилов изучали Морита
(R. Y. Morita), Бэрос (J. A. Baross) и Ингрэм (J. L. Ingraham). Позднее интерес к этим
объектам поубавился, и особое внимание стали уделять экстремально термофиль-
ным бактериям и гипертермофильным археям.

В настоящее время бактерии, живущие в прибрежных и материковых областях
полярных регионов, опять стали предметом активного изучения. Известный специ-
алист по гипертермофилам Деминг (J. W. Deming) в последние годы занялась бак-
териями, живущими в зоне фазового перехода воды и льда. Громкий резонанс по-
лучили результаты анализа бактериальных сообществ в подледном антарктическом
оз. Восток.

При исследовании морских экосистем в 1979 г. Хаянос (A. A. Yayanos) обнару-
жил адаптированных к высокому гидростатическому давлению барофильных (греч.
baros — тяжелый и phileo — любить) бактерий. По данным Джэнеша, полученным в
середине 1970-х годов, в пробах воды, извлеченных с океанических глубин, содер-
жатся олиготрофные (греч. oligos — немногочисленный и trophe —пища) бактерии,
которые для своего роста довольствуются низкими концентрациями питательных
субстратов.

В 1988 г. Чизхолм (S. W. Chisholm) открыла в Атлантическом океане цианобакте-
рию Prochlorococcus marinus, которая оказалась чемпионом среди бактерий по общей
численности и биологической продуктивности. Культивируемые штаммы Р. marinus
наряду с главным объектом генетики цианобактерий Synechocystis sp. РСС 6803 (ге-
ном которой полностью секвенирован в 1997 г.) становятся основными моделями
для изучения молекулярных механизмов фотосинтеза.

Обширный раздел геомикробиологии посвящен бактериям-экстремофилам, к
числу которых относятся, в частности, термофильные (греч. thermos — теплый
и phileo — любить) формы. Первую термофильную бациллу выделил Мигуэль
(Р. Miguel) в 1888 г. В дальнейшем были описаны разные представители грампо-
ложительных и грамотрицательных бактерий, имеющие метаболизм аэробного или
анаэробного типа. При температуре >60°С могут развиваться только прокариоты,
и именно такие условия создаются в слежавшемся сене, компостных кучах и других
органических материалах, а также в природных гидротермах и некоторых гидро-
технических сооружениях.

Исследование термофильных бактерий в антропогенных гидротермах прово-
дил Зейкус (J. G. Zeikus). В природных местообитаниях — термальных источни-
ках и геотермальных полях Северной Америки и Гренландии — их изучали Брок
(Т. D. Brock), Кастенхольц (R. W. Castenholz) и Штеттер (К. О. Stetter). Термофила-
ми из разных регионов и экосистем Евразии плодотворно занимаются Г. А. Заварзин,
Г. И. Каравайко и другие отечественные ученые.

В 1980 г. Кавасуми (Т. Kawasumi) получил в культуре аэробную водородокис-
ляющую бактерию Hydrogenobacter thermophilus, а следом за ним в 1992 г. Ху-
бер (G. Huber) выделил аэробную термофильную водородную бактерию Aquifex
pyrophilus.

Галофильные (греч. alos — соль и phileo — любить) бактерии, немногочисленные
виды которых живут в засоленных водоемах, привлекли внимание после класси-
ческих работ, которые провели Клод Зобелл в 1940-е годы и Ларсен (Н. Larsen) в
1960-е годы. Типичными обитателями хорошо прогреваемых соленых водоемов явля-
ется экстремально галофильная пурпурная бактерия Ectothiorhodospira halochloris,
которую Трюпер (H.G.Triiper) описал в 1977 г., и экстремально галофильные
цианобактерии родов Synechocystis и Spirulina. В 1980-1998 гг. в соленых водо-
емах тропических, полярных и умеренных широт были обнаружены новые гало-
фильные бактерии из родов Antarctobacter, Haloanaerobium, Haloincola, Halomonas,
Halothermothrix и др. Все они отлично приспособлены к высокой солености, при-
чем механизмы устойчивости к солевому стрессу у них отличаются от тех, которые
используют экстремально галофильные археи.

Большинство бактерий предпочитают нейтральные или слабо шелочные условия,
но встречаются мезофильные и термофильные ацидофилы (лат. acidus — кислый и
греч. phileo —любить). В первую очередь это специализированные литотрофы, кото-
рые используют энергию окисления таких субстратов, как железо и сера. Многие из
них имеют практическое значение, и их подробно изучили Браэрли (J. A. Brierley),
Г. И. Каравайко и Р. С. Головачева в конце 1970-х годов.
Логика изучения бактерий-экстремофилов ставит ряд новых задач. В частности,
по инициативе Г. А. Заварзина предпринят комплексный анализ гидротермальных
экосистем, галофильных сообществ в морских лагунах, а также алкалифильных
(лат. alcalinus — щелочной и греч. phileo — любить) бактерий в содовых озерах, слу-
жащих современными аналогами доисторических биотопов.

После того, как в 1888 г. Мартинус Бейеринк впервые приступил к исследованию
симбиоза бактерий с бобовыми растениями, перечень экологических ниш, занимае-
мых симбиотическими бактериями (греч. symbiosis —сожительство), расширился и
стал включать в себя филлосферу и ризосферу растений, наружные покровы и пи-
щеварительную систему животных, а также — в случае эндоцитобиоза — цитоплаз-
матический и ядерный компартменты эукариотных клеток.

В конце XX в. экологическая микробиология стала изучать «нетрадиционные»
ниши и их обитателей — эндолитических (греч. endon — внутри и litos — камень) бак-
терий, живущих внутри камней и скал; бактерий, поселяющихся в толще земной
коры, в том числе, обитателей нефтеносных пластов; бактерий из обрастаний, биоп-
ленок и других экстремофильных экосистем.

Самое молодое направление экологической микробиологии занимается изучени-
ем взаимосвязанных проблем гиперанабиоза и экзобиологии.

Анализ редко встречающихся ситуаций, когда бактерии в состоянии полного физиологического
покоя, или анабиоза (греч. anabiosis — воскрешение из мертвых) сохраняют жизнеспособность на
протяжении геологических периодов, позволяет не только определить хронологические границы
существования индивидуального организма, но и изучить структуру таких «живых ископаемых».
Способность к анабиозу служит предпосылкой расселения жизни в Мировом пространстве в соот-
ветствии с гипотезой панспермии (греч. pan-sperma - единое семя). Принято считать, что ее выдви-
нул в 1900-е годы Сванте Аррениус (S. A. Arrhenius, Нобелевская премия по химии, 1903 г.), хотя
на самом деле ее высказал еще в 1821 г. де Монливо (S.-G. de Montlivault), а Рихтер (Н. Е. Richter)
пытался в 1865 г. дополнить аналогичными соображениями селекционистскую теорию Чарлза Дар-
вина (С. Darwin). Из крупных микробиологов гипотезу панспермии поддержал в 1870-е годы Фер-
динанд Кон. В рядах ее стронников были и представители других естественных наук, в частности,
известный физик Кельвин (W. Thomson Lord Kelvin).

Косвенным доводом в пользу существования на небесных телах органической жизни служат
данные о способности бактериальных эндоспор к анабиозу и исключительной устойчивости этих
дифференцированных клеток к очень жестким воздействиям со стороны окружающей среды.

Исследования в области экзобиологии получили новый импульс после того, как на Марсе,
а также на юпитерианской луне Европе была обнаружена вода — необходимое условие для фи-
зиологических процессов. Очередным доводом в пользу существования внеземной биологической
активности послужило сообщение Маккея (D.S. McKay) о находке в 2000 г. внутри марсианского
метеорита ALH84001 частиц магнетита, очень похожих на бактериальные магнитосомы — цито-
плазматическими включения биогенных минералов железа.

Экология бактерий расстается с редукционизмом Луи Пастера и Роберта Коха,
который доминировал на заре микробиологии, но теперь тормозит ее поступатель-
ное развитие. Современные исследователи одинаково успешно используют принцип
элективности С. Н. Виноградского и его методы прямого анализа микробных со-
обществ. Лабораторное моделирование на чистых культурах постепенно уходит в
прошлое. Будущее принадлежит системному анализу микробиоты in situ на основе
полевых наблюдений и физиологических тестов, а также при помощи молекуляр-
но-биологического инструментария (полимеразной цепной реакции, зондов и т. д.).
Перспективы микробной экологии велики, как и проблемы, подстерегающие тех, кто
трудится на этом поприще.
1.5. ЦИТОЛОГИЯ БАКТЕРИИ

С начала промышленного производства лабораторных микроскопов во второй
половине XIX в. анализ морфологии бактерий стал сравнительно несложным де-
лом. Были охарактеризованы основные формы и клеточные агрегаты бактерий,
придаточные структуры и цитоплазматические включения, а также структурные
превращения бактерий, в частности при образовании дифференцированных клеток.
Выдающимся достижением стало открытие в 1876-1877 гг. Фердинандом Коном, Ро-
бертом Кохом и Джоном Тиндэлом покоящихся резистентных клеток бактерий — эн-
доспор. Однако внутреннее строение бактерий долго оставалось загадкой, и в первую
очередь это касалось бактериального «ядра».

Первые сведения по функциональной цитологии бактерий стали накапливаться
в 1950-1960-е годы, когда в микробиологию пришли методы электронной микроско-
пии. Широкая возможность изучать анатомию бактерий с помощью электронного
микроскопа появилась после того, как:

а) Вильямс (R. С. Williams) включил в арсенал бактериологических методик про-
цедуру напыления клеток и субклеточных структур тяжелыми металлами;

б) Паладе (G. A. Palade, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1974 г.)
стал использовать для фиксации оксид осмия;

в) Ньюмен (S. В. Newman) разработал способ приготовления ультратонких срезов
из заливок материала в метакрилатные смолы;

г) Келенбергер (Е. Kellenberger) предложил метод фиксации забуференным глу-
таровым альдегидом и метод контрастирования с помощью ацетата уранила.

В 1960-1970-е годы Солтон (М. R. J. Salton) и Мюррэй (R. G. Е. Murray) по-
лучили первые данные о строении оболочки и внутренних мембран, Чэпмен
(G. В. Chapman) и Робиноу (С. Robinow) описали морфологию нуклеоида и деление,
Фиц-Джеймс (Р. С. Fitz-James) провел исследования дифференциации эндоспор, Де-
памфилис (М. L. DePamphilis) охарактеризовал ультраструктуру жгутика, а Шмидт
(Т. М. Schmidt) — серных глобул и других функциональных включений.

Во второй половине 1970-х годов, когда Наннинга (N. Nanninga) ввел в электрон-
ную микроскопию процедуру вакуумного протравливания поверхности заморожен-
ного образца (англ, freeze-etching) и, в особенности, когда появился метод сверх-
скоростной криофиксации и криозамещения воды органическими растворителями,
цитология бактерий научилась избавляться от артефактов. Изучение динамической
ультраструктуры бактерий вышло на новый качественный уровень в начале 1990-х
годов после внедрения иммунозондов, а также методов регистрации автофлуорес-
ценции и эпифлуоресценции in situ. Это весьма стимулировало изучение динами-
ческой анизотропии бактериальной клетки, репликации ДНК, сегрегации дочерних
хромосом и механизма бинарного деления.

1.6. ГЕНЕТИКА БАКТЕРИЙ

Бактерии размножаются исключительно вегетативным способом. Из-за отсут-
ствия гетерозиготности и мейотического кроссинговера их генетический анализ дол-
го ограничивался регистрацией спонтанных и индуцированных мутаций, а также
фенотипических проявлений гомологической рекомбинации в результате парасексу-
ального процесса — векторного переноса генов от донора к реципиенту.
В 1943 г. Лурия (S. Luria, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1969 г.)
и Дельбрюк (М. Delbriick, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1969 г.)
заложили основы генетики бактерий —они показали, что бактерии подчиняются
дарвинистским принципам естественного отбора, основанного на накоплении слу-
чайных мутаций. Благодаря интенсивному исследованию генетики бактерий и бак-
териофагов уже в следующем десятилетии были получены данные о природе мате-
риальных носителей генетической информации.

В 1928 г. Гриффит (F. Griffith) открыл «трансформирующее начало», которым
бактерии обмениваются друг с другом, что приводит к изменениям их генотипа.
В 1944 г. Эвери (О. Т. Avery), Маклеод С. М. Macleod) и Маккарти (М. McCarty)
доказали, что генетическая трансформация бескапсульных авирулентных пневмо-
кокков осуществляется с помощью ДНК, полученной из клеток вирулентного ин-
капсулированного штамма. Следом за этим Херши (A. Hershey, Нобелевская премия
по физиологии и медицине, 1969 г.) и Чейз (М. Chase) установили, что при зара-
жении фагом Т2 внутрь бактериальной клетки проникает только вирусная ДНК.
Тем самым была окончательно доказана роль ДНК как носителя наследственной
информации.

В начале 1950-х годов у бактерий были обнаружены внехромосомные авто-
номно реплицирующиеся генетические элементы. По предложению Ледерберга
(J. Lederberg, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1958 г.) их назва-
ли плазмидами. Они сообщают бактериям такие селективно-важные признаки, как
фертильность, колициногенность, множественная лекарственная устойчивость, спо-
собность разрушать ксенобиотики и т. д. «Горизонтальный» перенос генов плазми-
дами обеспечивает генетическую гетерогенность бактериальных популяций.

В 1946 г. Ледерберг и Тейтем (Е. L. Tatum, Нобелевская премия по физиологии и
медицине, 1958 г.) открыли конъюгацию, или контактный процесс, обеспечивающий
передачу генов при помощи плазмид от донора к реципиенту. Это главный тип
«горизонтального» переноса генов у бактерий. На протяжении 1940-1950-х годов
анализ рекомбинантных признаков у эксконъюгантов был успешно использован для
картирования генома Е. coli.

В 1949 г. Андрэ Львов (A. Lwoff, Нобелевская премия по физиологии и меди-
цине, 1965 г.) открыл у Bacillus megaterium лизогению — феномен индуцированного
фагом клеточного лизиса. Гомологическая рекомбинация в результате трансдукции,
или переноса бактериальных генов с хромосомой умеренного фага осуществляется
с помощью тех же механизмов, что и конъюгативная рекомбинация. В 1952 г. Ле-
дерберг и Зиндер (N. G. Zinder) обнаружили этот процесс у сальмонелл.

В начале 1980-х годов Рид (R. R. Reed) выявил у бактерий негомологичную ре-
комбинацию. Она обеспечивается транспозонами, которые при помощи мигрирую-
щих инсерционных последовательностей случайным образом интегрируются в геном
бактерии-акцептора. В 1968 г. Линн (S. Linn) и Эрбер (W. Arber, Нобелевская пре-
мия по физиологии и медицине, 1978 г.) открыли ферменты-рестриктазы, мишенью
которых служит проникшая в клетку чужеродная ДНК. В 1970 г. Смит (Н. Smith,
Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1978 г.) обнаружил у Haemophilus
influenzae первую сайтспецифическую рестриктазу Hind II. Это открытие легло в
основу современных технологий рекомбинантных ДНК и методов клонирования ге-
нов. В конечном счете, это привело к созданию того раздела цитогенетики, который
изучает инфраструктуру, консерватизм и изменчивость бактериальных геномов.
1.7. МЕТАБОЛИЗМ БАКТЕРИИ

Одним из первых на способность бактерий минерализовать самые разнообраз-
ные органические вещества указал голландский микробиолог де Йонг (L. Е. den
Dooren de Jong). В 1926 г. он предложил классифицировать представителей рода
Pseudomonas в соответствии со спектром субстратов, используемых для роста.

Тем не менее, открытие адаптационного синтеза ферментов не противоречило
представлениям о консервативной основе метаболизма. Альберт Клюйвер так сфор-
мулировал в 1926 г. принцип биохимического единства жизни: «Все организмы,
от маслянокислой бактерии до слона, имеют одинаковую биохимическую основу».
В измененной редакции (где вместо Clostridium butyricum фигурирует Е. coli) этот
афоризм необоснованно приписывают Жаку Моно (J. Monod, Нобелевская премия
по физиологии и медицине, 1965 г.). По существу, Клюйвер высказал идею, что
биохимия имеет общий фундамент. Это универсальный генетический код, стандарт-
ные мономеры биополимеров, глобальные системы преобразования энергии и маги-
стральные пути конструктивного метаболизма.

Наряду с этой парадигмой Клюйвер предложил концепцию о путях метаболизма,
согласно которой анаболические и катаболические процессы состоят из цепей взаим-
но сбалансированных окислительно-восстановительных реакций. Альберта Клюйве-
ра можно также считать «отцом» сравнительной биохимии, поскольку он рассмат-
ривал микробов как модели, на которых можно реконструировать метаболические
системы других биологических объектов, в том числе высших животных и растений.

Решающее значение для понимания механизмов биосинтеза аминокислот и нук-
леотидов, а также для изучения метаболизма витаминов и участия их коферментных
форм в ферментативных реакциях, имели работы Снелла (Е. S. Snell), выполненные
в 1950-1960-е годы на бактериях кишечной группы, псевдомонадах и низших акти-
номицетах.

Во второй половине 1950-х годов Роджер Стэниер провел классическое иссле-
дование каротиноидов у пурпурных бактерий. На основе полученных данных был
реконструирован генеральный путь биосинтеза полиизопреноидов, а также выясне-
на защитная роль каротиноидов при окислительном стрессе.

На фундаментальных знаниях о метаболизме бактерий основана биотехнология.
С помощью бактерий, причем во многих случаях это генетически сконструирован-
ные штаммы-сверхпродуценты, можно получать продукты питания, микробную био-
массу, биополимеры, ферменты, первичные метаболиты (аминокислоты, нуклеоти-
ды), вторичные метаболиты (антибиотики и др.), витамины, поверхностно-активные
вещества, спирты, кетоны, органические кислоты и т.д. С начала 1980-х годов, по-
сле разработки технологии рекомбинантных ДНК и создания генной инженерии,
появилась возможность клонировать в клетках Е. coli «чужие» гены, помещенные
под контроль сильных или индуцируемых промоторов. Это обеспечивает экспрес-
сию в клетках Е. coli ценнейших фармакологических продуктов — белков других
бактерий (стрептокиназы, пенициллиназы и др.) или белков ядерных организмов
(инсулина, интерферона и др.).

Метаболический потенциал тионовых бактерий используется в промышленном
процессе микробного выщелачивания металлов. Симбиотические ассоциации с уча-
стием псевдомонад, родококков и других аэробно дышащих бактерий очищают воду,
загрязненную промышленными, сельскохозяйственными, городскими и бытовыми
отходами. Они также осуществляют ремедиацию (лат. remediatio — излечение), т. е.
устраняют в окружающей среде вредные последствия антропогенной деятельности.

Аэробы. Высокая окислительная способность аэробных бактерий обеспечивает
максимальное извлечение энергии из питательных субстратов. Это также является
причиной неутилитарного окисления, или «кометаболизма» алифатических и аро-
матических соединений с помощью дегидрогеназ и оксигеназ. В 1960-е годы Роджер
Стэниер и Гунсалус (R.P.Gunsalus) выполнили цикл пионерских работ на предста-
вителях рода Pseudomonas. Полученные ими результаты позволили выяснить ме-
ханизмы разрушения нефтепродуктов, пестицидов и других ксенобиотиков (греч.
xenos —чужой и bios —жизнь; «вещества неприродного происхождения, не включа-
ющиеся в биологический круговорот»), а также изучить роль, которую играют в
этом процессе плазмиды «биодеградации».

Промышленная очистка с помощью бактериальных агрегатов, или активного ила
была впервые налажена в 1913 г. в Манчестере. В усовершенствованном виде этой
технологией продолжают пользоваться и по сей день. Параллельно разрабатывают-
ся и внедряются новые методы, основанные на эксплуатации каскадных очистных
сооружений, в которых вода освобождается от органических загрязнений и био-
генных элементов, способных вызвать эвтрофикацию, то есть цветение природных
водоемов.

Анаэробы. Концепция анаэробиоза, или «жизни без кислорода» стала важ-
ным теоретическим выводом из исследований, выполненных Луи Пастером в 1857-
1877 гг. Он впервые разделил микроорганизмов, в зависимости от отношения к кис-
лороду, на аэробов (франц, aerobies; «существа, живущие на воздухе» и анаэробов
(франц, anaerobies; «существа, живущие без воздуха»). Кроме этого, он обратил
внимание на существование переходных вариантов отношения к кислороду, которые
теперь называют факультативным анаэробиозом, микроаэробиозом и микроаэрофи-
лией. Используя разные методы для удаления кислорода из воздуха и производя
дегазацию питательных сред, он выделил в 1877 г. первую культуру анаэробной
патогенной бактерии (Clostridium septicum).

В середине 1930-х годов Хангейт (R. Е. Hungate) предложил метод «вращаю-
щихся пробирок», который до сих пор применяется для получения чистых культур
анаэробов. Он выделил ряд новых форм, в том числе целлюлолитических бактерий
Bacteroides succinogenes и Micromono spora propionici, которые живут в рубце жвач-
ных животных. В результате работ Хангейта выяснилось, что анаэробы встречаются
в пищеварительном тракте животных, илах, затопленных почвах и т. д., причем во
всех этих нишах они составляют > 90% общей численности микробиоты.

Большой вклад в изучение анаэробов внес Баркер (Н. A. Barker), который полу-
чил культуры, сбраживающие разнообразные субстраты. В 1940-1950-е годы он с
помощью радиоизотопного метода установил, что пропионовокислые бактерии осу-
ществляют гетеротрофную фиксацию СО2 и что ацетил-СоА является не только
продуктом окисления пирувата, но может быть и метаболическим предшественни-
ком при биосинтезе ацетоацетата и цитрата.

Процесс анаэробной очистки, при котором вместе с метаногенными археями клю-
чевую роль играют целлюлолитические, амилолитические и протеолитические бак-
терии, а также кислотообразующие клостридии и гетеротрофные ацетогенные бак-
терии родов Syntrophomonas и Syntrophobacter, был изучен в 1970-е годы в лабора-
ториях Зейкуса и Зиндера (S. Н. Zinder).

Бактериальный фотосинтез. В конце XIX в. Фердинанд Кон, Вар-
минг (Е. Warming), Эсмарх (Е. Esmarch), Перти (M.Perty), Цопф (W. Zopf) и
С. Н. Виноградский впервые описали пурпурных бактерий и одноклеточных зеле-
ных бактерий. Однако они не считали их фототрофами, поскольку в ту пору фо-
тосинтез не отделяли от образования кислорода. Зависимость пурпурных бактерий
от света впервые продемонстрировал в 1883-1888 гг. Энгельман (W.Engelmann), от-
крывший на их примере фотокинез и фототаксис, т. е. изменение под воздействием
света скорости движения и ориентации клеток. Доказательство того, что пурпурные
бактерии способны к фотосинтезу без выделения кислорода, было получено только
в 1907-1919 гг. в работах Молиша (Н. Molisch) и Будера (J. Buder). На рубеже 1960-
1970-х годов Пфенниг (N. Pfennig) разработал классические методы выделения и
культивирования аноксигенных фототрофных бактерий.

В ходе исследования конструктивного метаболизма одноклеточных зеленых бак-
терий Эрнон (D. I. Arnon) открыл в 1966 г. новый ферредоксинзависимый путь ас-
симиляции СО2, который позже назвали «путем Ивенса—Бьюкенена—Эрнона». В
1974 г. Ричард Кастенхольц впервые описал нитчатых зеленых бактерий. Особен-
ности их конструктивного метаболизма еще долго не удавалось выяснить, и только
в 1992 г. Фукс (G. Fuchs) доказал, что у них функционирует ранее не известный
«гидроксипропионатный» цикл автотрофной ассимиляции СОг-

В 1983 г. Гест (Н. Gest) открыл гелиобактерий — аноксигенных бактерий, содер-
жащих бактериохлорофилл д. В 1979 г. Шиба (Т. Shiba) сообщил о новой физио-
логической группе квази-фототрофных, или аэробных аноксигенных фототрофных
бактерий, способных к росту и фотосинтезу только в присутствии кислорода.

Цианобактерий до начала 1960-х годов рассматривали как «синезеленых водо-
рослей» и, естественно, не пытались изучать их бактериологическими методами.

То, что цианобактерии с самого начала получили статус ботанических объектов, объясняется
элементарно просто—до того, как Роджер Стэниер приравнял прокариотов к бактериям, любой
выделяющий кислород фототрофный организм помещали в царство Plantae. Дополнительную роль
сыграло то обстоятельство, что цианобактерии, как правило, не гидролизуют полимерные субстра-
ты, не выделяют специфических экзометаболитов и не проявляют патогенности, т. е. лишены тех
свойств, которые на заре бактериологии считали характерными для бактерий. Кроме того, ци-
анобактерий не удается выделить в чистую культуру путем высевов на элективные среды.

То, что синезеленые водоросли не относятся к растениям, непосредственно вытекало из «прин-
ципа Стэниера», что прокариоты тождественны бактериям. С начала 1980-х годов стали употреб-
лять предложенный им термин «цианобактерии». После того, как в 1960-е годы Аллен (М. М. Allen)
получила чистые культуры цианобактерий, впервые появилась возможность изучать их с помощью
физиолого-биохимических и генетических методов. В настоящее время эта группа бактерий оха-
рактеризована едва ли не лучше остальных.

В 1959 г. Ховард Гест сделал принципиально важное открытие: на примере пур-
пурной аноксигенной бактерии Rhodospirillum rubrum он показал, что фотосинте-
тический аппарат связан с хроматофорами, или внутриклеточными мембранами.
В 1950-1990-е годы пурпурные бактерии и цианобактерии стали модельными объ-
ектами при изучении фотосинтеза.

С помощью спектроскопических методов Дайсенс (L. N. М. Duysens) в 1952 г.
установил, что у пурпурных бактерий имеется «реакционный центр»—структур-
ная единица фотосинтетического аппарата, в которой происходит светозависимая
окислительно-восстановительная реакция. В 1968 г. Рид (D. W. Reed) и Клэйтон
(R. К. Clayton) выделили с помощью мягких детергентов препарат реакционного
центра Rhodopseudomonas sphaeroides, а Феер (G. Feher) в 1970 г. определил его со-
став. В 1972 г. он же идентифицировал методом ЭПР-спектроскопии хинон -пер-
вичный акцептор реакционного центра. В 1975 г. Норрис (J. R. Norris) выяснил, что
первичным донором в реакционном центре Rh. sphaeroides является «димер» бак-
териохлорофилла а.

В начале 1980-х годов Хартмут Михель (Н. Michel, Нобелевская премия по
химии, 1989 г.) вырастил кристаллы реакционного центра пурпурной бактерии
Rhodopseudomonas viridis. Благодаря этому удалось построить трехмерную модель
его гомолога — реакционного центра второй фотосистемы (ФС2). На основе дан-
ных, полученных в 1996 г. на цианобактерии Synechococcus sp. группой Фромме
(Р. Fromme) благодаря использованию рентген-кристаллографии с уровнем разре-
шения 4,5А, была построена модель реакционного центра первой фотосистемы
(ФС1). В конце XX в. было реконструировано филогенетическое древо цианобак-
терий и произошедших от них «простых» пластид.

Хемосинтез. В 1877 г. Шлезинг (Т. Schloesing) и Мюнц (A. Muntz) обнару-
жили, что почвенные бактерии окисляют аммиак до нитрата. Затем Уорингтон
(R. Warrington) показал, что нитрификация идет в два этапа, и промежуточным
продуктом является нитрит. Однако только в 1886-1888 гг. С. Н. Виноградский уста-
новил, что бактерии могут получать энергию путем окисления неорганического суб-
страта (такой способ энергетического питания был назван литотрофией). В каче-
стве объектов он использовал серную бактерию Beggiatoa alba и железобактерию
Leptothrix ochraceae. Продолжив изучение литотрофии на нитрифицирующих бак-
териях родов Nitrosomonas и Nitrobacter, он открыл в 1890 г. хемосинтез — сочетание
литотрофии с углеродной автотрофией.

В 1893 г. В. Т. Шевяков описал «гигантскую» бактерию Achromatium oxaliferum,
окисляющую сульфид до элементной серы. В свою очередь, Лаутерборн
(R. Lauterborn) описал в 1907 г. «гигантскую» нитчатую серную бактерию, отно-
сящуюся к роду Thioploca. Честь открытия тионовых бактерий (род Thiobacillus),
окисляющих серу до сульфата, принадлежит Мартинусу Бейеринку, который сооб-
щил о них в 1904 г.

В 1931 г. Стикленд (L. Н. Stickland) установил, что восстанавливающие сульфат
анаэробные бактерии могут использовать для этого молекулярный водород. Позд-
нее выяснилось, что энергию, освобождающуюся при окислении водорода, способны
усваивать и аэробные бактерии. В 1976 г. Г. А. Заварзин открыл аэробных карбок-
сидобактерий, которые используют угарный газ в качестве источника энергии и
одновременно с этим в качестве строительного материала. Позднее, в 1983 г. Джон
Зейкус обнаружил карбоксидобактерий-анаэробов.

В середине 1980-х годов Хэрленд Вуд проследил путь автотрофного биосинтеза
ацетата у окисляющей водород бактерии Clostridium thermoaceticum, который позд-
нее был назван «путем Вуда».

Большой неожиданностью для микробиологов стало открытие двух новых типов
литотрофии. В 1995 г. ван де Грааф (A. A. van de Graaf) обнаружил бактериальный
процесс анаэробного окисления аммиака нитритом и одновременно с этим Виддель
(F. Widdel) установил, что анаэробные бактерии могут с помощью нитрата окислять
двухвалентное железо.

Метилотрофия. В 1906 г. Зенген (N. L. Songen) впервые изучил бактерий, кото-
рые используют метан, метанол или другие одноуглеродные соединения в качестве
источника энергии и углерода. Однако до 1970-х годов отсутствовали сведения об
их распространении в природе и роли, которую они играют в цикле углерода; не
знали, каковы их физиологические свойства и биоразнообразие.

Во второй половине 1970-х годов, в первую очередь благодаря исследованиям
Квайла (J. R. Quayle), были расшифрованы два механизма ассимиляции формаль-
дегида у метилотрофов—«рибулозомонофосфатный путь», или «путь Квайла» и
«сериновый путь».

До недавнего времени микробное окисление метана бактериями рассматривали
как облигатно-аэробный процесс. Однако в 2002 г. Михаэлис (W. Michaelis) сообщил,
что микробиота микробных матов со дна Черного моря, в состав которой входят
метаногенные археи и сульфатредуцирующие бактерии, может in vitro в отсутствии
кислорода окислять метан.

Диазотрофия. В 1885 г. Хельригель (Н. Hellriegel) и Вильфарт (Н. Wilfarth) об-
наружили, что бобовые растения усваивают атмосферный азот (теперь такой спо-
соб питания называется диазотрофией). Через несколько лет Мартинус Бейеринк
выяснил, что способностью к диазотрофии обладают не сами растения, а их эндо-
симбионты — клубеньковые бактерии рода Rhizobium.

Первую свободноживущую анаэробную диазотрофную бактерию, Clostridium
pasteurianum выделил С. Н. Виноградский в 1902 г. В том же году Бейеринк и Ван
Дельден (A. van Delden) описали первую свободноживущую аэробную бактерию,
Azotobacter chroococcum.

В 1942 г. Фогг (G. Е. Fogg) обнаружил диазотрофию у цианобактерий, а в 1950 г.
Ховард Гест — у пурпурных бактерий.

1.8. ПАЛЕОМИКРОБИОЛОГИЯ

Поскольку бактерии имеют микроскопический размер и простую морфологию,
считалось, что их окаменелости невозможно отличить от похожих абиотических
структур, или псевдофоссилий. Поэтому тема палеомикробиологии не обсужда-
лась и практические задачи, связанные с разработкой методов для изучения древ-
них микроорганизмов, не ставились. Сомнения в том, что существуют достовер-
ные ископаемые остатки бактерий, развеялись в середине 1970-х годов в резуль-
тате исследований, проведенных микробиологами совместно с геологами и геохи-
миками.

Ископаемые строматолиты и микрофоссилии. Материалом, на котором
можно изучать ранние этапы эволюции органической жизни на Земле, служат ис-
копаемые строматолиты и микрофоссилии.

Ископаемые строматолиты (греч. stroma — ложе и lithos — камень), или слоистые окаменелости
формировались в прошедшие геологические периоды в результате прижизненной минерализации
микробных матов — стратифицированных сообществ, основным компонентом которых являются
цианобактерии. Строматолиты образуются и в современный геологический период (см. раздел
7.3.5); морфологически они сходны со строматолитами, которые были широко распространены в
морских и наземных докембрийских биотах. Самые ранние ископаемые остатки такого типа имеют
возраст до 3 млрд лет.

В то время как строматолиты демонстрируют макроструктуру древнего микробного консорци-
ума, тончайшие распилы микрофоссилий (лат. fossicius — ископаемый), или отдельных окаменев-
ших микроорганизмов при световом микроскопировании дают представление о форме ископаемых
бактерий и даже об их ультраструктуре.

В начале 1980-х годов Шопф (J. W. Schopf), Нол (А. Н. Knoll) и другие палеомикробиологи про-
вели анализ микрофоссилий на шлифах докембрийских осадочных пород возрастом 1,5-3,5 млрд
лет. Как выяснилось, эти микроископаемые почти не отличаются от современных цианобактерий.
В настоящее время для них получены морфометрические данные, характеризующие форму и раз-
мер клетки, структуру трихома, строение чехла, организацию микроколонии и т. д. При сопостав-
лении ископаемых одноклеточных и нитчатых цианобактерий (соответственно 1,4-103 образцов для
260 геологических формаций и 650 образцов для 160 геологических формаций) с 600 образцами со-
временных цианобактерий выяснилось, что микрофоссилии можно идентифицировать с точностью
до рода. Поэтому им присваиваются названия современных цианобактерий с добавлением пристав-
ки palaeo- или ео-, а также окончания-opsis или -ites (например, Palaeolyngbya и Aphanocapsaopsis').
Большинство докембрийских микрофоссилий (263 морфотипа), имеющих внешние признаки ци-
анобактерий, соответствует диагнозам современных хроококковых (25%) и осциллаториевых (37%)
штаммов.

Таким образом, цианобактерии были широко распространены 2 млрд лет назад, что подтвер-
ждается геологическими и геохимическими данными, а также результатами радиоуглеродного ана-
лиза. Более ранние микрофоссилии из сланцев формации Апекс на западе Австралии, имеющие
возраст 3,5 млрд лет, также обнаруживают сходство с осциллаториевыми цианобактериями. А по-
скольку возраст Земли равен 4,5 млрд лет, это означает, что цианобактерии являются одними из
первых обитателей нашей планеты.

Молекулярные ископаемые. Наряду со строматолитами и микрофоссилиями
палеомикробиологическими документами служат некоторые типы биомолекул. Они
в переносном или прямом смысле слова являются «молекулярными ископаемыми»
(англ, molecular fossil).

Молекулярными ископаемыми в переносном смысле слова являются геномные
нуклеиновые кислоты — ДНК у клеточных организмов и ДНК или РНК у неклеточ-
ных живых существ (вирусов). Благодаря непрекращающемуся матричному копи-
рованию в сочетании с репарацией они сохраняют наиболее консервативные участки
своей структуры на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов лет. Поэтому
определяя и сравнивая последовательности нуклеотидов в составе ДНК или РНК,
мы можем нарисовать эволюционное древо (см. раздел 2.5).

Молекулярными ископаемыми в прямом смысле слова являются биомолекулы,
сохраняющиеся после смерти клетки почти без изменений на протяжении геологиче-
ских периодов. Это происходит потому, что они, в отличие от нуклеиновых кислот,
белков и углеводов, имеют жесткий каркас, нечувствительный к ферментативному
или абиотическому воздействию.

Особое место среди таких биомолекул занимают некоторые типы липидов, пред-
ставляющих собой насыщенные углеводороды с разветвленным и/или циклическим
скелетом. Они называются рекальцитрантными биомолекулами (лат. re-calcitro —
брыкающийся; «не поддающийся разрушению»).

Для каждого из трех филогенетических доменов можно назвать специфические
рекальцитрантные липиды. Для Archaea это фитаны, для Еисагуа — стероиды, для
Bacteria — гопаноиды (см. раздел 8.3.3.1). В частности, в осадочных породах, воз-
раст которых насчитывает 2,5 млрд лет, содержатся гомологи гопаноидов, входящих
в состав современных цианобактерий.

Реанимированные древние бактерии. Некоторые прокариоты сохраняют
жизнеспособность на протяжении геологических периодов при условии полного ана-
биоза. После реанимации их можно изучать с помощью традиционных цитофизио-
логических методов.

В 1998 г. появилось сообщение о выделении живой культуры Staphylococcus
succinus — бактерии, вегетативные клетки которой в течение 25-35 млн лет хра-
нились в куске янтаря из Доминиканской республики (Южная Америка). Однако
даже такое долголетие выглядит очень скромно по сравнению с фантастическим
анабиозом продолжительностью в 250 млн лет. Именно этот возраст имеют веге-
тативные клетки Bacillus sp., которые были замурованы в кристаллах поваренной
соли, найденных в 2000 г. в штате Нью-Мехико (США).
В отличие от вегетативных клеток, эндоспоры не только полностью приостанав-
ливают свою жизнедеятельность при переходе в анабиотическое состояние (англ,
dormancy — сонливость), но и приобретают высочайшую устойчивость к стрессовым
воздействиям (англ, resistance — сопротивление). Благодаря этим свойствам они мо-
гут прорастать через очень большое время после своего образования. В желудке
мумифицированной пчелы, найденной в куске янтаре, они сохранялись в интактном
виде 25-40 млн лет.

1.9. «ВИРТУАЛЬНАЯ» МИКРОБИОЛОГИЯ

В конце XX в. изменились не только методы, но и концептуальные подходы, с
помощью которых изучаются природное разнообразие бактерий и их распределение
по нишам.

Классическая стратегия изучения биоразнообразия — «охота за микробами», вы-
ращивание культур и комплексный фенотипический анализ накопленного материала
постепенно отходит на задний план. В качестве альтернативы исследуется полимор-
физм определенных участков генома, прежде всего генов рРНК. Попросту говоря,
ищут удостоверения личности, а не их владельцев.

С этой целью из воды, почвы или другого субстрата выделяют ДНК, принадле-
жащую фенотипически не охарактеризованным объектам. Для начала достаточно
всего 10-8 г ДНК. Затем в полимеразной цепной реакции с помощью специфиче-
ских праймеров амплифицируют гены 16S рРНК. Полученные амплификоны при
необходимости дополнительно клонируют в бактериальных плазмидах, после чего
проводят автоматическое секвенирование. В заключение сравнивают реконструиро-
ванную нуклеотидную последовательность с банком генетических данных.

С помощью данного метода можно обнаружить «фантомные» бактерии, которые
не выявляются при микроскопировании природных образцов и ничем не проявляют
себя в лабораторных условиях.

Преимущество данного подхода состоит в том, что не нужно тратить время и тех-
нические средства для накопления, очистки и выращивания бактериальных куль-
тур, а также для комплексного анализа их фенотипических свойств.

Но далеко не всех бактерий, которых мы наблюдаем с помощью микроскопа в
природных образцах, можно заставить размножаться в лаборатории. Речь идет о так
называемых «некультивируемых» бактериях (англ, viable but nonculturable, VBNC).
Такое латентное состояние возникает из-за стресса при попадании в искусственную
нишу.

Есть еще одна проблема, связанная с культивированием — это использование чи-
стых культур, постоянных физико-химических условий и относительно богатых пи-
тательных сред. За возможность быстро и без помех изучать свойства отдельных
объектов современный исследователь платит тем, что анализирует монстрозные фе-
нотипы, адаптированные к искусственному гомеостазу. Условия в «тепличной» нише
резко отличаются от природных условий. В отсутствии межвидовой конкуренции и
при заданном режиме питания усиливается дрейф генов, что приводит к накопле-
нию геномных различий между музейными штаммами и природными популяциями.

Будущее экспериментальной микробиологии — за смешанными культурами и мо-
делированием природной среды, где существует трофическая сеть, а также устанав-
ливаются градиенты питательных субстратов и продуктов микробного метаболизма.
ГЛАВА 2

МЕСТО БАКТЕРИЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ
МЕГАСИСТЕМЕ

ОТ АНИМАЛЬКУЛЕЙ ЛЕВЕНГУКА,
ЧЕРЕЗ СХИЗОФИТОВ КОНА И ПРОКАРИОТОВ СТЭНИЕРА
ДО ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОГО ДОМЕНА BACTERIA ВОЗА

Ученый обязан считаться и с взглядами, противо-
речащими своим научным воззрениям; он должен взве-
шивать все мнения и выбирать только те, за которыми
стоят самые веские доводы.

Л. С. Берг. Наука, ее содержание, смысл и класси-
фикация (Петроград, 1920).

Место бактерий в биологической мегасистеме окончательно определилось только
в конце 1970-х годов, тогда как для растений и животных аналогичную задачу решил
шведский ботаник Карл Линней (С. Linnaeus) еще в первой половине XVIII в.

Система Линнея развивала и углубляла идеи, которые содержались еще в сочи-
нениях античных философов и натуралистов — Аристотеля (Aristoteles), Теофраста
(Theophrastus), Тита Лукреция Кара (Titus Lucretius Саго) и Гая Плиния Старше-
го. Ее автор также использовал все ценное, что было в трудах корифеев ботаники,
анатомии и физиологии XVI-XVII вв. — Везалия (A. Vesalius), Уоттона (Е. Wotton),
Клюзия (C.Clusius), Чезальпино (A. Caesalpino), Мальпиги (М. Malpighi) и Свам-
мердама (J. Swammerdam). В наше время система Линнея распространяется на все
клеточные организмы за исключением прокариотов.

Слишком долгое существование «внесистемной» классификации прокариотов, в
частности бактерий, имеет глубокие причины, связанные с их размерами и особенно-
стями строения. По мере изучения бактерий представления об их сущности неодно-
кратно пересматривались, и это не могло не отразиться на их мегатаксономическом
статусе.
2.1. РАННИЕ ВЗГЛЯДЫ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ
ПРИРОДУ БАКТЕРИЙ

Краеугольным камнем биологической классификации Карла Линнея служит ди-
хотомия животных и растений. Поэтому неудивительно, что первоначально место
для бактерий искали в царстве животных или растений.

Еще в античности главным признаком растений Plantae считали пассивное про-
израстание, т. е. жизнь особи на постоянном месте (лат. planto — сажать) при от-
носительно быстром вегетативном росте. В свою очередь, главным признаком жи-
вотных Animalia считали активное действие по внутреннему стимулу (лат. animo —
возбуждать), или подвижную жизнь с относительно медленным увеличением раз-
меров. Неудивительно, что первооткрыватель бактерий — Левенгук считал их «жи-
выми зверьками» (лат. vivi animalculi). Наблюдая, как они быстро плавают, он не
сомневался, что у них есть конечности (лат. manusculi), настолько миниатюрные, что
их не видно в микроскоп. Левенгук еще называл бактерий «наливочными» животны-
ми, или «инфузориями» (лат. infusio —увлажнение), поскольку они накапливались
в замоченном сене и других растительных настоях.

Линней был знаком с работами Левенгука, однако не нашел у «инфузорий» мор-
фологических признаков, достаточных для того, чтобы их классифицировать как
самостоятельную группу животных. Поэтому он назвал бактерий «сомнительными»
видами (лат. specia dubia) и поместил их в «непознаваемый» род Chaos, где рядом
также очутились протисты и плоские черви.

Исследователи второй половины XVIII в. не пытались классифицировать бак-
терий, и только немецкий протистолог Отто Мюллер (О. Muller) в своей книге
«Animalcula infusoria fluviatilia et marina» (1786 г.) подразделил «инфузорий» на 18
родов по таким признакам, как: форма, подвижность, способность к образованию
клеточных агрегатов и среда обитания. Среди описанных им родов были Monas и
Vibrio — первые идентифицированные бактерии сферической и эллипсоидной фор-
мы, хотя туда попали и протисты со сходной морфологией.

В 1838 г. Христиан Эренберг использовал для анатомического изучения одноклеточных мик-
роорганизмов усовершенствованную модель микроскопа с ахроматическими линзами. Из-за ма-
лых размеров бактерий он не смог разглядеть их морфологических деталей, однако считал, что
они должны быть такими же, как у инфузорий. По внешним признакам он разделил бактерий
на рода Bacterium, Monas, Spirillum, Spirochaeta и Vibrio. Названия некоторых из описанных им
видов сохранились — например, Spirillum volutans и Spirochaeta plicatilis. Конкретизируя систему
Эренберга, Дюжарден (F. Dujardin) впервые разграничил виды бактерий по форме и характеру
подвижности. В частности, он разбил род Vibrio на четыре вида: V. bacillus, V. lineola, V. rugula и
V. serpens. В начале 1850-х годов Максимилиан Перти продолжил исследование в данном направ-
лении и предложил названия для нескольких новых родов и видов бактерий.

До последней четверти XIX в. бактерий считали низшими животными. Однако
в 1878 г. Карл Нэгели (С. von Nageli) обнаружил, что Acetobacter xylinum и Sarcina
ventriculi содержит целлюлозу, что позволило ему сделать вывод о кардинальном
отличии бактерий от животных и их сходстве с растениями (у которых этот полимер
универсален и входит в состав клеточных стенок).

Нэгели пересмотрел господствовавшие представления о таксономическом поло-
жении бактерий и переподчинил их растительному царству как класс Schizomyceae
(греч. schizo — раскалывать пополам и лат. mycelium — грибница; «грибы, размно-
жающиеся бинарным делением»).
Однако вскоре выяснилось, что Негели, как нарочно, столкнулся с редкими слу-
чаями синтеза бактериальной целлюлозы (которая к тому же откладывается снару-
жи, а не в составе стенок). Позже выяснилось, что бактерии действительно имеют
клеточную стенку, однако она содержит не целлюлозу, а азотсодержащий полимер —
муреин.

Тем не менее, из-за того, что у них есть клеточная стенка, бактерий поместили в
группу низших растений (Thallophytd) и стали рассматривать их как примитивную
группу «бесхлорофильных грибов-дробянок».

2.2. ИСТОРИЯ СИСТЕМАТИКИ БАКТЕРИЙ

Систематика бактерий является самой молодой и динамичной из всех биосисте-
матик. Рациональность клеточного строения прокариотов, которую по неведению
называют «простотой», связана с ограниченным набором морфологических призна-
ков. Последних недостаточно для надежной и детализированной классификации по
сравнению с классификацией высших эукариотов, которая в основном опирается на
морфологию.

В отличие от систематики высших растений и животных, систематика бактерий
не пользовалась палеонтологической летописью. Поэтому при разработке таксоно-
мической системы выбор критериев определялся арсеналом методов, которые были
в распоряжении исследователей и позволяли анализировать только современных
бактерий.

Выдающаяся заслуга в разработке классификации бактерий в 1870-е годы принадлежала Фер-
динанду Кону, ученику Христиана Эренберга. Он рассматривал бактерий как растений, находя-
щихся в близком родстве с синезелеными водорослями, и разбил их по форме клеток на четыре
«трибы» с шестью формами-родами:

— Sphaerobacteria (шаровидные бактерии; род Micrococcus')-,

— Microbacteria (палочковидные бактерии; род Bacterium)-,

— Desmobacteria (нитевидные бактерии; рода Bacillus и Vibrio)-,

— Spirobacteria (спиралевидные бактерии; рода Spirillum и Spirochaeta).

Более детальная классификация бактерий учитывала частности морфологии, а также неко-
торые физиолого-биохимические свойства; например, род Micrococcus был разбит на три группы
видов по признаку пигментации («chromogen»), ферментативной активности («zymogen») и инфек-
ционности («contagion»).

Однако взгляды Кона, убежденного, что ботаническая концепция вида распространяется на
бактерии, разделяли не все микробиологи. Многие из них были уверены в том, что бактерии спо-
собны к самозарождению и им свойствен плеоморфизм (греч. plethos — множество и morphe —
образ), т. е. склонность к неограниченным структурно-функциональным изменениям, в результате
чего индивидуальный объект предстает в многообразии жизненных форм.

Для решения проблем промышленной и медицинской микробиологии необходимы были куль-
туры бактерий. Ранние способы стерилизации были малоэффективными, и поэтому незасеянные
среды постоянно зарастали. Но это объясняли не случайным попаданием микробов, а их спонтан-
ным возникновением, или «самозарождением» в питательной среде. Допускалось, что бактерии
спонтанно возникают и при химическом разложения растительных и животных тканей.

Гипотезу о самозарождении живых существ из «протоэлементов» (воды, земли и воздуха) или
разлагающихся органических остатков высказывали еще в античности. Она, изложена, в частности,
в сочинениях Аристотеля и Лукреция. Ее адепты считали, что живые организмы могут спонтнанно
возникать из неорганического материала («абиогенез») или из продуктов жизнедеятельности дру-
гих организмов («гетерогенез»). Поскольку этот процесс происходит случайным образом, участие
родителей для него не требуется.

Одним из первых противников гипотезы самозарождения был Франческо Реди (F. Redi), кото-
рый в середине XVII в. доказал, что черви не появляются на гниющем мясе de novo, а представляют
собой личиночную стадию развития насекомых. В конце XVII в. Левенгук отрицал гипотезу са-
мозарождения и считал, что зародыши «анималькулей» распространяются по воздуху. Во второй
половине XVIII в. Нидэм (J. Т. Needham) и Спалланцани (L. Spallanzani) использовали для про-
верки возможности самозарождения кипячение питательных сред, однако не пришли к какому-
либо определенному выводу. До середины XIX в. гипотезу самозарождения поддерживали такие
авторитеты биологии, как Готтфрид Тревиранус, Отто Мюллер, Жан Батист де Ламарк, Фридрих
Кютцинг и Феликс Дюжарден. В частности, Ламарк считал самозарождение механизмом, который
служит начальным этапом эволюции жизни от более простых форм к более сложным.

После того, как Джон Тиндэл разработал метод температурной стерилизации жидких сред и
предложил физико-химические способы стерилизации газов, окончательно выяснилось, что основ-
ным каналом распространения микробов служит атмосферный воздух. Луи Пастер, которому до-
сталась роль могильщика гипотезы самозарождения, убедительно показал, что питательная среда
остается стерильной, пока не контактирует с нестерильным воздухом. Для такого, как он, стро-
гого детерминиста невозможность самозарождения имела принципиальное значение. В противном
случае любая стерилизация была бы бесполезной, а бродильные производства и борьба с болез-
нетворными микробами зависели бы от случайности. В конце концов гипотеза самозарождения
была дискредитирована, хотя принципиальную невозможность самозарождения бактерий нельзя
доказать результатами конкретного эксперимента.

Помимо проблемы самозарождения, существовала и проблема постоянства форм бактерий.
Поскольку методы элективных сред и приемы клонирования бактерий не были еще разработаны,
экспериментаторы имели дело с культурами, зараженными посторонними бактериями, дрожжами
и плесневыми грибами. В 1848 г. Карл Нэгели пришел к выводу, что категория биологического вида
не распространяется на бактерий, поскольку они плеоморфны и при изменении внешних условий
превращаются друг в друга. В лагере плеоморфистов собрались выдающиеся бактериологи — Га-
лиер (Е. Hallier), Ланкастер (R. Lankaster) и Джозеф Листер. Сторонник крайнего плеоморфизма,
Бильрот (Т. Billroth) предположил в 1874 г., что все бактерии являются воплощениями единствен-
ного вида— «Coccobacillus septica*. Сам он и его сторонники считали, что этот гипотетический
микроб может адаптироваться к разным условиям существования, изменяя свою морфологию, в
результате чего возникают микро-, мезо- и мегакокки, а также микро-, мезо- и мегабактерии (бак-
терии спиральной формы в этом плане не рассматривались). Листер допускал фантастическую
возможность обратимой трансмутации патогенных бактерий в споры грибов. Однако Рэй Ланка-
стер уже в 1870-е годы был вынужден признать реальность видов у бактерий, хотя и оставался на
позициях плеоморфизма. В свою очередь, к лагерю мономорфистов принадлежали Луи Пастер,
Фердинанд Кон и Роберт Кох, а также Брефельд (O.Brefeld) и другие крупные бактериологи.
И только когда Кон опубликовал результаты своих исследований жизненного цикла спорообразу-
ющих бацилл, а Кох разработал метод выделения чистых культур бактерий из отдельных колоний
на твердой питательной среде, гипотеза плеоморфизма была окончательно отброшена.

Огромное влияние на развитие бактериологии оказал метод получения чистых
культур путем пересева колоний, который Роберт Кох изобрел в 1881 г. Его сотруд-
ник Гессе (W. Hesse) предложил в 1882 г. использовать для уплотнения среды агар-
агар—не метаболизируемый большинством бактерий водорастворимый полисаха-
рид, который образует красная водоросль Gelidium сотеит. Ричард Петри (R.Petri)
придумал в 1887 г. гениально простое приспособление, с помощью которого бакте-
рий можно культивировать в отсутствии воздушного заражения, или «чашку Пет-
ри». После введения чистых культур в повседневную практику микробиологических
исследований было описано большое число новых видов бактерий.

В 1884 г. датский врач Ганс Грам (Н. С. Gram) предложил способ дифференци-
ального окрашивания, позднее названный «окрашиванием по Граму» (англ. Gram
staining). До настоящего времени на этом основывается начальная диагностика бак-
терий.

В 1890-1900-е годы было предпринято несколько попыток детализировать си-
стематику бактерий. В системе Лемана (К. В. Lehmann) и Ноймана (R. Neumann),
предложенной в 1896 г., бактерии были разбиты на порядки, семейства и рода по
внешнему виду, ориентации плоскости деления, числу и расположению жгутиков
и т.д. Главное внимание уделялось диагностике бактерий, интересных для медици-
ны и микробиологического производства. Эти авторы заодно описали новые рода
Actinomyces, Corynebacterium и Vibrio.

В 1897 г. Мигула (W. Migula) разработал систему, объединявшую все виды, из-
вестные к концу XIX в. В ее основе лежали принципы морфологической классифи-
кации, предложенные Коном еще в 1870-е годы. Однако на сей раз в диагнозы видов
были включены культуральные признаки, прежде всего потребность в определен-
ных питательных субстратах.

По мере развития цитофизиологических и биохимических методов в руках бак-
териологов оказалось оружие, которое раньше пускали в ход только при изучении
высших организмов. С этого момента для классификации бактерий начали исполь-
зовать не только морфологические, но и функциональные, а также хемотаксономи-
ческие признаки.

Однако чтобы определить генеалогические связи между группами бактерий и,
в конечном счете, реконструировать филогенетическое древо, предстояло ранжиро-
вать признаки по степени архаичности, т. е. определить, какие из них были приоб-
ретены в процессе эволюции раньше, а какие — позже.

При решении этой задачи ведущая роль сначала отводилась общей физиологии.
В 1909 г. Орла-Йенсен (S. Orla-Jensen) высказал предположение, что к примитивным
физиологическим признакам относится автотрофия, и поэтому самыми архаичными
среди бактерий должны быть автотрофы.

Противоположной точки зрения придерживались Прингсхейм (Е. G. Pringsheim),
Бьюкенен (R. Е. Buchanan), а также Альберт Клюйвер и Корнелис Ван Ниль
(С. van Niel). Последние два исследователя разработали в 1936 г. гипотетическую
схему эволюции бактерий, где кокки рассматривались как первичный морфотип,
от которого произошли палочковидные бактерии, извитые бактерии и т. д. Эту по-
зицию в 1933 г. афористически сформулировал Прево (A. R. Prevot): «Морфология
главенствует над физиологией».

Со второй половины 1950-х годов в систематику бактерий проник «нумериче-
ский» метод, который предложил еще в 1763 г. французский ботаник Мишель Адан-
сон (М. Adanson). Идея заключалась в том, что все признаки считаются равноцен-
ными, и мера родства определяется числом их совпадений. При использовании этого
метода во второй половине XX в. были построены дендрограммы родства по фено-
типическим признакам, с целью чего серия параметров, определенных для большого
количества сравниваемых объектов, подвергалась машинной обработке. Однако по-
стулат о равноценности признаков не согласуется с генетическими основами микро-
и макроэволюции и поэтому ограничивает возможности нумерической классифика-
ции только таксонами низкого ранга. В начале 1960-х годов для классификации
бактерий стали впервые использовать тотальную характеристику ДНК — моляр-
ный %ГЦ-пар, а в конце 1960-х годов для этой цели впервые был применен метод
ДНК-ДНК гибридизации.

Первая возможность создать естественную систему бактерий появилась только в
середине 1970-х годов. До этого критерии высших таксонов выбирались субъектив-
но, и составители руководств по систематике бактерий разбивали их на удобные для
распознавания искусственные группы. Этим группам давали тривиальные имена, а
не легитимные таксономические названия.

Теперь же для реконструкции эволюционных отношений стали применять ме-
тоды «молекулярной хронометрии», основанные на составлении каталогов или биб-
лиотек нуклеотидных последовательностей коротких фрагментов рРНК. Начиная с
середины 1980-х годов для этой цели используются результаты полного секвениро-
вания рРНК.

Из-за лавинообразного роста информации о новых видах бактерий их описание
стало задачей, непосильной не только для «универсального» автора, но даже для
нескольких соавторов, которые были бы компетентны сразу в нескольких разделах
бактериологии.

С начала 1920-х годов ведущим руководством по идентификации и систематике бактерий стал
«Определитель бактерий Берги» (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology), названный по име-
ни американского бактериолога Дэвида Берги (D. Н. Bergey), возглавившего редакционный совет
первых четырех изданий. Хотя Американское общество бактериологов запланировало «Определи-
тель» как свое внутриведомственное руководство, и до настоящего времени оно издается за счет
финансовой поддержки независимого фонда, учрежденного в 1936 г., скоро стало ясно, что это —
научный проект международного масштаба.

Как и в случае ботанико-зоологической номенклатуры, до середины XX в. во всех системах бак-
терий использовали правила, восходящие к «Species Plantarum» Карла Линнея (1753). На первом
Международном микробиологическом конгрессе, состоявшемся в 1930 г. в Париже, была учрежде-
на Комиссия по номенклатуре и таксономии бактерий, которая в 1948 г. опубликовала Между-
народный кодекс номенклатуры бактерий (International Code of Nomenclature of Bacteria, ICNB;
пересмотренная версия — 1992 г.). Его положения, регулируемые Международным комитетом по си-
стематике бактерий (International Committee on Systematic Bacteriology, ICSB), повторяют правила
бинарной ботанической номенклатуры, хотя с некоторыми изменениями — в частности, номенкла-
турным типом считается живая культура, а не гербарный образец, и для легитимизации нового
таксона не требуется латинский диагноз.

Первые описания бактерий были фрагментарными и часто дублировали друг друга, и случа-
лось, что бактерии получали сразу по нескольку названий. С другой стороны, иногда под одним и
тем же именем выступали разные бактерии. Поэтому решили пересмотреть все диагнозы и после
публикации в 1980 г. «Списка признанных названий бактерий» (Approved List of Bacterial Names)
перенесли дату рождения номенклатуры бактерий с 1 мая 1753 г. на 1 января 1981 г.

На протяжении 50 лет «Определитель Берги» выдержал восемь изданий (1923, 1925, 1930, 1934,
1939, 1948, 1957 и 1974), которые неизменно дополнялись и перерабатывались.

В 1977 г. вышел краткий вариант 8-го издания «Определителя Берги» (есть русский перевод
1980 г.). В нем изложены принципы классификации бактерий, приведено описание всех родов и
таксонов более высокого ранга, даны ключи и таблицы с диагнозами видов, а также воспроизведен
весь иллюстративный материал.

Начиная с 9-го издания «Берги» выпускается в виде двух самостоятельных руководств, кото-
рые преследуют разные стратегические цели и соответственно различаются по структуре и объему.

Девятое американское издание «Определителя Берги» 1994 г. (есть русский перевод 1997 г.)
предназначалось для практической идентификации по таблицам, содержащим основные сведения о
бактериальных фенотипах. Независимо от него в 1984-1989 гг. было опубликовано четырехтомное
«Руководство Берги по систематике бактерий». Оно содержит фундаментальные сведения об ана-
томии, физиологии и фенотипической систематике бактерий (на этом этапе к бактериям относили
и архей, которые позднее были выделены в самостоятельную группу прокариотов).

По типу клеточной оболочки, царство Procaryotae было разбито на четыре отдела:

— Gracilicutes (грамотрицательные);

— Firmicutes (грамположительные);

— Mollicutes (микоплазмы);

— Mendosicutes («архебактерии»).

Независимо от этого прокариоты были разбиты на 33 квази-таксономические группы, или
Секции (англ. Section). Диагноз Секций основан на таких фенотипических признаках, как фор-
ма клетки, образование чехла, реакция по Граму, тип энергетического метаболизма, отношение к
кислороду и наличие дифференцированных стадий в жизненном цикле:

— спирохеты (1);

— аэробные/микроаэрофильные, подвижные, спиральные/вибриоидные грамотрицательные
бактерии (2);

— неподвижные (редко подвижные) грамотрицательные искривленные бактерии (3);

— грамотрицательные аэробные палочки и кокки (4);

— факультативно анаэробные грамотрицательные палочки (5);

— анаэробные грамотрицательные прямые, искривленные и спиральные палочки (6);
— бактерии, осуществляющие восстановление сульфата или серы (7);

— анаэробные грамотрицательные кокки (8);

— риккеттсии и хламидии (9);

— микоплазмы (10);

— бактерии-эндосимбионты протистов, насекомых и грибов (11);

— грамположительные кокки (12);

— грамположительные палочки и кокки, образующие эндоспоры (13);

— не образующие эндоспор грамположительные палочки правильной формы (14);

— не образующие эндоспор грамположительные палочки неправильной формы (15);

— микобактерии (16);

— нокардиоподобные бактерии (17);

— аноксигенные фототрофные бактерии (18);

— оксигенные фотосинтезирующие бактерии (19);

— аэробные хемолитотрофные бактерии и близкие к ним организмы (20);

— почкующиеся и/или имеющие придатки бактерии (21);

— бактерии, имеющие чехол (22);

— нефотосинтезирующие, не образующие плодовых тел скользящие бактерии (23);

— образующие плодовые тела скользящие бактерии: миксобактерии (24);

— архебактерии (25);

— актиномицеты (26-33).

Принципиально переработанное 2-е издание «Руководства Берги по систематике бактерий»
запланировано как пятитомник. Оно основано на иной концепции мегатаксонов. Прокариоты под-
разделяются на филогенетические «домены» бактерий и архей. Домены, в свою очередь, состоят из
«фил». Главным критерием различия доменов и интрадоменных фил служат не фенотипические
признаки, а дивергенция нуклеотидных последовательностей генов рРНК.

Достоинство такой системы состоит в том, что она объективна, поскольку отра-
жает эволюционные связи.

Однако родословная классификация не совпадает с практически удобной фено-
типической классификацией. Многие филы представляют собой набор контрастных
форм, в то же время сходные формы иногда оказываются в составе разных фил
(гл. 7).

Хотя современная классификация бактерий все сильнее опирается на данные ге-
номного анализа, классификация на уровне низших таксонов и, прежде всего, на
уровне вида основана на компромиссном подходе. Он называется «многофактор-
ным», или «полифазным» (англ, polyphasic). При его использовании учитываются
разнообразные фенотипические признаки, а также информационные признаки ге-
нотипа, среди которых ведущее место отводится первичной структуре 16S рРНК.

2.3. ДИХОТОМИЧЕСКАЯ МЕТАСИСТЕМА.
БАКТЕРИИ КАК ПРОКАРИОТЫ

На рубеже XIX-XX вв. окончательно стало ясно, что бывают клетки с ядром и
клетки без ядра.

То, что «ядерный» критерий исключительно важен для мегасистематики, пер-
вым понял Фердинанд Кон. В 1870-е годы он отнес всех микроорганизмов, раз-
множающихся бинарным делением, к отделу «Schizophyta». Туда попали бакте-
рии, или класс Schizomyceae (см. раздел 2.1) и синезеленые водоросли, или класс
Schizophyceae (греч. schizo — раскалывать пополам и phycos — морская трава; «водо-
росли, размножающиеся бинарным делением»).

Ведущим признаком отдела Schizophyta, помимо размножения бинарным делени-
ем, стало отсутствие ядра. Таким образом, Кон вплотную подошел к идее о глобаль-
ной дихотомической классификации, хотя формулировка ее в 1937 г. принадлежит
Эдуару Шатону (см. «Введение»). Однако с публикацией Шатона были знакомы те
немногие специалисты, кто читал труды средиземноморской биостанции Сэт (Sete).
Роджер Стэниер узнал о ней только в 1962 г. от Андрэ Львова, своего коллеги по
Пастеровскому институту в Париже.

Термин «ядро» (лат. nucleus) ввел в 1833 г. английский ботаник Роберт Браун (R. Brown).
Примерно в то же время австрийский зоолог Иоганн Пуркинье (J. Purkinje) предложил термин
«протоплазма» (греч. proteros — первичный и plasma — оформленное тело; «первичное оформлен-
ное тело»), хотя фактически его ввел в 1844 г. немецкий ботаник Гуго Моль (Н. von Mohl).

В 1870-е годы было показано, что ядро растений воспроизводится делением, и новые яд-
ра переходят в дочерние клетки. Тогда же, по предложению немецкого ботаника Страсбургера
(E.Strasburger), в качестве синонима для обозначения протоплазмы, или окружающей ядро суб-
станции стали использовать термин «цитоплазма» (греч. kitos — сосуд и plasma — оформленное
тело; «клеточная протоплазма»).

В начале 1880-х годов немецкий гистолог Флеминг (W. Flemming) дал первое описание карио-
кинеза у животных и предложил использовать для обозначения процесса непрямого деления ядра
термин «митоз» (греч. mitos — нить). Термины, обозначающие отдельные стадии, или фазы митоза
(профаза, анафаза и т. д.) ввел Эдвард Страсбургер.

В конце 1860-х годов немецкий биохимик Мишер (F. Miescher) выделил из гноя белковые марке-
ры ядра— гистоны, а также «нуклеин» —ядерный материал, обладающий кислотными свойствами.
То, что в состав «нуклеина» входят азотистые основания, установил в конце 1870-х годов немецкий
биохимик и физиолог Коссель (A. Kossel, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1910 г.).
Тогда же Пауль Эрлих открыл в опытах in situ внутриядерную субстанцию, имеющую высокое
сродство к гематоксилину и анилиновым красителям. Для ее обозначения Флеминг предложил
использовать термин «хроматин» (греч. chroma — краска).

В 1888 г. немецкий цитолог Вальдейер (W.Waldeyer) назвал хроматиновые структуры «хромо-
сомами» (греч. chroma — краска и soma — тело). С помощью генетических экспериментов в 1920-е
годы было установлено, что хромосомы являются носителями генов. Американский генетик Томас
Морган (Т. Н. Morgan, Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1933 г.) открыл основ-
ной механизм генетической рекомбинации в ядерных клетках — мейотический кроссинговер (англ,
crossig over).

Долгие поиски ядра у бактерий не дали ожидаемого результата. Оставалось предположить, что
протопласт бактерий имеет примитивное строение и не дифференцирован на ядро и цитоплазму.

Напомним, что клеточную теорию обосновал немецкий зоолог Теодор Шванн в 1839 г. В его
знаменитой книге «Mikroskopische Untersuchungen uber die Uebereinstimmung in der Struktur und
dem Wachstum der Tiere und Pflanzen» ядро рассматривается как неотъемлемая часть клетки —
conditio sine qua non (лат. — непременное условие). Поэтому не следует удивляться тому, что фито-
и зооморфологи пытались экспериментально доказать, что бактерии имеют ядро или хотя бы его
морфологический эквивалент. В последней четверти XIX в. — первой половине XX в. при работе
с бактериями использовали специальные красители для выявления ядерной субстанции и методы
приготовления световых препаратов, уже отработанные на животных и растениях. При этом у бак-
терий искали и «находили» не только ядро, но и метафазные хромосомы, а также отдельные фазы
митоза. При этом за ядро принимали полифосфатные включения, а участки более интенсивного
окрашивания цитоплазмы считали хромосомами. Если «ядро» не находили, то это объясняли мел-
кими размерами бактерий, повреждениями при подготовке препаратов и недостатками методики
окрашивания.

Однако общее мнение постепенно склонялось к тому, что у бактерий нет ядра, а его
роль играет распределенная по всей клетке ядерная субстанция. Допускали и другую возмож-
ность — что бактериальная клетка дифференцирована на тонкий периферический слой цитоплаз-
мы и конденсированное «центральное тело» — эквивалент ядра с хроматиновыми скоплениями,
которые распределяются между дочерними клетками в отсутствии образования митотических
фигур.

Наряду с этим, во второй половине XIX в. высказывались более экзотические предположения
о внутреннем строении бактерий. Например, немецкий цитолог Бючли (О. Biitschli) считал, что
бактерия представляет собой лишенную цитоплазмы клетку-ядро.

Что касается самих микробиологов, то они интуитивно воспринимали бактерий как самосто-
ятельную группу живых организмов, не относящихся к царствам протистов, грибов, растений и
животных. Независимо от того, как решался вопрос о месте бактерий в таксономической систе-
ме, большинство микробиологов предпочитало рассматривать их как прямых потомков «цитод» —
безъядерных протоклеток с примитивным уровнем организации (греч. kitos — сосуд и eidos — по-
добие; «подобный клетке»).

Идею о цитодах выдвинул еще в 1860-е годы немецкий натуралист Эрнст Геккель (Е. Haeckel).
Он рассматривал их как вымершее переходное звено между неживой и живой материей.

Однако на том этапе развития микробиологии невозможно было дать правильный ответ на
вопрос, существует ли ядро у бактерий или нет. Основная причина заключалась в ограничен-
ных возможностях светового микроскопа, разрешающая сила которого не позволяла увидеть уль-
траструктуру бактериальной клетки.

Переход на новый методический уровень состоялся в 1930-1950-е годы, когда было налажено
промышленное производство электронных микроскопов, а также были изобретены специальные
методы фиксации, обезвоживания и заливки материала в полимерные смолы. Это позволило по-
лучать ультратонкие срезы, отдельные части которых по-разному задерживают сфокусированный
пучок быстрых электронов. В конце 1960-х годов было показано, что истинное ядро имеет двой-
ную мембранную оболочку, которая служит границей между ДНК-содержащими структурами и
цитоплазмой. Оказалось, что ядерная клетка не только окружена мембраной, но и содержит внут-
реннюю систему элементарных мембран.

Скоро выяснилось, что физическая граница ядра, образованная двойной мембранной оболоч-
кой, отсутствует у «истинных» бактерий и актиномицетов, а также у синезеленых водорослей,
которых в то время относили к объектам ботаники. Кроме того, было установлено, что у прокари-
отов не происходят процессы, типичные для ядерных клеток — обратимая конденсация хромосом
в ходе клеточного цикла с расхождением сестринских хроматид при митозе и сегрегация гомоло-
гичных хромосом при мейозе. Низкую плотность хроматина бактерий по сравнению с хроматином
ядерных организмов отмечали еще благодаря световой микроскопии в конце XIX — начале XX в.

В 1930-е годы идея Эдуара Шатона о глобальной дихотомии прокариотов и эука-
риотов осталась незамеченной еще потому, что никто не подозревал о роли мембран
в компартментализации клетки. Когда цитология перешла на ультраструктурный
уровень исследований, оказалось, что ядро имеет мембранную оболочку, которая не
только изолирует хроматин, но и контролирует его поведение в онтогенезе.

В середине 1960-х годов Роджер Стэниер вернулся к идее глобальной дихотомии,
но уже на новом уровне —с учетом достижений генетики, биохимии и электронной
микроскопии.

Критерии, которые использовали его предшественники (способ размножения,
тип питания и т. д.), не позволяли рассматривать бактерий как самостоятельную
группу живых организмов. Ситуация объективно усложнялась тем, что бактерии
очень разнообразны по морфологии. Одни (нитчатые актиномицеты) внешне на-
поминают мицелиальные грибы. Другие (образующие окрашенные плодовые тела
миксобактерии) похожи на миксомицетов, третьи (с клетками сферической или эл-
липсовидной формы, растущие на сахарах)—на дрожжи, четвертые (цианобакте-
рии) — на водоросли, пятые (крупные подвижные бациллы) — на ресничных инфузо-
рий и т. д. Поэтому на разных этапах развития микробиологии бактерий поочередно
относили к царствам протистов, Fungi, Plantae и Animalia. Кажущееся отсутствие
цитологической специфики не позволяло ответить на вопрос «quid est bacterium»
(лат. — что есть бактерия) и четко объяснить, чем бактерии отличаются, например,
от инфузорий или дрожжей-сахаромицетов.

Роджер Стэниер развил идею Эдуара Шатона о двух глобальных морфотипах
и впервые объяснил специфику строения бактерий. Одновременно с этим он опре-
делил место бактерий в таксономической иерархии, предложив рассматривать тер-
мины «прокариоты» и «бактерии» в качестве синонимов. И, наконец, он подраз-
делил клеточные существа на два царства — царство ядерных организмов (regnum
Eucaryotae) и царство прокариотов-бактерий (regnum Procaryotae).

Таким образом, в рамках дихотомической мегасистемы бактерии рассматри-
ваются как таксон Procaryotae.
Стэниер был вынужден признать, что большинство характеристик бактерий но-
сит негативный характер (отсутствие ядра, полового процесса, секреции с помощью
аппарата Гольджи, вакуолей, фагоцитоза и пиноцитоза, амебоидного движения и то-
ка цитоплазмы, цитоплазматических эндосимбионтов и полуавтономных органелл и
т. д.). Тем не менее, он не говорил о «примитивности» бактериальной клетки. Напро-
тив, он подчеркивал, что прокариоты с эукариотами принадлежат к разным типам
клеточной организации и что у прокариотов имеются структуры и функции, от-
сутствующие у эукариотов (неунитарные мембраны, функциональные включения,
хемосинтез, диазотрофия и т.д.).

Поскольку Стэниер очень убедительно аргументировал свою позицию, «прока-
риотная» концепция распространилась далеко за пределы бактериологии, а реани-
мированные им термины «прокариоты» и «эукариоты» были включены в биологи-
ческий словарь. Однако если их понимать буквально или поверхностно, ошибочные
выводы неизбежны.

2.4. МНОГОЗНАЧНОСТЬ ТЕРМИНА «ПРОКАРИОТЫ»

Термин «прокариоты» обычно расшифровывают как «тип клеточного строения,
характеризующийся отсутствием оформленного ядра». Однако греческая приставка
pro- многозначна, и поэтому термин «прокариоты» можно прочесть по-разному:

—клетки, которые содержат «проще устроенное ядро»;

— клетки, которые содержат структуру, «заменяющую ядро»;

—клетки, которые содержат «эволюционный предшественник ядра».

Насколько эти смысловые варианты согласуются с цитологическими данными, а
также с представлениями о филогении клеточных организмов?

Можно ли говорить о том, что прокариоты содержат «проще устроенное ядро»?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно в общем виде сравнить строение и ком-
партментализацию хроматина у эукариотов и прокариотов.

Ядро —это один из дифференцированных компартментов у тех организмов, которые принадле-
жат к филогенетическому домену Еисагуа. Оно содержит нуклеоплазму и субъядерные структуры
(богатый белком хроматин, ядрышковый организатор, сплайсосомы, ламину и т.д.), имеет относи-
тельно жесткую оболочку с порами, и его можно выделить в интактном состоянии. Ядро является
уникальной органеллой, в отношении которой соблюдается принцип «все или ничего».

У прокариотов отсутствуют все перечисленные признаки ядра. Их хроматин беден белком
и представляет собой «голую» ДНК, которая компактно уложена и находится непосредственно
в цитоплазме. Поэтому структуру, в состав которой входит генетический материал прокариотов,
можно рассматривать как альтернативу ядра и, до определенной степени, как его функциональный
эквивалент.

В 1892 г. немецкий альголог Гиеронимус (G. Hieronymus) предложил называть «центральное
тело» бактерий и синезеленых водорослей «открытым» ядром (нем. offene Zellkern) в противопо-
ложность «закрытому» ядру высших организмов (нем. geschlossene Zellkern). По части логики эта
идея неудачна, так как суть ядра заключается именно в его замкнутости, т. е. относительной изо-
ляции от цитоплазмы. Однако это был интуитивный шаг на пути к современным представлениям
о компартментализации бактериальной клетки.

Поскольку ядро устроено, в общем, стандартно, приставка эу- (греч. ev — настоящий) в термине
«эукариоты» явно лишняя. В современной литературе уже часто встречается исправленный термин
«кариоты» (греч. сагуоп — ядро; «ядерные»).

Допустимо ли придавать термину «прокариоты» с смысловой оттенок «струк-
тура, заменяющая ядро»? Да, поскольку способ компартментализации генетическо-
го материала у прокариотов принципиально иной по сравнению с ядерными орга-
низмами. В бактериологической литературе широко используется термин «нуклео-
ид» (лат. nucleus — ядро и греч. eidos —вид), однако не следует говорить о подобии
ядру. По отношению к прокариотам Тем более нельзя использовать такие терми-
ны, как «ядро», «эквивалент ядра», «ядерное тело», «ядерная область» и «нуклео-
плазма».

ДНК-содержащие структуры бактерий называются хромосомами. По отношению
к бактериям используется еще и термин «генофор» (греч. genos — происхождение
и phoros — несущий; «носитель генов»), который в 1968 г. предложил английский
генетик Хэйес (W. Hayes). Однако этот термин несет не цитологический, а инфор-
мационный смысл.

Наконец, можно ли сообщать термину прокариоты смысловой оттенок — «эво-
люционный предшественник ядра»? Иными словами, существует ли эволюционная
преемственность между прокариотами и эукариотами?

На этот вопрос дается отрицательный ответ. Но хотя бактерии не были эво-
люционными предшественниками самих эукариотов, они являются эволюционными
предшественниками их цитоплазматических органелл — митохондрий и пластид.

До середины 1970-х годов господствовало представление о том, что эволюционное древо
клеточных организмов разветвляется на два ствола. Один из них — это ствол эукариотов, под
которыми понимали ядерные клетки с полуавтономными органеллами (митохондриями и пла-
стидами). Другой — это ствол прокариотов-бактерий. Предполагалось, что прокариоты-бактерии
образуют монофилетическую группу. Единство происхождения ядерных организмов сомнений
не вызывало.

Общим прототипом клеточных организмов считали архаических бактерий. В 1960-1970-е годы
был предложен ряд гипотетических сценариев, согласно которым эукариоты произошли благода-
ря постепенной компартментализации бактериальной клетки. Канадский ботаник Фрэнсис Тейлор
(F. Taylor) назвал это «автогенезом» (греч. avtos— сам и genos — происхождение). Согласно гипо-
тезе автогенеза, ядерная оболочка, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы и
другие компартменты эукариотов возникли в результате дифференциации участков цитоплазмати-
ческой мембраны, которые разрастались и инвагинировали в цитоплазму. Происхождение митохон-
дрий и пластид связывали со специализацией отдельных участков цитоплазматической мембраны
и их превращением в преобразователи химической и световой энергии.

В конце XIX — начале XX в., задолго до появления гипотезы автогенеза, русский ботаник
А. С. Фаминцын, русский зоолог К. С. Мережковский и немецкий ботаник Шимпер (A. Schimper)
предложили альтернативный сценарий эволюционного происхождения пластид и митохондрий —
гипотезу симбиогенеза (греч. sym — вместе, bios — жизнь и genos — происхождение). Позднее Фрэн-
сис Тэйлор назвал этот сценарий «ксеногенезом» (греч. xenos — чужой и genos — происхождение).

В соответствии со сценарием симбиогенеза, пластиды и митохондрии являются потомками эн-
досимбиотических бактерий, которые потеряли способность к автономному существованию и спе-
циализировались для снабжения клетки-хозяина энергией и органическими веществами.

Многие годы симбиогенез рассматривали как фантастический сценарий. В лучшем случае счи-
тали, что он не имеет фактических доказательств. Ему предпочитали «более правдоподобный»
сценарий автогенеза. Однако в настоящее время симбиогенез пластид и митохондрий полностью
подтвержден результатами сравнительного анализа гена 16S рРНК.

В начале 1980-х годов идею симбиогенеза реанимировала американский микробиолог Мар-
гелис (L. Margulis). Она чересчур детализировала симбиогенетический сценарий и даже назвала
современных бактерий (микоплазмы, спирохеты, цианобактерии, прохлорофиты и гелиобактерии),
которые, по ее мнению, являются предшественниками соответственно цитоплазматического ком-
партмента и жгутиков, а также пластид, содержащих хлорофилл с. Однако вскоре было показано,
что бактерии действительно являются эволюционными предшественниками пластид и митохон-
дрий, но не других органелл эукариотной клетки.

С одной стороны, данные, полученные с помощью молекулярно-биологических методов, под-
твердили гипотезу Фаминцына—Мережковского—Шимпера об эндосимбиотическом происхожде-
нии пластид и митохондрий. С другой стороны, была доказана несостоятельность гипотезы о про-
исхождении эукариотов от бактерий.
По современным данным, глобальное эволюционное древо разветвляется не на
два, а на три ствола. Два прокариотных ствола, бактерии и археи, сформирова-
лись независимо друг от друга. Что касается эукариотов, то они возникли не как
отдельная ветвь ствола бактерий, а представляют собой третий ствол.

2.5. БАКТЕРИИ КАК ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИЙ
ДОМЕН BACTERIA

Крушение дихотомической системы произошло в середине 1960-х годов. Появи-
лись данные, идущие в разрез с постулатом о монофилетичности прокариотов, а
также не подтверждающие гипотезу об эволюционной преемственности между бак-
териями и эукариотами.

Если раньше биохимические характеристики использовались в качестве рядового
таксономического признака, то теперь секвенирование белков и нуклеиновых кис-
лот стало главным оружием хемосистематики. Полученные результаты позволили
реконструировать филогенетические связи на всех уровнях эволюционного древа —
от основания ствола до верха кроны.

В 1965 г. американские биохимики Полинг (L. Pauling, Нобелевская премия по
химии, 1954 г.) и Закеркендл (Е. Zuckerkandl) пришли к принципиально новой идее
о «молекулярной палеонтологии». Они поняли, что филогению можно изучать не
только путем сравнения фенотипов, но и путем сравнения физической структуры
геномов. Такая задача трудна и в наши дни, а тогда об этом не могло быть и речи.
Поэтому в качестве индикаторов филогении предлагалось выбрать наиболее консер-
вативные гены или закодированные в них белки.

Полинг и Закеркендл считали, что эволюция консервативных белков, происхо-
дящая путем накопления случайных мутаций, тесно связана с эволюцией генотипа
в целом. Поэтому сравнение аминокислотных последовательностей таких белков у
разных организмов служит мерой дистанции между видами и таксонами более вы-
сокого ранга.

Если допустить, что скорость мутирования относительно постоянна, то в качестве хронометра
можно использовать макромолекулы, первичная структура которых несет в себе наследственную
информацию. Они называются «семантидами» (греч. semaine — печатать и eidos — подобие). Этот
хронометр объективно показывает время, прошедшее с момента дивергенции объектов А и В, т. е.
эволюционная дистанция оценивается по гомологии семантид.

Основные требования к семантиде определяются характером задачи и способом ее решения.
В зависимости от круга объектов, можно использовать разные типы семантид. Первое место за-
нимают архаические, повсеместно распространенные семантиды. Более ограниченное применение
имеют семантиды, поздно приобретенные в ходе эволюции. Наконец, информационная емкость
семантиды, которая грубо оценивается величиной молекулярной массы, должна быть достаточ-
но большой (иначе эффект случайной позиционной замены окажется слишком выраженным) и
одновременно с этим — умеренной (чтобы не создавать технических проблем при дешифровке).

В качестве семантид первоначально анализировали белки и полипептиды, поскольку молеку-
лярная биология в 1960-е годы опиралась главным образом на достижения химии белка. Выбор
материала для оценки молекулярной гомологии был неслучайным. В первую очередь, секвениро-
вали цитохромы — редокс-ферменты, играющие ключевую роль в энергетическом метаболизме и
практически универсальные.

С развитием молекулярной биологии нуклеиновых кислот полипептиды стали реже использо-
вать в качестве семантид. Среди исключений можно назвать субъединицы Н+-транслоцирующих
АТФаз, ферредоксины, фактор рекомбинации RecA и молекулярные шапероны.

Сравнительные результаты, полученные при секвенировании белков, нашли применение в част-
ной классификации бактерий, однако не оказали заметного влияния на мегасистематику.
В середине 1970-х годов Карл Воз предложил новый метод для анализа молекулярной фило-
гении, основанный на секвенировании не белков, а нуклеиновых кислот. Показателем дивергенции
служили не аминокислотные последовательности белков, а нуклеотидные последовательности уни-
версально распространенных генов.

В качестве семантид были выбраны рРНК, т. е. полинуклеотиды, входящие в состав рибосом.
Попарно сравнивались рРНК малой или большой субъединиц. В случае прокариотов это 16S рРНК
и 23S рРНК, а в случае эукариотов— 18S рРНК и 28S рРНК.

Первоначально метод Воза заключался в секвенировании олигонуклеотидов с числом осно-
ваний 5-17, которые можно было получить из рРНК после обработки мелкорасщепляющей эн-
донуклеазой. Затем определяли нуклеотидные последовательности для фрагментов одинаковой
длины, или «изоплит» (греч. isos — равный и plevra — сторона). Из этих «слов» составляли «ка-
талоги» для каждого объекта и сравнивали их попарно. Итогом сравнения служил «коэффи-
циент подобия» (сокр. англ, similarity quotient; Sab), максимальное значение которого состав-
ляло 1,0 (100%). С учетом коэффициента подобия строились эволюционные деревья — дендро-
граммы.

По мере развития методов секвенирования от этого примитивного способа перешли на реги-
страцию позиционных совпадений в двух полинуклеотидных цепях. Для этого проводится операция
«выравнивания» (англ, alignment — равнение в военном строю).

После того, как была открыта полимеразная цепная реакция (англ, polymerase chain reaction,
PCR), появилась возможность амплифицировать практически любые участки генома. Для этого
используются специфические праймеры, и полученные «амплификоны» либо сразу анализируют,
либо приходится их дополнительно клонировать в бактериальной плазмиде. В обоих случаях все
завершается «прочтением» последовательности на автоматическом секвенаторе.

Благодаря усовершенствованию этой методики на смену сравнительного анализа полноразмер-
ного структурного гена рРНК («рДНК») размером в 500-2500 т.п.н. пришел сравнительный анализ
всего оперона рРНК. Обработку данных стали осуществлять при помощи специальных компью-
терных программ, позволяющих путем выравнивания нефрагментированных нуклеотидных после-
довательностей оценить совпадение анализируемого амплификона с последовательностью, депони-
рованной в банке данных Genbank.

В пользу выбора именно рДНК на роль главного филогенетического маркера Воз и его после-
дователи выдвигают одни и те же доводы:

— возникновение рибосом одновременно с клеткой и их безальтернативная роль в биосинтезе
белка, следствием чего является их универсальность;

— присутствие высококонсервативных и относительно более вариабельных участков в полинук-
леотидной цепи рРНК, что дает возможность оценивать как архаические, так и позже сложившиеся
эволюционные связи;

— «изохронность», т. е. одинаковый темп дивергенции рибосомных генов вследствие постоянной
скорости их мутирования у разных организмов, что исключает возможность ошибочной интерпре-
тации быстро мутирующих «тахителических» (греч. tachos — быстрый и telos — результат) после-
довательностей как более архаичных, а медленно мутирующих «брадителических» (греч. bradis —
медленный и telos — результат) последовательностей как менее архаичных;

— редко наблюдаемый горизонтальный перенос рДНК, что позволяет хронометрировать только
дивергентную эволюцию.

Первый и второй аргументы не вызывают принципиальных возражений. Два других противо-
речат фактам, которые свидетельствуют о гетерохронной эволюции рибосомных генов, а также о
часто наблюдаемом у прокариотов явлении «горизонтального» переноса генов. Этот рекомбинаци-
онный процесс может затрагивать даже гены, кодирующие рРНК.

Тем не менее, продуктивность подхода к анализу глобальной филогении, предложенного Возом,
не вызывает сомнения, а полученные выводы служат краеугольным камнем современной мегаклас-
сификации.

Уже самые первые результаты Карла Воза показали, что дихотомия прокариотов
и эукариотов — это искусственная конструкция, которая не соответствует реальной
эволюции геномов. Оказалось, что глобальное филогенетическое древо имеет, по
меньшей мере, тритомическую структуру (рис. 2).

Стволы глобального древа соответствуют филогенетическим мегатаксонам, кото-
рые Воз назвал «доменами» (греч. domos —дом, семья). Термин «домен» совершен-
но не устраивает тех, кто привык к терминам «царство» (лат. Regnum) и «надцар-
ство» (лат. Superregnum). Кроме того, он гораздо раньше использовался в химии,
кристаллографии и физике электромагнитных явлений. Тем не менее, он прочно

обосновался в биологическом словаре и даже официально введен в 2001 г. во 2-е

издание «Руководства Берги по систематике бактерий».

Домен Bacteria сформировался раньше двух осталь-
ных и поэтому он имеет право претендовать на титул
самого архаичного из трех доменов. Домен Archaea, во-
преки своему названию (греч. archaios — древний), дивер-
гировал с доменом Еисатуа уже после того, как бактерии
отделились от основания ствола филогенетического дре-
ва (рис. 2).

Результаты палеомикробиологических исследований
свидетельствуют о том, что возраст древнейших ископа-
емых цианобактерий приближается к 3,5 млрд лет. Это
противоречит выводам молекулярной палеонтологии, со-
гласно которым три глобальных филогенетических до-
мена дивергировали 1,5 млрд лет назад (такой вывод ос-

нован на расчетах общего числа позиционных замен нуклеотидов при известном
среднем темпе мутирования — 1% дивергенции последовательностей гена 16S рРНК
эквивалентен эволюционной дистанции в 50 млн лет). Истинная причина слишком
большого хронологического несоответствия остается неясной. Возможно, что эволю-
ция в начале была медленной и, таким образом, к основному постулату молекуляр-
ной палеонтологии — изохронности генной родословной — следовало бы относиться

Рис. 2. Схема глобального
филогенетического древа.

А — археи; В — бактерии;
С — эукариоты.

критически.

Домены Bacteria и Archaea состоят из ветвей, соответствующих филогенетиче-
ским таксонам — «филам» (греч. phyle — племя). Общие характеристики фил, а так-
же их представителей приводятся в гл. 7.

Среди прокариотных фил есть не только фенотипически охарактеризованные,
но и «фантомные» филы. Последние обособлены на основе прямого анализа ген-
ных структур, при полном отсутствии информации о фенотипических признаках
соответствующих живых объектов.

Способ выявления фантомных фил основан на скрининге как традиционных, так
и «экзотических» ниш с помощью PCR-реакции. Как уже отмечалось, из водных,
почвенных и других образцов извлекают микро количества «природной» ДНК (англ,
natural DNA). Затем ее участки амплифицируют и секвенируют полученные ампли-
фиконы. В результате поисков, которые целенаправленно ведутся в последние годы,
число фантомных фил бактерий постоянно растет, и прогнозы, сколько их, в конце

концов, окажется, преждевременны.

Современная мегаклассификация прокариотных организмов — бактерий и ар-
хей —основана на филогении. Во 2-м издании «Руководства Берги по систематике
бактерий» (2001 г.) в составе домена Bacteria выделяют 23 филы BI-BXXIII (сокр.
от Bacteria), каждой из которых соответствует таксономическая группа в ранге от-
дела. В свою очередь, в составе домена Archaea выделяют филы AI и АП (сокр. от
Archaea).

Установлено, что рРНК бактерий только на 10% гомологична рРНК цитоплазматических ри-
босом ядерных организмов. В то же время она высоко гомологична рРНК митохондрий, рРНК
хлоропластов зеленых водорослей (Chlorophyceae) и высших растений, а также рРНК пластид
красных водорослей (Rhodophyceae). Это служит одним из основных доказательств эндосимбио-
тической природы этих органелл. Митохондрии относятся к филе ВХП Proteobacteria (класс
*Alphaproteobacteriat>), а пластиды Chlorophyceae, высших растений и Rhodophyceae — к филе ВХ
Cyanobacteria.

Таким образом, доказано, что эволюционная преемственность между прокарио-
тами и ядерными клетками существует на самом деле. Однако это касается не всей
ядерной клетки, а только ее частей — эндосимбиотических органелл.

Согласно результатам секвенирования 18S рРНК, эукариоты образуют монофи-
летический домен Еисатуа. В то же самое время гипотеза о монофилетичности про-
кариотов не подтвердилась: неядерные клетки, по меньшей мере, дифилетичны.

Итак, после открытия бактерий представления о сущности этих микроорганиз-
мов изменялись следующим образом:

— при отсутствии информации о строении и физиологии бактерий они находи-
лись вне мегасистемы или же не имели в ней самостоятельного статуса; в результате
чего их относили к сфере непознаваемого («Chaos» Карла Линнея) или к переход-
ному миру от неживого к живым организмам («цитоды» Эрнста Геккеля), а также
на разных основаниях объединяли с животными, растениями или грибами;

— в итоге изучения ультраструктуры бактерий в 1960-е годы их, в рамках кон-
цепции о глобальной дихотомии, определили как прокариотов; поэтому признаку к
бактериям относили и архей;

— в итоге реконструкции глобального древа в 1970-е годы было установлено,
что прокариоты-бактерии образуют самостоятельный эволюционный ствол —до-
мен Bacteria, а прокариоты-археи образуют другой эволюционный ствол —домен
Archaea.

К настоящему времени полностью секвенированы геномы свыше 60 видов бакте-
рий, и ряд проектов находится на стадии завершения. Анализ бактериальных гено-
мов не только способствует изучению разнообразия домена Bacteria. Он позволяет
понять глобальные закономерности эволюции клеточных структур, путей метабо-
лизма, транспорта и регуляторных систем.

По современнным данным, прокариоты дифилетичны. Этот ключевой вывод от-
ражает роль молекулярных критериев, в первую очередь, инфраструктуры генома,
в классификации живых организмов на высшем разграничительном уровне. Но не
исключено, что новые данные о биоразнообразии прокариотов заставят нас в буду-
щем пересмотреть представления о глобальной филогении.
ГЛАВА 3

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ АРХЕЙ

То work as a specialist is necessary; to think as a
specialist may be dangerous.

(Работать, как специалист, нужно обязательно; ду-
мать, как специалист, бывает опасно).

А. MacFadyen. The Cell as a Unit of Life and other
Lectures Delivered at the Royal Institution, 1899-1902
(London, 1908).

Подобно бактериям, археи получили «правильный» таксономический статус с
большим опозданием. От момента их первого описания (1919 г.) до момента их
обособления в мегатаксон Archaea (конец 1970-х годов) прошло больше полувека.

Причины были следующими:

— интерес к археям никогда не был утилитарным, поскольку среди них отсут-
ствуют патогенные формы, и их мало используют на практике;

— исследование биоразнообразия архей началось только с середины XX в., по-
скольку они занимают преимущественно экстремальные ниши, скрининг которых
технически сложен;

— изучение строения архей стало возможным только с середины XX в., так как
для него требуются сложные биохимические и молекулярно-биологические методы;

— до разработки молекулярных подходов к реконструкции глобальной филоге-
нии архей рассматривали как бактерий-экстремофилов, и помещали в соответству-
ющие бактериальные таксоны, обособленные по фенотипическим признакам.

Археи уступают бактериям по общему числу описанных видов (217 против 5007).
Несмотря на это, они не только эквивалентны бактериям по морфологическому раз-
нообразию и спектру физиолого-биохимических свойств, но и имеют ряд уникаль-
ных особенностей (см. гл. 8).

Клетки архей бывают сферическими, палочковидными, нитевидными, спирально изогнутыми
и лопастными, а также могут образовывать выросты-простеки; помимо этого, существуют «квад-
ратные» и «треугольные» морфологические варианты.

За исключением представителей семейства Thermoplasmataceae, все археи имеют ригидную
стенку из белка (S-слой), гетерополисахарида или псевдомуреина — аналога бактериального муре-
ина; известны случаи образования дополнительных покровов и внеклеточного матрикса. По типу
строения клеточной оболочки археи конвергируют с грамположительными бактериями (см. раз-
дел 8.1.2), однако их цитоплазматическая мембрана имеет уникальный липидный состав (см. раздел
8.3.3.2). В отличие от грамположительных бактерий, археи лишены наружной мембраны. Как след-
ствие, у них не может быть трихомов, хотя и встречаются многоклеточные, в том числе нитчатые,
агрегаты. Внутриклеточные мембранные структуры у них отсутствуют.

Археи могут плавать при помощи жгутиков, которые морфологически сходны с бактериальны-
ми, однако не гомологичны им по молекулярному строению и механизму биогенеза; подвижность
путем скольжения не наблюдается. В цитоплазме встречаются такие же включения, как у бактерий,
в частности газовые везикулы. Археи больше, чем бактерии, склонны к образованию плеоморфных
форм. В отличие от бактерий, они не образуют эндоспор.

Энергетический метаболизм архей относится к хемотрофному типу, в том числе у них суще-
ствуют несколько вариантов хемолитотрофии. Среди них нет фототрофов, хотя известны случаи
археотной квази-фототрофии, основанной на каротинопротеиновом фоторецепторном аппарате, ко-
торый можно рассматривать как молекулярную альтернативу бактериального «хлорофильного»
фотосинтетического аппарата. Конструктивный метаболизм архей бывает гетеротрофного или ав-
тотрофного типа. Во втором случае используются уникальные механизмы ассимиляции углерода.
У архей редко наблюдается диазотрофия.

Археи распространены во всех глобальных нишах, занимаемых бактериями (см.
раздел 7.3). Однако среди них относительно мало симбионтов, а патогенные формы
вообще не обнаружены. Очень многие археи являются экстремофилами, и неко-
торые из них обладают такой жизнеспособностью, которая невозможна у других
организмов.

3.1. ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ГАЛОФИЛЫ

Представители этой группы растут при концентрации соли свыше 250—300 г-л-1.
Их начали изучать раньше других архей. Напомним, что общей закономерностью
экстремальных ниш является бедный видовой состав и высокая плотность популя-
ции доминирующих форм. На примере экстремально галофильных архей это можно
наблюдать невооруженным глазом благодаря малиновой пигментации их клеток.

Первое упоминание о прокариотах связано именно с археями. Оно содержится в
древнекитайском хозяйственном трактате, составленнном в III тысячелетии до н.э.
Речь идет о покраснении воды в мелком испарительном пруде, отгороженном от мор-
ской акватории с целью добычи поваренной соли. Подобное явление также наблю-
дается в лежащих ниже уровня моря терминальных водоемах — Мертвом море на
Синайском полуострове, оз. Вади Натрун в Египте, оз. Магади в Кении, оз. Самбхар
в Индии, в соленых озерах Монголии и Тибета, а также в Великих Соленых озе-
рах штата Калифорния (США). Экстремально галофильные археи, развивающиеся
при испарении морской воды, получили название талассогалинных (греч. thalassa —
море и alos — соль). Алкалитолерантные и магнийтолерантные «аталассогалинные»
археи развиваются при испарении содовых водоемов на суше.

Метаболизм у экстремально галофильных архей хемогетеротрофного типа. В от-
сутствии энергетического стресса они окисляют аминокислоты с помощью аэробно-
го дыхания. Благодаря своей протеолитической активности они портят засоленные
мясные или рыбные продукты, а также кожевенные материалы.

Впервые под видом «экстремально галофильных бактерий» их описал немец-
кий микробиолог Клебан (Н. Klebahn) в 1919 г. На основе данных, которые Ха-
рисон (F. С. Harrison), Лочхед, Баас Бекинг (L. G.M. Baas Beking) и Волькани
(В. Е. Vblcani) получили в 1920-1940-е годы, они были охарактеризованы в морфо-
физиологическом плане и помещены в семейство Halobacteriaceae.

Классификация экстремально галофильных архей проводится в соответствии
с их морфологией и ионным составом среды обитания (в родовом названии ис-
пользуется приставка Halo- в случае обогащенности воды хлоридом натрия или
магния и Natrono-, если это содовый водоем). Галоархеи имеют палочковид-
ную (Halobacterium, Natronobacterium и др.) или сферическую форму (Halococcus,
Natronococcus и др.), а также бывают плеоморфными (Haloferax и др.). В 1980 г.
американский бактериолог Уолсби (А. Е. Walsby) описал «квадратных» архей из ро-
да Haloarcula, которые живут в соленом водоеме на западном берегу залива Эйлат
на Синайском полуострове.

В 1967 г. Стекениус (W. Stoeckenius) выделил из Halobacterium salinarium «пур-
пурные» мембраны. Они содержат ретинопротеин бактериородопсин, который ра-
ботает как светозависимая протонная помпа. Благодаря ей при снижении парци-
ального давления кислорода эти археи могут временно переключаться на квази-
фототрофию. В 1971-1994 гг. обнаружили еще четыре типа ретинопротеинов, кото-
рые участвуют в транспортных и регуляторных процессах (галородопсин, сенсорные
родопсины, фотофобородопсин и круксродопсины).

Хотя бактериородопсин был одним из первых мембранных белков, вы-
деленных в кристаллическом виде, только в 1996 г. Ландау (Е. М. Landau)
и Розенбуш (J. Р. Rosenbush) получили кристаллы, подходящие для рентген-
кристаллографического анализа с уровнем разрешения до 1,55 А. В настоящее время
это позволило реконструировать механизм транслокации протонов через пурпурную
мембрану.

3.2. МЕТАНОГЕНЫ

В 1776 г. итальянский физик Алессандро Вольта (A. Volta) впервые описал обра-
зование метана в илах и болотах. На рубеже XIX-XX вв. после работ Хоппе-Зейлера
(F. Hoppe-Seyler), В. Л. Омелянского и ряда других исследователей анаэробных ниш
была доказана возможность образования метана не только абиогенным путем, но и
за счет жизнедеятельности микроорганизмов.

Метаногены очень разнообразны по внешнему строению, и вначале их класси-
фицировали как представителей разных морфологических групп анаэробных гете-
ротрофных бактерий.

До середины XX в. биогенез метана называли «метановым брожением» (в настоящее время
установлено, что это особый тип дыхания). В 1902 г. Омелянский пытался доказать, что в качестве
«сбраживаемого» субстрата используется целлюлоза. Однако в 1967 г. выяснилось, что выделен-
ная им культура («Methanobacillus omelianskii») представляет собой симбиотическую ассоциацию
между бактерией, которая окисляет этанол до ацетата и водорода, и метаногеном, который восста-
навливает двуокись углерода с помощью водорода. Такое трофическое взаимодействие называется
«межвидовым переносом водорода». Оно позволяет устранить эффект торможения окислительно-
го процесса конечным продуктом реакции, что служит одним из краеугольных камней экологии
анаэробных микроорганизмов.

Джеймс Баркер предположил в 1936 г., что метаногенные прокариоты восстанавливают угле-
кислоту до метана, используя в качестве донора электронов молекулярный водород или другие
субстраты, например оксид углерода. В 1940 г. он подтвердил это с помощью радиоуглеродного
анализа. В 1948 г. Басвел (А. М. Buswell) и Солло (F. W. Sollo) установили, что источником образо-
вания метана, помимо углекислоты, может быть метанол или метильная группа ацетата. В 1956 г.
Баркер пришел к выводу, что ведущим таксономическим признаком метаногенов служит не их
морфология, а уникальная способность к образованию метана, и на этом основании поместил их в
отдельное семейство Methanobacteriaceae.

Метаногены являются облигатными анаэробами, и получить их чистые культуры удалось
не сразу. Лишь в 1947 г. Схнеллен (С. G. Schnellen) выделил Methanobacterium formicicum и
Methanosarcina barkeri. В 1976 г. Белч (W. Е. Balch) и Ральф Вулф разработали методику для
выращивания метаногенов на газовой смеси из углекислоты и водорода в соотношении 1:4 под
давлением 2 бар.
Метаногенные археи подразделяются на две субгруппы — «автотрофные», или
восстанавливающие СОг за счет Н2 и «ацетокластические», которые образуют ме-
тан из ацетата. Кроме того, субстратами метаногенеза могут быть формиат, окись
углерода, метанол, метиламины и метионин.

Несмотря на относительно узкий круг используемых субстратов, метаногены за-
нимают разнообразные экологические ниши. Это илы пресноводных и солонова-
тых водоемов, гидротермальные источники и геотермальные поля. Они живут в
пищеварительном тракте животных (от насекомых до млекопитающих) и в поло-
стях стволов растений (примером служит семейство Salicaceae), а также являются
эндосимбионтами некоторых протистов. В частности, в 1958 г. Смит (Р. Н. Smith)
и Роберт Хангейт выделили из коровьего рубца первого эктосимбиотического ме-
таногена Methanobacterium ruminantium, а в начале 1980-х годов Ван Бругген
(J. J. van Bruggen) выделил из цитоплазмы анаэробных амеб и ресничных инфу-
зорий первого эндосимбиотического метаногена Methanobacterium formicicum.

Большинство метаногенных архей — это мезофилы, хотя среди них встречаются
термофильные и даже гипертермофильные формы. В 1981 г. Карл Штеттер изоли-
ровал из почвы на побережье Исландии термофила Methanothermus, максимальная
температура роста которого составляет 97°С. Хубер (Н. Huber) обнаружил в 1982 г. в
подводных гидротермах у побережья Италии первого морского гипертермофильно-
го метаногена Methanococcus thermolithotrophicus, температурный оптимум которого
85°С.

В 1960-е годы Ральф Вулф и его сотрудники расшифровали биохимический
путь, конечным продуктом которого является метан. Они идентифицировали уни-
кальные кофакторы, участвующие в этом процессе: меркаптоэтан-сульфонат (СоМ),
деазафлавин (F420), метаноптерин (F342), никель-тетрапиррол (F430), метанофуран
и меркаптогептаноил-треонинфосфат (СоВ). В настоящее время охарактеризованы
все ферменты, участвующие в биосинтезе метана из СО2 и Н2. Получены кристал-
лические препараты и определена третичная структура пяти ферментов пути био-
генеза метана, что позволило изучить их каталитический механизм.

В конце 1984 г. Мюррей (Р. A. Murray) показал, что мезофильный археот
Methanosarcina barkeri способен к диазотрофии. Одновременно с ними Бэйли
(N. Balay) обнаружил это свойство у другого метаногена — умеренного термофила
Methanobacterium thermolithotrophicus. Истинные масштабы распространения архео-
тной диазотрофии в анаэробных системах, где полисахариды разлагаются при де-
фиците азота, еще неизвестны.

К настоящему времени секвенированы геномы семи метаногенов (Methanococcus
jannashii, Methanothermobacter thermoautotrophicus, Methanosarcina acetivorans,
M. barkeri, M. mazei, Methanopyrus kandleri и Methanococcus maripaludis').

3.3. ТЕРМОПЛАЗМЫ

В 1970 г. Дэрленд (G. Darland) выделил первого представителя архей, не имею-
щего ригидной стенки — микоплазму Thermoplasma acidophilum. Этот термоацидо-
фильный микроорганизм (температурный оптимум 59°С, оптимум pH 1-2) приуро-
чен к такой экзотической нише, как терриконы, т. е. саморазогревающиеся отвалы
угольных разработок. Оба (М. Ohba) и Ошима (Т. Oshima) выделили в 1982 г. ана-
логичные объекты из термальных источников в Японии.
3.4. ГИПЕРТЕРМОФИЛЫ И БАРОФИЛЫ

После появления в 1977 г. концепции Карла Воза об археях интерес к ним сильно
вырос. Особенно это видно на примере гипертермофильных архей, число описанных
видов которых превысило сотню. Нишей для гипертермофилов (по определению, это
формы, температурный оптимум роста которых составляет 80-100°С; в отличие от
умеренных термофилов, они неспособны размножаться при температуре < 60°С)
служат гидротермальные, геотермальные и антропогенные высокотемпературные
экосистемы.

Браэрли выделил в 1966 г. первого представителя рода Sulfolobus из кислотного
термального источника на территории Йеллоустоунского национального парка в
США. Независимо от него Брок получил культуру этого термофила, отдельные
изоляты которого имеют оптимум роста 87°С.

В 1981-1983 гг. Циллиг (W. Zillig) открыл ряд новых гипертермофильных се-
разависимых ацидофилов, относящихся к родам Desulf urococcus, Thermococcus,
Thermofilum и Thermoproteus. Эти археи окисляют или восстанавливают серу и жи-
вут в наземных или подводных термальных источниках, в грязевых вулканах, а
также в почве на Азорских островах и в Исландии.

В начале 1980-х годов Карл Штеттер провел скрининг подводных гидротерм
близ Неаполя. Итогом стало описание двух новых гипертермофилов/барофилов —
Thermodiscus и Pyrodictium, оптимум роста которых равен соответственно 85 и
105°С. В 1997 г. Штеттер выделил из подводной гидротермальной системы типа
«черного курильщика» нового представителя барофильных архей. Этот прокариот-
ный организм, получивший название Pyrolobus fumarii, не растет при температуре
< 90°С и имеет максимальную температуру роста 113°С. Это предельная темпера-
тура, при которой показано существование органической жизни в активно функци-
онирующем, а не в покоящемся (в виде эндоспор) состоянии. О большом интересе
к подобным объектам свидетельствует то, что завершена работа по расшифровке
структуры геномов семи видов гипертермофильных архей.

3.5. НОВЫЕ НАХОДКИ АРХЕЙ

Согласно современной классификации архей, изложенной в «Руководстве Берги
по систематике бактерий» (2001 г.), экстремальные термоацидофилы частично отно-
сятся к филе AI Crenarchaeota, в то время как экстремальные галофилы, метаногены
и все остальные термоацидофилы образуют пестрый фенотипический ансамбль фи-
лы АП Euryarchaeota.

Барнс (S. М. Barns) в 1996 г. обосновал существование третьего, самого архаич-
ного филогенетического таксона архей —филы «Korarchaeota».

Все известные корархеоты относятся к числу «фантомных» объектов. Они ши-
роко представлены в термальных источниках, в морской воде и почвах.

В середине 2002 г. Харальд Хубер и его коллеги сообщили о выделении нового
представителя архей — Nanoarchaeum equitans. Этот ультрамикроскопический орга-
низм имеет диаметр 0,4 мкм, а размер его генома составляет всего 500 т.п.н. На
основе результатов секвенирования рРНК решили отнести его к четвертой филе
архей — «Nanoarchaeota».
ГЛАВА 4

МЕСТО АРХЕЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕГАСИСТЕМЕ

ОТ «СТРАННЫХ БАКТЕРИЙ», ЧЕРЕЗ ПРОКАРИОТОВ
СТЭНИЕРА ДО ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОГО ДОМЕНА
ARCHAEA ВОЗА

Qui no sap cosselh prendre i’ora que Га mestier, ja a la
cort del Poi no prengra 1’espervier.

(Пусть тот, кто не сумеет принять правильное ре-
шение в критический момент, не рассчитывает, что ему
удастся выиграть сокола на турнире в Пуа).

Simon de Montfort (1208-1265).

Архей впервые обнаружили в начале 1920-х годов. Но только в конце 1970-х
годов выяснилось, что они обладают рядом уникальных физиолого-биохимических
свойств. Несмотря на это, их продолжали считать бактериями, хотя и «со стран-
ностями», и на основе общих морфофизиологических признаков распределяли по
разным группам «обычных» бактерий.

После того, как Роджер Стэниер разработал дихотомическую мегасистему, бак-
терии получили таксономический статус прокариотов. Поэтому до начала эры мо-
лекулярной филогении прокариотов-архей не обособляли от прокариотов-бактерий.

Первые сомнения в том, что метаногены относятся к бактериям, появились в 1976 г. Анализи-
руя спектр распространения одного из коэнзимов метаногенеза — меркаптоэтансульфоната, Ральф
Вулф установил, что он уникален для метаногенов. Этот факт противоречил парадигме Альберта
Клюйвера о биохимическом единстве жизни. Подозревая, что необычность метаногенов этим не
ограничивается, Вулф в 1977 г. предложил Карлу Возу, своему коллеге по университету г. Урбана
(штат Иллинойс, США), сравнить структуру их рРНК со структурой рРНК «обычных» бактерий,
чтобы выяснить, насколько они обособлены друг от друга. Результат оказался парадоксальным: по
данному признаку метаногены оказались настолько далеки от «обычных» бактерий, что Воз пред-
ложил рассматривать их как «архебактерий» — представителей отдельного эволюционного ствола,
или домена «Archaebacteria». После скрининга, который Воз и другие исследователи провели в
1978 г., к этому домену стали также относить экстремальных галофилов, ацидофильную термо-
плазму и гипертермофилов.

В результате исследования, выполненного в 1977 г. по просьбе Ральфа Вулфа и Карла Во-
за, мюнхенский биохимик Кандлер (О. Kandler) установил, что метаногены имеют не свойствен-
ный бактериям химический состав клеточных стенок. Задолго до этого, в 1956 г., Хоувинк
(A. L. Houwink) обнаружил, что поверхность клеток Halobacterium salinarium покрыта паракри-
сталлическим белковым слоем, который играет роль ригидного каркаса, или экзоскелета. В 1970-
1980-е годы Отто Кандлер, Джонс (J. В. Jones), Мешер (М. F. Mescher) и Вайс (L. R. Weiss) оконча-
тельно установили, что экстремальные галофилы, метаногены и гипертермофилы отличаются от
бактерий по составу клеточной стенки.

Уникальной особенностью архей служат мембранные липиды, которые представляют собой
простые диэфиры глицерина и полностью насыщенного изопреноидного спирта фитанола (см.
раздел 8.3.3.2). Это выяснилось в результате классических исследований Кейтса (М. Kates), про-
веденных на Н. salinarium в 1965 г.—еще до того, как Воз создал свою концепцию об археях.
В конце 1970-х годов Де Роза (М. De Rosa) и Гамбакорта (A. Gambacorta) нашли такие же липиды
у гипертермофила Sulfolobus, а Ленгсуорси (Т. A. Langworthy) у термоацидофила Thermoplasma.
В 1978 г. Торнэбени (Т. G. Tornabene) и Мэкула (R. A. Makula) исследовали липиды метаногенов
и получили такой же результат, как для экстремальных галофилов и термоацидофилов. С этого
момента липиды стали рассматривать как один из хемотаксономических признаков, по которому
археи отличаются и от бактерий, и от эукариотов.

В 1960-1970-е годы дихотомия прокариотов и эукариотов считалась очевидной и неоспоримой.
Однако после того, как Карл Воз использовал семантические характеристики рРНК для опреде-
ления эволюционных связей, ситуация резко изменилась. Когда этот критерий был применен к
экстремофильным прокариотам (которых принимали за бактерий), неожиданно выяснилось, что
они одинаково дистанцированы на глобальном древе как от «обычных» бактерий, так и от эукари-
отов. Таким образом, глобальное древо оказалось не дихотомическим, а тритомическим. На основе
этого Воз пришел к выводу, который стал одной из парадигм современной биологии. Она состоит в
том, что на высшем номенклатурном уровне существуют не два, а три «первичных царства» (англ,
primary kingdom):

— прокариоты-бактерии;

— прокариоты-археи;

— эукариоты.

Вначале Воз дал этим «первичным царствам» квази-таксономические названия (два латин-
ских и одно английское) «Eubacteria», «Archaebacteria» «Eukaryotes». Позднее он переименовал их
соответственно в Bacteria, Archaea и Еисагуа.

Мы уже говорили о том, что клеточные стенки и мембранные липиды у архей отличаются по
строению от бактериальных. Разное строение у архей и бактерий имеют и такие важнейшие белки,
как РНК-полимераза, факторы элонгации и мембранные АТФазы.

Таким образом, прокариотный тип организации представлен двумя стволами глобального дре-
ва. По инициативе Карла Воза с 1990 г. вместо термина «архебактерии» используется термин «ар-
хеи», и этим подчеркивается, что архебактерий-архей необходимо рассматривать не как «других»
бактерий, а как «других» прокариотов.

К началу 1990-х годов тритомическая структура древа жизни, реконструиро-
ванного на основе анализа первичной структуры рРНК, стала «тотемным столбом»
биологии и уже больше не вызывала сомнений в своей объективности. Однако в
последнее десятилетие XX в., когда были секвенированы несколько десятков бак-
териальных геномов, появились молекулярно-палеонтологические данные, которые
позволили выдвинуть альтернативные гипотезы о генеалогических связях между
археями, бактериями и эукариотами.

В конце 1990-х годов в результате анализа геномной структуры архей было уста-
новлено, что они характеризуются химерной структурой генома.

В 1998 г. американский молекулярный биолог Лейк (J. A. Lake) разделил все гены на две основ-
ные группы — «информационные» и «операционные». Это соответствует двум основным сферам их
функционального назначения.

«Информационные» гены (англ, informational genes) ответственны за копирование и процессинг
генетической информации в ходе репликации, транскрипции и трансляции.

«Операционные» гены (англ, operational genes), или гены «домашнего хозяйства» (англ,
housekeeping genes) отвечают за транспортные, метаболические и регуляторные функции.

Как выяснилось, информационные гены архей проявляют преимущественное
сходство с соответствующими эукариотными генами. В свою очередь, операцион-
ные гены архей в основном сходны с бактериальными операционными генами. На-
конец, 2/3 генов архей уникальны, т. е. у них нет гомологов в бактериальных или
эукариотных геномах.

Из-за неоднозначной интерпретации результатов секвенирования рибосомных ге-
нов, а также на основе субъективного анализа комплекса геохимических, молеку-
лярно-биохимических и цитофизиологических данных образовались два идеологи-
ческих лагеря, представители которых по-разному видят филогению архей.

Сторонники «канонического» сценария, в частности Карл Воз, считают, что ар-
хеи дивергировали с бактериями и эукариотами еще на заре клеточной эволюции.
После этого свойства архей стабилизировались на уровне, отражающем адаптацию
к экологическим условиям примордиальной биосферы. В этом случае сходство генов
архей и бактерий объясняется «горизонтальным» переносом, который мог с высокой
частотой происходить на раннем «пре-генеалогическом» этапе клеточной эволюции.

Сторонники «еретического» сценария считают архей и эукариотов потомками
бактерий, которые вторично адаптировались к экстремальным условиям, в част-
ности к высоким температурам. Английский протистолог Томас Кавалье-Смит
(Т. Cavalier-Smith) рассматривает архей и эукариотов как сестринские мегатаксо-
ны и предлагает объединить их под названием «неомуры» (греч. neos — новый и лат.
murus — стена; «имеющие клеточные стенки нового типа»). По его мнению, неомуры
произошли от грамположительных бактерий в результате замещения муреинового
слоя белковым S-слоем.

Дальнейшие исследования покажут, какая из этих точек зрения ближе к дей-
ствительности .
ГЛАВА 5

ПРОКАРИОТЫ В СВЕТЕ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ

С анатомической точки зрения основной жизненной
единицей является клетка, в которой все проявления
жизни и должны найти свое выражение в наиболее про-
стой и ясной форме.

Ю. А. Филиппенко. Общедоступная биология
(Петроград, 1923).

Живые системы так разнообразны в структурно-функциональном плане, что
дать концептуальное определение жизни и одновременно с этим избежать редук-
ционизма, когда общее подменяется частностями — невыполнимая задача.

Тем не менее, среди атрибутов жизни можно выбрать наиболее характерный,
что делалось неоднократно с позиций соответственно термодинамики, информати-
ки, органической химии и теории конкурентной эволюции.

Русский эволюционист и зоогеограф Л. С. Берг в 1922 г. определил жизнь на ос-
нове понятия целесообразности. По его мнению, живыми можно назвать физические
тела, целесообразно отвечающие на внешнее раздражение.

Один из основоположников теоретической биологии, русский физиолог
Э. С. Бауэр сформулировал в 1935 г. определение жизни с позиций термодинамики.
Согласно ему, основой жизни служат неравновесные термодинамические процессы,
и живые системы создают внутреннюю упорядоченность за счет увеличения неупо-
рядоченности в абиотической среде, накапливая «отрицательную» энтропию.

Определение жизни с позиций информатики принадлежит одному из создате-
лей квантовой теории, австрийскому физику Эрвину Шредингеру (Е. Schrodinger,
Нобелевская премия по физике, 1933 г.). В лекциях, прочитанных в 1943 г., он го-
ворил, что главным свойством жизни является линейная анизотропия органиче-
ских макромолекул, позволяющая им играть роль носителей наследственной ин-
формации.

Известный английский химик и философ Джон Бернал (J. Bernal) в своих теоре-
тических работах 1960-х годов рассматривал жизнь с позиций органической химии —
как самосохраняющуюся сеть сопряженных реакций, которые осуществляются меж-
ду органическими молекулами при участии эндогенных органических катализа-
торов.

В экзобиологической программе NASA 1984 г. жизнь определяется в свете теории
конкурентной эволюции — как автономная физико-химическая система, подчиняю-
щаяся принципу селекционизма, т. е. естественному отбору по Дарвину.

Во всех приведенных определениях не учитывается то, что жизнь представляет
собой конкретный этап химической эволюции Вселенной. Уникальными особенно-
стями жизни являются:

— существование на основе клеток и совокупностей особей;

— адаптивное взаимодействие с окружающей средой;

— индивидуальное развитие, или онтогенез;

— историческое развитие, или филогения.

Решающий вклад в понимании информационных основ жизни сделали амери-
канский вирусолог Джеймс Уотсон (J. Watson), английский молекулярный биолог
Френсис Крик (F. Crick) и английский биофизик Морис Уилкинс (М. Wilkins), кото-
рые установили, что гетерополинуклеотиды обладают способностью к матричному
копированию (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1962 г.). Дальней-
шие исследования привели к расшифровке универсального генетического кода. Они
показали, что хранящие информацию полинуклеотиды не только автокопируются
(реплицируются), но и в промежутке между этим служат источником команд для
образования белков и надмолекулярных систем, которые многоэтапным путем обес-
печивают все тот же процесс матричного копирования.

Последовательность событий складывается из транскрипции (синтеза РНК на матрице ДНК),
трансляции (синтеза белка на матрице РНК), посттрансляционного процессинга и, наконец, функ-
циональной самореализации белка в субклеточных системах.

Структура полинуклеотидных матриц такова, что они не только реплицируются, но и способны:

— к репарации, т. е. восстановлению повреждений;

— к мутации, т. е. наследуемому локальному изменению структуры в результате неадекватной
репарации;

— к рекомбинации, т. е. передислокации эндогенных блоков или включению экзогенных блоков;

— к амплификации, т. е. кратному увеличению числа имеющихся генетических элементов.

Все эти преобразования протекают на конкурентной основе, с общей тенденцией к повышению
гетерогенности матриц и увеличению объема содержащейся в них информации.

Химической основой этого процесса служит реакция гетерополимеризации. Ее катализируют
белки — продукты матричного копирования на альтернативный полипетидный носитель.

Для копирования матриц требуются биосинтетические системы. Они состоят из ферментно-
субстратных комплексов и нуждаются в энергии. Ферменты, субстраты и энергия служат также
для защиты геномов от повреждений, искажающих или блокирующих процесс матричного ко-
пирования. В частности, ДНК должна быть структурно стабилизирована и, при необходимости,
подвергаться репарации.

Для полимеразных реакций обоих типов необходимо сконцентрировать органическое вещество
и биологически доступную энергию.

На начальном этапе эволюции полимеразные реакции проходили в среде, обогащенной про-
дуктами абиотического синтеза (первичном «бульоне»). По мере истощения этих запасов среда
становилась все более олиготрофной. Поэтому примитивные живые системы начали концентри-
ровать конструктивные субстраты и энергоносители, а затем активно их преобразовывать. В со-
временных природных условиях матричное копирование может происходить только в изолирован-
ном пространстве — компартменте, внутренняя среда которого находится в состоянии устойчивого
неравновесия с окружающей средой. Для того, чтобы эта ситуация воспроизводилась, компартмент
должен быть квази-стационарным, т. е. быть открытой системой. Клетка, окруженная полупрони-
цаемой мембраной, отвечает этому требованию. Она представляет собой химический реактор, в
котором протекает нуклеотид-полимеразная реакция. Копироваться может как эндогенная матри-
ца (клеточный геном), так и экзогенная матрица (плазмида или геном паразитического организма,
не имеющего клеточного строения).

Копирование матриц — потенциально бесконечный процесс, и в этом смысле органическая
жизнь исключительно «заразна», т. е. способна к неограниченной пространственно-временной экс-
пансии за счет освоения всех доступных ресурсов энергии и субстрата.
Учитывая сказанное, мы можем дать еще одно определение органической жизни:
Органическая жизнь — это потенциально неограниченная экспансия полинук-
леотидных матриц, копирование которых происходит в клетках, или мультива-
риантных мембранных компартментах, способных к самовоспроизведению.

Оно относится не только к живым существам, обладающим клеточным строени-
ем, но и к неклеточным живым существам — вирусам, которые реплицируются внут-
ри клеток-хозяев. Происхождение вирусов неизвестно, и они могут соответствовать
доклеточной, вторично упрощенной клеточной или независимо возникшей некле-
точной форме жизни. В геноме вируса закодированы только те системы, которые
обеспечивают его репликацию после внедрения в клетку, но не кодируют функцио-
нальные структуры самой клетки. В отличие от вирусов, клетки представляют собой
автономную форму жизни, хотя в известном смысле вирусы более совершенны.

В приведенном определении жизни наряду с метаболическим и генетическим
аспектами ведущая роль отводится пространственной организации копирования по-
линуклеотидных матриц. Именно это позволяет считать цитоархитектонику цен-
тральным аспектом биологии клетки.

В отношении цитоархитектоники живые организмы образуют не сплошной ряд,
а дискретный набор морфотипов. Классифицируя последние, мы создаем феноти-
пическую мегасистему, а насколько она объективна, скажут современные представ-
ления о глобальной филогении.

5.1. СОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ.

НОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕРМИНОВ «ПРОКАРИОТЫ»
И «ЭУКАРИОТЫ»

Учение о двух морфотипах, эукариотном и прокариотном, исходит в первую оче-
редь из того, имеется ли в клетке морфологически оформленное ядро. Однако ядро
является не единственным признаком, по которому прокариоты и эукариоты отли-
чаются друг от друга.

Еще в 1970-е годы Роджер Стэниер, Лин Маргелис и Додсон (Е.Dodson) неза-
висимо друг от друга пришли к выводу, что при сравнении прокариотов с эука-
риотами необходимо учитывать не один, а множество критериев —от молекуляр-
ных до морфологических. Они пытались ранжировать признаки клетки на главные
и второстепенные, универсальные и неуниверсальные. Однако такой подход имеет
очень существенный недостаток — вместо интегральной характеристики морфоти-
па составляется перечень признаков, соответствующих разным уровням клеточной
организации. Альтернативный подход заключается в том, чтобы из совокупности
признаков морфотипа выбрать важнейший.

В начале 1980-х годов Томас Кавалье-Смит пришел к следующему принципиаль-
ному заключению:

Эукариоты принципиально отличаются от прокариотов общим, планом стро-
ения мембранной системы, т. е. способом компартментализации клетки.

Естественно, что у ядерных клеток не принимаются во внимание митохондрии
и пластиды. Эти органеллы, или «ксеносомы» (греч. ksenos — чужой и soma — те-
ло) произошли от бактерий. По типу строения они остаются клетками, несмотря
на то, что их генетическая, структурная и физиологическая автономия во многом
утрачена.
Главным признаком эукариотной клетки, ее «маркером», служит ядерная обо-
лочка. Некоторые свойства этой мембранной структуры уникальны, а ее функцио-
нальную роль трудно недооценить. Однако если взглянуть на нее под более широ-
ким углом зрения, то выясняется, что речь идет об обособленном и функционально
дифференцированном участке эндомембранной системы. Проще говоря, специфика
эукариотов определяется не ядерной оболочкой, а общими свойствами их эндомем-
бранной системы.

Прежде всего, эукариоты не не могут существовать без эндомембран, которые сохраняются в
клетках этого морфотипа независимо от уровня их эволюционного развития и особенностей онто-
генеза.

Кроме того, для эукариотов характерен специальный тип функционального взаимодействия
между эндомембранной системой и цитоплазматической мембраной — они структурно разобщены
и взаимодействуют друг с другом с помощью везикулярного транспортного аппарата.

Часть рибосом эукариотов прикрепляется к мембранам эндоплазматического ретикулума, ко-
торые растут посредством встраивания белков и липидов, в то время как рост цитоплазматической
мембраны происходит в результате слияния с ней везикул, отпочковывающихся от аппарата Гольд-
жи. Напротив, в прокариотной клетке рибосомы могут прикрепляться прямо к цитоплазматической
мембране.

Таким образом, принципиальное различие между эукариотами и прокариотами заключается
в том, что эукариоты всегда содержат эндомембраны. Зато прокариотам иметь эндомембраны не
обязательно. Если они у них есть, то взаимодействуют с цитоплазматической мембраной посто-
янно или только временно, причем это всегда прямое взаимодействие, без участия везикулярного
транспортного аппарата.

Разные участки эндомембранной системы эукариотов различаются по морфологии и выполня-
ют конкретные функции, связанные с транспортом и конструктивным метаболизмом. В отличие
от этого, эндомембраны прокариотов — однообразного строения и осуществляют энергетический
метаболизм.

Итак, эукариоты и прокариоты различаются типом организации мембранной си-
стемы, хотя следует еще раз напомнить о том, что эукариоты монофи л етичны, а
прокариоты дифилетичны, и под названием «прокариоты» выступают представи-
тели двух глобальных доменов — Bacteria и Archaea. Их разделяет примерно такая
же эволюционная дистанция, которая каждого по отдельности разделяет с эукарио-
тами.

Выходит, что дихотомическая классификация устарела. Означает ли это, что
также устарели термины «прокариотная клетка» и «эукариотная клетка»? Чтобы
ответить на этот вопрос, нам нужно уточнить, что мы подразумеваем под клеткой.

Клетка представляет собой микрокомпартмент для хранения и воспроизведения
генетической информации. Его важнейшими и незаменимыми компонентами явля-
ются:

— ограничивающая мембрана;

— геном, в котором закодирована индивидуальная белоксинтезирующая система;

— клонированная популяция рибосом.

Всеми перечисленными атрибутами обладает элементарная клетка, или «мо-
нада».

5.1.1. Монады и химеры

Поскольку понятия «монады» и «химеры» имеют концептуальное значение для
цитологии, остановимся на них более подробно.

Начиная с античности, философский термин «монада» (греч. monos — единица, единое) слу-
жит для обозначения основополагающего и неделимого элемента бытия. Слово «монада» и произ-
водные от него понятия в разное время использовались как биологические термины. Чаще всего
монадами называли такой тип биологической организации, когда клетка представляет собой от-
дельный организм, что приблизительно соответствует содержанию, которое теперь вкладывается
в термин «протисты». В некоторых случаях слово «монада» становилось частью таксономического
названия, например бактерии Azomonas, Hyphomonas и Pseudomonas, археот Natronomonas, зе-
леная водоросль Chlamydomonas и т. д. Гипотетическим монадам приписывали ключевую роль в
эволюции («монеры» Эрнста Геккеля).

Фрэнсис Тэйлор использовал в 1982 г. термин «монада» в общецитологическом
смысле для того, чтобы провести различие между «монадами» (собственно клетка-
ми) и «химерами» (эндосимбиотическими системами).

Клетка-монада является элементарной единицей жизни. Атрибуты монады, или
набор структур, которые необходимы в онтогенезе и для размножения, следующие:

— цитоплазматическая мембрана, или мембранный барьер, окружающий цито-
плазматический компартмент;

— геном, или индивидуальная кодирующая система на основе компактизирован-
ной двухцепочечной ДНК;

— клонированная популяция рибосом, или универсальных органелл трансляции.

Четвертым атрибутом монады служит цитоплазма, но она аморфна и поэтому
не рассматривается в качестве элемента клеточной архитектуры. Наконец, можно
было бы назвать пятый атрибут монады, цитоскелет. Однако у разных монад он
выполняет разные функции, не обязательно связанные с клеточной архитектурой и
ключевыми процессами жизнедеятельности.

Таким образом, исходя из приципа: «Одна цитоплазматическая мембрана-один
геном-одна клонированная популяция рибосом», мы можем говорить о двух типах
монад. Это прокариотная монада и эукариотная монада.

Всеми атрибутами прокариотной монады обладают и эндосимбиотические орга-
неллы бактериального происхождения — митохондрии и «простые» пластиды. Они
имеют мембрану, окружающую матрикс (в случае митохондрий) или строму (в слу-
чае «простых» пластид), хромосому и набор 70S рибосом.

Монады, обладающие собственным мембранным барьером, индивидуальным ге-
номом и клонированной популяцией рибосом, могут быть только двух типов —
прокариотная монада и эукариотная монада.

Монады способны образовывать группы клеток — полимерные ассоциации
монад. Для их обозначения Тейлор предложил термин «полимонада» (англ,
polymonad).

Полимонады могут состоять из монад с гомологичными геномами. Примером
«гомологичной» полимонады, состоящей из фототрофных особей, служат бактерии
рода Pleurocapsa. Примером «гомологичной» полимонады, состоящей из хемотроф-
ных особей, служат бактерии рода Streptococcus (рис. 3).

Кроме того, полимонады могут состоять из монад с гетерологичными геномами.
Такие ассоциации называются консорциумами (лат. consortium — общность). При-
мерами может служить консорциум, образованный сульфатредуцирующими гете-
ротрофными бактериями и зелеными фототрофными бактериями, а также консор-
циум, образованный гипертермофильными археями Igniococcus sp. и «Nanoarchaeum
equitans».

Эндосимбиотические системы представляют собой принципиально иной тип
межклеточной ассоциации. В этом случае прокариотная монада поселяется внут-
ри эукариотной монады. В результате они становятся настолько взаимозависимыми,
Клетки-монады

прокариотные

эукариотные

хемотрофная

□ фототрофная

Эндосимбиотические системы-химеры

простые сложная

и ® диада

триада

Полимерные ассоциации

монад

□□□

полимонады

простых химер

полидиада

политриада

Рис. 3. Клетки-монады, эндосимбиотические системы-химеры
и полимерные ассоциации монад или химер.

N — ядро; п — нуклеоморф (рудимент ядра).

что уже не могут существовать друг без друга. Именно таким путем в ходе эволюции
возникли митохондрии (потомки хемотрофных прокариотных монад) и «простые»
пластиды (потомки фототрофных прокариотных монад).

Для эндосимбиотической ассоциации прокариотных монад с эукариотной мо-
надой Тейлор предложил термин «простая химера» (англ, simple chimera; греч.
chimaira — Химера, мифологический монстрозный гибрид льва, козы и змеи). В за-
висимости от состава партнеров различаются два типа простых химер.

Простая химера, образованная эукариотной монадой и хемотофной прокариот-
ной монадой, называется «диадой» (англ, diad; греч. dio —два). В свою очередь,
простая химера, образованная эукариотной монадой, хемотрофной монадой и фото-
трофной монадой, называется «триадой» (англ, triad; греч. tris —три). Ассоциации
диад и триад называются «полидиадами» (англ, polydiad) и «политриадами» (англ,
poly tri ad).

Большинство представителей царства Animalia, имеющие митохондрии, — это по-
лидиады. В свою очередь, большинство представителей царства Plantae, имеющие
митохондрии наряду с «простыми» пластидами — это политриады.

Количественную основу современного биоразнообразия составляют животные
(1032 тыс. видов, из них только 751 тыс. видов насекомых), высшие растения
(248 тыс. видов), грибы (69 тыс. видов), нефотосинтезирующие протисты (30 тыс.
видов) и водоросли (27 тыс. видов). Эти организмы являются потомками эндо-
симбиотических ассоциаций между фаготрофными эукариотными клетками (домен
Еисагуа) и представителями двух разных фил домена Bacteria — ВХП Proteobacteria
и ВХ Cyanobacteria. В данном случае монады играют роль соответственно клеток-
хозяев, митохондрий и «простых» пластид.

Более сложный вариант эндосимбиотической ассоциации возникает, когда од-
на химера поселяется внутри другой. Такая эндосимбиотическая система назвает-
ся «сложной химерой» (англ, complex chimera). Примеры сложных химер —мно-
гие фототрофные протисты, в частности представители классов Cryptophyceae и
Chlorarachniophyceae, сохранившие рудимент ядра (нуклеоморф). В настоящее вре-
мя установлено, что «сложные» пластиды этих микроорганизмов произошли не от
бактерий, а от водорослей-триад, которые имели митохондрии и простые пласти-
ды. Путем эндоцитоза такие триады были захвачены фаготрофными диадами и в
результате эволюции межклеточной ассоциации превратились в фототрофные ор-
ганеллы.

Сложные химеры также могут образовывать полимерные ассоциации. Примером
служат бурые, золотистые и желто-зеленые водоросли, которые потеряли нуклео-
морф, но сохранили рудиментарные «эукариотные» мембраны вокруг «простой»
пластиды.

Возвращаясь к монадам, необходимо подчеркнуть, что учтенное биоразнообразие
этих организмов (5,2 тыс. видов бактерий и архей, а также несколько десятков видов
«амитохондриальных» протистов) ничтожно мало по сравнению с биоразнообразием
химер (1406 тыс. видов).

5.1.2. Прокариоты и эукариоты как два типа монад

На основе современных представлений о свойствах клетки и ее филогении про-
кариотам можно дать следующее определение:

Прокариоты — это неядерные монады, из которых состоят филогенетические
домены Bacteria и Archaea.

В свою очередь, эукариотам можно дать следующее определение:

Эукариоты — это ядерные монады, из которых состоит филогенетический до-
мен Еисагуа.

Представители филогенетического домена Еисагуа обладают эукариотным мор-
фотипом. Его характерной чертой является уникальный мембранный аппарат, ко-
торый подразделяется на две обособленные части — цитоплазматическую мембрану
и эндомембраны.

Эндомембраны эукариотов представляют собой совокупность компартментов, сообщающихся
между собой при помощи системы везикулярного транспорта. Эндомембраны взаимодействуют с
цитоплазматической мембраной при помощи везикулярной челночной системы, которая осуществ-
ляет цитоз, или «транспорт в упаковке». Он происходит из цитоплазмы во внеклеточную среду и
в противоположном направлении — из внеклеточной среды в цитоплазму. Кроме того, с помощью
везикулярной челночной системы переносится материал, из которого состоит цитоплазматическая
мембрана.

Эндомембраны эукариотов имеют второе название—«вакуом» (лат. vacuola — пузырек и
omnis — совокупный). В 1980-е годы его ввел бельгийский биохимик Кристиан де Дюв (С. de Duve,
Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1974 г.). Этим термином обозначается система то-
пологически замкнутых мембранных микрокомпартментов, или вакуолей в широком смысле слова.

В состав вакуома входят ядерная оболочка, аппарат Гольджи, транспортные везикулы, эндо-
плазматический ретикулум, микросомы и т. д. Функциями вакуома являются:
— хранение, копирование и экспрессия генетической информации;

— внутриклеточный транспорт;

— импорт питательных субстратов;

— конструктивный метаболизм, т. е. совокупность процессов ассимиляции субстратов и дисси-
миляции продуктов жизнедеятельности;

— биосинтез и таргетинг материала для образования клеточных структур;

— накопление запасных веществ и их расходование;

— экспорт экзометаболитов и отходов метаболизма.

Однако мембраны вакуома не способны ассимилировать энергию путем создания протонного
градиента. Эту роль в ядерных клетках выполняют кристы митохондрий и тилакоиды пластид.

Ядерная оболочка изолирует сайты процессинга генетического материала от сай-
тов его экспрессии. Напомним, что репликация и транскрипция (вместе с посттран-
скрипционным процессингом, который включает в себя сплайсинг, кэппирование
мРНК и т. д.) происходят в нуклеоплазме, а трансляция осуществляется в цито-
плазме.

В отличие от эукариотов, у прокариотов отсутствует пространственно-временная
изоляция транскрипции и трансляции, и их рибосомы присоединяются ко входно-
му 5'-концу формирующейся молекулы мРНК, не дожидаясь финала образования
транскрипта. Это происходит потому, что у прокариотов суммарная скорость ини-
циации, транскрипции и элонгации выше, чем скорость считывания матрицы ДНК
с помощью РНК-полимеразного комплекса.

Субъединицы эукариотной 80S рибосомы экспортируются через ядерные поры в
цитоплазму, и только там образуется способный к трансляции комплекс рибосома-
мРНК. Однако трансляция может происходить и внутри ядра — в 2001 г. Иборра
(F. J.Iborra) с помощью иммуноцитохимических методов показал, что ядра млеко-
питающих в небольшом количестве используют аминоацил-тРНК. Смысл внутри-
ядерной трансляции может заключаться в тестировании мРНК на наличие нонсенс-
кодонов, чтобы обеспечить их «нонсенс-обусловленное» устранение (англ, nonsense-
mediated decay, NMD).

5.2. ЭВОЛЮЦИОННОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ
ЭУКАРИОТОВ

Особое место в теоретической биологии занимает реконструкция сценария проис-
хождения эукариотной клетки. Трудность в том, что вопрос о происхождении ядра
стоит отдельно от вопроса о происхождении эукариотной клетки как отдельного
эволюционного ствола.

В настоящее время рассматриваются две гипотезы о происхождении эукариотов.

В середине 1980-х годов господствовала идея о независимом происхождении эука-
риотов, бактерий и архей от гипотетического общего предка. Однако дендрограммы,
отражающие результат секвенирования консервативных белков (факторов элонга-
ции EF-G и EF-Tu, протон-транслоцирующих FoFi-АТФаз и V-АТФаз, молекуляр-
ного шаперона Hsp70, глутаматдегидрогеназы и т. д.), не совпадают с дендрограм-
мами, построенными на основе сравнения рРНК. Поэтому единого мнения о том,
как выглядит основание эволюционного древа, до сих пор не существует.

По наиболее известному сценарию, бактерии дивергировали с общим предком ар-
хей и эукариотов (см. рис. 2). Карл Воз, Ивабе (N. Iwabe), Гогартен (J. Р. Gogarten) и
другие крупные авторитеты в области эволюционной цитологии считают, что предки
эукариотов, или «протоэукариоты» имели такое же строение, как археи. Позднее они
приобрели вакуом, цитоскелет и, наконец, ядро. В этом случае гомология эукариот-
ных и прокариотных факторов элонгации, протонных АТФаз и других важнейших
белков объясняется «горизонтальным» переносом генов. Химерная природа ядер-
ного генома может быть следствием обмена генетической информацией, который
происходил либо между свободноживущими представителями трех доменов, либо
после того, как бактерии стали облигатными эндосимбионтами и превратились в
митохондрии и пластиды.

Альтернативный сценарий предложил в 1989 г. Вернер Циллиг. В данном слу-
чае химерная природа ядерного генома объясняется симбиотическим слиянием двух
прокариотных линий. В начале 1990-х годов Джеймс Лейк, Хориике (Т. Horiike) и
Гупта (R. Gupta) предположили, что ядро произошло от археотной клетки, которая
путем фагоцитоза попала внутрь бактерии. Еще один сторонник археотного про-
исхождения ядра, американский молекулярный биолог Соджин (М. Sogin) считает,
что предшественником эукариотной клетки была не бактерия, а гипотетическая про-
токлетка. Она представляла собой автореплицирующуюся мембранную везикулу с
примитивным РНК-овым геномом, копирование которого осуществлялось при по-
мощи РНК-репликазы.

Сохранились ли в современной биосфере прямые потомки первичных ядерных
организмов? Есть предположение, что это могут быть анаэробные протисты из груп-
пы Archezoa, у которых нет митохондрий, гидрогеносом, пластид, а также диктиосом
и пероксисом (см. гл. 6).

Существует и противоположная точка зрения, согласно которой амитохондри-
альные протисты не являются прямыми потомками архаичных эукариотов (у их
предков были митохондрии, но они потеряли их в результате вторичной адаптации
к анаэробной среде обитания). В качестве аргумента приводится то, что в ядерном
геноме амитохондриальных протистов обнаружены гомологи бактериальных генов.
Однако это можно с равным успехом объяснить «горизонтальным» переносом генов
между свободноживущими организмами на начальном этапе биологической эволю-
ции.

5.3. ПРОТОКЛЕТКА

Отдельный тип монады — это гипотетическая протоклетка. Она находится в ос-
новании родословного древа и служит общим предком всех трех глобальных доме-
нов. Воз назвал ее «прогенотом» (англ, progenitor — прародитель).

Реконструкция свойств прогенота, которого в последнее время называют «по-
следним универсальным общим предком» (англ. Last Universal Common Ancestor,
LUCA) — это отдельная проблема теоретической биологии. Перед исследователями
стоит задача локализовать LUCA на глобальной дендрограмме, а также дать ретро-
спективное описание его биологических свойств.

Несколько крупных биологов, среди которых в первую очередь нужно назвать де
Дюва, склоняются к мысли о том, что мир протоклеток в свое время пришел на сме-
ну миру эволюционирующих молекулярных существ. В 1986 г. Гилберт (W. Gilbert)
назвал его «миром РНК» (англ. RNA world). Как полагают, в ту эпоху еще не су-
ществовали белки, и РНК одновременно играла роль носителя генетической инфор-
мации и биокатализатора.

По мнению Отто Кандлера, клеточная жизнь первоначально была колониальной
и недифференцированной. На заре эволюции «горизонтальный» перенос генов мог
быть строго закономерным, а не эпизодическим, как теперь, явлением. Современ-
ная биота сохраняет свое разнообразие благодаря трофической взаимозависимости
индивидов при относительной стабильности геномов из-за существования генетиче-
ских барьеров. В отличие от этого, биологической стратегией мира протоклеток был
свободный обмен быстро мутирующими генами при использовании трофических ре-
зервов, накопленных абиотическим путем. Скорее всего, LUCA представлял собой
не отдельный вид, а поливариантный продукт «горизонтального» переноса генов
между разными формами жизни. По мнению канадского молекулярного биолога
Уильяма Дулитла (W. F. Doolittle), мы никогда не сможем узнать, как выглядит ос-
нование древа жизни, поскольку скорость «горизонтального» переноса генов могла
быть выше скорости дивергенции.

В отличие от Отто Кандлера и Уильяма Дулитла, а также американского моле-
кулярного генетика Рассела Дулитла (R. W. Doolittle), большинство авторов считает,
что хотя LUCA был достаточно примитивным, он имел все атрибуты клетки, как
то:

— геном, представленный ДНК;

— набор ферментов и других белковых факторов, необходимых для биосинтеза
ДНК и РНК;

— рибосомы, т. е. рибонуклеопротеиновые системы процессинга РНК-транскрип-
тов;

— системы посттрансляционного процессинга белка, в том числе молекулярные
шапероны;

— аппараты рекомбинации, генетической регуляции и репарации;

— механизмы контроля клеточного деления;

— системы регенерации АТФ и мембранную электрон-протонофорную цепь.

При попытке реконструировать фенотип LUCA неизбежно встает вопрос о ха-
рактере адаптации протоклеток к физико-химическим условиям, которые господ-
ствовали на Земле 3,5 млрд лет назад. Согласно геологическим данным, тело нашей
планеты сконденсировалось вокруг ее металлического ядра 4,5 млрд лет тому назад,
а первобытный Океан сформировался 4,2 млрд лет тому назад. В течение следующих
500 млн лет земная кора несколько раз подвергалась «последней сильной метеорит-
ной бомбардировке» (англ. Late Heavy Meteorite Bombardment, LHB), вследствие
чего температура водоемов доходила до точки кипения, что способствовало отбору
гипертермофильной биоты, и поэтому LUCA был термофилом.

Идут споры том, какое место занимает LUCA на глобальной дендрограмме. По
консенсусной версии, корень клеточной жизни расположен где-то между стволом
бактерий и другим стволом, который в дальнейшем разветвился на стволы архей и
эукариотов (см. рис. 2). Скорее всего, LUCA был похож на бактерию, и можно рекон-
струировать его фенотип, анализируя полностью секвенированные бактериальные
геномы.
ГЛАВА 6

ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА И ЗНАЧЕНИЕ
ПРОКАРИОТОВ

Small is not only beautiful — considering the
elegance that microbes permit in physiological
and biochemical experiments — but also intrinsically
powerful.

(Мельчайшие существа не только прекрасны,
судя по тому, как изящно выглядят микробы в фи-
зиологических и биохимических опытах, но и обла-
дают внутренней мощью).

Н. G. Jannash. Small is powerful: recollections
of a microbiologist and oceanographer (Ann. Rev.
Microbiol., vol. 51, 1997).

Биологическое значение живых организмов оценивается через призму таких кри-
териев, как географическое расселение и место обитания; ниша; темп репродукции
и общая численность; морфофизиологическая и поведенческая адаптация (норма
реакции генотипа); внутривидовые и межвидовые взаимоотношения; характер воз-
действия на окружающую среду.

Биологическое значение живых организмов зависит от их структур но-функцио-
нальных свойств, прежде всего от типа клеточного строения. Бактерии и археи отно-
сятся к прокариотному морфотипу, то есть это «неядерные» клетки (англ, anucleate
cell). Прокариотный морфотип, в свою очередь, представлен несколькими вариан-
тами (см. гл. 8).

6.1. ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА ПРОКАРИОТОВ
В СРАВНЕНИИ С ЭУКАРИОТАМИ

В основе дихотомической мегаклассификации лежит сравнение прокариотов с
эукариотами. Чтобы оно было корректным, понятие «эукариотная клетка» (англ,
eucaryote cell) нужно отделить от понятия «ядерная клетка» (англ, nucleate cell).

Эукариотные клетки —это монады, относящиеся к филогенетическому домену
Еисатуа.
Большинство ядерных клеток —это химеры. Постоянно забывая об этом, «эу-
кариотами» называют не эукариотных монад, а ядерных диад (клетки с митохон-
дриями) или триад (клетки с митохондриями и пластидами). Однако целое нельзя
сравнивать с его отдельной частью.

Клетки, имеющие симбиотические органеллы, не обладают самостоятельным
морфотипом, а представляют собой химерное сочетание двух морфотипов — эу-
кариотного и прокариотного.

Отсюда следует парадоксальный вывод —для химерных клеток (а это клетки
протистов, грибов, животных и растений) нет места на глобальном древе.

6.1.1. Алгоритм сравнения

Можно сравнивать между собой прокариотных монад — бактерий, архей, мито-
хондрии и простые пластиды. Сравнивать можно и эукариотных монад, т. е. ядерные
клетки, не имеющие симбиотических органелл. Наконец, можно сравнивать прока-
риотную монаду, например, митохондрию или «простую» пластиду с эукариотным
хозяином (в этом случае мы будем сравнивать не самостоятельные организмы, а
части химерной межклеточной ассоциации).

Эукариоты представлены двумя вариантами монад. В одном случае это не са-
мостоятельный организм, а монада-хозяин в составе химеры (диады или триады).
В другом случае это самостоятельный организм-монада. Такие организмы называют
«первично амитохондриальными» протистами, и они являются потомками эукари-
отов, у которых изначально не было митохондрий.

Существуют ли такие организмы в современной биосфере?

В 1970-1980-е годы считали, что первично амитохондриальные протисты образуют сбор-
ную группу Archezoa. К ней относятся представители классов Archamoebae (например, Pelomyxa
palustris), Metamonada (например, Giardia lamblid), Microsporidia (например, Encephalitizoon
cuniculi) и Parabazalia (например, TYichomonas vaginalis).

В конце 1990-х годов выяснилось, что в геномах некоторых первично амитохондриальных про-
тистов присутствуют гомологи митохондриальных генов — например, гены белков теплового шока
(HsplO, Hsp70 и српбО), а также гены таких ключевых ферментов, как аденилаткиназа, пиридин-
нуклеотид-трансгидрогеназа, триозофосфат-изомераза, валил-тРНК-синтетаза и т. д. Их появле-
ние в ядерном геноме объясняют «горизонтальным» переносом из митохондрии в ядро еще до
того, как химерные клетки вторично утратили эти органеллы, т. е. когда протисты из первично
митохондриальных превратились в амитохондриальных.

Однако данные о гомологии с митохондриальными генами еще не решающий аргумент в поль-
зу митохондриального происхождения ядерных генов. Ведь это могут быть не митохондриальные
гены, а гены симбиотических бактерий, которые на время поселились в первично амитохондриаль-
ной эукариотной клетке. Прежде, чем эти симбионты-неудачники покинули своего хозяина, часть
их генов могла «перекочевать» в ядро, например, при помощи вирусного вектора.

Несмотря на то, что проблема происхождения первично амитохондриальных про-
тистов остается открытой, мы вправе считать их истинными эукариотами так же,
как мы считаем истинными эукариотами тех ядерных хозяев, которые являются
составной частью химерных клеточных ассоциаций.

6.1.2. Итог сравнения

С учетом сделанных уточнений мы можем составить сравнительный перечень
важнейших свойств монад, относящихся к филогенетическим доменам Bacteria,
Archaea и Еисагуа (табл. 1).
Сложность прокариотов. В структурно-функциональном отношении прока-
риоты принципиально отличаются от эукариотов. Их органеллы мульти функцио-
нальны, а их энергетический и конструктивный метаболизм обладает высокой ла-
бильностью. Это особый тип сложности и более рациональный тип клеточного стро-
ения, не связанный с обилием второстепенных морфологических деталей. Прокари-
оты не проще эукариотов, они «другие».

Функциональное превосходство прокариотов. Сравнивая ведущие генети-
ческие, цитологические, метаболические и поведенческие свойства, мы видим, что
по функциональным возможностям прокариоты превосходят ядерных монад.

Во-первых, прокариоты имеют более разнообразные метаболические свойства.
Представители этого морфотипа способны к фототрофии, дыхательной хемотро-
фии, углеродной автотрофии и диазотрофии. В то же время у ядерных монад нет
генов, кодирующих белки, которые участвуют в этих фундаментальных метаболи-
ческих процессах (в качестве исключения можно назвать углеродную автотрофию
у метилотрофных дрожжей Hansenula polymorpha и Pichia pastoris).

Во-вторых, прокариоты более разнообразны на молекулярном уровне. Например,
у них есть структуры, образованные неунитарными мембранами. Клетки большин-
ства бактерий окружены ригидным саккулусом, или молекулой муреина в форме
мешка. Многие бактерии образуют покоящиеся резистентные клетки — эндоспоры.
Таким образом, прокариоты обладают структурно-функциональными свойствами,
которые отсутствуют у ядерных монад.

Следует отметить, что хотя одни и те же термины («хромосома», «трихом», «жгу-
тик», «спора», «гликокалике», «почкование», «дробление» и т.д.) используются по
отношению и к прокариотам, и к эукариотам, они обозначают гетерологичные струк-
туры или контрастно структурированные процессы.

Прокариоты, в том числе те из них, которые образуют уникальную квази-много-
клеточную структуру — трихом, представляют собой клетки-организмы. Поэтому их
можно условно сопоставить с амитохондриальными протистами, у которых генети-
ческие, метаболические, транспортные и регуляторные процессы также ограничены
клеточным уровнем организации. Однако у прокариотов структуры полифункцио-
нальны, а функции — менее компартментализированы.

Разнообразие типов метаболизма у прокариотов. Важнейшее свойство
прокариотов — это разнообразие метаболических систем, с помощью которых они
используют разные источники энергии и конструктивные субстраты, в том числе
неорганические (табл. 1).

Бактерии насчитывают 11, а археи —7 типов генераторов трансмембранного
электрохимического потенциала (Ртп/), в то время как эукариоты энергизиру-
ют свои мембранные структуры только благодаря гидролизу АТФ или неоргани-
ческого пирофосфата (ФФ). Автотрофная биоэнергетика, то есть ассимиляция
свободной энергии квантов света с энергией 1,5-3,5 эВ (фототрофия), а также
ассимиляция энергии, освобождающейся при окислении неорганических субстра-
тов (литотрофия), существует только у прокариотов. Дыхание с использовани-
ем неорганических и органических доноров электронов также встречается только
у прокариотов.

Автотрофный конструктивный метаболизм, в первую очередь ассимиляция
неорганических соединений углерода, широко распространен у прокариотов и не
встречается у эукариотов. В свою очередь, очень многие бактерии и несколько видов
метаногенных архей обладают способностью к диазотрофии, или ассимиляции моле-
Таблица 1. Сравнительные свойства доменов Bacteria, Archaea
и Еисагуа

Свойство Прокариоты Эукариоты
Домен Bacteria Домен Archaea Домен Еисагуа

Цитология

Морфотип Прокариотный (4 бактериальных варианта) Прокариотный (археотный вариант) Эукариотный
Истинная многокле- точность — — +
Квазимногоклеточ- ность + + —
Мембранные глицеролипиды а) Сложные эфиры жирных кислот; б) про- стые эфиры неразветв- ленных жирных спир- тов; в) простые эфиры неразветвленных жир- ных альдегидов (плаз- малогены) Простые эфиры раз- ветвленных жирных спиртов а) сложные эфиры жирных кислот; б) плазмалогены
Рекальцитрантные липиды Гопаноиды Фитанол и его произ- водные Стероиды
Внутриклеточные мембранные структуры + — +
Вакуоли + — +
Компартментали- зация Фазовая; мембранная; комбинированного ти- па Фазовая; мембранная Фазовая; мембранная
Включения + +
Цитоскелет + + +
Ригидный слой клеточ- ной стенки Муреиновый саккулус; белковый саккулус; белковый S-слой Псевдомуреиновый сак- кулус; белковый S-слой; гетерополисаха- рид (Лигно)целлюлоза; хи- тозан
Клетки в форме «плос- ких» многоугольников — + +
Почкование + + +
Множественное деление + — —
Митоз — - +
Редукционное деление — — +
Подвижность 8 типов (в том числе при помощи вращаю- щихся жгутиков) 2 типа (в том числе при помощи вращаю- щихся жгутиков) При помощи ундулипо- дий; амебоидное
Клеточная дифференциация + + +
Эндоспоры + — —

Генетика

Среднее число генов 410а 10а 2104
Средний размер гена 10л п.н. 10а п.н. 2,510а п.н.
Размер генома 510ь-10/ п.н. 510&-210ь п.н. 310ь-1,41011 п.н.
Некодирующие участ- ки генома («молча- щая» ДНК) — — +
Свойство | Домен Bacteria | Домен Archaea | Домен Еисагуа

Цитология

Интроны + +
Кассетное объединение генов (опероны) + + +
Мультикопийные гены + — +
Партитность генома (набор гетерологичных хромосом) + — +
Содержание белка в хроматине Низкое Низкое Высокое
Нуклеосомы — + +
Обратимая конденса- ция хроматина — — +
Топология хромосом Кольцевые; линейные Кольцевые Линейные
Центромеры и теломе- ры + — +
Мультикопийность хромосом + — +
Экстрахромосомные генетические элементы (плазмиды) + +
Мобильные генетиче- ские элементы + + +
Половой процесс — — +
«Горизонтальный» перенос генов + + —

Транскрипция и трансляция

РНК-полимераза Один класс (субъеди- ницы «2 013'ст) Один класс (8-10 субъ- единиц) Три класса (> 10 субъ- единиц)
Промоторы -35 (TTGACA); -10 (ТАТААТ) БоксА: ТТТАТЕ/ААТА [-(24-28)]; бокс В: пиримидин/пурин (+1) « Upstream » - активиру- ющие последователь- ности; -25 (ТАТА)
Сплайсинг + + +
мРНК Нестабильная; корот- кий полиА-хвост Нестабильная; коро- ткий полиА-хвост Стабильная; кэппиро- ванная; длинный полиА-хвост
Полицистронная мРНК — — +
Сайт связывания рибосом в мРНК + + —
Инициаторная тРНК Формилметиониновая Метиониновая Метиониновая
Терминаторный уча- сток «Stem-loop» структуры «Stem-loop» структуры; тимидиновые повторы Тимидиновые повторы
Рибосома Моносома 70S; субъ- единицы 30S и 50S Моносома 70S; субъеди- ницы 30S и 50S Моносома 80S; субъ- единицы 40S и 60S
рРНК 16S; 23S; 5S 16S; 23S; 5S 18S; 28S; 5S; 5,8S
Число белков в субъ- единицах рибосом 21 (30S); 34 (50S) 21-28 (30S); 34-43 (50S) 30 (40S); 45-50 (60S)
Чувствительность к дифтерийному токси- ну — + +
Чувствительность к циклогексимиду — — +
Чувствительность к хлорамфениколу + — —
Свойство | Домен Bacteria | Домен Archaea | Домен Еисагуа
Транскрипция и трансляция

Чувствительность к рифампицину + — —

Транспорт

Цитоз + — +
Порины + — +
Генеральная Sec-система + + +
АВС-транспортеры + + +
SRP-система + — —
Tat-система + — +
Фосфотрансферазная система + — —

Энергетический метаболизм

Генераторы трансмем- бранного потенциала 11 типов (в том числе, FoFi-АТФаза и Р-АТФаза) 7 типов (в том числе, AoAi-АТФаза и V-АТФаза) 2 типа (V-АТФаза; ФФаза)
Фототрофия + — —
Квази-фототрофия 4- + —
Хемолитотрофия + -1- —
Дыхание + + —
Брожение + — +

Конструктивный метаболизм

Углеродная автотрофия + + —
Диазотрофия + + —

Регуляция

Двухкомпонентные сигнальные системы + + +
Ретинопротеиновые фоторецепторы + + +
Ориентированное движение — — +
Эндогенные ритмы (циркадные и ультрад- ные) + — +
Терминальная диффе- ренциация («альтру- изм») + — +

Регуляция

Апоптоз | + | + | +

Примечания: (+)—свойство присутствует; (-)—свойство не обнаружено.

кулярного азота. У эукариотов это ценнейшее физиологическое свойство отсут-
ствует.

Стратегии клеточной эволюции. Прокариотная стратегия заключается в со-
четании множественных путей метаболизма с мультифункциональностью клеточ-
ных структур.

В то же время сратегиями ядерных организмов являются:

— увеличение степени компартментализации клетки (в случае протистов);

— увеличение осмотрофной поверхности (в случае Fungi)',
—диверсификация механизмов транспорта, питания и дистанционной регуляции
на уровне многоклеточных систем (в случае Animalia и Plantae).

На раннем этапе эволюции органической жизни эукариоты выступили в качестве
хозяев в химерной клеточной ассоциации. Их «младшими» партнерами стали бак-
терии, которые превратились в полуавтономные цитоплазматические органеллы —
митохондрии и пластиды. Функциональным вкладом этих бактерий в химерную
клеточную систему стали фототрофия, аэробное дыхание и углеродная автотрофия.
В результате темп эволюции ядерных клеток ускорился, они заселили разнообраз-
ные ниши и заняли доминирующее положение в спектре видового разнообразия.

6.2. ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТОВ

Воздействие патогенных бактерий на человека—«болезненная» тема, и это
неудивительно. На патогенных бактерий, поражающих животных и растения, смот-
рят также через призму антропоцентризма, но уже без драматизации. Колоссальное
разрушающее воздействие бактерий на материальные объекты цивилизации вос-
принимается как «малое зло». Зато практическая польза, которую они приносят,
недооценивается.

Если отвлечься от собственных недугов и проблем человеческой цивилизации,
то истинное биологическое значение прокариотов определяют:

— спектр разнообразия, а также общая численность и биомасса;

— формирование биогеохимической системы планеты;

— ключевое участие в эволюции органической жизни.

Во второй половине XIX в. основатели микробной экологии, Луи Пастер и
С. Н. Виноградский пришли к заключению, что истинное значение бактерий опреде-
ляется их ролью в глобальных природных процессах. В подтверждение этого на лек-
ции, прочитанной в 1896 г. и посвященной биогеохимическому значению бактерий,
Виноградский процитировал Пастера: «... Ie role des infiniment petits m’apparaissait
infiniment grand» (франц. — мне представляется, что роль бесконечно малых существ
бесконечно велика).

Прокариоты как «половина» живого вещества и как аккумулятор био-
генных элементов. По имеющимся оценкам, в конкретный момент общая числен-
ность прокариотов на три порядка выше количества ядерных клеток и измеряется
астрономической цифрой — 5 • 1О30. Эта суперпопуляция непрерывно размножается.
Только в Мировом океане за год нарождаются 2 • 1О30 клеток.

Хотя отдельная прокариотная клетка не видна невооруженным глазом (ее сред-
ний объем равен 2,5 мкм3, а масса 10“ 12г), в сумме прокариоты составляют весьма
значительную часть глобальной биомассы. Ее оценивают приблизительно в 5 • 1011 т
(по углероду), что равно биомассе всех ядерных клеток. Альберт Клюйвер и Кор-
нелис ван Ниль (С. van Niel) в своем совместном курсе лекций «The Microbe’s
Contribution to Biology», прочитанном в 1956 г., отметили, что половина живого
вещества на Земле представлена бактериями.

Суммарное содержание азота в биомассе прокариотов достигает 1,3-1011, а фос-
фора 1,4 • 1О10 т. Это на порядок больше, чем во всех растениях.

Прокариоты как первые живые существа, первопоселенцы и космопо-
литы. Одними из наиболее ранних продуктов биологической эволюции были ар-
хаичные представители филы ВХ Cyanobacteria. Возраст древнейших окисленных
пород, 3,5 млрд лет, соответствует возрасту микрофоссилий (см. раздел 1.8), кото-
рые по виду очень похожи на современных цианобактерий.

Цианобактерии обладают исключительно высоким адаптационным потенциа-
лом, благодаря чему они развиваются в широком диапазоне абиотических факто-
ров среды и даже колонизируют экстремальные ниши. В частности, троглофитные
(греч. trogle — нора и phyton — растение) формы заселяют пещеры и гроты; штаммы
Spirulina sp. вызывают цветение содовых озер при pH >11; колонии цианобактерий
можно обнаружить в пустыне и вечных снегах; в лабораторных условиях они спо-
собны расти в атмосфере чистого кислорода или диоксида углерода.

Цианобактерии заселяют стерильную поверхность новообразованных вулканиче-
ских островов и «ядерных» атоллов. Они ведут себя как автономные космополиты,
которые могут и эффективно развиваться в стрессовых условиях, где кроме них нет
других бактерий, и переносить конкуренцию за энергию или субстраты в услови-
ях, благоприятных для неэкстремофильной микробиоты. Хотя они растут довольно
медленно и, как правило, неспособны к гетеротрофии, их можно всегда найти по
соседству с более динамичными консументами. Низкое селективное давление позво-
лило цианобактериям сохранить важнейшие структурно-функциональные признаки
своего архетипа.

Существование прокариотов ограничивается лишь физико-химическими услови-
ями, при которых не разрушаются нуклеотиды и аминокислоты. Например, темпе-
ратура около 125°С предельна для органической жизни. Кроме того, для развития
прокариотов требуется вода в жидком агрегатном состоянии, и хотя воздушный оке-
ан формально мог бы стать самой большой нишей для колонизации, это не более
чем канал, по которому осуществляется их расселение.

Как уже говорилось, прокариоты заселяют водоемы, почву и земную кору. Они
развиваются как эндолиты в скалистых пород; образуют биопленки на твердых суб-
стратах; живут на листьях растений, а также на наружных покровах и в пищевари-
тельном тракте животных. Для эндоцитобиотических прокариотов постоянной ни-
шей служат компартменты ядерных клеток. Патогенные и сапрофитные бактерии
могут колонизировать живые организмы, мортмассу, а также материал постмор-
тальной деградации животных и растений.

Большинство прокариотов занимает слабо исследованные ниши на морском дне,
а также в верхнем слое земной коры до глубины около 4 км. Дальнейшее продвиже-
ние в глубину земной коры лимитируется максимально переносимой температурой,
которая повышается в среднем на 3°С через каждые 100 м.

Таким образом, прокариоты заселяют все пермиссивные (англ, permissive —
разрешающий; «допускающий жизнедеятельность») абиотические и биологические
ниши.

В анабиотическом состоянии, особенно в виде эндоспор прокариоты способны
преодолеть гигантские пространственно-временные интервалы. Они взаимодейству-
ют с ядерными организмами, в том числе на внутриклеточном уровне, оказывая на
них структурное, физиологическое и регуляторное воздействие.

Космополитизм прокариотов и их способность заселять разнообразные, часто
экстремальные ниши обеспечивается широкой нормой реакции генотипа, пластич-
ностью и полиморфизмом генома. На уровне экосистем это проявляется в широком
спектре сосуществующих жизненных форм.

Прокариоты по симбиогенетическому сценарию эволюции клетки. По
современным представлениям, митохондрии и пластиды произошли не путем авто-
генеза, или эндогенной компартментализации эукариотной клетки, а путем ксено-
генеза, когда бактерии колонизируют эукариотного хозяина. Утратив свою генети-
ческую, структурную, физиологическую и регуляторную автономию, они превра-
тились в цитоплазматические органеллы. Карлу Возу принадлежит образное срав-
нение, что митохондрии — это «домашние пурпурные бактерии», а пластиды —это
«домашние цианобактерии».

Бактериальные симбионты сообщили ядерным клеткам способность к аэробному
дыханию и оксигенному фотосинтезу, что было крупнейшим ароморфозом за всю
историю органической жизни.

Дальнейшее прогрессивное развитие химер привело к формированию не только
многочисленных групп протистов, но и кроны эволюционного древа, представленной
царствами Fungi, Plantae и Animalia.

Прокариоты-фотосинтетики и прокариоты-хемосинтетики как первич-
ные продуценты. Когда ассимиляция «мертвой» энергии (энергии света или неор-
ганических субстратов) сочетается с ассимиляцией неорганического углерода, мы
говорим о двух типах автономного питания — фотосинтезе и хемосинтезе. Это осно-
ва глобального метаболизма и одно из условий существования жизни на Земле.

Фотосинтезирующие организмы обеспечивают ассимиляцию электромагнитной
энергии, поступающей из внеземного пространства. Хотя ведущая роль в фотосин-
тезе принадлежит не бактериям, а высшим растениям и водорослям, не будем за-
бывать о том, что хлоропласты произошли от бактерий.

Фотосинтез составляет основу глобального процесса ассимиляции углерода.
В частности, высшие растения ежегодно образуют 1012 т целлюлозы, главного ор-
ганического продукта фотосинтеза. Второе место занимает фотосинтезирующий
планктон. Хотя в его биомассе содержится не более 2% суммарного органического
углерода, водные экосистемы обновляются с очень высокой скоростью, что обеспе-
чивает до 40% глобальной первичной продукции.

Данные о составе пикопланктона Мирового океана позволяют считать цианобак-
терию Prochlorococcus marinus самым многочисленным из первичных продуцентов.
В сообществе с водорослями и зелеными растениями цианобактерии образуют тро-
фическое ядро аэробной биосферы.

Хемосинтезирующие прокариоты, которые ассимилируют энергию окисления
неорганических субстратов (аммиака, водорода, сульфида и др.), играют в первич-
ной продукции на поверхности Земли, а также в водной толще морей и океанов вто-
ростепенную роль. Однако именно они являются трофическим ядром подводных
оазисов биосферы. Способностью к хемосинтезу обладают и обитатели подземной
ниши.

Прокариоты как биопродуценты метана. Микробное разложение органиче-
ских остатков в затапливаемых почвах, илах, а также в пищеварительной системе
травоядных животных и питающихся древесиной насекомых, прежде всего терми-
тов, приводит к накоплению биогенного метана. Не менее 1% углерода, содержаще-
гося в продуктах растительного фотосинтеза, превращается в метан.

Метаногенные археи ежегодно образуют 109 т метана. Примерно половину его
окисляют аэробные метанотрофные бактерии. Остальной метан поступает в атмо-
сферу, где совместно с СОг и другими «оранжерейными» газами вызывает парни-
ковый эффект.

За последние столетия концентрация атмосферного метана (70% которого имеет
биологическое происхождение) увеличилась от 0,7 до 1,7 частей • млн-1. В основном
это вызвано расширением посевных площадей, занятых рисовыми полями, а также
ростом поголовья жвачных животных.

Таким образом, автотрофные метаногенные археи, которые используют Нг и
СОг, совместно с фотосинтезирующими и хемосинтезирующими бактериями свя-
зывают нисходящую ветвь биологического цикла углерода с восходящей ветвью.

Прокариоты как биопродуценты кислорода. В соответствии с суммарным
уравнением оксигенного фотосинтеза (СОг + 2НгО —> [СН2О] + Н2О + О2) биоген-
ный кислород эквимолекулярен ассимилированному углероду, т. е. цианобактерии
совместно с растениями ежегодно образуют 1011 т кислорода.

За сотни миллионов лет цианобактерии послужили причиной глобальных биогео-
химических изменений. В частности, они подготовили условия для возникновения
и биологического прогресса аэробов —от микроорганизмов до высших растений и
животных.

Первые цианобактерии попали под воздействие образованных ими активных
форм кислорода — синглетного кислорода, супероксидного анион-радикала, а так-
же пероксида водорода и гидроксильного радикала, накопление которых приводит
к окислительному стрессу. Поэтому условием выживания этих микроорганизмов
стало приобретение защитных систем, среди которых важное место принадлежит
аэробному дыханию.

За 2 млрд лет цианобактерии насытили атмосферу побочным продуктом сво-
его метаболизма — молекулярным кислородом. В результате этого, по образному
выражению Г.А.Заварзина, биосфера «вывернулась наизнанку». Вместо кислород-
ных карманов в анаэробной среде образовались анаэробные карманы в кислородной
среде. В верхних слоях земной коры появились градиенты pH и окислительно-вос-
становительного потенциала, что позволило прокариотам диверсифицировать свой
метаболизм и вместе с другими микроорганизмами создать сложно переплетенную
трофическую сеть.

Прокариоты как диазотрофы. Количество азота, который ежегодно пере-
водится из свободной молекулярной формы в аммонийную и нитратную формы,
составляет 2 • 108 т. По приблизительным подсчетам, 15% азота связывается в ат-
мосфере под действием жесткого ультрафиолетового излучения и грозовых раз-
рядов; 25% приходится на промышленный синтез. Остальные 60% связанного азо-
та—это результат ферментативного восстановления молекулярного азота в амми-
ак. Эту реакцию катализируют свободноживущие и симбиотические диазотрофные
бактерии.

Способностью к диазотрофии обладают многие фототрофные, хемолитотроф-
ные и хемоорганотрофные бактерии. Кроме того, диазотрофы обнаружены в домене
Archaea (например, Methanobacterium thermolithoautotrophicum и Methanosarcina
barkeri).

Особое место среди диазотрофов занимают цианобактерии, которые использу-
ют в этом процессе продукты оксигенной фототрофии — АТФ и донор электронов
(восстановленный ферредоксин или НАДФН). Хотя все известные типы нитрогеназ
инактивируются кислородом, цианобактерии обладают защитными механизмами,
которые позволяют этим ферментам сохранять активность даже при эндогенном
образовании кислорода.

Основной вклад в глобальный процесс диазотрофии вносят нитчатые цианобак-
терии. В частности, штаммы TYichodesmium sp. обеспечивают другие планктонные
формы в (суб)тропических акваториях связанным азотом. По имеющимся данным
только на долю этой цианобактерии приходится 6% глобальной диазотрофии, что
составляет не менее 20% продуктивности клубеньковых бактерий.

Прокариоты как регуляторы циклов биогенных элементов и активные
участники геохимических процессов. Благодаря способности к активному пре-
образованию энергии и химических субстратов, функциональному разнообразию,
гигантской численности и высокому темпу репродукции прокариоты являются ак-
тивными участниками геохимических процессов.

Автотрофные бактерии и, в гораздо меньшей степени, автотрофные археи обес-
печивают восходящее звено цикла углерода, «трудясь» вместе с растениями и фо-
тотрофными протистами. В то же время бактерии-деструкторы (в частности, поч-
венные актинобактерии) совместно с грибами и гетеротрофными протистами ката-
лизируют завершающие процессы на нисходящем звене цикла.

Что касается циклов азота, серы и железа, то они почти полностью контролиру-
ются бактериями, которые катализируют окислительно-восстановительные превра-
щения этих элементов. Благодаря жизнедеятельности цианобактерий и аноксиген-
ных фототрофных бактерий сформировались залежи элементной серы и оксидов
железа. Происхождение карбонатных осадочных пород, в свою очередь, связано с
метаболизмом цианобактерий.
ГЛАВА 7

БИОРАЗНООБРАЗИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ
И ГЛОБАЛЬНЫЕ НИШИ ПРОКАРИОТОВ

DNA — Domina.

(Так в древнеримской эпиграфике сокращался
титул «Госпожа»).

S. Ursato. Explanatio Notarum et Litterarum
Quae Frequentius in Antiquus Lapidibus, Marmoribus
& Auctoribus occurunt (Parisiis, 1723).

В мире прокариотов встречаются разные варианты структур и способов пита-
ния; прокариоты проявляют и элементарные, и довольно сложные поведенческие
реакции.

Бактерии и археи достигли высшего совершенства на низшем уровне биологиче-
ской организации, соответствующем клетке-организму:

— они используют все структурные детали в рамках прокариотного морфотипа
и даже могут образовывать многоклеточные ассоциации;

— они ассимилируют все биологически доступные типы энергии и конструктив-
ных субстратов;

— они занимают все ниши, пригодные для существования живых организмов.

Широкая норма реакции прокариотов позволила им за миллиарды лет биоло-
гической эволюции не только выжить в агрессивной абиотической среде, но и дает
возможность успешно конкурировать с ядерными химерами.

Биоразнообразие прокариотов — это набор фенотипов, который Г. А. Заварзин
назвал «пространством логических возможностей». Структурные и функциональ-
ные признаки прокариотов могут образовывать почти любые сочетания; запрещен-
ные комбинации очень редки (например, плавание при помощи жгутиков несовме-
стимо со скользящей подвижностью, а оксигенная фототрофия — со способностью
образовывать эндоспоры).

Биоразнообразие прокариотов в первую очередь выражается в разных типах пи-
тания (см. II том учебника). Оно дополняется цитоморфологическими различиями,
а также разнообразием форм поведения (см. III том учебника).

Тип метаболизма может варьировать не только у разных объектов. Нередко в
онтогенезе наблюдается переход от одного типа метаболизма к другому, например от
фототрофии к хемотрофии, от автотрофии к гетеротрофии, от аэробиоза к анаэро-
биозу. Среди ядерных химер на это способны только некоторые протисты, однокле-
точные водоросли и грибы (например, Euglena, Chlamydomonas и Saccharomyces}.
Что касается высших организмов, то их метаболизм крайне однообразен. Абсолют-
ное большинство растений — фото литоавтотрофы, тогда как большинство грибов и
животных — хемоорганогетеротрофы с дыханием аэробного типа.

7.1. БИОРАЗНООБРАЗИЕ ПРОКАРИОТОВ

В настоящий момент описано около 5,2 • 103 законных видов бактерий и архей.
Это не более 0,3% видового разнообразия ядерных химер (см. раздел 5.1).

Однако законные виды прокариотов лишь вершина айсберга. Истинное биораз-
нообразие прокариотов состоит из четырех качественно и количественно неравно-
ценных пулов.

1. Культивируемые объекты. Фенотипически их можно охарактеризовать
до той степени, насколько позволяют современные возможности многофакторного
анализа (см. раздел 2.2).

2. Некулътивируемые объекты. Сведения об их фенотипе в основном огра-
ничиваются морфологией. При переносе на питательную среду такие объекты ис-
пытывают стресс, теряют способность к размножению и переходят в латентное со-
стояние, что не позволяет установить их физиологические свойства.

3. Фантомные объекты. Их фенотип неизвестен. Такие объекты выявляются
косвенно по присутствию в воде, почве и других природных материалах уникаль-
ных последовательностей генов рРНК, которые амплифицируются с помощью PCR-
реакции (см. раздел 2.5), секвенируются и сравниваются с банком данных.

О существовании огромного разнообразия фантомных форм бактерий и архей
стало известно с 1985 г., когда группа американских бактериологов под руковод-
ством Нормана Пейса (N.Pace) сообщила свои первые результаты молекулярно-био-
логического анализа «природной» ДНК.

4- Криптические объекты. В отличие от актуалистических, они существу-
ют только «на кончике пера», и их фенотипы можно прогнозировать, комбинируя
признаки уже описанных объектов. Современные исследователи дают грубую оцен-
ку ожидаемого числа новых генотипов, аппроксимируя график их выявления на
протяжении последних лет.

В настоящий момент определены полные последовательности гена 16S рРНК
примерно для 1,5 • 104 культивируемых бактерий и архей. Для фантомных про-
кариотов число выявленных последовательностей вдвое больше (примерно 3 • 104).
Начиная с 1996 г. число выявляемых фантомных объектов стало увеличиваться экс-
поненциально (только в 2002 г. в GenBank были депонированы 9 • 103 новых после-
довательностей) .

В настоящее время известны 52 бактериальные филы. Из них 26 актуалистиче-
ские (примерно 5 • 103 законных видов), остальные 26 —это фантомные объекты.

В I томе «Руководства Берги по систематике бактерий» (2001 г.) упоминаются
только 23 актуалистические бактериальные филы. Статус некоторых из них окон-
чательно не определен, и в будущем они могут быть «поглощены» другой филой
или, напротив, могут «отпочковать» от себя новую филу. Например, в роли претен-
дентов на ранг новой филы рассматривается термофил Caldithrix abyssi, описанный
в 2003 г. М. Л. Мирошниченко с соавторами, а также термофилы Desulfurobacterium
и Coprothermobacter, отнесенные в I томе «Руководства Берги по систематике бак-
терий» (2001 г.) к филам BI Aquificae и ВХШ Firmicutes.

В разделе 7.2.2.4 мы приводим описание 24-й актуалистической бактериальной
филы « Gemmatimonadetes», не упомянутой в I томе «Руководства Берги по систе-
матике бактерий» (2001 г.).

В свою очередь, в настоящее время выявлены четыре археотные филы. Три из
них актуалистические (примерно 220 законных видов), четвертая фила —это фан-
томные объекты. В разделе 7.2.1.3 мы приводим описание 23-й актуалистической
археотной филы «Nanoarchaeota», не упомянутой в I томе «Руководства Берги по
систематике бактерий» (2001 г.).

Каковы сегодняшние прогнозы в отношении общего числа видов бактерий и ар-
хей? С учетом криптических форм оно оценивается в 5-106 (вчетверо больше общего
числа видов протистов, грибов, животных и растений). Называются и гораздо более
крупные цифры —до 109, хотя они, скорее всего, преувеличены.

7.2. СОВРЕМЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
ПРОКАРИОТОВ

Материал этого раздела развивает тему о систематике бактерий, затронутую в
разделе 2.2.

Классификация прокариотов представляет собой один из разделов биологиче-
ской классификации, со своей спецификой и проблематикой.

Классификация — это рабочий алгоритм, соответствующий достигнутому уровню научных зна-
ний. На конкретном этапе развития биологии классификация позволяет упорядочить выявленное
и описанное множество живых существ. С помощью классификационной системы решается кон-
кретная задача — однозначная, воспроизводимая и удобная в практическом плане идентификация
объектов.

Перед биологической классификацией не стоит цель объяснить принципы строения живых
организмов и законы их эволюции. Однако именно эти принципы и законы лежат в основе рацио-
нальной, т. е. максимально объективной классификации.

Классификация начинается с выбора критериев. С их помощью можно дифференцированно
подойти к биоразнообразию и, в конечном счете, установить его закономерности.

Два подхода к классификации прокариотов. Мы уже останавливались на
вопросе о том, какую роль в разработке систематики прокариотов сыграл ком-
плекс фенотипических признаков (см. раздел 2.2). Вершиной фенотипической си-
стемы прокариотов стало «Руководство Берги по систематике бактерий» (1984-
1989 гг.).

Альтернативой «фенотипического» подхода является «генотипический» подход.
Основанная на нем систематика отражает филогенетические связи между группами
объектов или индивидуальными объектами. Как известно, эти связи можно рекон-
струировать по гомологии генов рРНК или других универсально распространенных
и высококонсервативных генов (см. раздел 2.5). Данный подход к систематике про-
кариотов широко использован во 2-м издании «Руководства Берги по систематике
бактерий» (2001 г.).

Чтобы выяснить специфику обоих подходов, а также возможность их совмест-
ного использования, остановимся на них более подробно.
Фенотипический подход. В данном случае учитываются важные для систе-
матики фенотипические признаки. Анализируемый объект может быть культивиру-
емым или некультивируемым.

Некоторые фенотипические признаки устанавливаются при визуальном осмотре, для выявле-
ния других нужны сложные технические средства и кропотливая работа.

К ним относятся:

— культуральные признаки при росте на твердой питательной среде (размер, морфология,
цвет и консистенция колониг?; проникновение колонии в толщу среды; разжижение среды; обра-
зование плодовых тел; движение по типу роения), а также характер роста в жидкой питательной
среде (консистенция и цвет культуры; поверхностный или глубинный рост; образование пленки
или осадка; выделение газа);

— тинкториалъные признаки (окрашивание по Граму; кислотоустойчивость; цитохимиче-
ские тесты на запасные вещества);

— морфологические признаки (форма и размер клетки; образование клеточных агрегатов;
тип деления; образование почек или стебельков; образование капсулы или чехла; тип подвижности
или ее отсутствие; тип жгутикования; образование дифференцированных клеток);

— ультраструктурные признаки (строение клеточной оболочки; образование придаточ-
ных структур; присутствие и морфология внутриклеточных мембран; образование включений);

— экологические признаки (отношение к кислороду, pH, температуре и ионной силе внешней
среды; соответствующие «кардинальные» точки — оптимум, минимум и максимум; отношение к
свету и гидростатическому давлению);

- физиолого-биохимические признаки (отношение к источникам энергии, углерода и азо-
та; тип брожения или дыхания; набор используемых субстратов; образование специфических фер-
ментов и продуктов);

— элективные признаки (рост на диагностических средах; чувствительность к антибиоти-
кам и другим химическим реагентам);

— серологические признаки (результаты гемагглютинации, иммунопреципитации и имму-
нодиффузии);

— хемотаксономические признаки (присутствие муреина и его строение; состав липопо-
лисахаридов; набор липидов, пигментов и полиаминов; полипептидный спектр; химический состав
включений);

— цитогенетические признаки (число хромосом и размер генома; форма хромосом; при-
сутствие плазмид и фагов).

Генотипический подход. В его основе лежит оценка гомологии геномов пу-
тем сравнения нуклеотидных последовательностей ДНК у разных объектов. Можно
сравнивать полностью расшифрованные геномы, хотя на практике сопоставляются
одни и те же детали инфраструктуры генома у разных объектов.

На заре геносистематики с этой целью использовали такие критерии, как молярный %ГЦ-пар
или % гибридизации ДНК-ДНК. Первый критерий является валовым показателем состава ДНК
и не несет информации относительно ее первичной структуры. Второй слишком груб, чтобы с его
помощью оценивать тонкие информационные различия.

В настоящее время инфраструктуру геномов сравнивают:

— по спектрам рестрикционных фрагментов ДНК (англ, restriction fragment length
polymorphism, PFLP);

— по наличию интронов и их первичной последовательности;

— по наличию в опероне рРНК «межгенных транскрибируемых спейсеров» (англ, intergenic
transcribed spacer, ITS) и их первичной последовательности.

В современной биологии эволюционную дистанцию оценивают по гомологии
рДНК-рДНК. В упрощенном виде она выражается в «коэффициенте сходства» нук-
леотидных последовательностей. Значение этого коэффициента тем меньше, чем
сильнее объекты сравнения дивергировали друг с другом (см. раздел 2.5).

Отдельные участки рДНК различаются по филогенетическому «удельному ве-
су», т. е. среди них имеются высококонсервативные и относительно вариабельные.
Можно обозначить три типа таких участков.

1. «Фундаментальные» последовательности (10%). Они унаследованы
всеми клеточными организмами от общего предка-прогенота (см. раздел 5.3).

2. «Универсальные» последовательности (5%). Они приобретены в хо-
де дивергенции глобальных доменов. При проведении филогенетического анализа
эти последовательности используются для конструирования трех типов домен-спе-
цифичных праймеров — соответственно, для доменов Bacteria, Archaea и Еисагуа.

3. «Групповые» последовательности (85%). Они приобретены филами в
ходе внутридоменной дивергенции. При филогенетическом анализе они используют-
ся для конструирования группоспецифичных праймеров, с помощью которых можно
амплифицировать ген рРНК и определить его последовательность для представи-
теля конкретной филы, конкретного кластера родов или конкретного рода.

По рекомендации Международного комитета по систематике бактерий для фило-
генетических таксонов устанавливаются определенные уровни гомологии генов 16S
рРНК (табл. 2).

Таблица 2. Уровень гомологии 16S рРНК
между филогенетическими таксонами

Филогенетические таксоны Гомология, %
Домены древа 10
Филы одного домена 10-15
Классы одной филы —
Порядки одного класса 82-88
Семейства одного порядка 88-93
Рода одного семейства 93-95
Виды одного рода 95-98
Штаммы одного вида 98-100

Примечание. (-) — в разных филах разный интервал.

На основе «генотипического» подхода была создана филогенетическая мегаси-
стема для всех живых существ, обладающих клеточным строением. В результате ее
детализации построены дендрограммы для отдельных филогенетических таксонов,
включающих в себя не только актуалистических, но и фантомных представителей.

«Парадоксальность» как закон филогенетической системы прокарио-
тов. В «очевидной» филогенетической системе многоклеточных ядерных организ-
мов (Animalia, Fungi и Plantae) фенотипические различия закономерно накаплива-
ются с увеличением эволюционной дистанции. Иными словами, два близких род-
ственника больше похожи друг на друга, чем они порознь похожи на своих дальних
родственников.

В отличие от многоклеточных ядерных организмов, филогенетическая система
прокариотов «парадоксальна». В этом она сходна с филогенетической системой про-
тистов, или одноклеточных ядерных организмов.

«Парадоксальной» называют такую ситуацию в систематике, когда глубина фе-
нотипической дивергенции не соответствует глубине генной дивергенции. Точнее
сказать, когда близкородственные микроорганизмы имеют резко контрастные фе-
нотипы, как если бы их разделяла очень большая эволюционная дистанция. В свою
очередь, микроорганизмы, расположенные на эволюционном древе далеко друг от
друга, могут проявлять высокое фенотипическое сходство - как будто они близкие
родственники.
Особенно богат примерами «парадоксальности» домен Bacteria (см. раздел
7.2.2). Многие его представители, будучи близкими родственниками, обладают рез-
ко различающимися фенотипами. Примером служит хемогетеротрофная бакте-
рия Paracoccus denitrificans, которая расположена на дендрограмме филы ВХН
Proteobacteria по соседству с митохондрией (их электрон-транспортные цепи иден-
тичны). Парадокс в том, что общим родственником этой бактерии и митохондрии
является пурпурная фототрофная бактерия Rhodobacter capsulatus.

В свою очередь, сильно дивергировавшие бактерии могут проявлять «парадок-
сальное» фенотипическое сходство. Примером служат нитрифицирующие бактерии,
встречающиеся в двух разных филах — BVIII Nitrospirae и ВХП Proteobacteria.

С аналогичными парадоксами мы сталкиваемся и у архей. Например, близко-
родственные представители класса Methanococci обладают контрастной морфоло-
гией (кокки, палочки, нити, «многоугольники», клетки неправильной формы, ни-
тевидные клеточные агрегаты). С другой стороны, гипертермофильные объекты
представлены и в филе AI Crenarchaeota, и в филе АП Euryarchaeota. Экстремаль-
ные галофилы имеются и в классе Methanococci, и в классе Halobacteria (фила АП
Euryarchaeota) и т. д.

С самым большим парадоксом мы сталкиваемся, сравнивая две дендрограммы —
дихотомическую дендрограмму «прокариоты-эукариоты» и тритомическую дендро-
грамму, построенную с учетом гомологии 16S рДНК (см. рис. 2). С одной стороны, и
бактерии, и эволюционно обособленные от них археи обладают прокариотным мор-
фотипом. С другой стороны, хотя представители домена Archaea обладают прока-
риотным мофотипом, а представители домена Еисагуа — эукариотным, они вместе
обособлены от представителей домена Bacteria.

Можно дать два простых объяснения «парадоксальности» филогенетической си-
стемы прокариотов.

Во-первых, резкое изменение фенотипа не обязательно должно быть связано с
большими изменениями инфраструктуры генома. Например, в случае пурпурных
бактерий рода Rhodobacter точечные мутации генов, кодирующих ключевые ком-
поненты фотосинтетического аппарата, приводят к утрате фототрофного фенотипа
и его кардинальной замене на хемотрофный. В свою очередь, признаки, от кото-
рых мало зависит жизнеспособность, в ходе эволюции могут теряться без обрыва
вертикальных генеалогических связей. В обоих случаях дендрограммы, построен-
ные с учетом фенотипического сходства, не совпадают с дендрограммами на основе
филогенетического родства.

Во-вторых, некоторые архитектурные детали прокариотной клетки экспресси-
руются на разной генетической основе, т. е. являются гетерологичными аналогами.
Например, унитарные мембраны бактерий и архей имеют альтернативный липидный
состав (см. раздел 8.3.3). В свою очередь, у разных прокариотов ригидный слой кле-
точной стенки представлен пептидогликановым саккулусом, белковым саккулусом,
мультимерным белковым S-слоем, псевдомуреиновым саккулусом и гетерополисаха-
ридным матриксом (гл. 8).

«Многофакторный» подход как союз «фенотипического» и «генотипи-
ческого» подходов. Ценность «фенотипического» подхода заключается в том, что
основанная на нем таксономическая система традиционна, и ей удобно пользоваться.
Кроме того, он учитывает информацию о биологии объекта, а не только о «сиквен-
сах». В то же время недостатком этого подхода является отсутствие объективного
критерия для оценки эволюционных связей. Он не допускает «парадоксальности»,
несмотря на то, что это объективное свойство мира прокариотов. Наконец, при нем
выстраивается произвольная иерархия критериев — начиная с второстепенных и за-
канчивая ведущими.

В свою очередь, ценность «генотипического» подхода заключается в его объ-
ективности. Недостаток этого подхода заключается в том, что филогенетическая
систематика нетрадиционна, и ей неудобно пользоваться; кроме того, она не дает
информации о биологических свойствах объекта.

Примирить эти подходы, используя все ценное, что они содержат, позволяет
«многофакторная» таксономия (англ, polyphasic taxonomy). Наряду с фенотипиче-
скими признаками она учитывает генотипические признаки, в первую очередь пер-
вичную структуру рРНК.

Собственно говоря, новое издание «Руководства Берги по систематике бактерий»
(2001 г.) и не порывает с традиционной фенотипической системой, хотя порой со-
юз двух подходов принимает причудливую форму. Примером служит систематика
цианобактерий — фила ВХ Cyanobacteria обособлена на основе универсального фи-
логенетического критерия, или первичной структуры рРНК, а группы внутри нее
обособляются исключительно на морфологической основе (см. раздел 7.2.2.10).

Вид у прокариотов. Одна из труднейших проблем систематики прокариотов
связана с тем, как дать определение вида, а также установить, где лежат границы
между разными видами.

Согласно определению американского зоолога Эрнста Майра (Е.Мауг), у выс-
ших эукариотов, размножающихся половым путем, вид представляет собой систе-
му репродуктивно изолированных инбредных популяций, находящихся в замкнутом
ареале.

Иное дело — прокариоты. Они размножаются исключительно вегетативным спо-
собом и теоретически могут проникнуть в любой ареал. Кроме того, им свойствен
промискуитет (англ, promiscuity — неразборчивость в связях), что выражается в «го-
ризонтальном» переносе генов между неродственными объектами при помощи моле-
кулярных векторов — вирусов и плазмид. Поэтому в определение вида у прокарио-
тов не входит критерий репродуктивной изоляции. Взамен него ведущим критерием
становится комплекс фенотипических признаков и инфраструктурных особенностей
генома, на основе которых совокупность родственных особей распознается отдельно
от эквивалентной ей совокупности.

Вид у прокариотов — это совокупность генетически родственных клональных
популяций из разных местообитаний или группа генетически родственных кол-
лекционных штаммов.

В таком определении вида важная роль принадлежит понятиям «клон» (англ,
clone, от греч. klon — отпрыск) и «штамм» (англ, strain — штамм; от нем. Stamm —
племя). Эти термины не относятся к таксономическим категориям, хотя они от-
ражают генетическую обособленность культивируемого объекта; в частности, при
отсутствии видового эпитета его место занимает регистрационный номер штамма.

Размножение прокариотов происходит агамным путем, т. е. посредством клони-
рования. В природных популяциях или в лабораторных культурах клонирование
происходит спонтанно, и в итоге образуется смесь клонов.

В лаборатории часто применяется искусственная процедура клонирования с це-
лью получить изолированный клон, причем в качестве исходного материала может
использоваться чистая или смешанная культура.
Клон у прокариотов — это потомство индивидуальной клетки или индивиду-
альной квази-многоклеточной структуры (трихома) при размножении в природе
или в лаборатории.

С помощью понятия «коллекционный штамм», или просто «штамм» регистри-
руется самостоятельный акт выделения микроорганизма из природного материала.

Штаммы сохраняются в коллекциях в виде пересеваемых (развивающихся или
покоящихся) культур, а также в анабиотическом состоянии.

Коллекционный штамм — это популяция- микроорганизма, ставшая объектом
хранения или исследования в результате однократного выделения из природного
материала.

К перечисленным понятиям необходимо добавить понятие «культура» (англ,
culture), являющееся одним из важнейших в фундаментальной и прикладной мик-
робиологии.

Лабораторная или производственная культура — это популяция микроорганиз-
мов, помещенная на питательную среду в замкнутое пространство, или культи-
ватор.

Различают развивающиеся культуры и неразвивающиеся, или покоящиеся куль-
туры, а также культуры, которые находятся в состоянии анабиоза. Кроме того, бы-
вают чистые культуры и смешанные культуры. Чистая, или аксеничная (греч. а —
не и xenos —чужой; «без посторонних») культура состоит из клеток только одного
организма. Неаксеничная, или ксеничная (греч. xenos — чужой; «с посторонними»)
культура состоит из особей двух или большего числа разных организмов.

Как провести границу между видами прокариотов?

Единого фенотипического критерия для этого не существует. В зависимости от
выраженности цитологических, физиологических или экологических различий то
или иное из них выходит на передний план. По такому же принципу разграничива-
ются и таксономические группы более высокого ранга.

Генотипический критерий проще стандартизировать, хотя в этом случае грани-
цы видов становятся формальными. Их устанавливают путем консенсуса, вторично
оценивая молекулярно-генетические различия у «хороших», т. е. четко дифферен-
цируемых и общепризнанных видов.

Согласно рекомендации Международного комитета по систематике бактерий,
разными видами являются штаммы, у которых:

— содержание ГЦ-пар в ДНК различается больше, чем на 5%;

— степень ДНК-ДНК гибридизации меньше, чем 30%;

— различие нуклеотидных последовательностей 16S рРНК больше 2%.

Род как центральный таксон в систематике прокариотов; типовой род.
Систематика ядерных организмов, особенно тех, которые размножаются половым
путем, опирается на фундамент вида. Прокариоты размножаются только агамно, и
их популяции не разделены географическими барьерами. Мы только что отметили,
что критерии вида у бактерий в значительной степени условны. Это также относится
и к археям.

Поэтому фундаментом систематики прокариотов является не вид, а таксон бо-
лее высокого ранга, который сильнее дивергировал от аналогичного таксона, чем
дивергируют виды. В данном случае это род, состоящий из одного или нескольких
видов.
Таблица 3. Смысловые элементы в номенклатуре прокариотов

Смысловой элемент Домен Archaea Домен Bacteria
Особенность метаболизма Methanothermobacter thermoautotrophicus Zymomonas mobilis (греч. zyme — брожение)
Характерный питательный субстрат Halococcus saccharolyticus Cel lulomonas cellulosolvens
Характерный продукт мета- болизма Methanogenium marisnigri Clostridiumm acetobutylicum
Специфическое отношение к абиотическим факторам (температуре, pH и т.д.) Thermoplasma acidophilum Spirochaeta halophila
Участие в симбиозе Methanoplanus endosymbiosus Blattabacterium cuenoti (лат. blatta — таракан)
Особенность поведения Thermococcus celer (лат. celer — быстрый; «способный быстро расти») Aquaspirillum magnetotacticum («об- ладающий магнитной ориен- тацией»)
Подвижность или ее отсут- ствие Methanomicrobium mobile Acinetobacter calcoaceticus (греч. akinetos — неподвиж- ный)
Форма клетки Haloarcula quadrata (лат. arcula — коробочка) Clostridium pasteurianum (греч. klostos — веретено)
Образование и форма кле- точных агрегатов Thermosphaera aggregans Staphylococcus aureus (греч. staphyle — виноград- ная гроздь)
Размеры клетки Nanoarchaeum equitans (лат. nanus — карлик) Beggiatoa gigantea
Механическое свойство клет- ки Desulf urococcus mucosus (лат. mucus — слизь) Flexibacter aggregans (лат. flexilis — гибкий)
Цвет клетки Natrialba asiatica (лат. album — белый) Chromatium vinosum (греч. chroma — цвет и лат. vinum — вино)
Дифференциация — Metabacterium polyspora
Ниша Staphylothermus marinus Klebsiella terrigena (лат. terra — земля)
Географический ареал Thermococcus pacificus (лат. oceanum Pacifico — Тихий океан) Antarctobacter heliothermus
Первоначальное место обна- ружения Sulfurococcus yellowstonen- sis (по названию Йеллоусто- унского национального пар- ка, США) Nevskia ramosa (по имени p. Невы)
Личное имя Pyrococcus wosei (в честь Карла Воза) Escherichia coli ( в честь Теодора Эшериха)
Произвольный Methanosaeta concilii (от ча- сти названия организации National Research Council) Cedecea davisae (от сокра- щения организации Center for Disease Control)

Примечание. (-) — не отражено в таксономии архей, хотя у них существуют дифференцирован-
ные клетки, или галоцисты.

Парадоксальность филогенетической системы прокариотов дает о себе знать на
уровне рода, а также на уровне таксономических групп более высокого ранга —
семейства, порядка, класса, филы и домена.

Из-за «парадоксальной» структуры большинства семейств в систематике прока-
риотов специфический смысл приобретает такое понятие, как «типовой род». Одна-
ко «типовой» не значит типичный, т. е. наиболее характерный. При выборе типового
рода, как правило, учитывается приоритет, и чаще всего предпочтение отдается са-
мому раннему диагнозу. Таким образом, типовой род — это «полномочный предста-
витель» семейства. Данный алгоритм применяется и к таксономическим группам
более высокого ранга (от семейства до филы).

Названия прокариотов. В большинстве случаев в систематике прокариотов
используется бинарная номенклатура, т. е. родовое имя сопровождается видовым
эпитетом. Отдельно от других стоят цианобактерии, в систематике которых катего-
рия вида используется лишь в виде исключения (см. раздел 7.2.2.10).

Название вида или таксона более высокого ранга считается законным, если оно
входит в «Список признанных названий бактерий» 1980 г. (раздел 2.2).

Новые законные описания должны быть опубликованы в «International Journal
of Systematic Bacteriology» (переименован в «International Journal of Systematic and
Evolutionary Microbiology» в 2001 г.). Незаконное родовое название вместе с видо-
вым эпитетом ставится в кавычки так же, как нелегитимное название таксона более
высокого ранга (например, класс «Alphaproteobacteria»).

В отличие от родовых названий животных и растений, которые в большинстве
случаев являются нейтральными именами или отражают морфологические призна-
ки, названия бактерий и архей характеризуют в первую очередь их физиологические
свойства. Наряду с этим используются разные смысловые элементы, в том числе
произвольного характера (табл. 3).

Родовое имя и видовой эпитет могут содержать по одному смысловому элемен-
ту, например Bacillus subtilis («палочка, тонкая») или по 2-4 смысловых элемента,
например Ectothiorhodospira halochloris («окруженная серой пурпурная спирилла,
имеет отношение к поваренной соли»).

В связи с тем, что многие археи занимают экстремальные ниши, сложилась тра-
диция давать им названия в терминах потустороннего мира, например Acidianus
infernus (лат. infernum —ад), Methanotorris igneus (лат. torris — головня и ignis —
огонь), Pyrococcus furiosus (лат. furia — ярость), Stygioglobus azoricus (лат. Styx — ре-
ка в подземном царстве), Natronococcus occultus (лат. occultus — потаенный) и т. д.

Прокариоты получают имена согласно правилам Международного кодекса но-
менклатуры бактерий (см. раздел 2.2). Не запрещено, хотя и не рекомендуется уве-
ковечивать персон, не имеющих отношения к микробиологии, а также неэтично на-
зывать объекты в честь самого себя, своих партнеров и прочих заинтересованных
лиц.

В случае некультивируемых форм часто отсутствует информация о важней-
ших фенотипических признаках, например типе питания. Это делает традицион-
ную классификацию невозможной. Такие организмы не имеют родового имени и
видового эпитета, и их обозначают как Candidatus с добавлением предварительного
названия, например Candidatus «Scalindua sorokinii».

7.2.1. Система архей

В систематике архей используются те же подходы и критерии, что и к бактери-
ям, и на них распространяются требования Международного кодекса номенклатуры
бактерий.

Перед ознакомлением с современной системой архей необходимо учесть ряд су-
щественных обстоятельств.
Во-первых, называя те или иные структурно-функциональные признаки архей,
мы опираемся на важнейшие понятия и термины, которые известны читателю из
вводных курсов по биологии, а также из «общей» биохимии и «общей» генетики.
Что касается эколого-физиологических понятий и терминов, то некоторые из них
уже были расшифрованы в предыдущих разделах. Специальные сведения по цито-
логии прокариотов можно найти в главе 8; в свою очередь, специальные сведения о
метаболизме прокариотов приводятся во II томе учебника. Выше мы уже рассказы-
вали о важнейших свойствах архей (гл. 3). Еще раз напоминаем, что археи относятся
к самостоятельному археотному варианту прокариотного морфотипа (см. раздел
8.1.2), а их мембрана содержит уникальные липиды (см. раздел 8.3.3.2).

Во-вторых, из трех актуалистических археотных фил две имеют «парадоксаль-
ный» состав, а третья представлена единственным видом. «Парадоксальность» вы-
ражается в том, что в эти филы входят виды с разной морфологией (в отличие
от большинства бактериальных фил, где соседствуют объекты с разными типами
метаболизма).

В третьих, систему архей мы даем полностью, поскольку они описаны в I томе
«Руководства Берги по систематике бактерий» (в то время как бактерии частично
описаны в I томе, а продолжение будет в еще не вышедших томах II-V). Кроме
того, мы приводим описание новой филы «Nanoarchaeota», которая не упоминается
в «Берги-2001», поскольку ее открыли только в 2002 г. При этом нужно иметь в
виду, что число новых таксонов архей быстро увеличивается (почти в десять раз с
1990 г. по 2000 г.).

В четвертых, во избежание излишней детализации мы приводим только ключе-
вые признаки крупных таксонов не ниже порядка.

7.2.1.1. Фила AI Crenarchaeota

Образное название этой филы (греч. кгепе —ручей и archaios —древний; «археи,
живущие в (горячих) источниках») происходит от того, что ее представители были
впервые обнаружены в проточной горячей воде.

Ниши, которые занимают кренархеоты, находятся на суше или под водой.
В первом случае это термальные источники и фумаролы (вулканические котлы)
или почвы вулканических полей. Во втором случае это горячие ключи и «черные
курильщики» (англ, black smoker), или мини-вулканы на малой или большой глу-
бине, а также илы в геотермальных участках морского дна.

Вначале предполагали, что эта фи л а состоит исключительно из термофилов и
гипертермофилов. Однако в первой половине 1990-х годов в ней были открыты мезо-
фильные и психрофильные фантомные представители. В 1996 г. был описан психро-
фильный вид Crenarchaeum symbiosum, живущий при 10° С в ассоциации с морскими
губками (в «Берги-2001» не упоминается).

Кроме того, в результате проведения PCR-реакции на образцах, отобранных в
антарктической акватории Тихого океана близко от поверхности или до глубины
500 м, выяснилось, что в этой филе есть фантомные формы, которые живут при
температуре до -2°С.

В настоящее время некультивируемые кренархеоты выявлены в полевых и лес-
ных почвах, палеопочвах, озерных осадках и морском детрите, а также в активном
иле анаэробных очистных сооружений.

В состав этой филы входит единственный класс Thermoprotei.
Класс I Thermoprotei

Назван по типовому роду Thermoproteus (греч. thermos — теплый и лат. Proteus —
древнегреческое божество, которому приписывали способность принимать любые
обличья; «исключительно многообразный термофильный археот»).

Все представители этого класса имеют оптимум роста 60-85 или 85-105°С, т. е.
это соответственно термофильные и гипертермофильные археи.

Класс состоит из трех порядков — Thermoproteales, Desulfurococcales и Sulfolo-
bales.

Порядок Thermoproteales

Состоит из семейства Thermoproteaceae (рода Thermoproteus, Caldivirga,
Pyrobaculum и Thermocladium) и семейства Thermofilaceae (р. Thermofilum).

Строение. Прямые или слабо искривленные палочки или нити, иногда ветвящиеся, диаметром
0,1-0,5 и длиной 1-100 мкм. При аэробном росте на концах клетки или сбоку образуются сфери-
ческие отростки, так называемые «клюшки для гольфа». Клеточная стенка представлена S-слоем.
Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно или бинарно-неэквивалентно (почкование). Лишены
подвижности.

Метаболизм. Хемолитоавтотрофного или хемоорганогетеротрофного типа. В первом случае
получают энергию благодаря анаэробному серному дыханию, используя водород в качестве донора
электронов, а элементную серу в качестве акцептора электронов: Нг + S0 —► H2S. Источником угле-
рода при автотрофии служит СО2, ассимилируется через восстановительный цикл трикарбоновых
кислот («цикл Ивенса-Бьюкенена-Эрнона»). Во втором случае используются разнообразные ор-
ганические соединения, которые окисляются через дыхательную цепь, где акцептором электронов
служит S0 (реже О2, NOa- или ГЮг-).

Физиологические свойства. Облигатные анаэробы или микроаэробы. Гипертермофилы с
оптимумом роста 75-100°С. Оптимальный pH 5.

Ниши. В горячих вулканических источниках и подводных гидротермальных системах.

Порядок Desulfurococcales

Назван по типовому роду Desulf urococcus (лат. de — уничтожение и sulfo —сер-
ный и греч. coccos —зерно; «кокк, уничтожающий серную кислоту»; т. е. в качестве
терминального акцептора электронов используется сульфат).

Состоит из семейства Desulfигососсасеае (рода Desulf urococcus, Aeropyrum,
Ignicoccus, Staphylothermus, Stetteria, Sulf ophobococcus, Thermodiscus и Thermo-
sphaerd) и семейства Pyrodictiaceae (рода Pyrodictium, Hyperthermus и Pyrolobus).

Строение. Клетки коккоидной или неправильной (диаметр 0,5-5 мкм), а также дискоидной
(диаметр 0,3-3,0 и толщина 0,1-0,2 мкм) формы, одиночные или в агрегатах. Клеточная стенка
образована S-слоем. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно. Лишены подвижности или пла-
вают при помощи одного жгутика или пучка жгутиков. Встречаются придаточные структуры типа
фимбрий.

Метаболизм. Хемолитоавтотрофного или хемоорганогетеротрофного типа. В первом случае
получают энергию за счет анаэробного серного дыхания, используя в качестве донора электронов
водород, а в качестве акцептора электронов — S0, ЭгОз2- ,МОз- или NO2-. Неорганическим источ-
ником углерода служит СО2, который ассимилируется через «цикл Ивенса-Бьюкенена-Эрнона».
Во втором случае используют сложные органические вещества, получая энергию за счет серного
дыхания, или сбраживают углеводы.

Физиологические свойства. Строгие анаэробы; в одном случае строгие аэробы
(р. Aeropyrum). Гипертермофилы с оптимумом роста 85-105°С. Pyrolobus fumarii обладает уни-
кальной способностью расти при 113°С. Оптимальный pH 5,5-7,0. Оптимальная соленость 0,2-0,6
М NaCl.

Ниши. Широко распространены в вулканических горячих источниках и подводных гидротер-
мальных системах.
Порядок Sulfolobales

Назван по типовому роду Sulfolobus (лат. sulfur — сера и греч. lobos — лопасть;
«лопастная клетка, имеющая отношение к серной кислоте»; т.е. в результате окис-
ления неорганических соединений серы образуется серная кислота).

Состоит из единственного семейства Sulfolobaceae (рода Sulfolobus, Acidianus,
Metallosphaera, Stygioglobus, Sulfurisphaera и Sulfurococcus).

Строение. Кокки или лопастные клетки диаметром 0,5-2,5 мкм, одиночные или в агрегатах.
Клеточная стенка образована S-слоем. Деление бинарно-эквивалентное или бинарно-неэквивалент-
ное (почкование). Лишены подвижности или плавают при помощи одного жгутика или нескольких
жгутиков.

Метаболизм. Хемолитоавтотрофного или хемоорганогетеротрофного типа. В первом случае
получают энергию за счет аэробного дыхания, используя в качестве донора электронов S0, Зг2-
или S4O62-(которые окисляются до ЗОд2-), а также Fe2-. Реже встречается анаэробное дыхание,
и тогда акцептором электронов является S0. Неорганическим источником углерода служит СОг,
ассимилируется через «цикл Ивенса-Бьюкенена-Эрнона». Во втором случае используют сложные
органические вещества и получают энергию за счет аэробного дыхания или брожения.

Физиологические свойства. Аэробы, факультативные анаэробы или облигатные анаэробы.
Термофилы и гипертермофилы с оптимумом роста 60-90° С. Ацидофилы, оптимальный pH 2. Оп-
тимальная соленость 0,03 М NaCl.

Ниши. В горячих источниках, на вулканическом мелководье, в угольных отвалах.

7.2.1.2. Фила All Euryarchaeota

Название филы (греч. evros — широкий и archaios—древний; «широко распро-
страненные археи») указывает на то, что ее представители живут повсеместно.
Действительно, эвриархеоты занимают почти все ниши, где встречаются прока-
риоты.

Помимо «бактериальных» вариантов морфологии, у эвриархеотов бывают уни-
кальные клетки «квадратной» и «треугольной» формы. Клеточная стенка состоит
из S-слоя, псевдомуреина или гетерополисахарида, реже она отсутствует. В этой
филе можно найти примеры всех типов метаболизма.

Членов данной филы можно разбить на пять физиологических групп:

1. Метаногены (синтезируют метан);

2. Облигатные экстремальные галофилы;

3. Облигатные экстремальные термоацидофилы;

4- Восстанавливающие серу гипертермофилы (используют серу в ка-
честве терминального акцептора электронов);

5. Восстанавливающие сульфат экстремальные термофилы (исполь-
зуют сульфат в качестве терминального акцептора электронов).

Фила состоит из семи филогенетических классов — Methanobacteria, Methano-
cocci, Halobacteria, Thermoplasmata, Thermococci, Archaeoglobi и Methanopyri.

Класс I Methanobacteria

Назван по типовому роду Methanobacterium (англ, methane — метан и греч.
bacteria — палка; «метаногенная палочка»).

Все представители этого класса являются обигатными анаэробами, все способ-
ны к хемолитоавтотрофии, а некоторые — к диазотрофии. При дыхании в качестве
специфического побочного продукта образуют метан, т. е. это метаногенные археи.

Состоит из единственного порядка Methanobacteriales.
Порядок Methanobacteriales.

Состоит из семейства Methanobacteriaceae (рода Methanobacterium, Methanobrevi-
bacter, Methanosphaera и Methanothermobacter) и семейства Methanothermaceae
(р. Methanothermus).

Строение. Палочки (одиночные или в цепочках, иногда с заостренными концами) или ни-
ти диаметром 0,1-2,0 и длиной 0,5-25 мкм. Реже кокки диаметром ~1 мкм (одиночные, в парах,
тетрадах или гроздьях). Клеточная стенка состоит из псевдомуреина, иногда дополнительно обра-
зуется S-слой (сем. Methanothermaceae). Делятся септированием, бинарно-эквивалентно. Лишены
подвижности (сем. Methanobacteriaceae) или плавают при помощи биполярных пучков жгутиков
(сем. Methanothermaceae).

Метаболизм. Хемолитоавтотрофы. При дыхании образуют метан из СО2/Н2, СО, метанола
или формиата. Автотрофно синтезируют ацетат по «ацетилкоэнзимному пути», или «пути Вулфа».

Физиологические свойства. Строгие анаэробы. Мезофилы с оптимумом 30-45° С или ги-
пертермофилы с оптимумом 80-88°С (сем. Methanothermaceae). Оптимум pH 6,5-8,0.

Ниши. В почвах, илах и зонах геотермальной активности, а также в пищеварительном тракте
животных и анаэробных очистных соружениях.

Класс II Methanococci

Назван по типовому роду Methanococcus (англ, methane —метан и греч. coccos —
зерно; «метаногенный кокк»). Все представители этого класса являются обигатными
анаэробами, все способны к хемо лито автотрофии, а некоторые —к диазотрофии.
При дыхании в качестве специфического побочного продукта образуют метан, т. е.
это метаногенные археи.

Состоит из трех порядков — Methanococcales, Methanomicrobiales и Methanosarci-
nales.

Порядок Methanococcales

Состоит из семейства Methanococcaceae (рода Methanococcus и Methanothermococ-
cus) и семейства Methanocaldococcaceae (рода Methanocaldococcus и Methanotorris).

Строение. Клетки неправильной формы шириной 1-2 мкм или диплококки диаметром 1-
3 мкм. Клеточная стенка состоит из S-слоя. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно. Плавают
при помощи пучка жгутиков, реже лишены подвижности (р. Methanotorris).

Метаболизм. Хемолитоавтотрофы. При дыхании образуют метан либо из СО2/Н2 (сем.
Methanocaldococcaceae), либо из СО2/Н2 или формиата (сем. Methanococcaceae). Автотрофно син-
тезируют ацетат по «пути Вулфа». Способны к диазотрофии (сем. Methanococcaceae).

Физиологические свойства. Строгие анаэробы. Мезофилы с оптимумом роста 35-40°С или
термофилы с оптимумом роста 60-65°С (сем. Methanococcaceae), а также гипертермофилы с опти-
мумом роста 80-88°С (сем. Methanocaldococcaceae). Оптимальный pH 5,0-7,5. Оптимальная соле-
ность 0,1-0,7 М NaCl.

Ниши. В речных и морских илах, а также на солончаках.

Порядок Methanomicrobiales

Состоит из семейства Methanomicrobiaceae (рода Methanomicrobium, Methanocul-
leus, Methanofollis, Methanogenium, Methanolacinia и Methanoplanus), сем. Methano-
carpusculaceae (p. Methanocorpusculum) и семейства Methanospirillaceae (p. Methano-
spirillum).

Строение. Кокки (одиночные или в парах) диаметром 0,5-2,5 мкм; палочки диаметром 0,5
и длиной 1,5-2,5 мкм; плоские клетки с угловатыми контурами (одиночные или в парах, иногда
ветвящиеся) толщиной 0,1 и шириной 1-3,5 мкм. Представители сем. Methanospirillaceae образуют
спираль длиной до нескольких сотен микрометров, которая состоит из отдельных палочек, спейсе-
ров между ними и общего чехла. Клеточная стенка образована S-слоем. Делятся перетяжкой, би-
нарно-эквивалентно или с использованием наружного «кольца деления» (сем. Methanospirillaceae).
Лишены подвижности или плавают при помощи полярных жгутиков.
Метаболизм. Хемолитоавтотрофы. При дыхании образуют метан либо из СО2/Н2, либо из
формиата или ацетата. Автотрофно синтезируют ацетат по «пути Вулфа». Способны к диазотро-
фии (сем. Methanospirillaceae).

Физиологические свойства. Строгие анаэробы. Мезофилы с оптимумом роста 20-35°С или
термофилы с оптимумом роста 40-55°С. Оптимальный pH 6-8. Оптимальная соленость 0,1-0,7 М
NaCl.

Ниши. В морских и озерных илах, в болотах, на вулканических полях, а также в анаэробных
очистных сооружениях.

Порядок Methanosarcinales

Состоит из семейства Methanosarcinaceae (рода Methanosarcina, Methanococcoides,
Methanohalobium, Methanohalophilus, Methanolobus и Methanosalsum) и семейства
Methanosaetaceae (p. Methanosaeta).

Строение. Окруженные чехлом кокки диаметром 1-3 мкм и кубические пакеты-сарцины (лат.
sarcina — тюк); клетки неправильной формы (одиночные или в агрегатах); плоские многогранни-
ки толщиной 0,2 и шириной ~1 мкм (одиночные или в агрегатах); одетые общим чехлом нити
длиной до 150 мкм, состоящие из разделенных спейсерами палочек диаметром 0,8-1,3 и длиной 2-
7 мкм (сем. Methanosaetaceae). Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно или с использованием
наружного «кольца деления» (р. Methanosaeta). Лишены подвижности или плавают при помощи
единственного жгутика.

Метаболизм. Хемолитоавтотрофы или хемогетеротрофы, растущие только на ацетате (р.
Methanosaeta). При дыхании образуют метан из СО2/Н2, метанола или ацетата, но никогда не
используют формиат. Автотрофно синтезируют ацетат по «пути Вулфа». Способны к диазотрофии
(сем. Methanosarcinaceae).

Физиологические свойства. Строгие анаэробы. Мезофилы с оптимумом роста 25-40°С или
термофилы с оптимумом роста 55-60°С. Оптимальный pH 6,5-7,5. Оптимальная соленость 0,2 М
NaCl или, у экстремальных галофилов, 4,5 М NaCl (р. Methanohalobium).

Ниши. В пресноводных и морских илах и соляриях, в пищеварительном тракте животных, а
также в анаэробных очистных сооружениях.

Класс III Halobacteria

Назван по типовому роду Halobacterium (греч. alas — соль и bacteria — палка; «га-
лофильная палочка»).

Все представители этого класса требуют для своего роста NaCl или NaHCOa в
концентрации не меньше 1,5 М (оптимум 3,5-4,5 М). Большинство из них лизиру-
ется в обессоленной воде, т. е. это облигатные экстремально галофильные археи.
Помимо них, данное свойство среди архей имеет только род Methanohalobium (пор.
Methanosarcinales, класс Methanococci).

В названиях родов, представители которых адаптированы к экстремальной
концентрации NaCl, используются стандартный элемент «Halo-» или «Natri-»
{«Natrono-» в случае NaHCO3).Bo избежание путаницы отметим, что элемент «На1о-
» встречается и в родовых названиях галофильных бактерий (Haloanaerobium,
Halobacteroides, Halocella, Halochromatium, Haloincola, Halomonas, Halothermothrix и
Halovibrio).

Состоит из единственного порядка Halobacteriales.

Порядок Halobacteriales

Состоит из семейств Halobacteriaceae (рода Halobacterium, Haloarcula, Halobacu-
lum, Halococcus, Haloferax, Halogeometricum, Halorubrum, Haloterrigena, Natrialba,
Natrinema, Natronobacterium, Natronococcus, Natronomonas и Natronorubrum).

Строение. Кокки диаметром 0,8-1,5 мкм (одиночные, в парах или тетрадах, а также сарди-
ны или гроздья); палочки диаметром 0,5-1,2’И длиной 1-6 мкм; плеоморфные клетки неправиль-
ной формы; чашевидные клетки; тонкие плоские клетки «квадратной» или «треугольной» формы
(толщиной 0,3 и шириной 1-3 мкм). Клеточная стенка состоит из гетерополисахарида (кокки) или
образована S-слоем (все остальные). Кокки делятся септированием, прочие перетяжкой. Лишены
подвижности или плавают при помощи единственного жгутика, либо биполярных пучков жгу-
тиков. У некоторых штаммов обнаружены покоящиеся клетки (галоцисты), а также покоящиеся
многоклеточные агрегаты, заключенные в общий чехол.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы, окисляют аминокислоты или углеводы за счет аэроб-
ного или анаэробного (нитратного или фумаратного) дыхания. В редких случаях сбраживают
аргинин. В условиях энергетического стресса образуют бактериородопсиновую протонную помпу
и временно переходят на квази-фототрофию.

Физиологические свойства. Аэробы или факультативные анаэробы. Нуждаются в высокой
концентрации повареной соли или соды: минимум 1,5 М; оптимум 3,5-4,5 М; максимум 5,2 М
(насыщенный раствор). Осмотический комфорт требует накопления до 5 М КС1 в цитоплазме, и
поэтому могут лимитироваться калием. Мезофилы с оптимумом роста 35-45°С. Оптимальный pH
5-8 или 9,5-10,0 (у обитателей содовых озер).

Ниши. Распространены везде, где накапливается соль. В соленых озерах (в том числе со-
довых), на солевой кромке в морях и континентальных водоемах, в соляных шахтах и соляриях
(мелких искусственных бассейнах для осаждения соли), а также на круто засоленных мясных
продуктах.

Класс IV Thermoplasmata

Назван по типовому роду Thermoplasma (греч. therme — жар и plasma — лепная
фигура; «термофильная микоплазма»).

Представители этого класса оптимально растут при 50-60°С и pH 0-2 (при pH
выше 5-7 происходит лизис), т. е. это облигатные экстремально термоацидофиль-
ные археи.

Состоит из единственного порядка Thermoplasmatales.

Порядок Thermoplasmatales

Состоит из семейства Thermoplasmataceae (р. Thermoplasma') и семейства
Picrophilaceae (р. Picrophilus).

Строение. Лишены клеточной стенки (сем. Thermoplasmataceae) или образуют S-слой (сем.
Picrophilaceae). В первом случае плеоморфные клетки (сферы, булавы, гантели, нити и т. д.) имеют
размер 0,1-5 мкм и нерегулярно делятся перетяжкой. Во втором случае клетки имеют неправиль-
ную форму, диаметр 1-1,5 мкм и делятся перетяжкой бинарно-эквивалентно. В первом случае
клетки плавают при помощи единственного жгутика, а во втором — лишены подвижности.

Метаболизм. Облигатные хемоорганогетеротрофы, осуществляют анаэробное серное (сем.
Thermoplasmataceae ) или аэробное (сем. Picrophilaceae) дыхание, используя в качестве субстратов
аминокислоты или пептиды.

Физиологические свойства. Факультативные аэробы (сем. Thermoplasmataceae) или об-
лигатные аэробы (сем. Picrophilaceae). Термоацидофилы, оптимум роста 50-60°С. Оптимальный
pH 1-2 (сем. Thermoplasmataceae) или 0-3,5 (сем. Picrophilaceae). Лизируются при pH > 7 (сем.
Thermoplasmataceae) или pH >5 (сем. Picrophilaceae).

Ниши. Терриконы (отвалы угольных шахт), наземные горячие источники и почвы вулкани-
ческих полей.

Класс V Thermococci

Назван по типовому роду Thermococcus (греч. therme —жар и coccos — зерно;
«термофильный кокк»).

Представители этого класса оптимально растут при 75-100° С и осуществляют
серное дыхание: S° + 2е“ —> S2-, т. е. это гипертермофильные восстанавливающие
серу археи.

Состоит из единственного порядка Thermococcales.

Порядок Thermococcales

Состоит из единственного семейства Thermococcaceae (р. Thermococcus).
Строение. Клетки размером 0,7-2,5 мкм (одиночные, в парах или агрегатах до 30), неправиль-
ной формы. Клеточная стенка образована S-слоем. Делятся бинарно-эквивалентно, перетяжкой.
Лишены подвижности, либо плавают при помощи единственного жгутика или пучка жгутиков.

Метаболизм. Облигатные хемоорганогетеротрофы, осуществляют серное дыхание, используя
в качестве субстратов пептиды или углеводы.

Физиологические свойства. Облигатные анаэробы. Гипертермофилы, оптимум роста 75-
100°С. Оптимальный pH 6-8. Испытывают потребность в NaCl, оптимуальная соленость 0,3—
0,7 М.

Ниши. Мелководные или глубинные морские гидротермы, наземные горячие источники в Но-
вой Зеландии.

Класс VI Archaeoglobi

Назван по типовому роду Archaeoglobus (греч. archaios — древний и лат. globus —
шар; «шарообразный археот»).

Представители этого класса оптимально растут при 80-85° С и осуществляют
сульфатное дыхание: SO42- + 8е“ —> S2-, т. е. это экстремально термофильные
археи, восстанавливающие сульфат.

Состоит из единственного порядка Archaeoglobales.

Порядок Archaeoglobales

Состоит из единственного семейства Archaeoglo-baceae (рода Archaeoglobus и
Ferroglobus).

Строение. Кокки диаметром 0,4—1,2 мкм или клетки неправильной формы размером 0,7-
1,3 мкм, иногда «треугольные» или лопастные (одиночные или в парах). Клеточная стенка обра-
зована S-слоем. Делятся бинарно-эквивалентно, перетяжкой. Лишены подвижности или плавают
при помощи единственного жгутика.

Метаболизм. Хемолитоавтотрофы (механизм автотрофной ассимиляции СО2 не установлен)
или хемоорганогетеротрофы. В первом случае окисляют водород (используя в качестве терми-
нального акцептора электронов сульфат или сульфит), S2- или Fe2+ (используя в качестве терми-
нального акцептора электронов ЬЮз- или ЭгОз2-). Во втором случае осуществляют сульфатное
дыхание, используя в качестве экзогенных субстратов сахара, крахмал, аминокислоты, белки и
органические кислоты.

Физиологические свойства. Облигатные анаэробы. Гипертермофилы, оптимум роста 80-
85°С. Оптимаьный pH 7. Оптимальная соленость 0,2-0,6 М NaCl. Сера ингибирует рост.

Ниши. Мелководные морские гидротермальные осадки на Азорских о-вах, в Исландии и Ита-
лии, а также глубоководные «черные курильщики» на Срединном атлантическом разломе. Выде-
лены также из-под слоя вечной мерзлоты на Аляске.

Класс VII Methanopyri

Назван по роду Methanopyrus (англ, methane — метан и греч. pyros — огонь;
«экстремально термофильный метаноген»), представлен единственным видом М.
kandleri.

Не растет при температуре < 84°С, является облигатным анаэробом и способен
к хемолитоавтотрофии. При дыхании в качестве специфического побочного про-
дукта образует метан, т. е. это облигатный гипертермофильный метаноген. Важ-
но подчеркнуть, что эволюционно он далеко отстоит от метаногенов из классов I
Methanobacteria и II Methanococci.

Состоит из единственного порядка Methanopyrales.

Порядок Methanopyrales

Состоит из единственного семейства Methano-pyraceae (р. Methanopyrus).

Строение. Палочки (одиночные или в цепочках до 70) диаметром 0,5 и длиной 2-14 мкм.
Клеточная стенка состоит из псевдомуреина, в дополнение к которому образуется S-слой. Деление
бинарно-эквивалентное, септированием. Передвигается при помощи жгутиков.
Метаболизм. Хемолитоавтотроф. При дыхании образует метан из СО2/Н2. Не использует
ацетат, метанол и формиат. Автотрофно синтезирует ацетат по «пути Вулфа».

Физиологические свойства. Облигатный анаэроб. Облигатный гипертермофил (минимум
роста 84, оптимум 98, максимум 110°С). Оптимальный pH 6,5. Оптимальная соленость 0,3 М NaCl.

Ниши. По соседству с выходами термальных вод на глубине 2 км в Тихом океане, а также
рядом с «черными курильщиками» на глубине 100 м у берегов Исландии.

7.2.1.3. Новая фила «Nanoarchaeota»

Фила «Nanoarchaeota» была открыта в 2002 г. в результате планомерных поисков
прокариотов в экстремальных нишах, в частности в глубоководных гидротермах. Та-
кая «охота за микробами» требует дорогостоящих технических средств и сопряжена
с риском для здоровья, а порой и для жизни.

Фила названа по имени единственного рода «Nanoarchaeum» (лат. nanus —кар-
лик и греч. archaios — древний; «карликовый археот»), который представлен един-
ственным видом «N. equitans» (лат. equitatio — верховая езда; «карликовый археот,
прикрепленный к крупной клетке другого микроорганизма»). Кроме него в эту фи-
лу входят обладатели трех «природных» ДНК (взаимная гомология гена рРНК
80-100%).

Положение филы «Nanoarchaeota» в домене Archaea еще не выяснено. Возмож-
но, что это очень обособленная линия клеточной эволюции, поскольку ген рРНК
содержит замены даже в самых консервативных участках. «N. equitans» дает нега-
тивный результат при флуоресцентном зондировании in situ (англ, fluorescence in
situ hybridization, FISH) с целью выявления представителей фил AI Crenarchaeota
и All Euryarchaeota. Тем не менее, по вторичной структуре рРНК «N. equitans»
существенно не отличается от других архей.

Строение. Очень мелкие кокки (~0,4 мкм; <1% объема Е. coli). Клеточная стенка представ-
лена гексагональным S-слоем с периодичностью 15 нм, который совместно с СМ ограничивает
периплазматический компартмент шириной 20 нм. Имеется одиночная продолговатая придаточ-
ная структура, возможно нить жгутика. Клетки прикреплены поодиночке или группами по 2-10 к
поверхности Ignicoccus sp. KINI/I, хотя встречаются и в свободном виде. Размер генома минималь-
ный для архей (490 т.п.н.), что может быть результатом паразитической редукции или признаком,
унаследованным от эволюционного прототипа.

Метаболизм. Выделен и поддерживается в анаэробной бинарной культуре с гипертермофиль-
ным археотом Ignicoccus sp. KINI/I (фила AI Crenarchaeota) при 90° С на минеральной среде, содер-
жащей СОг в качестве единственного источника углерода. Энергетический метаболизм «старшего»
партнера по симбиозу, Ignicoccus sp. KINI/I, хемолитотрофного типа; Н2 используется в качестве
донора, a S0 в качестве терминального акцептора электронов (серное дыхание). Продуктом вос-
становления серы является S2-.

Хотя в бинарной культуре до 50% клеток «А. equitans» обнаруживаются в свободном состоя-
нии, он размножается только в контакте с поверхностью Ignicoccus sp. KINI/I и не растет на его
гомогенате или на диализате его культуры. Возможно, это уникальный пример паразитирования
одного археота на другом.

Физиологические свойства. Температурный оптимум роста 90° С, оптимальный pH 6. Оп-
тимальная соленость 0,3 М NaCl.

Ниши. Подводные гидротермы с температурой 70-98°С на глубине ~100 м у побережья Ислан-
дии. Образцы «природной» ДНК представителей данной филы получены из «черного курильщика»
в восточной части Тихого океана, а также из двух континентальных гидротерм — в Йеллоустоун-
ском национальном парке (США) и в кальдере Узон на Камчатке.
7.2.1.4. Фантомная фила «Korarchaeota»

На сегодняшний день обнаружены четыре археотные филы, в том числе три
актуалистические филы, которые содержат 217 легитимно описанных видов (см.
разд. 7.2.1.1-7.2.1.3).

Четвертая археотная фила «Korarchaeota» (греч. koros —юный и греч. archaios —
древний; «группа, очень рано дивергировавшая в ходе эволюции домена Archaea»)
состоит только из фантомных объектов. Ее представители были обнаружены в
1996 г. в результате проведения PCR-реакции с образцами ила из термального Об-
сидианового пруда (Йеллоустоунекий национальный парк, США).

Фила «Korarchaeota» представляет собой очень раннее ответвление ствола архей,
еще до бифуркации на филы Crenarchaeota и Euryarchaeota.

7.2.2. Система бактерий

Перед знакомством с современной системой бактерий необходимо, как и в случае
архей, учесть ряд важных обстоятельств.

Во-первых, большинство бактериальных фил имеет «парадоксальный» состав,
причем входящие в них объекты различаются типом метаболизма.

Во-вторых, выяснилось, что публикация второго издания «Руководства Берги
по систематике бактерий» займет больше времени, чем было запланировано. Хотя в
I томе приведен перечень (со всей инфраструктурой) бактериальных фил, которые
войдут в II—V тома, редактор предупреждает, что возможны изменения.

Поэтому мы берем за основу материал I тома, в котором характеризуются фи-
лы AI и АП домена Archaea и филы BI-BXI домена Bacteria, а также семейство
«Heliobacteriaceae» (фила ВХШ Firmicutes). Описание остальных бактериальных
фил (ВХП-ВХХШ) мы приводим в сокращенном виде, используя первое издание
«Руководства Берги по систематике бактерий» (1984-1989 гг.), а также журналь-
ные статьи. В частности, мы приводим описание новой филы « Gemmatimonadetes»,
которая была открыта только в 2003 г. и поэтому не упомянута в «Берги-2001».

В третьих, с точки зрения филогенетической иерархии все филы бактерий рав-
ноценны, и поэтому читателя не должно смущать, что малой филе (например, BVII
Thermomicrobia; один единственный вид) уделяется не меньше внимания, чем филе-
гиганту (например, ВХП Proteobacteria] 404 рода).

В четвертых, при описании биоразнообразия бактерий первоочередное значение
придается типу метаболизма, а морфологические и экологические свойства второ-
степенны (см. раздел 7.1). Поэтому в случае фил-гигантов (ВХП Proteobacteria,
ВХШ Firmicutes и BIV Actinobacteria) мы отказались от детализации, естествен-
ной при описании малых фил — одно перечисление родов привело бы к непомерному
увеличению объема учебника.

Мы подробно останавливаемся на филе ВХ Cyanobacteria не только по причине
ее особого эволюционного и экологического значения, но и чтобы показать «двой-
ной стандарт» современной системы прокариотов, поскольку ведущим критерием в
данном случае является не филогения, а морфология.

В соответствии с результатами молекулярной палеонтологии, бактериальные фи-
лы ранжируются по степени архаичности (см. ниже). Однако вместо дендрограммы,
которая указывала бы на последовательность их дивергенции, в «Берги-2001» при-
водится только «горизонтальный срез» эволюционного древа.
Если три первые филы (BI Aquificae, ВИ Thermotogae и Bill Thermodesulfо bacte-
ria) сформировались раньше других, то остальные дивергировали на относительно
короткой эволюционной дистанции. Поскольку современные методы не позволяют
установить последовательность их ответвления от общего ствола, относительный
возраст большинства бактериальных фи л еще будет уточняться.

7.2.2.1. Фила BI Aquificae

Названа по типовому роду Aquifex (лат. aqua — вода и facio — делать; «создающий
воду», т.е. вызывающий реакцию гремучего газа). Согласно результатам филогене-
тического анализа, основанного на секвенировании 16S рРНК и 23S рРНК, это одна
из самых архаичных ветвей эволюционного древа бактерий. В нее входит единствен-
ный класс Aquificae, состоящий из единственного порядка Aquificales с единственным
семейством Aquificaceae (4 рода).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. В состав оболочки входит S-слой.
Прямые палочки (1,0-8.0) х (0,3-0,5) мкм, одиночные или в цепочках. Активно подвижные мо-
нополярные политрихи или лишены подвижности.

Метаболизм. Хемолитотрофы, используют На, 8аОз2-или S0 в качестве доноров электронов,
а также факультативные хемоорганогетеротрофы с дыхательным типом метаболизма. В обоих
случаях терминальным акцептором электронов служат Оа или ЬЮз“. Аэробы, микроаэрофилы
или анаэробы. Конструктивный метаболизм автотрофный (СОаассимилируется в «цикле Ивенса-
Бьюкенена-Эрнона») или гетеротрофный.

Физиологические осбенности. Термофилы или экстремальные термофилы с оптимумом
роста 70-85 и максимумом до 95°С. Принадлежат к числу бактерий, живущих при максимально
высоких температурах. Оптимальный pH 5,5-8,0 (за исключением р. Hydrogenobacter).

Ниши. Термальные почвы и наземные термальные источники, а также подводные гидротермы
на глубине до 3 км. Выделены из образцов, взятых на Камчатке, в Японии, Италии, Центральной
Атлантике, Исландии и Северной Америке.

Представители. Помимо типового рода Aquifex, представленного одиночными подвижными
клетками размером (2,0-6,0) х (0,4-0,5) мкм, описаны еще четыре рода:

— Calderobacterium (португ. caldera — котел; «бактерия, живущая в гидротермаэс»); клетки
неподвижны;

— Hydrogenobacter (лат. hydrogenium — водород; «бактерия, использующая водород»); клетки
неподвижны; оптимум pH 3-4;

— Thermocrinis (лат. crinis — волос; «термофильная бактерия нитевидной формы»); клетки со-
единяются в длинные нити; факультативно хемоорганогетеротрофный рост на формиате или фор-
мамиде;

— Desulfurobacterium (лат. sulfur — сера и de — устранение; «удаляющий серу, т. е. использую-
щий серу в качестве терминального акцептора электронов»); строгий анаэроб.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила. Наиболее контрастный представитель —
Desulfurobacterium, который не способен существовать в микроаэрофильных условиях.

7.2.2.2. Фила BII Thermotogae

Названа по типовому роду Thermotoga (греч. thermos — теплый и лат. toga —
римская гражданская одежда свободного покроя; «термофил с покровом»). Соглас-
но результатам филогенетического анализа, это одна из самых архаичных и мед-
ленно эволюционирующих ветвей древа бактерий. В нее входит единственный класс
Thermotogae, состоящий из единственного порядка Thermotogales с единственным
семейством Thermotogaceae (5 родов).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. В оболочке имеется S-слой, который
одевает клетку или цепочку клеток и образует булавовидные вздутия на одном или обоих концах.
В состав муреина вместо мезо-ДАП входит D- или L-лизин. Среди мембранных липидов присут-
ствуют «дьявольские» (англ, diabolic) дикарбоновые С28_Сз4 жирные кислоты. Неспорообразую-
щие прямые палочки (1,0-50,0) х (0,4-1,5) мкм, одиночные или в цепочках. Плавают при помощи
биполярных жгутиков.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с бродильным типом метаболизма. Окисляют глюкозу,
ксилозу и сложные субстраты (например, дрожжевой экстракт) по гликолитическому пути, а также
по «пути Энтнера-Дудорова». Облигатные анаэробы.

Физиологические особенности. Термофилы или экстремальные термофилы с оптимумом
роста 65-80 и максимумом до 90°С. Принадлежат к числу бактерий, живущих при максимально
высоких температурах. Оптимальный pH 6,5-7,5.

Ниши. Наземные термальные источники, подводные гидротермы, подземные воды нефтяных
скважин. Космополиты.

Представители. Помимо типового рода Thermotoga, представленного одиночными клетками
размером (1,5-11,0) X (0,5-1,0) мкм, одетыми S-слоем со вздутиями на обоих концах, описаны еще
четыре рода:

— Fervidobacterium (лат. fervidus — горячий; «термофильная бактерия»); S-слой образует булат
вовидное вздутие только на одном конце клетки;

— Geotoga (греч. ge — земля; «бактерия с покровом, живущая под землей»); до пяти клеток
лежат в цилиндрическом S-слое без терминальных вздутий; умеренный термофил с оптимумом
50° С.

— Petrotoga (греч. petros — камень; «бактерия с покровом, живущая в камне»); морфология и
температурный оптимум, как у Geotoga', устойчив к высоким концентрациям NaCl (до 1,7 М);

— Thermosipho (лат. sipho — труба; «термофил с трубчатым покровом»); цепочка до 12 клеток
лежит в цилиндрическом S-слое со вздутиями на обоих концах.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.3. Фила Bill Thermodesulfobacteria

Названа по единственному роду Thermodesulfobacterium (лат. de — устранение
и sulfo — серный; «удаляющий серную кислоту; т. е. сульфат используется в каче-
стве терминального акцептора электронов). По данным филогенетического анали-
за, это одна из самых архаичных ветвей эволюционного древа бактерий. В нее вхо-
дит единственный класс Thermodesulfobacteria, состоящий из единственного поряд-
ка Thermodesulfobacteriales с единственным семейством Thermodesulfobacteriaceae
(р. Thermodesulfobacterium).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Наружная мембрана образует неболь-
шие часто расположенные вздутия (англ. ЫеЬ). Прямые палочки (0,9-2,0) X (0,3-0,5) мкм, одиноч-
ные или в цепочках. Плавают при помощи монополярного жгутика или лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с дыхательным типом метаболизма, используют лак-
тат или пируват (которые окисляют до ацетата) в качестве донора, a SO42-, ЭОз2- или S2O32- в
качестве терминального акцептора электронов. Могут существовать хемолитогетеротрофно, окис-
ляя Н2 с помощью вышеуказанных акцепторов и ассимилируя ацетат. Облигатные анаэробы.

Физиологические особенности. Термофилы или экстремальные термофилы с оптимумом
роста 65-70 и максимумом до 85°С. Принадлежат к бактериям, живущим при максимально высо-
ких температурах. Оптимальный pH 7.

Ниши. Термальные источники, подземные воды нефтяных скважин. Выделены из проб, взя-
тых на побережье Каспийского моря, в Северном море и Северной Америке.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила. Термофильные сульфатредуцирующие пред-
ставители имеются также в филах АП Euryarchaeota (например, Archaeoglobus fulgidus), ВХП
Proteobacteria (например, Desulfovibrio) и ВХШ Firmicutes (например, Desulfotomaculum).

7.2.2.4. Фила BIV «Deinococcus-Thermus»

Условно обозначается по двум Типовым родам — Deinococcus (греч. deinos —
необычный; «необычный кокк») и Thermus (греч. thermos — теплый; «термофил»).
Согласно результатам филогенетического анализа, это одна из самых архаичных
ветвей эволюционного древа бактерий. В нее входит единственный класс Deinococci.
Он состоит из порядка I Deinococcales с единственным семейством Deinococcaceae
(р. Deinococcus) и порядка II Thermales с единственным семейством Thermaceae (ро-
да Thermits и Meiothermus').

Порядок I Deinococcales

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. По фрагментарным данным 1980-
1990-х годов, в ОМ отсутствуют липополисахариды. СМ содержит гликолипиды. Дают положи-
тельное (реже отрицательное) окрашивание по Граму. В оболочке между муреиновым саккулусом,
в состав которого вместо мезо-ДАП входит L-орнитин, и ОМ расположен дополнительный слой
неизвестного состава; иногда дополнительно образуется S-слой. Накапливают каротиноиды, при-
дающие клеткам красный цвет.

Содержат две хромосомы (2640 и 410 т.п.н.), каждая с копийностью х4 в стационарной и Х10
в экспоненциальной фазе.

Прямые одиночные палочки (1,5-4,0) X (0,6-1,2) мкм или сферы диаметром 0,5-3,5 мкм, об-
разующие пары или тетрады в результате деления поочередно в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях с использованием уникального механизма образования септы (крестообразное расхож-
дение центрипетально растущих краев). Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыхательным типом метаболизма.

Физиологические особенности. Мезофилы или термофилы с оптимумом роста соответ-
ственно 25-35 и 45-50°С. Оптимальный pH 6,5-8,0.

Обладают уникальной устойчивостью к радиации. Выживают при дозе УФ до 1,5103 Дж м-2и
дозе гамма-лучей до 1,5104 грей (1 Гр = 1 Дж кг-1= 100 рад). Исключительно устойчивы к обез-
воживанию (на 80% сохраняют жизнеспособность минимум два года при относительной влажности
5%).

Ниши. Мезофильные деинококки встречаются на разнообразных неспецифических субстра-
тах, поэтому их природная ниша неизвестна (скорее всего, это почва). Деинококки-термофилы
выделены из горячих источников в Италии и Португалии.

Порядок II Thermales

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. В оболочке имеется S-слой. В состав
муреинового саккулуса вместо мезо-ДАП входит L-орнитин. Обычно содержат каротиноиды, при-
дающие клеткам желтый или красный цвет.

Штамм YT-1 типового рода Thermus служит продуцентом Taq-полимеразы, которая широко
используется при проведении PCR-реакции.

Прямые палочки разной длины (диаметр 0,5-0,8 мкм), одиночные или в нитях. Лишены по-
движности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы, получают энергию за счет аэробного или анаэробного
дыхания (во втором случае роль терминального акцептора электронов играет NOa- или NO2-)-
В некоторых случаях способны к гликолизу. Реже хемолитогетеротрофы, окисляющие неоргани-
ческие соединения серы.

Физиологические особенности. Термофилы с оптимумом роста 70-75 и максимумом 95°С
или умеренные термофилы с оптимумом 50-65 и максимумом 70°С. Оптимальный pH 7,5-8,0.

Ниши. Природные (в том числе на глубине до 3,5 км) и антропогенные гидротермы, ком-
постные кучи. Выделены из проб, отобранных в Тихом Океане, Новой Зеландии, Японии, Ита-
лии, Центральной Атлантике, на Азорских островах, в Исландии, Карибском море и Северной
Америке.

Представители. Помимо типового рода Thermus описан род Meiothermus (греч. meios —
уменьшать; «не такой теплый»; подразумевается меньшая, чем в случае р. Thermus, термофилия) —
умеренные термофилы с оптимумом роста 50-65 и максимумом < 70°С; аэробы; содержат разветв-
ленные жирные кислоты; найдены в основном там же, где Thermus, однако не относятся к числу
морских и галотолерантных форм.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила. В отличие от деинококков, представители рода
Thermus не обладают повышенной радиационной устойчивостью.
7.2.2.5. Фила BV Chrysiogenetes

Эта фила названа по типовому роду Chrysiogenes (греч. chriseios — золотой руд-
ник и genea — происхождение; «живущий на золотом руднике»), представленному
единственным видом Ch. arsenatis. В нее входит единственный класс Chrysiogenetes,
состоящий из единственного порядка Chrysiogenales с единственным семейством
Chrysiogenaceae (р. Chrysiogenes представлен единственным видом С. arsenatis).

Строение. Обладает грамотрицательным морфотипом. Одиночные изогнутые палочки (1,0-
2,0) х (0,5-0,8) мкм с закругленными концами. Дочерние клетки образуют характерные S-образ-
ные или W-образные фигуры. Активно плавает при помощи монополярного жгутика. Способен к
групповому движению — роению.

Метаболизм. Хемоорганогетеротроф с дыхательным типом метаболизма, использует ацетат,
лактат, малат, пируват, сукцинат или фумарат (окисляются до СОг) в качестве донора электронов,
а арсенат АвОд3- (восстанавливается до арсенита АзОз3-) в качестве терминального акцептора
электронов. Вместо арсената может использоваться NO3- или ЫОг-. Облигатный анаэроб.

Физиологические особенности. Мезофил с оптимумом роста 25-30°С. Оптимальный pH
7,0-Э,4.

Ниши. Выделен из очистных сооружений золотого прииска Балларэт в Австралии.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила. Помимо представителей данной филы, спо-
собность к арсенатному дыханию проявляют Sulfurospirillum arsenophilum и S. bamesii (класс
Epsilonproteobacteria») и Desulfotomaculum auripigmentum (фила BXIII Firmicutes).

Существенно, что в остальных случаях {Escherichia coli, Staphylococcus aureus и S. xylosus) вос-
становление арсената в арсенит не играет энергетической роли, а позволяет обезвредить токсичный
мышьяк с помощью белков, которые кодируются ars-опероном.

7.2.2.6. Фила BVI Chloroflexi

Названа по типовому роду Chloroflexus (греч. chloros — зеленый и лат. flexus —
изгиб; «зеленая флексибактерия»). По результатам филогенетического анализа, это
одна из самых архаичных ветвей эволюционного древа бактерий. В нее входит един-
ственный класс «Chloroflexi», состоящий из порядка

I «Chloroflexales» с единственным семейством «Chloroflexaceae» (4 рода), и
порядка II «Herpetosiphonales» с единственным семейством «Herpetosiphonaceae»
(р. Нerpeto siphon).

Порядок I «Chloroflexales»
(аноксигенные фототрофные нитчатые бактерии)

Строение. Отрицательно окрашиваются по Граму. Принадлежность к грамотрицательному
морфотипу не очевидна (кроме р. Chloronema). По фрагментарным данным 1980-1990-х годов, ли-
пополисахариды и ОМ отсутствуют. В состав муреинового саккулуса вместо мезо-ДАП входит L-
орнитин. Содержат уникальные дитерпеноидные липиды из группы веррукозана. ICM не образу-
ются. Неветвящиеся трихомы непостоянной длины, состоящие из недифференцированных клеток
и окруженные тонким чехлом. Подвижны за счет скольжения.

Метаболизм. Облигатные или факультативные фототрофы с реакционным центром RCII-
типа (см. II том учебника), который содержит бактериохлорофилл а. Основной светособирающий
комплекс (отсутствует у Heliothrix oregonensis и Roseiflexus castenholzii} периферического типа,
содержит бактериохлорофиллы с или d и входит в состав ограниченного неунитарной мембраной
компартмента — хлоросомы. Биосинтез бактериохлорофилла ингибируется при повышенном пар-
циальном давлении кислорода, а также при высокой интенсивности света, однако регуляторные
механизмы в этих случаях различаются. Фототрофия аноксигенного типа; при фотоорганотрофии
в качестве донора электронов используются органические кислоты, сахара, спирты и другие ор-
ганические вещества; при реже наблюдаемой фотолитотрофии донором электронов служит S2-.
Фото гетеротрофы, реже — фотоавтотрофы, ассимилирующие СО2 по «3-гидроксипропионатному
пути» или в «цикле Кельвина—Бенсона—Бессема». Анаэробы; в некоторых случаях факультатив-
ные аэробы, получающие энергию за счет хемоорганотрофии дыхательного типа.
Физиологические особенности. Термофилы с оптимумом роста 52-60°С или мезофилы,
развивающиеся в природных условиях при 4-15° С. Оптимальный pH 7,6-8,5.

Ниши. Термофильные представители относятся к космополитам; выделены из гидротерм при-
родного и антропогенного происхождения, где образуют маты под слоем цианобактерий. Мезофилы
найдены в озерах Европейской части России.

Представители. Помимо типового термофильного рода Chloroflexus с клетками размером
(2,0-6,0) х (0,5-1,5) мкм и содержащего бактериохлорофилл с, описаны еще три рода:

— Chloronema (греч. пета — нить; «зеленая нить»); содержит бактериохлорофилл d; размер
клеток (3,5-4,5) X (2,0-2,5) мкм; откладывает в чехле оксиды железа; образует газовые везикулы;
мезофил;

— Heliothrix (греч. elios — солнце и trichos — волос; «нить золотистого цвета»); размер клеток
10,0 X 1,5 мкм; температурный оптимум 40-45°С; выделен в штате Орегон и Йеллоустоунском
национальном парке (США);

— Oscillochloris (лат. oscillatio — колебание; «колеблющаяся зеленая бактерия»); размер клеток
(2,0-5,0) х (0,8-5,0) мкм; содержит бактериохлорофилл с; хлоросомы расположены вдоль попереч-
ных перегородок; способен к фотолитотрофии с отложением глобул серы на поверхности клеток в
результате окисления S2-; ассимилирует СОг в «цикле Кельвина—Бенсона—Бессема».

Порядок II «Herpeto siphonales»

Содержит единственный род Herpetosiphon (греч. erpeton — пресмыкающееся
животное и siphon — труба; «скользящая цилиндрическая бактерия»).

Строение. Обладает грамотрицательным морфотипом. По фрагментарным данным 1980-
1990-х годов, липополисахариды и ОМ отсутствуют. В состав пептидогликана вместо мезо-ДАП
входит L-орнитин. Содержат каротиноиды, придающие клеткам желтый или оранжевый цвет.
Неветвящиеся трихомы с недифференцированными клетками, окруженные тонким чехлом, или
одиночные неспорообразующие палочки размерм (5,0-10,0) х (1,0-1,5) мкм. Подвижны за счет
скольжения.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с дыхательным типом метаболизма, используют Ог в
качестве терминального акцептора электронов.

Физиологические особенности. Мезофилы, обладающие неустановленными эколого-физио-
логическими характеристиками, а также термофилы с оптимумом роста 60-80° С и оптимальным
pH 8-9.

Ниши. Космополиты. Выделены из почвы, из проб пресной и морской воды, а также из ак-
тивного ила очистных сооружений и гниющих органических остатков.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила, в которой наряду с фототрофами (среди кото-
рых есть формы с хлоросомами и без них) имеются хемотрофные представители.

7.2.2.7. Фила BVII Thermomicrobia

Названа по типовому роду Thermomicrobium (греч. thermos — теплый; «термо-
фильный микроб»). Согласно результатам филогенетического анализа, это одна из
архаичных ветвей эволюционного древа бактерий. В нее входит единственный класс
Thermomicrobia, состоящий из единственного порядка Thermomicrobiales с един-
ственным семейством ThermomicroЫасеае (род Thermomicrobium, единственный вид
Т. roseum с единственным штаммом АТСС 27502).

Строение. Обладает грамотрицательным морфотипом. По фрагментарным данным 1970-х
годов, не содержит муреина; функцию ригидного слоя клеточной стенки выполняет периплазма-
тический белковый саккулус (Мг мономера 75 кДа). Дополнительно имеется S-слой. Накапливает
каротиноиды, окрашивающие клетки в розовый цвет. Короткие палочки, (3,0-6,0) X (1,3-1,8) мкм,
одиночные или в парах. Плеоморфен, клетки имеют гантелевидную форму или образуют нерегу-
лярные субтерминальные вздутия. Лишен подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротроф с дыхательным типом метаболизма, использует Ог в
качестве терминального акцептора электронов. Облигатный аэроб.

Физиологические особенности. Экстремальный термофил с оптимумом роста 70-75 и мак-
симумом 80°С. Оптимальный pH 8,2-8,5.
Ниши. Выделен из горячего источника в Йеллоустоунском национальном парке (США).

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.8. Фила BVIII Nitrospirae

Названа по типовому роду Nitrospira (лат. nitrum —соль и греч. spiris — изгиб;
«спирилла, образующая нитрат»). Согласно результатам филогенетического анали-
за, это одна из архаичных ветвей эволюционного древа бактерий. В нее входит един-
ственный класс «Nitrospira», состоящий из единственного порядка «Nitrospirales» с
единственным семейством «Nitrospiraceae» (четыре рода, которые обладают грамот-
рицательным морфотипом и хемотрофным метаболизмом; очень разные по морфо-
физиологическим свойствам).

Род Nitrospira

Строение. Одиночные клетки вибриоидной или спиралевидной формы, размер (0,9—2,2) х
(0,2—0,4) мкм. Имеют гипертрофированное периплазматическое пространство (ширина на срезах
30-40 нм). ICM отсутствуют. Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемолитотрофы, используют ЫОг- в качестве донора электронов и Ог в ка-
честве терминального акцептора электронов (аэробная нитрификация). В основном автотрофы, в
некоторых случаях проявляют способность к миксотрофному питанию.

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 20-40°С. Оптимальный pH
7,6-8,0.

Ниши. Выделены в Северной Европе из проб морской и пресной воды, а также из почв, водо-
нагревательных систем и активного ила аэробных очистных сооружений.

Род Leptospirillum

Название отражает спиралевидную форму клеток и их мелкий размер (греч.
leptos — небольшой; «маленькая спирилла»).

Строение. Одиночные клетки вибриоидной или спиралевидной формы (0,9-2,0) X (0,2—
0,5) мкм. ICM отсутствуют. Активно плавают при помощи полярного жгутика.

Метаболизм. Облигатный хемолитотроф, использующий катионы Fe2+ или железосодержа-
щие сульфидные минералы в качестве донора и О2В качестве терминального акцептора электро-
нов (аэробные железобактерии). Облигатные автотрофы, ассимилируют СО2 в «цикле Кельвина-
Бенсона—Бессема». В некоторых случаях проявляют способность к диазотрофии.

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 30-37° С или термофилы.
Ацидофилы с оптимальным pH 1,3-2,0.

Ниши. Космополиты. Выделены из мест, в которых происходит интенсивное окисление суль-
фидных минералов (угольные шахты, пустые породы и их размывы, открытые и подземные уста-
новки для микробного выщелачивания металлов, горячие источники на суше и антропогенные
гидротермы).

Род Candidatus «Magnetobacterium»

Название отражает способность к магнитной ориентации, которая обеспечи-
вается магниточувствительными биоминеральными включениями — магнитосомами
(греч. magnetis — магнитный камень; «магнитная бактерия»).

Строение. Одиночные палочки размером (6,0-9,0) х (1,0-1,5) мкм. Содержат до 103 магнито-
сом когтеобразной формы, которые состоят из магнетита (РезО4) и собраны в цепочки, образующие
3-5 продольных тяжей. Плавают при помощи полярного пучка жгутиков.

Метаболизм. Конкретных данных нет; скорее всего, хемолитотрофы, использующие S2- в
качестве донора, а Ог, ГЮз-, ЗО42-или Fe3+e качестве терминальных акцепторов электронов.

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 25°С. Оптимальный pH не
установлен. Микроаэробы и анаэробы.

Ниши. Выделены из ила пресноводных водоемов на территории Германии и Бразилии.
Род Thermodesulfovibrio

Название отражает вибриоидную форму бактерии (лат. vibro — завиток) в соче-
тании с термофилией (thermo) и способностью использовать неорганические соеди-
нения серы в качестве терминального акцептора электронов в дыхательной цепи
(лат. desulfo).

Строение. Искривленные (вибриоидной формы) клетки размером 1,7 X 0,3 мкм; одиночные
или в цепочках. Подвижны; монополярные политрихи.

Метаболизм. Хемоограногетеротрофы. Метаболизм дыхательного типа; в качестве терми-
нального акцептора электронов используют SO^- (диссимиляционное восстановление сульфата),
SOg-, SaOg- или МОз~. В некоторых случаях способны к брожению.

Физиологические особенности. Термофилы с оптимумом роста 65°С. Оптимальный pH
6,8-7,0. Строгие анаэробы.

Ниши. Выделены из гидротерм в Йеллоустоунском национальном парке (США) и на побере-
жье Исландии.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила, содержащая хемолитотрофов, хемоорганотро-
фов, аэробов и строгих анаэробов. Способность к магнитной ориентации, которой обладает
Candidatus «Magnetobacterium», также встречается у представителей филы ВХП Proteobacteria.
В свою очередь, способность к нитрификации, которой обладает Leptospirillum, обнаружена у ря-
да представителей филы ВХП Proteobacteria.

7.2.2.9. Фила BIX Deferribacteres

Эта фила названа по типовому роду Deferribacter (лат. de — удаление и ferrum —
железо; «бактерия, удаляющая железо», т. е. катион Fe3+ используется в каче-
стве терминального акцептора электронов). В нее входит единственный класс
Deferribacteres, состоящий из единственного порядка Deferribactereaceae с единствен-
ным семейством «Nitrospiraceae» (четыре рода, которые характеризуются грамотри-
цательным морфотипом и метаболизмом хемотрофного типа; сильно различаются
по морфофизиологическим свойствам).

Род Deferribacter

Строение. Прямые одиночные палочки размером (1,0-5,0) х (0,3-0,5) мкм. Лишены подвиж-
ности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с дыхательным типом метаболизма, используют в ка-
честве терминального акцептора электронов Fe3+, Мп4+ или NO3-. Облигатные анаэробы.

Физиологические особенности. От мезофилов до термофилов с оптимумом роста 35-60° С.
Оптимальный pH 6,5.

Ниши. Выделены из проб, отобранных из нефтяных скважин в Северном море.

Род Flexistipes

Название отражает эластические свойства бактерии (лат. flexio — изгиб и stipes —
палка; «гибкая палочка»).

Строение. Гибкие одиночные палочки размером (5,0-50,0) х 0,3 мкм. Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с бродильным типом метаболизма. Анаэробы.

Физиологические особенности. Умеренные термофилы с оптимумом 45-50° С. Нейтрофи-
лы, оптимум pH 6,0-8,0. Галофилы, адаптированные к среде с 0,5-1,7 М NaCl.

Ниши. Выделены из проб, добытых в Красном море с глубины 2 км.

Род Geovibrio

Название этой бактерии говорит об обитании в земных впадинах, а также о виб-
риоидной форме (греч. ge — земля и лат. vibro — быстро шевелиться; «вибрион, жи-
вущий в земле»).
Строение. Клетки вибриоидной формы (одиночные или в цепочках) размером (2,0-3,0) х
0,5 мкм. Единственные вибрионы, которые могут использовать Fe3+ в качестве терминального
акцептора электронов. Плавают при помощи полярного жгутика.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с дыхательным типом метаболизма, используют аце-
тат в качестве донора, a Fe3+, S° или Со3+ в качестве терминального акцептора электронов. Един-
ственные из известных микроорганизмов, которые сопрягают окисление аминокислоты (пролина)
с восстановлением Fe3+. Строгие анаэробы.

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 35°С. Нейтрофилы, опти-
мальный pH 7.

Ниши. Выделены со дна котлована, загрязненного нефтепродуктами (штат Оклахома, США).

Род Synergistes

Название этой бактерии отражает уникальное экологическое свойство — способ-
ность предотвращать пищевое отравление крупного рогатого скота (греч. synergos —
помогающий; «бактерия-сотрудник»).

Строение. Овальные одиночные палочки размером (1,2-1,8) х (0,6-0,8) мкм. Лишены по-
движности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы, сбраживают аминокислоты, а также 2,3- или 3,4-пи-
ридиндиол (англ, dihydroxypyridine, DHP). Облигатные анаэробы.

Физиологические особенности. Умеренные термофилы и ацидофилы. Оптимум темпера-
туры и pH не установлены.

Ниши. Выделены на Гавайских о-вах (США) из рубца крупного рогатого скота, безболезнен-
но питающегося ядовитым бобовым растением Leucaena leucocephala. В других местах эти бакте-
рии не встречаются, что приводит к пищевым отравлениям животных, поскольку при поедании
L. leucocephala в рубце из мимозина, или Р[ЬТ-(3-гидрокси-4-пиридон)]-а-аминопропионовой кис-
лоты образуется токсичный DHP. Таким образом, Synergistes служит одним из редких примеров
эндемичных бактерий.

Парадоксальность. Умеренно «парадоксальная» фила, наиболее контрастным представите-
лем является Synergistes.

7.2.2.10. Фила ВХ Cyanobacteria
(оксигенные фототрофные бактерии)

Термин «цианобактерии» (греч. kianeos — темно-синий и bacteria — палка; «бак-
терии темно-синего цвета») предложил Роджер Стэниер в начале 1980-х годов. Хотя
между бактериологами и ботаниками долго шли споры по поводу таксономической
принадлежности этих микроорганизмов, теперь термин «цианобактерии» узаконен
во 2-м издании «Руководства Берги по систематике бактерий» (2001). Цианобак-
терии обладают усложненным бактериальным морфотипом. Согласно результатам
филогенетического анализа, это одна из самых архаичных ветвей эволюционного
древа бактерий.

По числу родов (56) фила ВХ Cyanobacteria занимает четвертое место среди
бактерий. Ее представители очень разнообразны по морфологии, но однообразны
в метаболическом плане (преобладающее большинство — оксигенные фотолитоав-
тотрофы). В нее входит единственный класс «Cyanobacteria», состоящий из пяти
«Субсекций», эквивалентных порядкам.

Строение. Цианобактерии обладают грамотрицательным морфотипом и всегда содержат ти-
лакоиды (единственное исключение — род Gloeobacter'). Размеры клеток варьируют от 0,7 х 0,5 мкм
(р. Prochlorococcus) до > 100 мкм (р. Oscillatoria). Деление бинарно-эквивалентное, бинарно-неэк-
вивалентное (почкование) или с образованием до 210 мелких дочерних клеток — беоцитов. Одно-
клеточные цианобактерии имеют сферическую, эллипсоидную, палочковидную (редко изогнутую)
или веретеновидную форму; одиночные или в агрегатах, стабилизированных капсулой или чех-
лом. Нитчатые цианобактерии образуют интеркалярные клетки цилиндрической, сплюснутой или
лопастной формы и терминальные клетки с закругленным или коническим (иногда загнутым) кон-
цом. Трихомы прямые или спирализованные; однорядные или многорядные; окруженные чехлом
или без чехла; с ложным или истинным ветвлением (реориентация плоскости деления на 90°). Неко-
торые нитчатые штаммы при стрессе образуют миниатюрные трихомы (гормогонии), устойчивые
к физико-химическому повреждению цисты (акинеты), а также ассимилирующие N2 гетероцисты
(диазоциты). Активно подвижные формы перемещаются скольжением; пассивная вертикальная
миграция происходит в результате накопления газовых везикул (всплытие) или полигликозидных
включений (погружение).

Метаболизм. Облигатные или факультативные фототрофы, одновременно обладают реакци-
онными центрами RCI-типа и RCII-типа (см. II том учебника), содержащими хлорофилл а или
хлорофиллы а/d (р. Acaryochloris). Светособирающий комплекс, как правило, периферического
типа, состоит из фикобилипротеинов и образует эпимембранную частицу — фикобилисому. Так
называемые «прохлорофиты» обладают светособирающим комлексом интегрального типа, в со-
став которого входят хлорофиллы а/Ь (рода Prochloron и Prochlorothrix) или хлорофиллы 02/62
(р. Prochlorococcus). Некоторые прохлорофиты обладают интегральным хлорофилл d-белковым
комплексом в сочетании с фикобилисомой (р. Acaryochloris) и содержат минорный хлорофилл с-
подобный пигмент (рода Prochloron и Acaryochloris). Фототрофия оксигенного типа, связана с на-
личием кислород-выделяющего комплекса. Редко встречается факультативно аноксигенная фото-
трофия, когда донором электронов становится S2-. Фотоавтотрофы, ассимилируют СО2 в «цикле
Кельвина—Бенсона—Бессема»; возможна фотогетеротрофия или миксотрофия, когда ассимилиру-
ются экзогенные сахара или ацетат. В ряде случаев могут расти в темноте на экзогенных сахарах,
спиртах или ацетате за счет темнового аэробного дыхания, а также могут сохранять жизнеспо-
собность за счет серного дыхания или гликолиза, используя запасные полигликозиды. У многих
представителей наблюдается диазотрофия. Для ее осуществления цианобактерии должны нахо-
диться в микроаэробной среде или обладать механизмами защиты нитрогеназы от кислорода, в
том числе путем дифференциации гетероцист.

Физиологические особенности. Мезофилы, развивающиеся в природных условиях при 4-
15°С, реже — термофилы (встречаются в горячих источниках при температуре до 75°С), а так-
же психрофилы (растут близ точки замерзания в субполярных пресных водоемах). Некоторые
штаммы способны развиваться в засушливых местах или при высокой солености. Предпочитают
нейтральные или слабо щелочные значения pH, хотя некоторые относятся к экстремальным алка-
лифилам (pH >10). Способны к симбиозу с другими бактериями, а также протистами, растениями,
грибами и животными.

Ниши. Цианобактерий считают космополитами, хотя среди них встречаются эндемики, напри-
мер Gloeobacter violaceus, обнаруженный только в Швейцарии. В водоемах плавают на поверхности,
а также ведут планктонный или сидячий образ жизни, в последнем случае входят в состав мик-
робных матов. Образуют биопленки на твердых субстратах. Некоторые относятся к эндолитам.
Среди симбиотических штаммов есть ассоциативные симбионты, эписимбионты и эндосимбионты.
Способны к образованию гиперпопуляций, вызывающих цветение водоемов.

Представители. Создание филогенетической классификации цианобактерий — дело будуще-
го. Хотя использование разных алгоритмов для обработки результатов секвенирования 16S рРНК
не привело к однозначным выводам, картина в целом не противоречива. Дендрограмма цианобак-
терий—это не ветвящийся ствол, а скорее веер. По-видимому, фила ВХ Cyanobacteria форми-
ровалась «взрывообразно», одновременно с возникновением оксигенной фототрофии, и его ветви
дивергировали на относительно короткой эволюционной дистанции. Это не позволяет разработать
филогенетическую систему с явно выраженной иерархией таксономических уровней. По данным
секвенирования 16S рРНК, цианобактерии образуют 14 кластеров разного объема; помимо них
выявлены последовательности-одиночки. Как в большинстве прокариотных фил, в этой филе со-
седствуют штаммы с контрастными фенотипами, а штаммы со сходными фенотипами имеют гете-
рологичную структуру 16S рРНК.

Кластер I содержит трихомные формы, образующие гетероцисты (рода Nostoc, Fischerella и
др.). Кластер II представлен ансамблем одноклеточных форм и включает в себя пикопланктон-
ные штаммы Synechococcus из Саргассова моря, пресноводные штаммы рода Cyanobium с круп-
ными клетками, а также штаммы рода Prochlorococcus. Кластер III содержит несколько штам-
мов нитчатых прохлорофитов из рода Prochlorothrix. Кластер IV объединяет морские штаммы
рода Leptolyngbya, имеющие узкие трихомы и содержащие фикоэритрин; вместе с ними группи-
руется морской одноклеточный штамм Synechococcus sp. РСС 7335. Кластер V — это пресновод-
ные штаммы рода Leptolyngbya. Кластер VI состоит из штаммов рода Pseudanabaena — трихом-
ных цианобактерий осциллаториевого типа, которые образуют агрегаты газовых везикул, располо-
женные у поперечных перегородок, а также характерные перетяжки между соседними клетками.
Кластер VII объединяет штаммы одноклеточных галотолерантных цианобактерий эллипсоидной
(р. Cyanothece) или палочковидной (р. Dactylococcopsis) формы. Кластер VIII содержит однокле-
точные штаммы, образующие беоциты (р. Pleurocapsa и др.). Кластер IX объединяет штаммы рода
Spirulina. Кластер X представляет собой гетерогенный ансамбль одноклеточных (Synechococcus sp.
РСС 7002 и др.) или трихомных (Leptolyngbya sp. РСС 7376 и др.) штаммов. Кластер XI — од-
ноклеточные бинарно делящиеся штаммы (Synechocystis sp. РСС 6803, Microcystis sp. РСС 7941
и др.). Кластер XII состоит из группы штаммов трихомных цианобактерий родов Oscillatoria и
Trichodesmium. Кластер XIII содержит штаммы с прямыми (Lyngbya sp. РСС 7419 и др.) или
спиральными (Arthrospira sp. РСС 8005 и др.) трихомами. Кластер XIV представлен трихомными
штаммами осциллаториевого типа (р. Geitlerinema).

В настоящее время достигнуты успехи в изучении генома цианобактерий — построены физи-
ческие и генетические карты хромосом у ряда штаммов, определена полная последовательность
хромосомной ДНК Synechocystis sp. РСС 6803. Частично секвенированы геномы пяти штаммов
обычных цианобактерий и четырех штаммов прохлорофитов. По коэффициентам гомологии 16S
рРНК построены кладограммы цианобактерий, цианелл и пластид.

Таким образом, цианобактерии консервативны в плане ведущих фенотипических признаков
(имеют один и тот же тип клеточного строения и используют один и тот же способ питания)
и характеризуются узким спектром генной дивергенции (не подразделяются на субфилы). По
этой причине систематика цианобактерий логически противоречива. С одной стороны, фила ВХ
Cyanobacteria обособлена на молекулярно-филогенетической основе. С другой стороны, в соответ-
ствии с алгоритмом, который ботаники традиционно используют при классификации синезеленых
водорослей, она искусственно разбита на морфологические группы. Ультраструктурные и хемо-
таксономические признаки учитываются лишь в отдельных случаях. Наконец, уникальной осо-
бенностью систематики цианобактерий (за немногими исключениями, например, Cyanobacterium
stanieri) является то, что в ней не используется категория вида. Вместо видового эпитета указы-
вается номер коллекционного штамма (например, Anabaena sp. РСС7122).

Во втором издании «Руководства Берги по систематике бактерий» (2001) цианобактерии раз-
биты на пять квази-таксономических групп, или «Субсекций» (англ. Subsection), эквивалентных
порядкам. Диагнозы Субсекций основаны на морфологических признаках и образуют дихотоми-
ческий ключ:

— морфотип одноклеточный или квази-многоклеточный, т. е. трихомный (греч. trichos — волос);

— деление бинарное или с образованием беоцитов (греч. baios — маленький и kitos — сосуд; «ма-
ленькая клетка»);

— наличие или отсутствие дифференцированных клеток: акинет (греч. а —без и kineo — двига-
юсь) и гетероцист (греч. eteros — другой и kistis— пузырь; «особая циста»);

— наличие либо отсутствие ветвления трихома; ветвление может быть истинным или ложным.

Субсекция I, или порядок «Chroococcales». Названа по «форме-роду» Chroococcus
(греч. chroa — кожа и coccos — зерно; «кокк, образующий пленки»). Содержит 14 «форм-родов».
Это одноклеточные цианобактерии, делящиеся бинарно-эквивалентно (р. Synechococcus-, греч.
synecheia — тесная связь и coccos — зерно; «кокк, образующий группы») или бинарно-неэквива-
лентно (р. Chamaesiphon-, греч. chamai — карликовый и siphon — трубка; «маленькая бактерия с
чехлом»). К числу важнейших диагностических признаков относятся:

— отсутствие тилакоидов (р. Gloeobacter-, греч. glois — клейкий и bacteria — палка; «ослизненная
бактерия»);

— реориентация плоскости делений последовательно на 90°, что приводит к образованию пра-
вильных тетрад и кубических пакетов (р. Synechocystis-, греч. synecheia — тесная связь и kiste —
ящик; «кокк, объединенный в группы»);

— образование концентрических чехлов, которые удерживают клетки в неупорядоченных агре-
гатах (р. Gloeothece-, греч. glois - клейкий и thece — ящик; «ослизненный кокк»);

— наличие газовых везикул (р. Microcystis-, греч. micros —малый и kiste — ящик; «мелкий
кокк»).

Для сборных родов (р. Chroococcus) предложено подразделение на кластеры, в которые входят
штаммы с разным размером клетки и разным молярным %ГЦ-пар.

Помимо обычных цианобактерий, в эту Субсекцию помещены одноклеточные прохлорофи-
ты — род Prochloron (греч. pro — до и chloros — зеленый; «предок зеленых водорослей») и род
Prochlorococcus (греч. pro — до, chloros — зеленый и coccos — зерно; «прохлорофит-кокк»).

Субсекция II, или порядок «Pleurocapsales». Названа по «группе» Pleurocapsa (греч.
plevra — ребра и лат. capsa — коробка; «агрегат клеток с перетяжками по бокам»). Состоит из ше-
сти «форм-родов», а также из сборной «группы» Pleurocapsa, которая подразделяется на три кла-
стера штаммов с клетками разного размера и разным молярным %ГЦ-пар. Это одноклеточные
цианобактерии, способные к множественному делению с образованием беоцитов. Ведущими диа-
гностическими признаками служат:

— наличие (р. Stanieria\ в честь французского микробиолога R. Y. Stanier) или отсутствие
(р. Xenococcus', греч. xenos — чужой и coccos — зерно; «необычный кокк») подвижности у беоци-
тов, что соответственно связано с отсутствием чехла или его образованием;

— способность, помимо образования беоцитов, к бинарному делению (р. Dermocarpella', греч.
derma — кожа, carpos — плод и лат. уменып. оконч. -ella; «маленькая клетка с чехлом»);

— последовательная реориентация плоскости делений на 90°, что приводит к образованию ку-
бических пакетов клеток (р. Myxosarcina; греч. тухо — слизь и лат. sarcina — тюк; «ослизненный
пакет клеток»);

— преобладание бинарного деления над множественным, что приводит к образованию фила-
ментозных или ветвящихся агрегатов («группа» Pleurocapsa).

Субсекция III, или порядок «Oscillatoriales*. Названа по «форме-роду» Oscillatoria (лат.
oscillatio — раскачивание; «раскачивающаяся бактерия»). Содержит 17 «форм-родов». Это трихом-
ные цианобактерии, неспособные образовывать акинеты и гетероцисты. У них отсутствует истин-
ное ветвление, хотя в некоторых случаях при образовании чехла наблюдается ложное ветвление.
Ведущими диагностическими признаками служат:

— дискоидная форма клетки (р. Oscillatoria)',

— овальное (р. Crinalium-, лат. crinis — волосы; «бактерия, похожая на волос») или лопастное
(р. Starria-, в честь американского фиколога R. С. Starr) поперечное сечение клетки;

— присутствие агрегатов газовых везикул (р. Limnothrix-, греч. limne —озеро и trichos — волос;
«озерная бактерия, похожая на волос»);

— присутствие (р. Pseudanabaenw, лат. pseud — ложный; «ложная Апабаепа»; греч. anabaino —
подниматься; «лестница из клеток») или отсутствие (р. Geitlerinema\ в честь австрийского альголо-
га L. Geitler, с прибавлением греч. пета — нить) перетяжек между соседними клетками в трихоме;

— «бревитрихомия», или образование олигомерных трихомов из 2-10 клеток (р. Borzia-, в честь
итальянского микробиолога A. Borzi);

— спирализация трихома (р. Spirulina-, лат. spira — изгиб и linea — нить);

— образование чехла (р. Lyngbya\ в честь датского ботаника Н. C.Lyngbye);

— объединение трихомов в пучки (р. Microcoleus', греч. micros — малый и coleos — чехол; «бакте-
риястонким чехлом»; р. Trichodesmium-, греч. trichos — волос и desmos — связь; «пучок трихомов»);

— способность к ложному ветвлению (р. Symploca-, греч. sym — вместе и ploce - сплетение; «коса
из трихомов»);

Помимо обычных цианобактерий, в данную субсекцию помещен нитчатый прохлорофит — род
Prochlorothrix (греч. pro — до, chloros — зеленый и trichos — волос; «трихомный прохлорофит»).

Субсекция IV, или порядок «Nostocales». Объединяет трихомные цианобактерии, неспо-
собные к истинному ветвлению. В стрессовых условиях они образуют акинеты и гетероцисты,
а также дифференцированные ювенильные трихомы, или гормогонии (греч. hormos — обрубок и
gonos — рождение; «фрагмент трихома»), которые в цикле индивидуального развития выполняют
роль расселительной стадии.

Данная Субсекция подразделяется на две части — IV.I (9 «форм-родов») и IV.II (три «формы-
рода»). В первом случае трихом никогда не проявляет базоапикальной полярности, а гормогонии,
как правило, не образуются. Во втором случае полярность трихома хорошо выражена и образу-
ются гормогонии, причем по размеру они значительно меньше родительских трихомов. Ведущими
диагностическими признаками служат:

— дискоидная форма клетки (р. Nodularia', лат. nodus — узел и -ula — уменьшит, окончание;
«бактерия с узелками»);

— спирализация трихома (р. Cyanospira)',

— способность к ложному ветвлению (р. Scytonema-, греч. skitios — плеть и пета — нить; «бак-
терия, как тонкая плеть»);

— объединение трихомов в пучки (р. Aphanizomenon-, греч. aphanisis — исчезновение; «непонят-
ная вещь»);

— образование крупных гетероцист (р. Anabaenopsis', греч. opos — как; «похожий на АпаЬаепа»)
и крупных цилиндрических акинет (р. Cylindrospermum-, греч. kilindo — валик и sperma — семя;
«имеющий цилиндрическое семя»);

—подвижные (р. Nostoc, нем. Nasenloch — ноздря; «имеющий слизистую консистенцию») или
неподвижные (р. Calothrix', греч. kalos — красивый и trichos — волос; «как красивый волос») гормо-
гонии.

Представители сборных родов (например, р. АпаЬаепа) подразделяются на кластеры штаммов
с клетками разного размера, разным молярным %ГЦ-пар и разным размером генома.
Субсекция V, или порядок « Stigonematales». Содержит 6 «форм-родов», объединяющих
цианобактерий с истинно ветвящимися трихомами. Они могут образовывать гетероцисты и аки-
неты, а также гормогонии. Это наиболее сложные в морфологическом отношении цианобактерии.
Ведущими диагностическими признаками служат:

— дихотомическое (р. Geitlerid) или латерально-нерегулярное (р. Fischerella-, в честь немецкого
ботаника В. Fischer) истинное ветвление;

— однорядный (р. Fischerella) или многорядный (р. Stigonema-, греч. stigma — клеймо и пета-
нить; «сегментированная нить») трихом;

— фрагментация трихомов на отдельные клетки (р. Chlorogloeopsis-, греч. opos — как; «похожий
на Chlorogloea»; греч. chloros — зеленый и glois — клейкий; «зеленый ослизненный организм»);

— наличие (р. Nostochopsis-, греч. opos — как; «похожий на Nostoc») или отстутствие
(р. Geitleria) гетероцист, а также их локализация;

— образование гормогониев (р. lyengariella-, в честь индийского фиколога М. О. Р. Iyengar).

Парадоксальность. «Парадоксальная» в морфологическом, но не в физиологическом от-
ношении фила. Часть Субсекций нельзя считать естественными ансамблями, причем максималь-
ную полифилетичность обнаруживают морфологически простые представители Субсекции I (более
сложные морфологически представители Субсекций IV и V, скорее всего, монофилетичны). На-
ряду с цианобактериями к этой филе относятся пластиды цианобактериального происхождения, в
том числе наиболее архаичные из них (цианеллы).

7.2.2.11. Фила BXI Chlorobi

(аноксигенные фототрофные зеленые одноклеточные бактерии)

Названа по типовому роду Chlorobium (греч. chloros — зеленый и bios —жизнь;
«зеленое живое существо»). В нее входит единственный класс «Chlorobi», состоящий
из единственного порядка Chlorobiales с единственным семейством Chlorobiaceae (5
родов).

Строение. Обладает грамотрицательным морфотипом. Сферические, овоидные, а также паг
лочковидные (прямые или искривленные) клетки; одиночные, в цепочках или трехмерных агрега-
тах, реже длинные одноклеточные нити. Деление бинарное или тройное; эквивалентное или неэк-
вивалентное (почкование). Лишены подвижности (за исключением р. Chloroherpeton, способного к
скольжению).

Метаболизм. Облигатные фототрофы с реакционным центром RCI-типа (см. II том учебни-
ка), в который входит бактериохлорофилл а. Основной светособирающий комплекс представлен
хлоросомой и содержит бактериохлорофилл с, d или е. Бактериохлорофиллы с-е образуют на-
бор гомологов (до 15), имеющих разные боковые заместители и разные этерифицирующие груп-
пы. Биосинтез бактериохлорофиллов ингибируется при повышенном парциальном давлении кис-
лорода. Фотолитотрофия аноксигенного типа; в качестве донора электронов используются S2-,
ЗгОз2- или Нг- При окислении S2- образуются внеклеточные частицы элементной серы (S0), ко-
торая в дальнейшем окисляется до ЗОд2-. Фотоавтотрофы (СОг ассимилируется в «цикле Ивенса-
Бьюкенена-Эрнона») или миксотрофы (в присутствии S2- или ЗэОз2- наряду с СОг ассимили-
руются ацетат, пропионат и другие простые органические субстраты). Некоторые представители
способны к диазотрофии. Облигатные анаэробы.

Физиологические особенности. Осуществляют фототрофию при очень низкой энергии све-
тового потока 0,5-1,0 Э (1 эйнштейн = 1 мкмоль квантов • м-2 с-1), что недостаточно для других
фототрофов. Мезофилы с оптимумом роста 20-35° С. Оптимальный pH 6,5-7,0.

Ниши. Микроорганизмы, развивающиеся при низкой интенсивности света в зоне хемоклина
при низком содержании О2 и высоком содержании S2-. Распространены в планктоне или в илах
пресных и солоноватых водоемов на суше, а также в морской воде; реже входят в состав микробных
матов.

Основные представители. В составе филы имеются пять родов. Из них только один
(р. Chloroherpeton) содержит подвижные формы. Рода, объединяющие неподвижные формы, мож-
но разбить на две группы. В первую группу входят рода Chlorobium и Prosthecochloris, которые
не образуют газовых везикул, адаптированы к относительно более высокому содержанию S2- и
более высокой интенсивности света. Ко второй группе относятся рода Pelodictyon и Ancalochloris,
которые образуют газовые везикулы, требуют для своего развития относительно более низкого
содержания S2- и более низкой интенсивности света. Во всех пяти родах параллельно имеются
зеленые и коричневые виды. Первые содержат бактериохлорофилл с или d; главными каротино-
идами являются хлоробактин, ОН-хлоробактин или у-каротин. Для вторых характерно наличие
хлорофилла е, а также изорениератина или 0-изорениератина в качестве главного каротиноида.

Парадоксальность. В целом не «парадоксальная» фила. Некоторые представители образуют
устойчивые ассоциации — консорциумы (лат. consortium — сообщество). Они состоят из крупных хе-
моорганогетеротрофных клеток, к которым прикреплены более мелкие клетки хлоробиев. Такие ге-
терологичные образования имеют незаконные названия (например, «Chlorochromatium aggregatum,
Chloroplana vacuolata, Pelochromatium roseum и др.), и можно провести параллель между ними и
лишайниками.

Род Chlorobium

Строение. Клетки сферической или овоидной формы, а также прямые или искривленные
палочки; могут принимать С-образную форму. Одиночные или в цепочках, в том числе спирале-
видных. Размер клеток (0,4-3,0) х (0,3-1,1) мкм. Образуют внеклеточную слизь.

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 20-32°С. Исключение со-
ставляет умеренный термофил С. tepidum (лат. tepidus — теплый) с оптимумом роста 32-52°С.
Нейтрофилы, оптимальный pH 6,8.

Род Ancalochloris

Название отражает образование клетками длинных выростов-простек (греч.
ancalis — рука; «зеленая бактерия с простеками»).

Строение. Клетки нерегулярной формы, одиночные или в цепочках. Образуют ветвящиеся
или неветвящиеся простеки до 2 мкм длиной, широкие в основании и заостренные на конце. Размер
клеток 0,5 х 1,0 мкм. Размножаются неэквивалентным бинарным делением (почкованием).

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 18-20°С. Нейтрофилы, оп-
тимальный pH 6,8-7,0.

Род Chloroherpeton

Название этого рода отражает цвет клеток и их способность передвигаться путем
скольжения (греч. chloros — зеленый и erpeton — пресмыкающееся животное; «зеле-
ная скользящая бактерия»).

Строение. Длинные палочки (8,0-20,0) х 1,0 мкм, могут изгибаться на 180°. Образуют вне-
клеточную слизь. Подвижны за счет скольжения.

Физиологические особенности. Слабо окисляют внеклеточную S0. Мезофилы с оптимумом
роста 25° С. Нейтрофилы, оптимальный pH 6,8-7,2.

Род Pelodictyon

Название этого рода отражает цвет клеток и их способность образовывать сетча-
тые агрегаты (греч. pelios — синяк и dictyon — сеть; «бактерия в виде темной сетки»).

Строение. Палочковидные или овоидные клетки (1,0-7,0) х (0,6-1,2) мкм. Одиночные, а так-
же в трехмерных сетчатых или сферических агрегатах, образующихся в результате очень ред-
кого у бактерий тройного деления (другим примером является аэробная фототрофная бактерия
Citromicrobium bathyomarinum из класса «Alphaproteobacteria»').

Физиологические особенности. Мезофилы с оптимумом роста 15-25°С. Нейтрофилы, оп-
тимальный pH 6,5-7,0.

Род Prosthecochloris

Название этого рода отражает наличие выростов-простек и цвет клеток (греч.
prostecomai — быть приросшим к чему-либо; «зеленая простекобактерия»).

В случае «зеленых» видов главными каротиноидами служат родопин и ликопин,
«коричневых» — изорениератин.

Строение. Сферические клетки (0,5-1,2) X (0,3-0,7) мкм. Образуют неветвящиеся короткие
простеки, закругленные и слегка утолщенные на концах. Одиночные клетки, а также нерегулярные
агрегаты или цепочки. Образуют микрокапсулы и внеклеточную слизь. Размножаются бинарным
эквивалентным или неэквивалентным делением (почкованием).

Физиологические особенности. Не используют ЗгОз2-. Мезофилы с оптимумом 25-35°С.
Нейтрофилы, оптимальный pH 6,7-7,0. Умеренные галофилы; растут в среде, содержащей до 3,4 М
NaCl.

7.2.2.12. Фила BXII Proteobacteria

Название происходит от имени древнегреческого божества — Протея (лат.
Proteus), которому приписывали способность принимать любые обличья.

Это самая крупная бактериальная фила (404 рода), содержащая очень богатый
ассортимент фенотипов. Среди протеобактерий не обнаружены только объекты:

— с грамположительным морфотипом;

— лишенные клеточной стенки;

— обладающие оксигенным фотосинтетическим аппаратом;

— образующие эндоспоры.

В филе BXII Proteobacteria можно найти почти все встречающиеся у других
прокариотов:

— размерные категории;

— варианты внешней формы;

— ультраструктурные детали;

— способы размножения;

— типы подвижности.

В этой филе встречаются все известные варианты энергетического и конструк-
тивного метаболизма. Среди протеобактерий есть фототрофы и квази-фототро-
фы, хемолитотрофы, автотрофы и гетеротрофы по углероду (и/или азоту), а
также хемоорганогетеротрофы дыхательного и бродильного типа, в том числе
паразиты.

Протеобактерий могут образовывать многоклеточные агрегаты и дифференци-
рованные клетки (цисты).

У протеобактерий обнаружены почти все известные у бактерий формы соци-
ального поведения и типы симбиозов. Они могут адаптироваться и к умеренным,
и к экстремальным условиям окружающей среды. За счет исключительно широ-
кой «коллективной» нормы реакции генотипа представители этой филы занимают
большинство ниш, пригодных для жизни бактерий.

Благодаря своему разнообразию, высокой численности и широкому распростра-
нению протеобактерий играют одну из главных ролей в циклах биогенных элемен-
тов. Они имеют большое значение в биотехнологии (примером может служить про-
дуцент этанола Zymomonas mobilis), но в то же время могут приносить вред в ка-
честве возбудителей заболеваний человека, животных и растений.

Фила BXII Proteobacteria состоит из пяти сильно дивергировавших филогенети-
ческих классов, которые получили условные названия по первым буквам греческого
алфавита, и 33 порядков. За исключением класса «Epsilonproteobacteria», все они
«парадоксальны ».

Класс I «Alphaproteobacteria»

Состоит из шести порядков:

— I Rhodospiriltales (сем. Rhodospirillaceae, 22 рода; сем. Acetobacteraceae, 12 родов);

— II Rickettsiales (сем. Rickettsiaceae, 3 рода; сем. Ehrlichiaceae, 5 родов; сем. Holosporaceae,
7 родов);
— Ill «Rhodobacteriales» (сем. «Rhodobacteriaceae», 20 родов);

— IV «Sphingomonadales» (сем. «Sphingomonadaceae», 9 родов);

— V Caulobacteriales (сем. Caulobacteriaceae, 4 рода);

— VI «Rhizobiales» (сем. Rhizobiaceae, 7 родов; сем. Bartonellaceae, 1 род; сем. Brucellaceae,
3 рода; сем. «Phyllobacteriaceae», 6 родов; сем. «Methylocystaceae», 3 рода; сем. «Beijerinckiaceae»,
3 рода; сем. Bradyrhizobiaceae», 8 родов; сем. Hyphomicrobiaceae, 19 родов; сем. «Methylobacteria-
сеае», 3 рода; сем. «Rhodobiaceae», 1 род).

Класс II «Betaproteobacteria»

Состоит из шести порядков:

— I «Burkholderiales» (сем. «Ralstoniaceae», 1 род; сем. «Oxalobacteraceae», 5 родов;
сем. Alcaligenaceae, 6 родов; сем. Comamonadaceae, 15 родов);

— II «Hydrogenophilales» (сем. «Hydrogenophilaceae», 2 рода);

— III «tMethylophilales» (сем. «Methylophilaceae», 2 рода);

- IV «Neiss eriales» (сем. Neisseriaceae, 14 родов);

— V « Nitrosomonadales» (сем. Nitrosomonadacae, 4 рода; сем. Spirillaceae, 4 рода;
сем. Gallionellaceae, 1 род);

— VI «Rhodocy dales» (сем. «Rhodocyclaceae», 6 родов).

Класс III « Gammaproteobacteria»

Состоит из 13 порядков:

— I «Chromatiales» (сем. Chromatiaceae, 22 рода; сем. Ectothiorhodospiraceae, 5 родов);

— II «Xanthomonadales» (сем. «Xanthomonadaceae», 8 родов);

— III «Cardiobacteriales» (сем. Cardiobacteriaceae, 3 рода);

— IV «Thiotrichales» (сем. «Thiotrichaceae», 9 родов; сем. «Piscirickettsiaceae», 5 родов;
сем. «Francisellaceae», 1 род);

— V «Legionellales» (сем. Legionellaceae, 1 род; сем. «Coxiellaceae», 2 рода);

— VI «Methylococcales» (сем. «Methylococcaceae», 6 родов);

— VII *Oceanospirillales» (сем. «Oceanospirillaceae», 6 родов; сем. «Halomonadaceae», 6 ро-
дов);

— VIII Pseudomonadales (сем. Pseudomonadaceae, 15 родов; сем. Moraxellaceae, 3 рода);

— IX «Alteromonadales» (сем. «Alteromonadaceae», 11 родов);

— X « Vibrionales» (сем. « Vibrionaceae», 6 родов);

— XI «Aeromonadales» (сем. «Aeromonadaceae», 3 рода; сем. Succinivibrionaceae, 4 рода);

— XII «Enterobacteriales» (сем. Enterobacteriaceae, 41 род);

— XIII «Pastewrellales» (сем. Pastewrellaceae, 6 родов).

Класс IV «Deltaproteobacteria»

Состоит из семи порядков:

— I «Desulfurellales» (сем. «Desulfurellaceae», 2 рода; сем. «Desulfobulbaceae», 4 рода;
сем. «Desulfoarculaceae», 4 рода);

— II « Desulfovibrionales» (сем. « Desulfovibrionaceae», 3 рода; сем. « Desulfomicrobiaceae»,
1 род; сем. «Desulfbhalobiaceae», 3 рода);

— III «Desulfobacterales» (сем. «Desulfobacteraceae», 12 родов; сем. « Desulfobulbaceae», 4 рода;
сем. «.Desulfoarculaceae», 4 рода);

— IV «Desulfuromonadales» (сем. «Desulfuromonadaceae», 2 рода; сем. «Geobacteraceae»,
1 род; сем. «Pelobacteraceae», 2 рода);

— V «Syntrophobacterales» (сем. «Syntrophobacteraceae», 4 рода; сем. «Syntrophaceae», 2 ро-
да);

— VI «fBdellovibrionales» (сем. «В dello vibrionaceae», 3 рода);

— VII Myxococcales (сем. Мухососсасаеае, 2 рода; сем. Archangiaceae, 1 род; сем. Cystobactera-
сеае, 3 рода; сем. Polyangiaceae, 3 рода).

Класс V «Ерsilionprоteobacteria»

Состоит из единственного порядка I « Campylobacteriales» (сем. Campylobacteraceae, 4 рода;
сем. «Helicobacteraceae», 2 рода).
Фенотипы протеобактерий подразделяются на 11 групп, которые частично сов-
падают с «Секциями» в первом издании «Руководства Берги по систематике бак-
терий (см. раздел 2.2). Поскольку учебник не вместил бы описание всех 404 родов,
приводим эти группы только с отдельными примерами.

1. Аноксигенные фототрофы (пурпурные бактерии) и
квази-фототрофы (аэробные фототрофные бактерии):

— род Amoebobacter (сем. Chromatiaceaey род Rhodomicrobium (сем. Hyphomicro-
biaceae);

— род Erythrobacter (сем. «Sphingomonadaceae»).

Пурпурные бактерии обитают в водоемах. Это облигатные или факультативные фототрофы с
реакционным центром RCII-типа, в состав которого входит бактериохлорофилл а или b (см. II том
учебника). Основной светособирающий комплекс интегрального типа так же, как и реакционный
центр, содержит бактериохлорофилл а или Ь. Биосинтез бактериохлорофилла ингибируется при
повышенном парциальном давлении кислорода, а также при высокой интенсивности света, однако
в этих двух случаях регуляторные механизмы различаются. Фототрофия аноксигенного типа. При
фотолитотрофии донором электронов служат S2- 3 4 5 6 и другие восстановленные соединения серы. В
результате их окисления у пурпурных «серных» бактерий в качестве промежуточного продукта
образуется S0, которая откладывается в периплазматическом компартменте в виде серных глобул
(см. раздел 8.4.4.1) или внеклеточно. Пурпурные «несерные» бактерии редко используют восста-
новленные соединения серы и окисляют их без промежуточного образования S0; при фотолито-
трофии донорами электронов у них служит молекулярный водород или катион Fe2+, а при фото-
органотрофии органические кислоты, сахара, спирты и другие простые органические субстраты.
Пурпурные бактерии — это фотоавтотрофы, ассимилирующие СОг в «цикле Кельвина—Бенсона—
Бессема», или фотогетеротрофы. У них крайне редко наблюдается факультативный хемолитоавто-
трофный рост. Некоторые пурпурные «несерные» бактерии являются факультативными аэробами
и получают энергию за счет хемоорганогетеротрофии дыхательного типа. Многие пурпурные бак-
терии способны к диазотрофии.

Аэробные фототрофные бактерии отличаются от пурпурных бактерий тем, что для них фото-
трофия не служит единственным или основным типом энергетического питания. Они в первую оче-
редь хемоорганогетеротрофы и переходят на фототрофию из-за отсутствия органических субстра-
тов, чтобы преодолеть энергетический стресс (квази-фототрофия). При этом фотосинтетический
аппарат образуется только в присутствии молекулярного кислорода на фоне периодического осве-
щения. В анаэробных условиях, а также при постоянном освещении фотосинтетическая электрон-
транспортная цепь у них не функционирует (см. II том учебника). «Портативный» фотосинтети-
ческий аппарат аэробных фототрофных бактерий содержится в везикулярных хроматофорах. По
молекулярному строению он почти идентичен фотосинтетическому аппарату пурпурных бактерий.

2. Хемолитотрофы; окисляют нитрит, серу или оксид углерода:

— род Nitrococcus (сем. Ectothiorhodospiraceae)-,

— род Thiobacillus (сем. «Hydrogenophilaceae»);

— род Zavarzinia (сем. Acetobacteraceae).

3. Диазотрофы:

— род Azotobacter (сем. Pseudomonadaceae)\ род Derxia (сем. «Beijerinckiaceae»).

4. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием; палочки и кокки;
плавают при помощи жгутиков; есть патогенные формы:

— род Gluconobacter (сем. Acetobacteraceae)-, род Pseudomonas (сем. Pseudomona-
daceae)-, род Neisseria (сем. Neisseriaceae).

5. Хемоорганогетеротрофы с аэробным или анаэробным дыханием
(образующие чехол «хламидобактерии»):

— рода Leptothrix и Sphaerotilius (сем. Comamonadaceae).

6. Хемоорганогетеротрофы с анаэробным серным или сульфатным
дыханием-, палочки; плавают при помощи жгутиков или лишены по-
движности:
— род Desulfuromonas (сем. «Desulfuromonadaceae»)-, род Desulfobacter (сем. «De-
sulfobacteraceae»).

7. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием или с брожением-,
палочки; плавают при помощи жгутиков или лишены подвижности;
есть патогенные формы:

— рода Escherichia и Yersinia (сем. Enterobacteriaceae)-, род Zymomonas (сем.
« Sphingomonadaceae »).

8. Хемоорганогетеротрофы; облигатные цитоплазматические или
внутриядерные симбионты; есть патогенные формы:

— род Coxiella (сем. «Coxiellaceae»)-, род Rickettsia (сем. Rickettsiaceae)-, род
Holospora (сем. «Holosporaceae»).

9. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием или брожением;
спиральной формы; плавают при помощи жгутиков; есть патогенные
формы:

— род Vibrio (сем. Vibrionaceae)-, род Spirillum (сем. Spirillaceae).

10. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием; передвигают-
ся путем скольжения; не образуют или образуют плодовые тела
(«флексибактерии» и «миксобактерии»):

— род Lysobacter (сем. «Xanthomonadaceae»)-, род Myxococcus (сем. Мухососсасае\,
род Chondromyces (сем. Polyangiaceae).

11. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием; на расселитель-
ной стадии диморфного клеточного цикла плавают при помощи жгу-
тиков (почкующиеся бактерии и «простекобактерии»):

— род Caulobacter (сем. Caulobacteraceae)-, род Hyphomicrobium (сем. Нуphomicro-
Ыасеае).

Можно также назвать множество промежуточных групп, в которых ключевые
физиологические признаки комбинируются с морфологическими (например, фото-
трофная почкующаяся простекобактерия Rhodomicrobium vannielii, хемолитотроф-
ная флексибактерия Beggiatoa alba, симбиотические диазотрофы рода Rhizobium и
Т.Д.).

В большинстве случаев филогенетическая классификация протеобактерий не со-
гласуется с их фенотипической классификацией, что служит ярким примером па-
радоксальной стуктуры домена Bacteria.

7.2.2.13. Фила ВХШ Firmicutes

Название по латыни буквально означает «толстокожие», т. е. это бактерии, име-
ющие толстую клеточную стенку. Оно происходит от термина, который ввели
канадские микробиологи Нил Гиббонс (N. Gibbons) и Роберт Мюррей (R. Murray) в
1978 г. (см. раздел 8.1.1). Большинство представителей этой филы обладает грампо-
ложительным морфотипом. Некоторые из них способны образовывать уникальные
дифференцированные клетки — эндоспоры.

Это очень крупная фила. Хотя по числу родов (164) она почти вдвое уступает
филе ВХП Proteobacteria, ей нет равных по богатству фенотипов (16 основных групп
и множество промежуточных), и она вполне могла бы претендовать на название
«протеобактерий».

Среди фирмикутных бактерий не обнаружены только объекты:
— обладающие оксигенным фотосинтетическим аппаратом;

— содержащие ICM;

— образующие простеки;

— размножающиеся почкованием.

В филе ВХШ Firmicutes можно найти большинство существующих у прокарио-
тов:

— размерных категорий;

— вариантов формы;

— ультраструктурных деталей;

— способов размножения;

— типов подвижности.

В этой филе встречаются все варианты энергетического и конструктивного ме-
таболизма. Среди ее представителей есть фототрофы, хемолитотрофы, автотрофы
и гетеротрофы по углероду (и/или азоту), а также хемоорганогетеротрофы дыха-
тельного и бродильного типа, в том числе паразиты.

Фирмикутные бактерии могут образовывать многоклеточные агрегаты и диф-
ференцированные клетки (эндоспоры).

У них обнаружены почти все известные у бактерий формы социального пове-
дения и типы симбиозов. Они могут адаптироваться и к умеренным, и к экстре-
мальным условиям окружающей среды. За счет исключительно широкой «коллек-
тивной» нормы реакции генотипа представители этой филы занимают большинство
ниш, пригодных для жизни бактерий.

Благодаря разнообразию и высокой численности, а также широкому распростра-
нению фирмикутные бактерии играют одну из главных ролей в биосфере. Вместе с
актинобактериями, протеобактериями и цианобактериями они контролируют циклы
биогенных элементов. Некоторые из них служат «рабочими лошадками» биотехно-
логии (достаточно назвать молочнокислых бактерий из пор. Lactobacillales). В то
же время многие являются патогенами человека, животных и растений.

Фила ВХШ Firmicutes состоит из трех сильно дивергировавших филогенетиче-
ских классов и 9 порядков. За исключением четырех порядков класса «Mollicutes»,
все они «парадоксальны».

Класс I «Clostridia»

Название происходит от типового рода Clostridium (греч. clothes — веретено и eidos - вид; «ве-
ретеновидный микроорганизм»). Он состоит из трех порядков:

— I Clostridiales (сем. Clostridiaceae, 11 родов; сем. «Lachnospiraceae», 11 родов; сем. «Pepto-
streptococcaceae», 5 родов; сем. «Eubacteriaceae», 3 рода; сем. «Peptococcaceae», 17 родов;
сем. «Heliobacteriaceae», 3 рода; сем. «Acidimicrobiaceae», 14 родов; сем. «Syntrophomonadaceae»,
13 родов);

— II « Thermoanaerobacteriales» (сем. Thermoanaerobacteriaceae, 7 родов);

— Ill Haloanaerobiales (сем. Haloanaerobiaceae, 4 рода; сем. Halobacteroidaceae, 5 родов).

Класс II «Mollicutes»

Название по латыни означает «мягкокожие», т. е. бактерии, не имеющие клеточной стенки. Оно
происходит от термина, который ввели Нил Гиббонс и Роберт Мюррей в 1978 г. (см. раздел 8.1.1).
Класс состоит из четырех порядков:

— I Mycoplasmatales (сем. Mycoplasmataceae, 4 рода);

— II Entomoplasmatales (сем. Entomoplasmataceae, 2 рода; сем. Spiroplasmataceae, 1 род);

— Ill Acholeplasmatales (сем. Acholeplasmataceae, 1 род);

— IV Anaeroplasmatales (сем. Anaeroplasmataceae, 2 рода).
Класс III Bacilli

Название происходит от типового рода Bacillus (лат. bacillum — палочка; «палочковидный мик-
роорганизм»). Он состоит из двух порядков:

— I Bacillales (сем. Bacillaceae, 8 родов; сем. Planococcaceae, 4 рода; сем. Caryophanaceae, 1 род;
сем. «Listeriaceae», 2 рода; сем. «Staphylococcaceae», 3 рода; сем. «Sporolactobacillaceae», 2 рода;
сем. «Paenibacillaceae», 6 родов; сем. «Alicyclobacillaceae», 3 рода; сем. «Thermoactinomycetaceae»,
1 род);

—II «Lactobacillal.es» (сем. Lactobacillaceae, 2 рода; сем. «Аегососсасеае», 7 родов; сем. «Сагпо-
bacteriaceae», 7 родов; сем. «Enterococcaceae», 4 рода; сем. «Leuconostocaceae», 3 рода; сем. «Strepto-
соссасеае», 3 рода).

Фенотипы фирмикутных бактерий подразделяются на 16 групп, которые частич-
но совпадают с «Секциями» в первом издании «Руководства Берги по систематике
бактерий» (см. раздел 2.2). Поскольку учебник не вместил бы описание всех 164 ро-
дов, перечислим эти группы только с отдельными примерами.

1. Аноксигенные фототрофы (гелиобактерии):

— рода Heliobacillus, Heliobacterium, Heliophilium и Heliorestis (сем. «Heliobacte-
riaceae».

Гелиобактерии отличаются от остальных фототрофных бактерий тем, что главной нишей для
них служат не водоемы, а почва (хотя они встречаются на рисовых полях и в термальных источ-
никах с температурой > 50°С, а также в содовых озерах).

Фотосинтетический аппарат гелиобактерий отличается от такового у пурпурных бактерий, зе-
леных бактерий и цианобактерий. Они имеют реакционный центр RCI-типа (см. II том учебника),
в который входят бактериохлорофилл g и гидроксихлорофилл а. Антенна очень маленькая, инте-
грального типа, состоит только из кора и содержит всего 35 молекул бактериохлорофилла д.

Гелиобактериии являются обигатными анаэробами, поскольку в присутствии молекулярного
кислорода бактериохлорофилл g (сходен с хлорофиллом а тем, что содержит винильный остаток
-СН=СН2 в положении 2 первого пиррольного кольца, и с бактериохлорофиллом b тем, что содер-
жит этилиденовый остаток =СН-СНз в положении 4 второго пиррольного кольца) изомеризуется
в хлорофилл а, что приводит к инактивации фотосинтетического аппарата.

Гелиобактерии не ассимилируют неорганический углерод, т. е. являются фотогетеротрофами.
Все они способны к диазотрофии.

Гелиобактерии обладают грамотрицательным морфотипом (кроме Heliophilum fasciaturn) и об-
разуют эндоспоры.

2. Хемолитотрофы; окисляют водород или восстановленные соеди-
нения серы:

— род Acetobacterium (сем. «Eubacteriaceae»)',

— род Sulfobacillus (сем. «Alicyclobacillaceae»).

3. Диазотрофы:

— Clostridium pasteurianum (сем. Clostridiaceae)', все виды сем. «Heliobacte-
riaceae».

4- Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием или брожением;
палочки, кокки или нити; плавают при помощи жгутиков или лишены
подвижности; есть патогенные формы:

— род Bacillus (сем. Bacillaceae)',

— род Staphylococcus (сем. Staphylococcaceae)-,

— род Thermoactinomyces (сем. «Thermoactinomycetaceae»).

5. Хемоорганогетеротрофы с облигатно анаэробным серным, суль-
фитным или сульфатным дыханием; палочки; плавают при помощи
жгутиков или лишены подвижности:

— рода Desulfonispora, Desulfitobacterium, Desulfotomaculum (сем. Peptococcaceae).
6. Хемоорганогетеротрофы с облигатным брожением (не синтези-
руют порфирины); используют сахара или аминокислоты; палочки и
кокки; одиночные или в агрегатах; плавают при помощи жгутиков или
лишены подвижности; есть патогенные формы:

— род Clostridium (сем. «Clostridiaceae»\, род Eubacterium (сем. «Eubacte-
riaceae»y, рода Lactobacillus и Pediococcus (сем. «Lactobacillaceae»\, род Syntropho-
monas (сем. «Syntrophomonadaceae»); род Leuconostoc (сем. «Leuconostocaceae»)', род
Peptococcus (сем. «Peptococcaceae»); род Ruminococcus (сем. «Lachnospiraceae»)-, род
Streptococcus (сем. «Streptococcaceae»')\ род Pep to streptococcus (сем. «Peptostrepto-
соссасеае»У, род Sarcina (сем. « Clostridiaceae»).

7. Хемоорганогетеротрофы с брожением; термофилы и гипертермо-
филы:

— рода Coprothermobacter, Thermoanaerobacter и Thermoanaerobium (сем. «Ther-
moanaerobacteriaceae »).

8. Хемоорганогетеротрофы с дыханием или брожением; галофилы:

— род Haloanaerobium (сем. Haloanaerobiaceae)] рода «Halobacteroides» и «Sporo-
halobacter» (сем. Halobacteroidaceae)\ род «Halothermothrix» (сем. Haloanaerobia-
ceae).

9. Факультативные внутриклеточные паразиты:

— Listeria monocytogenes (сем. «Listeriaceae»').

10. Хемоорганогетеротрофы с брожением; изогнуты в одной плоско-
сти; плавают при помощи жгутиков:

— род Selenomonas (сем. «Acidiaminococcaceae»)} род Anaerovibrio (сем. Peptococ-
сасеаё).

11. Хемоорганогетеротрофы с брожением; спиральной формы:

— рода Butyrivibrio и Lachnospira (сем. «Lachnospiraceae»).

12. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием; передвигаются
путем скольжения; не образуют плодовых тел (флексибактерии):

— род Filibacter (сем. «Р1апососсасеае»\, род Agitococcus (сем. « Camobacteria-
сеае»).

13. Палочки, кокки или ветвящийся септированный мицелий (у тер-
моактиномицетов), образующие эндоспоры:

— род Bacillus (сем. Bacillaceae)\ род Clostridium (сем. Clostridiaceae); род
Sporohalobacter (сем. Halobacteroidaceae); род Sporolactobacillus (сем. «Sporolactobacil-
laceae»); род Sporosarcina (сем. Planococcaceae); род Thermoactinomyces (сем.
« Thermoactinomycetaceae»).

14. Хемоорганогетеротрофы с облигатным аэробным дыханием; па-
лочки с поперечными перегородками:

— род Caryophanon (сем. «Сагуophanaceae»).

15. Хемоорганогетеротрофы с дыханием без участия порфиринов или
с брожением; лишены клеточной стенки (микоплазмы); есть патоге-
ны:

— род Mycoplasma (сем. Mycoplasmataceae); род Acholeplasma (сем. Acholeplasma-
taceae); род Spiroplasma (сем. Spiroplasmataceae).

16. Хемоорганогетеротрофы с облигатным брожением; обладают
грамотрицательным морфотипом; палочки и кокки:

— рода Megasphaera, Phascolarctobacterium и Sporomusa (сем. «Acidaminococca-
ceae»).
Помимо приведенных групп фенотипов, можно назвать множество проме-
жуточных групп, в которых ключевые физиологические признаки комбиниру-
ются с морфологическими (например, диазотрофная спорообразующая бактерия
Clostridium pasteurianum, хемолитотрофная спорообразующая грамотрицательная
бактерия Sporomusa termitidis', мицелиальная спорообразующая термофильная бак-
терия Thermoactinomyces sacchari; фототрофная грамотрицательная спорообразую-
щая бактерия Helobacterium gestii и т. д.).

Фенотипическая классификация фирмикутных бактерий не согласуется с их фи-
логенетической классификацией (за исключением класса «Mollicutes»). Это служит
еще одним ярким примером «парадоксальной» структуры домена Bacteria.

7.2.2.14. Фила BXIV Actinobacteria

Прежнее название—«актиномицеты» (греч. actis — луч и mycos — гриб; «лучи-
стые грибы») происходит от того, что некоторые ее представители являются пато-
генами животных и образуют в пораженных тканях характерные лучистые друзы.
Подобно тому, как цианобактерий считали водорослями, актинобактерий относили
к грибам.

Современный термин «актинобактерии» (греч. actis —луч и bacteria — палка;
«лучистые бактерии») впервые появился во втором издании «Руководства Берги
по систематике бактерий» (2001).

Фила велика по объему (130 родов; третье место среди бактерий) и имеет «па-
радоксальный» состав. В физиологическом и морфологическом отношении актино-
бактерии очень разнообразны. Среди них не обнаружены только объекты:

— с грамотрицательным морфотипом;

— лишенные клеточной стенки;

— обладающие фотосинтетическим аппаратом;

— образующие эндоспоры.

За исключением фототрофии, актинобактерии используют все известные вари-
анты энергетического и конструктивного метаболизма. В этой филе есть хемолито-
трофы, автотрофы и гетеротрофы по углероду (и/или азоту), а также хемооргано-
трофы дыхательного и бродильного типа, в том числе паразиты.

Благодаря своей липофильной клеточной стенке актинобактерии хорошо перено-
сят высушивание. В отличие от большинства бактерий, они могут расти в воздушной
среде. Кроме того, актинобактерии секретируют много экзоферментов, что лежит
в основе их высокой биологической активности.

Актинобактерии могут образовывать многоклеточные агрегаты и резистентные
клетки (т.н. «споры»). У них обнаружены почти все известные у бактерий формы
социального поведения и типы симбиозов.

Актинобактерии адаптируются к умеренным и экстремальным условиям окру-
жающей среды. Хотя они живут в основном в почвах и илах (пресноводных и
морских), среди них встречаются термофилы и даже облигатные экстремальные
галофилы (Actinopoly spora halophila). Благодаря исключительно широкой «коллек-
тивной» норме реакции генотипа представители этой филы занимают большинство
ниш, пригодных для жизни бактерий.

В филу BXIV Actinobacteria входит класс Actinobacteria, который на основе гомо-
логии 16S рРНК подразделяется из 5 подклассов, б порядков и 10 подпорядков. По
аналогии с цианобактериями актинобактерии представляют собой «компактную»
филу, поэтому неизвестно, в какой последовательности дивергировали отдельные
порядки.

Подкласс I Acidimicrobidae, сильно дивергировал с остальными, содержит единственный
порядок Acidimicrobiales с единственным семейством Acidimicrobiaceae (1 род).

Подкласс II Rubrobacteridae, также сильно дивергировал с остальными, содержит единствен-
ный порядок Rubrobacterales с единственным семейством Rubrobacteraceae (1 род).

Подкласс III Coriobacteridae, также сильно дивергировал с остальными, содержит един-
ственный порядок Coriobacteriales с единственным семейством Coriobacteriaceae (1 род).

Подкласс IV Sphaerobacteridae содержит единственный порядок Sphaerobacterales с един-
ственным семейством Sphaerobacteraceae (1 род).

Подкласс V Actinobacteridae содержит порядок I Actinomycetales и порядок II Bifi-
dobact eriales.

Порядок I Actinomycetales состоит из 10 подпорядков:

— I Actinomycinae (сем. Actinomycetaceae, 4 рода);

— II Micrococcineae (сем. Micrococcaceae, 11 родов; сем. Brevibacteriaceae, 1 род; сем. Cellulomona-
daceae, 3 рода; сем. Dermabacteraceae, 2 рода; сем. Dermatophilaceae, 3 рода; сем. Intrasporangiaceae,
5 родов; сем. Jonesiaceae, 1 род; сем. Microbacteriaceae, 10 родов; сем. «Beutenbergiaceae», 1 род;
сем. Promicromonosporaceae, 1 род);

— Ill Corynebacterineae (сем. Corynebacteriaceae, 1 род; сем. Dietziaceae, 1 род; сем. Gordoniaceae,
2 рода; сем. Mycobacteriaceae, 1 род; сем. Nocardiaceae, 2 рода; сем. Tsukamurellaceae, 1 род;
сем. « Williamsiaceae», 1 род);

— IV Micromonosporineae (сем. Micromonosporaceae, 9 родов);

— V Propionibacterineae (сем. Propionibacteriaceae, 5 родов; сем. Nocardioidaceae, 5 родов);

— VI Pseudonocardineae (сем. Pseudonocardiaceae, 11 родов; сем. Actinosynnemataceae, 4 рода);

— VII Streptomycineae (сем. Streptomycetaceae, 3 рода);

— VIII Streptosporangineae (сем. Streptosporangiaceae, 9 родов; сем. Nocardiopsaceae, 2 рода;
сем. Thermomono sporaceae, 3 рода);

— IX Frankineae (сем. Frankiaceae, 1 род; сем. Geodermatophilaceae, 3 рода; сем. Microsphaeraceae,
1 род; сем. Sporichthyaceae, 1 род; сем. Acidothermaceae, 1 род; сем. «Kineosporiaceae», 3 рода);

— X Glycomycineae (сем. Glycomycetaceae, 1 род).

Порядок II Bifidobacteriales содержит единственное семейство Bifidobacteriaceae (3 рода).

Фенотипы актинобактерий подразделяются на две основные группы, каждая из
которых, в свою очередь, состоит из нескольких подгрупп.

В первую группу входят одноклеточные актинобактерии разной формы, в том
числе мицелиальной. Они не образуют спор, и поэтому их традиционно называют
«низшими» актиномицетами (по аналогии с аспорогенными «низшими» грибами).

Ко второй группе относятся мицелиальные актинобактерии, в том числе много-
клеточные, т. е. в гифах образуются внутренние перегородки. Они могут образовы-
вать споры и поэтому их традиционно называют «высшими» актиномицетами (по
аналогии со спорогенными «высшими» грибами).

Образование нитевидных клеток, или гиф не является уникальным свойством актинобактерий.
Такой тип строения встречается у представителей филы ВХП Proteobacteria (р. Hyphomicrobium),
а также филы AI Crenarchaeota (р. Thermofilum).

У высших актинобактерий мицелий бывает стабильным (р. Streptomyces) или фрагментируется
на палочки и кокки (р. Nocardia').

Гифы мицелия обладают способностью к ветвлению, которая может быть выражена в разной
степени. Зачаточное ветвление наблюдается и у плеоморфных низших актинобактерий (например,
у представителей родов Corynebacterium и Mycobacterium).

Гифы содержат много нуклеоидов и растут в апикальной зоне, что не сопровождается клеточ-
ным делением. Они образуют (септированный мицелий) или не образуют (несептированный мице-
лий) внутренние перегородки. Перегородки обычно проходят в поперечном направлении. Если наг
ряду с ними образуются продольные перегородки, гифа превращается в таллом (р. Dermatophilus).

Мицелий растет в толще субстрата, например питательного агара (субстратный мицелий) или
прорастает на его поверхность (воздушный мицелий). Поскольку актинобактерии имеют плотную
липофильную оболочку, воздушные гифы переносят высушивание.
Размножение высших актинобактерий происходит либо в результате фрагментации гиф, либо
в результате дифференциации «спор», которые образуются на гифах субстратного или воздушного
мицелия.

С цитологической точки зрения «споры» — это цисты с утолщенной стенкой и дополнительным
гидрофобным чехлом, на котором иногда образуются шипики или волоски. Споры, не обладающие
подвижностью, называются «конидиями» или «артроспорами», а споры, плавающие при помо-
щи жгутиков—«зооспорами». Они либо открыто располагаются на концах гиф, либо находятся
в мешковидных спорангиях. В первом случае конидии бывают одиночными (р. Micromonospora),
образуют продольную пару (р. Microbispora), короткую цепочку до 20 клеток (р. Nocardia) или
длинную цепочку (р. Actinopolyspord).

В физиологическом отношении актинобактерии подразделяются на две основные
группы.

К первой группе относятся «дыхательные» формы, главной нишей которых явля-
ется аэробная зона почвы. Там они накапливаются в количестве до 106 клеток- г-1.
В основном это высшие актинобактерии (например, представители р. Strepto-
myces).

Ко второй группе относятся «ферментирующие» формы, главной нишей которых
является поверхность тела и ткани животных. В основном это низшие актинобак-
терии (например, представители родов Corynebacterium и Mycobacterium входят в
состав нормальной микробиоты кожи человека, а представители рода Actinomyces
живут в ротовой полости).

Низшие (не образующие спор) актинобактерии

Фенотипы низших актинобактерий подразделяются на, семь подгрупп. Посколь-
ку учебник не вместил бы описание всех родов, перечислим эти группы только с
отдельными примерами.

1. Хемолитоавтотрофы; окисляют серу с помощью кислорода:

— род Acidomicrobium (сем. Acidothermaceae).

2. Хемоорганогетеротрофы с облигатно аэробным дыханием; образу-
ют простеки; размножаются почкованием:

— род Blastococcus (сем. Geothermatophilaceae).

3. Хемоорганогетеротрофы с облигатным аэробным дыханием; оди-
ночные кокки или одиночные правильные палочки:

— род Acidothermus (сем. Acidothermaceae).

4- Хемоорганогетеротрофы с облигатным брожением (не синтезиру-
ют порфиринов); кокки и неправильные палочки; образуют пары, тет-
рады, кубические пакеты или цепочки:

— рода Arthrobacter и Micrococcus (сем. Micrococcaceae).

5. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием или брожением;
одиночные правильные палочки и нити; патогены рыб:

— род Renibacterium (сем. Micrococcaceae).

6. «Коринеформные» бактерии. Хемоорганогетеротрофы с аэробным
дыханием, анаэробным фумаратным дыханием или брожением; непра-
вильные палочки или короткие нити; обладают только зачаточным
ветвлением; есть патогенные формы:

— род Actinomyces (сем. Actinomycetaceae)', род Propionibacterium
(сем. Propionibacteriaceae)', род Bifidobacterium (сем. Bifidobacteriaceae)', род Coryne-
bacterium (сем. Corynebacteriaceae).
7. «Микобактерии». Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием;
палочки или длинные нити; обладают выраженным ветвлением; воз-
душный мицелий не образуется; есть патогенные формы:

— род Mycobacterium (сем.Муcobacteriaceae}.

Высшие (спорообразующие) актинобактерии

Фенотипы высших актинобактерий подразделяются на пять подгрупп. Посколь-
ку учебник не вместил бы описание всех родов, приводим эти группы только с от-
дельными примерами.

1. «Нокардиоподобные» бактерии. Хемоорганогетеротрофы с аэроб-
ным дыханием, реже с брожением; палочки или мицелий, легко рас-
падающийся на палочки и кокки; мицелий ветвящийся, слабо септи-
рованный, в основном субстратный; споры, лишенные подвижности, в
цепочках; есть патогенные формы:

— рода Nocardia и Rhodococcus (сем. Nocardiaceae).

2. «Актинопланеты» (лат. planao — скитаться; «образующий по-
движные споры»). Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием; об-
разуют стабильный, только субстратный мицелий; споры, лишенные
подвижности, одиночные или в цепочках, или зооспоры в спорангиях:

— род Actinoplanes (сем. Micromono sporaceae).

3. Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыханием или брожением; на
концах гиф образуют за счет поперечного и продольного деления споран-
гий-таллом; споры, лишенные подвижности, или зооспоры:

— род Dermatophilus (сем. Dermatophilaceae); род Frankia (сем. Frankiaceae).

4- «Стрептомицеты» (греч. streptos — закрученный; «образующий
спиральные цепочки спор»). Хемоорганогетеротрофы с аэробным дыха-
нием; мицелий стабильный, несептированный, ветвящийся, субстрат-
ный и воздушный; споры, лишенные подвижности, в спирализованных
цепочках:

— род Streptomyces (сем. Streptomycetaceae).

5. «Мадуромицеты» (по названию индийской провинции Мадура, где
распространено заболевание madura foot, возбудителем которого явля-
ются актинобактерии этой группы). Хемоорганогетеротрофы с аэроб-
ным дыханием; мицелий стабильный, септированный, ветвящийся,
субстратный и воздушный; споры, лишенные подвижности, одиночные,
в коротких цепочках или спорангиях:

— род Actinomadura (сем. Thermomonosporaceae).

Подобно цианобактериям, актинобактерии образуют морфологический ряд —от
простых одноклеточных форм до многоклеточных форм с максимально сложным
(для прокариотов) строением. Их фенотипическая систематика также основана на
морфологических признаках. Однако, в отличие от цианобактерий, актинобактерии
разнообразнее в метаболическом отношении, и к ним можно применить многофак-
торный подход, в котором большое внимание уделяется хемотаксономическим при-
знакам. Наряду с молярным %ГЦ-пар учитывается состав хинонов, аминокислот-
ный состав боковых цепей муреина, а также присутствие в клеточной стенке таких
сахаров, как мадуроза (З-О-метил-П-галактоза) и фукоза. Характерным признаком
группы «mycolata» (рода Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia и др.) служат
миколовые кислоты (см. раздел 8.5.2.2).

Актинобактерии являются важными участниками биологического круговорота,
особенно в почвах. Они приносят огромную пользу в биотехнологии. В частности,
виды рода Rhodococcus обеспечивают биоремедиацию; виды родов Bifidobacterium и
Propionibacterium образуют такие ценные молочные продукты, как кефир и швей-
царский сыр; виды рода Brevibacterium продуцируют аминокислоты; виды рода
Streptomyces - антибиотики и т. д.

Наряду с этим актинобактерии наносят большой вред техническим материалам и
процессам (портят резину и машинное топливо, образуют обильную пену в очистных
установках и т.д.).

Среди актинобактерий много патогенов. В частности, они вызывают паршу кар-
тофеля (р. Streptomyces), а также служат агентами таких заболеваний человека, как
актиномикоз, фарингит, эндокардит и парадонтоз (р. Actinomyces), актиномицето-
ма (р. Actinomadura), легочный нокардиоз (р. Nocardia), дифтерит (Corynebacterium
diphtheriae), проказа (Mycobacterium leprae) и туберкулез (М. tuberculosis).

7.2.2.15. Фила BXV Planctomycetes

Названа по типовому роду Planctomyces (греч. planао — скитаться и mycos —
гриб; «планктонная бактерия грибовидной формы»). В ее состав входит единствен-
ный класс «Planctomyces», состоящий из единственного порядка Planctomycetales,
который содержит единственное семейство Planctomycetaceae (рода Planctomyces,
Gemmata, Isosphaera и Pirellula). Согласно результатам филогенетического анали-
за, основанного на секвенировании 16S рРНК, данная фила сильно дивергировала
с другими бактериальными филами.

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Представители родов Gemmata и
Pirellula имеют редко встречающийся у прокариотов признак — квази-эукариотизм (см. раздел
8.3.7). У трех новых видов планктомицетов (Candidatus «Brocadia anammoxidans», Candidatus
<Kuenenia stuttgartiensis» и Candidatus «Scalindua sorokinii»), способных к анаэробному окис-
лению аммиака, есть уникальные мембранные органеллы — анаммоксосомы (см. раздел 8.3.1.11).
Не содержат муреина, роль ригидной стенки выполняет S-слой (см. раздел 8.5.2.3). На поверх-
ности клетки расположены «кратерообразные» структуры (глубина 12 нм, диаметр ~30 нм),
назначение которых неизвестно. Встречаются фимбрии. Сферические, эллипсоидные или кап-
левидные клетки размером 0,5-3,5 мкм. В большинстве случаев образуют наружный фиб-
риллярный стебелек диаметром 0,2-0,3 и длиной 0,2-5 мкм, на конце которого находится
«прикрепительный диск» (англ, holdfast). Иногда он инкрустируется оксидами железа и мар-
ганца. С помощью прикрепительных дисков несколько клеток объединяются в агрегат-розет-
ку. Представители рода Isosphaera стебельков не образуют и связаны в цепочки длиной до
100 клеток. Деление бинарно-неэкивалентное (почкование). Проходят через диморфный кле-
точный цикл, в котором почки приобретают жгутики и становятся расселительными клетка-
ми («швермерами»). Подвижная стадия чередуется со стадией безжгутиковых клеток. Пред-
ставители рода Isosphaera мономорфны, не образуют жгутиков и передвигаются скольже-
нием.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы или хемолитотрофы. Получают энергию за счет аэроб-
ного дыхания или путем анаэробного окисления аммиака.

Физиологические свойства. Облигатные аэробы или анаэробы. Мезофилы с оптимумом
роста ~30°С или термофилы с оптимумом ~55°С. Оптимальный pH 8-9 (реже 6-7). Оптимальная
соленость 0,3-0,8 М NaCl (для морских штаммов).

Ниши. Широко распространены в планктоне пресных водоемов, эстуариев рек и морей, а
также живут в анаэробных илах и анаэробных очистных сооружениях.

Парадоксальность. «Парадоксальная» фила.
7.2.2.16. Фила BXVI Chlamydiae

Названа по типовому роду Chlamydia (греч. chlamys — плащ; «бактерия с по-
кровом»). В нее входит единственный класс «Chlamydiae», состоящий из един-
ственного порядка Chlamydiales с семействами Chlamydiaceae (рода Chlamydia и
Chlamydophila), Parachlamydiaceae (р. Parachlamydia), Simkaniaceae (р. Simkania) и
Waddliaceae (р. Waddlia). По результатам филогенетического анализа, основанного
на секвенировании 16S рРНК, это сильно обособленная группа бактерий.

Строение. Относятся к грамотрицательному морфотипу. Мельчайшие бактерии с редуци-
рованным геномом (см. раздел 8.1.3.5). Не содержат муреина, роль ригидной стенки выполняет
белковый саккулус (см. раздел 8.4.3.2). На поверхность выходят придаточные структуры в виде
рожек, через которые импортируются хозяйские метаболиты (см. раздел 8.6.1). Делятся перетяж-
кой, бинарно-эквивалентно. Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы. «Энергетические паразиты», не имеют собственных
систем для ассимиляции энергии и получают АТФ от клетки-хозяина. Однако сохранили глав-
ные системы конструктивного метаболизма, в частности самостоятельно синтезируют макро-
молекулы.

Физиологические свойства. Облигатные паразиты, размножаются в вакуолях эукариотной
клетки. Название «хламидии» получили из-за окружающей их вакуолярной мембраны. Проходят
через диморфный клеточный цикл. Расселительной стадией являются метаболически неактивные
«элементарные тела» (диаметр 0,2-0,3 мкм, что на грани разрешающей способности светового
микроскопа). Вегетативной стадией служат «ретикулярные тела» (диаметр 0,5-1,5 мкм), которые
размножаются в хозяйской вакуоли, затем превращаются в «элементарные тела» и выходят наружу
путем экзоцитоза.

Ниши. Внутриклеточные паразиты амеб и одни из наиболее распространенных паразитов жи-
вотных; промежуточным хозяином являются птицы. Передаются у человека половым путем. Вы-
зывают артрит, пситтакоз, трахому и заболевания урогенитального тракта, а также конъюктивит
и пневмонию у новорожденных.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.17. Фила BXVII Spirochaetes

Названа по типовому роду Spirochaeta (лат. spira — извив и греч. chaite —гри-
ва; «бактерия, похожая на спиральную щетинку»). В ее состав входит единствен-
ный класс «Spirochaetes», состоящий из единственного порядка Spirochaetales с
семействами Spirochaetaceae (рода Spirochaeta, Borrelia, Brevinema, Clevelandina,
Cristispira, Diplocalyx, Hollandina, Pillotina и Treponema), «Serpulinaceae» (рода
Brachyspira и Serpulina) и Leptospiraceae (рода Leptonema и Leptospira). Согласно
результатам филогенетического анализа, основанного на секвенировании 16S рРНК,
это сильно обособленная линия эволюции бактерий.

Строение. Спирохеты имеют нетривиальные генетические признаки, в частности их рибосом-
ные гены не образуют оперона и рассеяны по всей хромосоме. Представители рода Borrelia имеют
набор хромосом, среди которых есть как циклические, так и линейные. Размер генома варьирует
от 9102 (Т. pallidum') до 5103 т.п.н. (р. Leptospira).

Обладают грамотрицательным морфотипом. Клетки имеют гибкую оболочку и закручены
в спираль, иногда с боковым гребнем (р. Cristispira). Сильно варьируют по размеру — мелкие
клетки у Leptospira (диаметр 0,1 мкм, длина 3-20 мкм) и крупные клетки у рода Spirochaeta
(диаметр 0,3-3,0 и длина 5-250 мкм). Спираль может быть прямой или перегнутой пополам
(сем. «Serpulinaceae»), образует крюки на концах (сем. Leptospiraceae) или сворачивается в сферу.
Клетки одиночные или квази-многоклеточные тела — взаимно перевитые спирали, а также взаимно
перевитые протоплазматические цилиндры внутри общей наружной мембраны.

Имеют 2-100 периплазматических жгутиков (см. раздел 8.6.2.2), которые собраны в «акси-
альную нить» и позволяют плавать в очень вязкой (до 104 мПа-c) среде, где остальные бактерии
практически теряют подвижность. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно.
Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы, используют аминокислоты, углеводы и жирные кис-
лоты. Аэробные представители частично окисляют субстраты через дыхательную цепь, в качестве
побочного продукта образуют ацетат. Анаэробные представители сбраживают субстраты по гли-
колитическому пути, в качестве побочных продуктов образуют ацетат, лактат и этанол.

Физиологические свойства. Аэробы, факультативные анаэробы и анаэробы. Оптимум тем-
пературы 25-40°С; оптимум pH 6,5-7,0. Много некультивируемых форм, особенно среди паразитов.

Ниши. В морской и пресной воде, илах, болотах и термальных источниках. Входят в со-
став нормальной микробиоты членистоногих, моллюсков и млекопитающих (в частности, живут
в ротовой полости человека). Некоторые являются патогенами и вызывают заболевания, которые
разносятся членистоногими (В. recurrentis-, возвратный тиф), а также венерические заболевания
(Т. pallidum-, сифилис).

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.18. Фила BXVIII Fibrobacteres

Названа по типовому роду Fibrobacter (лат. fibra — волокно и греч. bacteria —
палка; «бактерия, растворяющая растительные волокна»). В нее входит единствен-
ный класс «Fibrobacteres», состоящий из единственного порядка «Fibrobacterales» с
единственным семейством «Fibrobacteraceae» (р. Fibrobacter).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Кокки, эллипсоидные клетки или ко-
роткие палочки диаметром 0,8 и длиной 1,5 мкм (одиночные, в парах или цепочках), а также плео-
морфные клетки. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно. Лишены подвижности или плавают
при помощи перитрихальных жгутиков.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофного типа. Гидролизуют целлюлозу до глюкозы, кото-
рую сбраживают по гликолитическому пути; в качестве конечных продуктов образуют ацетат,
лактат и сукцинат.

Физиологические свойства. Облигатные анаэробы. Мезофилы с оптимумом роста 40°С.
Оптимальный pH 6-6,5.

Ниши. В пищеварительном тракте травоядных животных, где прикрепляются к стенкам рас-
тительных клеток и их разрушают.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.19. Фила BXIX Acidobacteria

Названа по типовому роду Acidobacter (лат. acidus — кислый и греч. bacteria —
палка; «ацидофильная палочка»). В нее входит единственный класс «Acidobacteria»,
состоящий из единственного порядка «Acidobacteriales» с единственным семейством
«Acidobacteriaceae» (рода Acidobacterium, Geothrix и Holophaga).

В основном некультивируемые формы. Согласно результатам анализа «природ-
ной» ДНК, распространены исключительно широко.

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Палочки (одиночные, в парах или
цепочках) диаметром 0,1-0,8 и длиной 1-2,5 мкм. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно.
Лишены подвижности или плавают при помощи перитрихальных жгутиков. Иногда образуют кап-
сулу.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы. Получают энергию за счет дыхания, используя в ка-
честве терминального акцептора электронов молекулярный кислород (р. Acidobacterium) и Fe3+
(р. Geothrix), а также за счет брожения (рода Geothrix и Holofaga). При дыхании субстратами
служат карахмал, сахара, органические кислоты (ацетат, лактат, пропионат, сукцинат, фумарат)
или ароматические соединения, которые полностью окисляются до СОг- При брожении субстра-
тами служат органические кислоты и ароматические соединения; в качестве конечных продуктов
образуются СО2 и Н2.

Физиологические свойства. Облигатные аэробы (р. Acidobacterium) или облигатные анаэро-
бы (рода Geothrix и Holofaga). Мезофилы с оптимумом 35-40°С. Умеренные ацидофилы, оптимум
pH 3-6.
Ниши. Судя по результатам анализа «природной» ДНК, представители этой филы исключи-
тешьно широко распространи и обитают в лесных и луговых почвах, тундре, пресноводных илах
или морском бактериопланктоне (на глубине до 1 км), а также в горячих источниках, залежах
сульфидных минералов и угольных пластах.

Парадоксальность. Умеренно «парадоксальная» фила.

7.2.2.20. Фила ВХХ Bacteroidetes

Большая и «парадоксальная» фила (49 родов; пятое место среди бактерий), со-
стоящая из трех филогенетических классов.

Названа по типовому роду Bacteroides (греч. bacteria — палка и eidos — вид; «мик-
роорганизм, похожий на бактерию»).

Класс I «Bacteroides»

В этот класс входит единственный порядок «Bacteroidales» с семействами
Bacteroidaceae (6 родов), «Rickenellaceae» (2 рода) и «Porphyromonadaceae» (1 род).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Палочки диаметром 0,5-1 мкм и дли-
ной 1-20 мкм; одинаковой толщины или со вздутиями; прямые, искривленные или спирализован-
ные. Одиночные, в парах или в цепочках. Деление бинарно-эквивалентное. В основном лишены
подвижности, хотя встречаются представители со жгутиками.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы. Получают энергию за счет анаэробного нитратного
или фумаратного дыхания, а также с помощью брожения, используя в качестве экзогенных суб-
стратов углеводы и пептиды. Побочными продуктами служат органические кислоты (ацетат, лак-
тат, пропионат, сукцинат и формиат).

Физиологические свойства. Облигатные анаэробы. Температурный оптимум роста 35-37°С.
Нейтрофилы или умеренные ацидофилы, оптимальный pH 5,5-6,0.

Ниши. Пищеварительный тракт насекомых и млекопитающих. Самые многочисленные пред-
ставители нормальной микробиоты ротовой полости, кишечника и мочеполовой системы человека.
Могут вызывать абсцессы.

Класс II «Flavobacteria»

Название происходит от типового рода Flavobacte-rium (лат. flavus —желтый
и греч. bacteria — палка; «палочка желтого цвета»). Состоит из единственного
порядка «Flavobacteriales», содержащего семейства Flavobacteriaceae (14 родов),
«Myroidaceae» (1 род) и «Blattabacteriaceae» (1 род).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Палочки или коккобациллы диамет-
ром 0,5-0,7 и длиной 1-3 мкм; одиночные или в цепочках. Деление бинарно-эквивалентное. Лише-
ны подвижности или образуют перитрихальные жгутики, некоторые представители передвигаются
скольжением. Часто содержат желто-оранжевые пигменты.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с метаболизмом строго дыхательного типа.

Физиологические свойства. Облигатные аэробы. Температурный оптимум роста 25-30° С;
оптимум pH 7,0-7,5.

Ниши. Широко распространены в почвах, илах, а также в пресной и морской воде. Пред-
ставители семейства «Blattabacteriaceae» являются облигатными внутриклеточными паразитами
беспозвоночных, в частности таракана Blatta orientalis.

Класс III «Sphingobacteria»

Название объясняется тем, что в мембранах типового рода Sphingobacterium со-
держатся сфинголипиды, типичные для нервной ткани, однако довольно редкие у
бактерий.

Сфинголипиды являются «гибридными» липидами (лат. sphinx — сфинкс; мифическое суще-
ство с телом льва и головой человека, иногда крылатое). Они состоят из двухатомного Сщ-амино-
спирта сфингозина, остатка жирной кислоты, фосфорильной группы и остатка холина. Помимо се-
мейства «Sphingobacteriaceae», они встречаются у отдельных представителей класса «Bacteroides»,
а также у Sphingomonas (класс «Alphaproteobacteria»), Vitreoscilla (класс «Betaproteobacteria»),
Beggiatoa и Lysobacter (класс «Gammaproteobacteria»).

В данный класс входит единственный порядок «Sphingobacteriales» с сем. «Sphin-
gobacteriaceae» (2 рода), «Saprospiraceae» (3 рода), «Flexibacteraceae» (10 родов),
«Flammeovirgaceae» (4 рода) и Crenotrichaceae (4 рода).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Делятся бинарно-эквивалентно.

Типичные представители семейства «Flexibacteriaceae» представляют собой гибкие палочки,
иногда с заостренными концами, диаметром 0,3—0,8 и длиной 1,5-15 мкм (р. Cytophagd) или 50-
100 мкм (р. Flexibacter). Передвигаются путем скольжения. В отличие от скользящих миксобак-
терий (класс «Deltaproteobacteria»), не образуют плодовых тел. Часто содержат желто-оранжевые
пигменты.

Типичные представители семейства Crenotrichaceae (р. Crenothrix') —это цилиндрические клет-
ки диаметром 0,6-5 мкм. Лишены подвижности. Цепочка клеток длиной до 1 см окружена общим
чехлом, инкрустированным оксидами железа и марганца.

Типичные представители семейства «Saprospiraceae» — спирализованные трихомы, в состав ко-
торых входят до 500 клеток диаметром 0,5-3 и длиной 1,5-5,5 мкм. Трихом не образует чехла и
передвигается путем скольжения.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы с метаболизмом аэробного дыхательного типа или бро-
дильного типа.

Физиологические свойства. Облигатные аэробы. Температурный оптимум роста 20-35°С;
оптимум pH 7,0-7,5.

Ниши. Широко распространены в почвах, илах, а также в пресной и морской воде.

7.2.2.21. Фила BXXI Fusobacteria

Названа по типовому роду Fusobacterium (лат. fusus — веретено и греч. bacteria —
палка; «веретеновидная палочка»). В нее входит единственный класс «Fusobacteria»,
состоящий из единственного порядка «Fusobacteriales» с единственным семейством
«Fusobacteriaceae» (рода Fusobacterium, Ilyobacter, Leptotrichia, Propionigenium,
Sebaldella и Streptobacillus).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Веретеновидные палочки (одиноч-
ные, в парах и цепочках) диаметром 0,3-0,7 и длиной 0,7-1,5 мкм, а также плеоморфные коккоба-
циллы. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно. Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы. Сбраживают углеводы по гликолитическому пути, об-
разуя в качестве конечных продуктов органические кислоты (ацетат, бутират, лактат, пропионат,
сукцинат и формиат).

Физиологические свойства. Обигатные анаэробы. Температурный оптимум 37°С. Оптимум
pH 7,0.

Ниши. В составе нормальной микробиоты ротовой полости и пищеварительного тракта прима-
тов, кошачьих и парнокопытных. Могут проявлять патогенность — вызывают воспаление рыхлой
соединительной ткани, а также абсцессы, в частности, после кошачьих и собачьих укусов.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.22. Фила BXXII Verrucomicrobia

Названа по типовому роду Verrucomicrobium (лат. verruca — бугорок и
microbium — мельчайшее живое существо; «микроорганизм с простеками»). В нее
входит единственный класс « Verrucomicrobia», состоящий из единственного поряд-
ка «Verrucomicrobial.es» с единственным семейством «Verrucomicrobiaceae» (рода
Verrucomicrobium и Prosthecobacier).
В основном некультивируемые формы. Судя по результатам анализа «природ-
ной» ДНК, распространены исключительно широко. Составляют 1-10% почвенной
микробиоты (до 108 клеток-г-1) и очень важны в экологическом плане.

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Представители рода Verrucomicro-
Ыит — палочки или овоидные клетки (одиночные и в парах) диаметром ~1 мкм и длиной ~1,5 мкм,
имеют множество простек, равномерно распределенных по поверхности клетки, или лишены про-
стек. Деление перетяжкой, бинарно-эквивалентное (в отсутствие простек), а также бинарно-неэк-
вивалентное путем образования почек на теле клетки или на концах простек.

Представители рода Prosthecobacter - веретеновидные клетки диаметром ~0,7 мкм и длиной
~8 мкм, образуют на одном из концов клетки простеку с уникальным терминальным бульбовид-
ным утолщением. В отличие от представителей рода Caulobacter (класс «Alphaproteobacteria»),
которые делятся асимметрично с образованием перитрихальной расселительной клетки-швермера
и сидячей клетки с полярной простекой (диморфный клеточный цикл), простекобактеры делят-
ся симметрично, так что у обеих дочерних клеток оказывается по одной простеке (мономорфный
клеточный цикл). Лишены подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофы. Сбраживают разнообразные сахара.

Физиологические свойства. Анаэробы, факультативные анаэробы и аэробы. Температур-
ный оптимум роста 25°С; оптимум pH 4-7.

Ниши. Лесные почвы, пресноводные водоемы, пелагиаль (толща морской воды; греч. pelagos —
море), а также пищеварительный тракт человека.

Парадоксальность. Умеренно «парадоксальная» фила.

7.2.2.23. Фила BXXIII Dictyoglomi

Названа по типовому роду Dictyoglomus (греч. diktyon — сеть и лат. glomus — клу-
бок; «агрегат бактерий в виде сетчатого клубка»). В нее входит единственный класс
«Dictyoglomi», состоящий из единственного порядка «Dictyoglomales» с единствен-
ным семейством «Dictyoglomaceae» (р. Dictyoglomus, представлен единственным ви-
дом D. thermophilum).

Строение. Обладают грамотрицательным морфотипом. Палочки диаметром 0,3-0,4 и длиной
5-25 мкм, а также прямые или изогнутые нити. Делятся перетяжкой, бинарно-эквивалентно. При
неблагоприятных условиях образуют сферические агрегаты (англ, rotund body) диаметром 3-20
мкм, которые окружены общей «мембраной», происходящей от S-слоя. Способ образования агре-
гатов неизвестен: либо клетки делятся внутри S-слоя, либо индивидуальные S-слои сливаются в
одну «мембрану». При распаде агрегата на отдельные клетки каждой из них достается фрагмент
общей «мембраны». Лишен подвижности.

Метаболизм. Хемоорганогетеротрофного типа. Сбраживает глюкозу по гликолитическому
пути, образуя в качестве конечных продуктов ацетат, лактат и этанол.

Физиологические свойства. Обигатный анаэроб. Термофил с оптимумом роста 70-80° С.
Оптимальный pH 7,5.

Ниши. Горячие источники в Японии и Новой Зеландии.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.24. Новая фила «Gemmatimonadetes»

В дополнение к 23 филам бактерий, перечисленным в I томе «Руководства
Берги по систематике бактерий» (2001), в настоящее время описана 24-я фила —
« Gemmatimonadetes».

История ее открытия — поучительный пример того, как новую ветвь эволюци-
онного древа бактерий можно найти буквально «под боком». Новых бактерий чаще
всего открывают, когда они редки или живут в труднодоступных местах. Но бывает
и так, что бактерии с тривиальными фенотипическими признаками «маскируются»
среди представителей, казалось бы, досконально изученной микробиоты.
Новую (24-ю по счету) актуалистическую филу бактерий обнаружили слу-
чайно. Ее единственный представитель имеет тривиальную палочковидную фор-
му. Метаболизм также тривиален — источником энергии и конструктивного мате-
риала служат органические субстраты, энергия ассимилируется путем аэробного
дыхания.

Диагноз филы «Gemmatimonadetes» опубликован только в 2003 г., и поэтому она
не упоминается в I томе «Руководства Берги по систематике бактерий» (2001). Свое
название она получила от единственного рода Gemmatimonas (лат. gemmatus — бу-
горчатый и monas — монада; «подвижный почкующийся микроорганизм»), который
представлен единственным видом G. aurantiaca (лат. aura — золотое свечение; «об-
разует колонии с оранжевой окраской»).

Согласно результатам секвенирования 16S рДНК, типовой штамм Т-27т не име-
ет родственников среди культивируемых бактерий из фил BI-BXXIII, однако объ-
единяется с представителями фантомной филы BD (от англ. Bacteria of Deep sea —
глубоководные бактерии).

Строение. Обладает грамотрицательным морфотипом. Имеет гипертрофированное периплаз-
матическое пространство (другим примером этого является Nitrospira). Делится бинарно-неэкви-
валентно (почкованием). В составе муреина отсутствует ДАП. Среди мембранных липидов преоб-
ладает изо-С15:О жирная кислота, что необычно для грамотрицательных, но свойственно грампо-
ложительным бактериям. Главным хиноном в дыхательной цепи является менахинон. Неспорооб-
разующие прямые палочки (2,5-3,2) х 0,7 мкм. Плавают при помощи жгутиков.

Метаболизм. Хемоорганогетеротроф с дыхательным типом метаболизма, хорошо растет на
дрожжевом экстракте, пептоне, желатине, ацетате, бензоате и сукцинате. Слабо растет на глюкозе,
галактозе, мальтозе, мелибиозе, сахарозе и формиате. Облигатный аэроб. Активно накапливает
полифосфаты.

Физиологические свойства. Мезофил с оптимумом роста 30°С. Оптимальный pH 7.

Ниши. Фантомные представители данной филы, выявленные по клонированным последова-
тельностям рДНК, широко распространены в наземных и морских местах обитания (почвы, соло-
новатые подземные источники, очистные сооружения, прибрежные и глубоководные илы; встреча-
ются в симбиозе с губками). Единственный культивируемый штамм был выделен из биоустановки
для извлечения фосфора из сточной воды.

Парадоксальность. «Непарадоксальная» фила.

7.2.2.25. Фантомные филы бактерий

В настоящее время выявлены 26 актуалистических фил бактерий (см. раздел
7.1). Они состоят как из актуалистических, так и из фантомных объектов. Отно-
сительное количество первых колеблется от 80% (филы ВХШ Firmicutes и BXIV
Actinobacteria) до 3% (фила BXIX Acidobacteria).

Достижением «виртуальной» микробиологии (см. разделы 1.9 и 2.5) является
открытие целого ряда фантомных фил, состоящих только из фантомных бактерий.
В данный момент выявлено 26 фантомных фил бактерий, т. е. ровно столько же,
как актуалистических (см. раздел 7.1). По числу представителей и широте распро-
странения важнейшими из них являются:

— фила OS-К (выявленная при анализе «природной» ДНК из микробного мата
в термальном источнике Octopus Spring в Иеллоустоунеком национальном парке,
США);

— фила Marine Group А (выявленная при анализе «природной» ДНК из бакте-
риопланктона в Тихом океане);

— фила Thermite Group I (выявленная при анализе «природной» ДНК из кишеч-
ника термита Reticulithermes speratus).
К числу недавно выявленных фил относятся ABY1 (планктон и илы озер), BRC1
(рисовые поля), Guayamasl (термальные морские илы), NC10 (затопленные пеще-
ры), NKB19 (глубоководные илы и очистные сооружения), ОР5 и ОР8-11 (гидротер-
мы Йеллоустоунского национального парка), SBR1093 (очистные сооружения), SC3
и SC4 (почвы засушливых территорий), WS1 и WS6 (Западно-Сибирская тундра) и
ряд других.

Отсутствие для прокариотов географических барьеров (см. ниже), высокая про-
никающая способность, связанная с малым размером (см. раздел 8.1.3.3) и особенно
свойство развиваться в узкой зоне хемоклина не позволяют логически вывести фено-
тип фантомных бактерий из физико-химических параметров ниши. Например, тер-
мофилов можно обнаружить в полярных областях, фототрофов — в верхних слоях
почвы, анаэробов — по соседству с аэробами и т. д.

7.3. ГЛОБАЛЬНЫЕ НИШИ ПРОКАРИОТОВ

Прокариоты являются важнейшим элементом биосферы. Благодаря рекордно-
му биоразнообразию, непревзойденной численности и физиологической активности,
за счет высокой скорости роста и размножения они активнее, чем другие формы
жизни, воздействуют на абиотическую среду.

Прокариоты заселяют все пермиссивные ниши — от умеренных и максимально
благоприятных для роста и размножения высших организмов до экстремальных,
которые находятся на грани с абиотическим миром и где могут жить только неко-
торые археи. Разнообразие и взаимозаменяемость типов метаболизма в сочетании со
способностью переходить в резистентное или анабиотическое состояние позволяют
прокариотам адаптироваться к стрессорным факторам окружающей среды, а также
надолго отгораживаться от их воздействия.

Проявлению биологических свойств прокариотов способствует их почти неограниченная ми-
грационная способность. Микроскопический размер (~1 мкм) и очень маленькая масса отдельной
бактерии или археота (~10-12 г) содействуют тому, что они свободно переносятся воздушными по-
токами, водными течениями и мигрирующими животными, а по мере технологического прогресса
цивилизации — транспортными средствами и их пассажирами. На уровне локальных ниш прока-
риоты проявляют очень высокую инвазивность (проникающую способность), что определяется не
только микроскопическим размером, но и подвижностью, а также адгезионными свойствами и
ферментативной активностью.

Для прокариотов практически не существует географических барьеров. Действительно, при
умении и настойчивости исследователь может обнаружить представителя почти любой феноти-
пической группы или любого филогенетического таксона во всех географических областях. Это
справедливо и в отношении фантомных объектов, скрининг которых основан на выявлении по-
следовательностей гена 16S рРНК в «природной» ДНК. По образному выражению голландского
микробиолога Баас-Бекинга «Все бактерии существуют повсеместно, но окружающая среда про-
изводит их отбор». Этим он хотел сказать, что пространственная структура микробных сообществ
зависит только от их экологических свойств.

Прокариотов традиционно считали «идеальными» космополитами. Однако в последнее время
появились данные, что среди них, хотя и редко, но встречаются эндемики. Как известно, простран-
ственная изоляция приводит к дрейфу генов, и в условиях локальной адаптации может способство-
вать дивергенции прокариотов по аналогии с высшими организмами.

В качестве примера симбиотического эндемика можно назвать Synergistes jonesii (см. раздел
7.2.2.9). Мы также упоминали эндемичную цианобактерию G. violaceus (см. раздел 7.2.2.10). Среди
морских психрофильных бактерий существуют как арктические, так и антарктические эндемики.
Наконец, недавно обнаружены популяции археота Sulfolobus, генетический состав которых специ-
фичен не для горячих источников определенного типа, а для разных географических регионов
(Исландия, п-ов Камчатка, США).
Понятие «ниша» содержит в себе двойной смысл — как физический адрес (место
обитания) и как функциональная роль в сообществе (положение в пищевой цепи).
Прокариоты с их фактическим космополитизмом имеют глобальное функциональ-
ное значение. Однако специфика существования отдельных групп прокариотов за-
висит от типовой среды обитания, которая называется «глобальной нишей».

Глобальные ниши прокариотов различаются по размерам, доминирующему аг-
регатному состоянию, анизотропии и основным физико-химическим параметрам, а
также по роли, которую в них играют другие живые организмы.

Глобальные ниши с «вяло выраженными» физико-химическими и трофически-
ми условиями (например, морская вода или почва) не слишком благоприятны для
развития прокариотов. Однако они его и не ограничивают. Поэтому для таких гло-
бальных ниш характерна низкая численность локальных популяций на фоне бога-
того видового разнообразия. В то же время глобальные ниши с «остро выраженны-
ми» физико-химическими и трофическими условиями (например, горячие источни-
ки или инфекционные очаги) характеризуются высокой численностью локальных
популяций при бедном видовом разнообразии.

Глобальные ниши - это основные типы сред, в которых существует биосфера.
Они не только часть пространства со специфическими физико-химическими усло-
виями, но и функциональные системы с циклом биогенных элементов, прежде всего
углерода и азота.

В последнее время часто упоминается термин «вторая биосфера» (см. раздел
7.3.3). Им обозначают подводные оазисы, в которых источником энергии и конструк-
тивного материала служат земные недра. Однако в отличие от истинной биосферы,
они представляют собой локальные экосистемы с упрощенным биологическим цик-
лом.

В свою очередь, термином «третья биосфера» иногда обозначают подземные оа-
зисы (см. раздел 7.3.1). Они также отличаются от истинной биосферы своей локаль-
ностью и упрощенностью биологического цикла.

Мы по отдельности рассмотрим такие глобальные ниши, как земная кора, водо-
емы, почвы и т. д. Но сначала необходимо подчеркнуть одно крайне важное обстоя-
тельство.

Прокариоты — это так или иначе водные микроорганизмы, даже если они жи-
вут в глобальных нишах с твердой консистенцией. Объяснение данного «парадок-
са» заключается в том, что на клеточной мембране должен поддерживаться ос-
мотический градиент протонов или катионов Na+. Кроме того, субстратное пита-
ние прокариотов происходит только осмотрофным способом, т. е. путем поглощения
молекул из водного раствора. Поэтому даже в «твердой» нише прокариоты все-
гда занимают вкрапления водной фазы — полости разного размера, а также пленки
и капилляры.

Особо отметим такую глобальную нишу, как воздушный океан. Она превосходит
другие по размеру и освоена высшими организмами: насекомыми, птицами и, до
известной степени, техногенной цивилизацией. Однако вода, необходимая для пита-
ния прокариотов, присутствует в ней либо в газообразном состоянии, либо в виде
исходно стерильного конденсата (капли тумана и дождя, снег, град).

Есть отдельные сообщения о том, что бактерий можно выделить из стратосфер-
ного воздуха и что они могут размножаться в каплях тумана (см. раздел 6.2). Тем
не менее, воздушный океан для прокариотов — это не «дом», а только транзитная
зона. Конечно, дно атмосферы заселено бактериями и археями, которые эпизоди-
чески доставляются турбулентными потоками с поверхности воды и суши. Однако
оказавшись в этих условиях они «выпадают» из конкретной экосистемы.

Таблица 4- Общая численность прокариотов в глобальных нишах

Глобальная ниша Примерное число клеток
Земная кора 6,310зи
Мировой океан 1,2-1029
Водоемы Озера 2,3-10®
Лед 6,2-Ю24
Дно водоемов 1,710-=»
Почвы 2,610J9
Биопленки —
Филлосфера 1,0-102Ь
Поверхность и пищеварительный тракт животных 5,3-1024
Эукариотная клетка (с учетом митохондрий и пластид) 5,0-1027

Примечание: (-) — данные отсутствуют.

По примерным подсчетам, общее число бактерий в нижнем трехкилометровом
слое атмосферы не превышает 5-1019 клеток, что крайне мало по сравнению с их
численностью в других глобальных нишах (табл. 4).

7.3.1. Земная кора

Земная кора, как и водоемы, по размерам значительно превосходит остальные
ниши. «Подземный» мир начинается на глубине >10 м на суше и на глубине >10 см
на морском дне. Это наиболее заселенная ниша — суммарная численность ее обита-
телей оценивается в 6,3-1О30 клеток (табл. 4).

Микробиологические исследования земной коры вначале ограничивались отно-
сительно неглубоким подпочвенным слоем (10-50 м). Позднее бактерии были обна-
ружены в водозаборных скважинах на глубине до 500 м. Современные возможности
изучения микробных сообществ в пористых породах, содержащих воду в жидком
агрегатном состоянии, прежде всего в водоносных и нефтеносных пластах основаны
на глубинном (>1 км) бурении.

Подземная ниша. Как мы уже отмечали, из-за повышения температуры на
3°С через каждые 100 м органическая жизнь может существовать в земной коре на
глубине не больше 3,5 км (см. раздел 6.2). Показано, что максимальное количество
прокариотов (97%) живет на глубине 10-600 м.

По современным представлениям, в глубинных подземных горизонтах существует аборигенная
экосистема наряду с микроорганизмами, которые доставляются туда с земной поверхности техно-
генным путем. Неясно, откуда взялись эти аборигены. Согласно одной гипотезе, в ходе эволюции
земной коры прокариоты постоянно заносились под землю нагнетаемыми поверхностными водами.
По другой гипотезе, это архаичный биоценоз, который когда-то был захоронен на большой глубине
вместе с органическими остатками и биогенными илами.

В состав подземного прокариотного сообщества входят бактерии и археи. Источ-
ником энергии для них служат неорганические субстраты (хемолитотрофия) или
ископаемые органические субстраты (хемоорганотрофия), а также органические ве-
щества, поступающие с земной поверхности. Не исключена и возможность фото-
трофии за счет инфракрасного излучения недр Земли, или «геотермального света».
Поскольку на глубине нет свободного кислорода, в качестве терминальных акцеп-
торов электронов при дыхании используются сульфат, нитрат или закисное железо.

Наряду с этим электроны могут передаваться биологическим акцепторам, напри-
мер ацетогенным бактериям или метаногенным археям (т.н. «межвидовой перенос
водорода»).

По утилитарным причинам в настоящее время лучше всего изучена микробио-
та нефтяных пластов, которая оказалась многочисленной (до 106 клеток мл-1), но
относительно бедной по видовому составу. Прежде всего это сульфатредуцирующие
и серавосстанавливающие бактерии, бактерии с метаболизмом бродильного типа и
ацетогенные бактерии, а также метаногенные археи. Специфические физико-хими-
ческие условия на большой глубине (высокое гидростатическое давление, низкие
значения pH, высокая температура и соленость) приводят к преимущественному
развитию экстремофилов.

В настоящее время в земной коре обнаружены ацидофильные биопленки, или ав-
тономные микробные сообщества, живущие автотрофно при отсутствии притока с
земной поверхности источников органического углерода и связанного азота. Локаль-
ной нишей для таких оазисов «третьей биосферы» служит рудное тело пирита FeS2-
С помощью метода FISH-гибридизации показано, что основными компонентами та-
ких ассоциаций являются железоокисляющие бактерии из родов Lepto spirillum (фи-
ла BVIII Nitrospirae), Sulfobacillus (фила ВХШ Firmicutes) и Acidimicrobium (фила
BXIV Actinobacteria), а также железоокисляющие археи из рода Ferroplasma (фила
АП Euryarchaeota).

Скалы. Данный тип ниши логически связан с предыдущим. Скалы —это выхо-
дящие на земную поверхность крупные массивы или фрагменты известняка, пес-
чаника, гранита и других твердых пород. Прокариоты, развивающиеся в трещинах
или порах скал, называются «эндолитическими» (греч. endon — внутри и lithos —
камень). Эндолитическая колонизация скал изучена в средиземноморском реги-
оне и полярных областях, саванне, жарких пустынях и вулканических местностях.
В зависимости от способности материала скалы пропускать свет, эндолитические
цианобактерии живут на глубине до 1 см и составляют основу трофического сооб-
щества, в которое наряду с ними входят гетеротрофные бактерии и грибы.

Итогом развития эндолитических бактерий становится биологическое выветри-
вание, которое не зависит от географии места, климата и времени года. Оно служит
одной из причин разрушения диких пород, искусственных сооружений и памятников
архитектуры.

7.3.2. Водоемы

Водоемы представлены Мировым океаном и континентальными водоемами — озе-
рами. Вода в этой нише может находиться как в жидком, так и в твердом агрегатном
состоянии, т. е. в виде льда.

По современным данным, плотность прокариотных популяций в водоемах со-
ставляет 104-107 клеток • мл-1 , а их общая численность достигает 1,2-1029 клеток
(табл. 4).

Мировой океан. Мировой океан покрывает > 70% земной поверхности и имеет
среднюю глубину 5 км. За исключением верхних 250 м, или «эуфотической зоны»,
в которой живут фототрофы (греч. ev — настоящий и phos — свет; «куда проника-
ет дневное освещение»), условия в Мировом океане неблагоприятны для развития
прокариотов.

В эуфотической зоне обитают ~35% прокариотного населения Мирового океана,
и 1/10 часть его приходится на фототрофные бактерии. Средняя плотность попу-
ляций морских бактерий максимальна в эуфотической зоне (5-105 клеток мл-1), а
глубже она составляет ~5-104 клеток-мл-1.

Температура морской воды понижается по мере удаления от экватора, а также с
глубиной. В среднем она близка к 5° С, что приводит к преимущественному разви-
тию психрофилов. Наряду с низкой температурой экстремальными факторами на
больших глубинах являются высокое гидростатическое давление, что приводит к
преимущественному развитию барофилов, а также низкая концентрация питатель-
ных субстратов, что способствует развитию олиготрофов (см. раздел 1.4).

Концентрация свободных органических субстратов в открытой акватории Ми-
рового океана ничтожна (~10-9 М в случае моносахаров и аминокислот). Поэтому
в целом он представляет собой олиготрофную нишу, хотя в устьях рек и в при-
брежной части континентального шельфа морская вода обогащена органическими
субстратами, поступающими с суши, что способствует развитию бактерий-консу-
ментов.

Тем не менее даже в открытом океане существуют зоны скопления органических
субстратов — так называемый «морской снег» (англ, sea snow). Отдельные «снежин-
ки» представляют собой рыхлые агрегаты размером 1-10 мм, состоящие из детрита,
неорганических частиц, а также диатомовых водорослей и других эукариотных мик-
роорганизмов. Гетеротрофные бактерии быстро колонизируют их и размножаются
до концентрации ~109 клеток • мл-1 (на пять порядков выше, чем в окружающей во-
де). Поскольку гетеротрофные бактерии растворяют органический материал быст-
рее, чем они способны его усвоить, за «снежинкой» тянется шлейф из субстратов,
которыми пользуются оказавшиеся рядом бактерии.

В открытом океане пищевая цепь поддерживается в первую очередь бактериаль-
ным фотосинтезирующим планктоном.

Согласно современным представлениям, бактериальный фотосинтезирующий планктон по сво-
ей биопродуктивности превосходит фитопланктон. Особая роль в нем принадлежит морским пи-
копланктонным цианобактериям (исп. pico — малая величина и греч. planao — скитаться). В свою
очередь, среди пикопланктонных цианобактерий максимальной численности достигают способные
к диазотрофии штаммы Synechococcus sp. Для первичной продукции помимо них важны штаммы
Prochlorococcus marinus, географический ареал которых доходит до 40-й параллели по обе сторо-
ны от экватора (продвижение в высокие широты ограничено температурным минимумом роста).
Плотность популяций Р. marinus, заселяющих эуфотическую зону, достигает 2105 клеток мл-1.
Использование этими бактериями механизмов фотоакклиматизации обеспечивает до 80% локаль-
ного биосинтеза органического вещества.

Главным фактором, влияющим на развитие фотосинтезирующего пикопланктона, служит же-
лезо — первичную продукцию лимитирует его присутствие в экстремально низких концентрациях
(< 1 нМ), хотя Мировой океана содержит достаточно других минеральных элементов. В субэкваг
ториальных областях биомасса прокариотного планктона относительно постоянна, тогда как на
удалении от экватора она подвержена сильным сезонным флуктуациям.

Основу биоразнообразия морского планктона составляют криптические и
некультивируемые бактерии из филогенетических кластеров SAR11, 86 и 202 (от
англ. Sargasso Sea). В водах Мирового океана широко распространены фантомные
археи из филы AI Crenarchaeota, но по разнообразию они значительно уступают
бактериям.
Среди культивируемых форм 90% представлены гетеротрофами из фил ВХП
Proteobacteria (в частности, это виды рода Vibrio) и ВХХ Bacteroidetes. Культиви-
руемые грамположительные формы в основном относятся к видам Bacillus (фила
ВХШ Firmicutes) и Arthrobacter (фила BXIV Actinobacteria).

В последние годы из воды субполярных областей выделен ряд новых психро-
фильных бактерий (см. раздел 1.4). Они принадлежат к родам Octadecabacter (класс
«Alphaproteobacteria»), Polaromonas (класс «Betaproteobacteria»), Gelidibacter,
Polaribacter и Psychroflexus (фила BXX Bacteroidetes). Фототрофный бактерио-
планктон в основном состоит из цианобактерий. Недавно установлено, что в него
входят и квази-фототрофные бактерии рода Erythrobacter (до 10% от общей чис-
ленности), а также квази-фототрофные бактерии, содержащие протеородопсин, с
помощью которого они могут ассимилировать световую энергию.

Уникальным сектором Мирового океана является Черное море —самый боль-
шой на планете анаэробный бассейн с преимущественно анаэробной микробиотой.
Его центральная часть насыщена сероводородом и поэтому совершенно безжиз-
ненна.

Континентальные водоемы. В отличие от Мирового океана озера представ-
ляют собой относительно изолированные акватории, разные по объему, солености
и pH, а также по характеру вертикального перемешивания. За исключением особо
мелких полимиктических, или полностью перемешивающихся озер, а также очень
глубоких озер (например, оз. Байкал), они обычно стратифицированы. В частности,
в них различается верхняя, аэробная зона и придонная анаэробная зона, между
которыми расположена переходная зона хемоклина. Прокариоты, развивающиеся
в разных слоях, к ним физиологически адаптированы и совместно осуществляют
замкнутый круговорот биогенных элементов.

Общая численность прокариотов в континентальных водоемах примерно на три
порядка меньше, чем в Мировом океане и оценивается в 2,3-1026 клеток (см. табл. 4)
при средней плотности популяции 106 клеток-мл-1.

Необходимо особо упомянуть реликтовые озера, микробиота которых характери-
зуется пространственной или функциональной изоляцией.

Примерами пространственно изолированных реликтовых озер являются до 80 подледных
озер в Антарктиде. Самое крупное из них — оз. Восток расположено под российской станци-
ей «Восток» (площадь 1,4-104 км2, глубина до 670 м), 0,5 млн лет назад оно было погре-
бено под ледником мощностью ~4 км. Из кернов пакового льда, отобранных из «крыши»
оз. Восток, выделены бактерии, которые оказались представителями филогенетических кластеров
«Methylobacterium» и «Sphingomonas* (фила BXII Proteobacteria'), «Paenibacillus* (фила ВХШ
Firmicutes) и «Brachybacterium» (фила BXIV Actinobacteria). Помимо них путем клонирования
гена 16S рРНК были выявлены фантомные представители филы ВХХ Bacteroidetes. По причине
моратория на отбор воды из оз. Восток состав его прокариотного планктона неизвестен. Бережное
изучение озер такого типа расширит представления о составе архаичных экосистем и биологиче-
ских свойствах их компонентов.

Примером «функционально изолированных» реликтовых озер являются содовые озера, роль
первичных продуцентов в которых играют экстремально алкалифильные цианобактерии и пур-
пурные бактерии (см. раздел 1.4). Изучение биологических особенностей этих прокариотов способ-
ствует пониманию механизмов ранней эволюции органической жизни.

Лед. Морской лед, сосредоточенный на обоих географических полюсах, пред-
ставляет собой самую низкотемпературную нишу на нашей планете (до -35°С). Тем
не менее, в ней живут 6,2-1024 прокариотных клеток (см. табл. 4).

Бактериологический анализ растопленного льда, а также флуориметрические
исследования in situ показали, что гиперпсихрофильные бактерии развиваются в
тончайших прослойках переохлажденного «рассола» между водяными кристалла-
ми. Источниками питания для них служит концентрат растворенных органических
субстратов и мельчайшие частицы детрита. Некоторые из них не только синтезиру-
ют нуклеиновые кислоты и белки при -15°С, но даже обладают подвижностью при
этой температуре.

Помимо морского льда эта ниша представлена снегом, горными ледниками и
озерным льдом, а также льдом вечной мерзлоты в тундре.

7.3.3. Дно водоемов

Дно континентальных водоемов всегда в той или иной степени заилено и служит
трофической нишей для прокариотов с разными типами питания. Толщина слоя ила
колеблется от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров.

То же самое касается морской литорали (в особенности, речных выносов) и при-
брежной части континентального шельфа, где плотность популяций прокариотов в
среднем составляет 4,6-108 клеток-мл-1, а их общая численность 1,7-1028 клеток.
Дно в глубокой части Мирового океана покрыто слоем ила, однако он слабо засе-
лен прокариотами из-за низкой температуры (~5°С), высокого гидростатического
давления (>1 кбар) и низкого содержания органических субстратов. В этих усло-
виях преимущественно развиваются олиготрофы-барофилы с дыхательным типом
метаболизма (кислород хорошо растворяется в холодной морской воде).

На безжизненном глубоководном дне встречаются оазисы — изолированные
участки так называемой «второй биосферы», где в роли консументов выступают
морские беспозвоночные, а первичными продуцентами служат хемосинтезирующие
бактерии.

В конце XIX в. источником образования аммиака и сульфида в микробных сообществах счи-
тали гниение органики (биосинтез этих субстратов в результате диазотрофии и сульфатного ды-
хания, а также их поступление из земной коры во нимание не принимали). С. Н. Виноградский и
его последователи рассматривали хемосинтетиков как «вторичных» продуцентов, а их локальное
развитие — как побочный результат жизнедеятельности бактерий-деструкторов.

Теперь известно, что хемосинтетики могут существовать за счет абиогенных восстановленных
неорганических субстратов в геотермальных зонах, расположенных на суше (Азорские о-ва, Грен-
ландия, п-ов Камчатка и т. д.), а также на морском дне. В частности, в Калифорнийском заливе
обнаружены гигантские популяции трихомной бактерии рода Beggiatoa, которая окисляет сульфид
при помощи молекулярного кислорода или анионов РЮз-.

Открытие «второй биосферы» стало одним из концептуальных достижений биологии конца
XX в. Еще в 1965 г. Хетчинсон (G. Е. Hutchinson) опубликовал книгу по экологии и эволюции,
где высказал предположение о том, что альтернативой солнечной энегрии может быть внутренняя
энергия Земли (т. е. первичную продукцию способен обеспечивать не только фотосинтез, но и хемо-
синтез). Совместными усилиями микробиологов, геохимиков и геофизиков эта гипотеза получила
экспериментальное подтверждение.

В начале 1980-х годов при глубоководных исследованиях на границе взаимодействия текто-
нических плит были обнаружены тепловые аномалии (гидротермальные источники), вокруг кото-
рых сосредоточены популяции моллюсков Bathymodiolus и Calyptogena, а также вестиментиферов
(погонофоров) Riftia. Поскольку возможность фотосинтеза на глубине 1,5-3 км в то время исклю-
чалась, трофическим ресурсом для этих животных стали считать хемосинтез за счет окисления
сульфида в восстановленной геотермальной жидкости. В середине 1980-х годов Хольгер Джэнеш
установил, что глубоководные беспозвоночные живут за счет первичной продукции своих эндо-
цитобионтов — окисляющих серу хемолитоавтотрофных бактерий. В начале 1990-х годов Кэвеноу
(С. М. Cavanaugh) открыл в участках «холодных» подводных газовых выбросов аналогичные ас-
социации двустворчатых моллюсков и других бентосных беспозвоночных, которые используют
продукты биосинтеза эндосимбиотических бактерий, окисляющих метан.
Изучение «второй биосферы» получило новый толчок, когда В. В. Юрков в 1999 г. выделил из
гидротермального источника, расположенного на глубине 2 км на склоне подводного хребта Хуан
де Фука в северо-восточной части Тихого океана, новую бактерию Citromicrobium bathyomarinum.
Инфракрасное излучение, или «геотермальный свет» (А>850 нм) активирует бактериохлоро-
филл а в составе антенного комплекса этой квази-фототрофной бактерии. Хотя конструктивный
метаболизм С. bathyomarinum относится к хемогетеротрофному или фотогетеротрофному типу, она
способна дополнительно ассимилировать внутреннюю энергию Земли.

Экосистемы второй биосферы характеризуются бедным видовым составом и раз-
лучены с «первой биосферой». Они встречаются только в зонах скопления абиоген-
ных неорганических субстратов, которые служат для них источником энергии и
конструктивного материала.

7.3.4. Почвы

Почвы — основное хранилище органического углерода на нашей планете и од-
на из важнейших глобальных ниш. Под воздействием почвенных микроорганизмов
мертвая биомасса (мортмасса) превращается в набор простых органических суб-
стратов и минеральных веществ, которые включаются в пищевые цепи.

Общая численность прокариотов в почве превышает их численность в Мировом
океане и оценивается в 2,6-1029клеток (см. табл. 4). Минимальное количество про-
кариотов содержится в вечнозеленом лесу умеренного климата (3-1026 клеток), а
максимальное — в саванне, диком кустарнике и культивируемых почвах (примерно
по 5-1028 клеток). В зависимости от типа экосистемы, который определяется органо-
минеральным составом почвы, влажностью и температурой, а также антропогенным
фактором, плотность почвенной популяции колеблется в пределах 4-106-2-109 кле-
ток • г-1.

Применительно к почвенным бактериям сохраняет значение классическая кон-
цепция С. Н. Виноградского об автохтонных и аллохтонных формах (см. раздел 1.4).
Биоразнообразие почвенных прокариотов оценивается в несколько тысяч видов, и в
основном это некультивируемые или фантомные формы.

Затопленные почвы. К отдельной категории почвенной ниши относятся за-
топленные почвы — болота, топи и рисовые поля.

Количество прокариотов в болотах и топях оценивается в 7,3-1027 клеток, что
составляет ~3% общей численности почвенной микробиоты (см. табл. 4). Из-за по-
стоянно протекающего анаэробного разложения органики в них создаются условия
для развития умеренно ацидофильных прокариотов, в том числе «гетеротрофных»
метаногенов.

Почва рисовых полей состоит из трех зон — аэробного поверхностного почвенно-
го слоя, анаэробного основного почвенного слоя и корневой зоны, которая, в свою
очередь, подразделяется на ризосферу и ризоплану (см. раздел 7.3.6). При перио-
дическом затоплении рисовых полей в почве создаются анаэробные условия, в кото-
рых развиваются бактерии с бродильным типом метаболизма, бактерии с анаэроб-
ным дыханием и метаногенные археи. Дыхательная минерализация органических
субстратов, которые выделяют корни риса, осуществляется с помощью кислоро-
да (в ризосфере) и с помощью NOg-, SO42- и Fe3+ (в основном почвенном слое).
Поскольку метаногенные археи синтезируют метан из СО2/Н2 или из ацетата, ри-
совые поля являются глобальным источником биогенного метана (см. раздел 6.2).
В верхнем почвенном слое часть метана окисляют облигатно аэробные метанотроф-
ные бактерии (фила ВХП Proteobacterid).
Основу бактериального биоразнообразия рисовых полей составляют культивиру-
емые и фантомные бактерии из фил ВХШ Firmicutes, ВХХ Bacteroidetes и ВХХП
Verrucomicrobia.

7.3.5. Биопленки

Биопленки — это сообщества микроорганизмов, прикрепленных к твердому суб-
страту. Они состоят из представителей одного или разных видов, а несущий субстрат
может быть живого или абиотического происхождения.

С помощью биопленок бактерии колонизируют почвенные частицы, минералы и
строительные материалы, а также ткани животных и растений. Образование биоп-
ленок основано в первую очередь на поведенческом эффекте внутрипопуляционной
коммуникации. Эти динамические и сложно структурированные сообщества харак-
теризуются большой плотностью и высокой физиологической активностью. Важную
роль в адгезии биопленок на поверхности субстрата играют полисахариды чехла и
капсулы.

Стимулом к образованию биопленок служит первичный контакт с питательным
субстратом, центральную роль в котором играют жгутики и фимбрии, в частности
фимбрии IV типа (см. раздел 8.6.6.3).

После прикрепления к субстрату бактерии начинают выделять экзополисахари-
ды (см. раздел 8.5.4.1), которые способствуют адгезии, защищают клетки от высы-
хания и благодаря своей анионной природе концентрируют катионы.

Биопленки, образуемые оральными стрептококками, а также патогенными бак-
териями, например Р. aeruginosa и Vibrio cholerae, обеспечивают устойчивость к ан-
тибиотикам и иммунным системам хозяина.

Биопленки хламидобактерий из «группы Leptothrix-Sphaerotilus» в изобилии об-
разуются на твердых субстратах в богатых железом и марганцем природных нишах
(болотах, местах просачивания грунтовых вод, ручьях и т. д.). Они также типичны
для техногенных сред с аналогичными физико-химическими условиями — для водо-
распределительных и дренажных систем, что приводит к обрастанию внутренней
поверхности труб и их закупорке.

С образованием биопленок тесно связан начальный этап формирования бактери-
альных матов — стратифицированных смешанных макроколоний, которые состоят в
основном из прокариотных организмов.

Бактериальные маты встречаются на дне морских и континентальных водоемов. Они обра-
зуются из цианобактерий, аноксигенных фототрофных бактерий и хемогетеротрофных бактерий.
Биологическое тело мата состоит из горизонтальных слоев толщиной от одного микрометра до
нескольких миллиметров, между которыми происходит обмен растворенными веществами и га-
зами. В толще мата создаются микрониши, где по соседству друг с другом развиваются формы,
осуществляющие специализированные варианты метаболизма — (ан)оксигенную фототрофию, уг-
леродную автотрофию, диазотрофию, (ан)аэробное дыхание и брожение.

Основой бактериальных матов являются цианобактерии. В некоторых случаях они переме-
щаются по поверхности субстрата — характерным примером служит обитатель коралловых рифов
цианобактерия «Phormidium corallyticum». Она образует очень плотные биопленки с анаэробными
микрозонами, где развиваются гетеротрофные бактерии, восстанавливающие сульфат с образова-
нием сероводорода. Этот токсичный агент вызывает заболевание кораллов под названием «черная
лента» (англ, black band) и, в конечном счете, доводит их до гибели.

Бактериальный мат растет по мере развития входящих в его состав микроорганизмов. Пас-
сивное увеличение размера происходит за счет детрита, выпадающего на поверхность мата; кро-
ме того, он подвергается прижизненной или постмортальной минерализации. Мат пропитывается
карбонатами, сульфатами кальция или магния и оксидами железа или марганца. Такие кальци-
фицированные бактериальные маты называются строматолитами (греч. stroma — ложе и lithos —
камень). В настоящее время образование строматолитов наблюдается в разных областях земно-
го шара, в частности в Австралии, на Багамских о-вах и в Антарктиде. Древнейшие ископаемые
строматолиты относятся к Докембрию и имеют возраст до 3 млрд лет (см. раздел 1.8).

7.3.6. Поверхность растений

К числу глобальных ниш относится поверхность корней и листьев растений, а
также примыкающий к ней слой почвы или воды.

Ризосфера и ризоплана. По методическим причинам свободноживующие
формы почвенных бактерий трудно подсчитать отдельно от бактерий, которые тесно
взаимодействуют с корневой системой. Поэтому их обычно суммируют (см. табл. 4).

Между бактериями, ассоциированными с корневой системой растения, и мак-
роорганизмом устанавливается встречный сигналинг, итогом которого становится
тесное трофическое взаимодействие. Бактерии ризосферы (греч. rhiza— корень и
sphaira —шар; «пространство, окружающее корень») расположены на удалении от
поверхности корня, а бактерии ризопланы (греч. rhiza —корень и лат. planites —
плоскость; «поверхность корней») прикреплены к ней.

Некоторые бактерии ризосферы и ризопланы проявляют фитопатогенные свой-
ства и могут проникать внутрь растения (например, Pseudomonas solanacearum).

Филлосфера. Листья наземных и водных растений колонизированы бакте-
риями. В обоих случаях используется стандартный термин «филлосфера» (греч.
phyllon —лист и sphaira —шар; «пространство, окружающее лист»), хотя на самом
деле он применим только к водным растениям. К сожалению, почти не употребляет-
ся термин «филлоплана» (греч. phyllon — лист и лат. planites — плоскость; «поверх-
ность листьев»), хотя он относится к обеим группам растений.

Из-за методических трудностей филлосфера изучена только у наземных расте-
ний. Площадь этой глобальной ниши составляет ~б,4-108 км2. Количество бактерий
в филлосфере наземных растений варьирует в пределах 104—106 клеток • см-2, а их
общая численность оценивается в 1026 клеток (см. табл. 4).

Поверхность листьев наземных растений представляет собой экстремальную ни-
шу, поскольку она подвергается частой смене температур и влажности и в нор-
ме предоставляет мало субстратов для роста бактерий. Чаще всего филлосферные
бактерии являются безвредными эпифитами, тогда как другие обладают фактора-
ми фитопатогенности и могут проникать внутрь растения, переходя в эндофитное
состояние (например, Р. syringae).

Среди биоразнообразия филлосферных бактерий доминируют представители
фил ВХП Proteobacteria, ВХШ Firmicutes, BXIV Actinobacteria и ВХХ Bacteroidetes.

7.3.7. Поверхность тела
и пищеварительный тракт животных

Наружная поверхность тела и пищеварительный тракт животных всегда коло-
низированы прокариотами. В первом случае это преимущественно аэробные орга-
низмы, тогда как во втором случае преобладают факультативно анаэробные и об-
лигатно-анаэробные формы.

Общее число обитателей данной ниши составляет 5,3-1024 клеток (табл. 4).
В целом ее можно рассматривать как благоприятную, но высоко элективную, что в
первую очередь связано с природой накапливающихся в ней субстратов.
В частности, pH нормальной кожи человека лежит в кислой области (4,2-5,6), а ее поверхност-
ные слои обогащены катионами Са2+ и анионами С1_. Среди секретируемых субстратов преоб-
ладают липиды. К данным условиям преимущественно адаптированы представители фил ВХШ
Firmicutes и BXIV Actinobacteria, в частности род Mycobacterium. Плотность бактериальной по-
пуляции на коже человека составляет 103—106 клеток см-2, а их суммарное количество — ЗЮ8
клеток.

Число бактерий в нормальном кишечнике человека, рогатого скота, домашней птицы и насеко-
мых (в первую очередь термитов, глобальная популяция которых насчитывает 2,41017 особей) на
порядки больше, чем их содержится на наружной поверхности тела. Главные обитатели пищевари-
тельного тракта травоядных животных — это компоненты анаэробного деструктивного сообщества
(целлюлолитические бактерии, кислотообразующие бактерии-бродильщики, ацетогенные бактерии
и метаногенные археи).

В разных отделах пищеварительного тракта человека преимущественно размножаются аци-
дофильные или умеренно алкалифильные бактерии. Доминирующей формой является род
Bacteroides.

При инфицировании покровов, пищеварительного тракта, полости тела и отдельных органов
в них развиваются специфические формы бактерий.

7.3.8. Эукариотная клетка в роли глобальной ниши

Цитоплазматический и, в значительно меньшей степени, ядерный компартмен-
ты эукариотной клетки являются нишей для некоторых групп прокариотов. Общее
число эндосимбионтов составляет не менее 5,0-1027 клеток (см. табл. 4).

Заселение этой ниши является результатом эндосимбиоза, или эндоцитобиоза, т. е. развития
бактериальных или археотных клеток в эукариотной клетке. Термин «эндоцитобиоз» означает
существование одной клетки внутри другой (от греч. endon — внутри, kitos — сосуд и bios — жизнь;
«жизнь внутри клетки»). Его ввел в 1979 г. немецкий зоолог Швеммлер (W. Schwemmler),

Эндоцитобиоз — это частный случай симбиоза. Напомним, что термин «симбиоз» означает ас-
социацию между организмами, в которой создаются условия, способствующие или препятствующие
жизнедеятельности хотя бы одного из партнеров (нем. Symbiose; греч. sym — вместе и bios — жизнь;
«сожительство»). Впервые это слово в экологическом контексте употребил в 1879 г. швейцарский
миколог Антон де Бари (A.de Вагу).

Эукариотная клетка — экстремальная ниша. Она конкурирует с эндоцитобионтом за источники
энергии и конструктивные субстраты, а также использует разные механизмы для его уничтожения
или отторжения. Успех или неудача прокариота-эндоцитобионта зависят в первую очередь от его
способности проникать в компартменты эукариотной клетки и уклоняться от воздействия защит-
ных систем хозяина. Дальнейшее развитие событий зависит от того, может или нет эндоцитобионт
размножаться вне хозяйской клетки (соответственно факультативный и облигатный эндоцито-
биоз) .

В обоих случаях существуют варианты, когда эндоцитобионт причиняет хозяину вред (внутри-
клеточный паразитизм), или когда они являются метаболическими партнерами. Иногда у эндоци-
тобионта в ходе эволюции редуцируется часть метаболических систем и даже уменьшается общая
информационная емкость генома. Крайним примером такого развития событий служит эволюци-
онное происхождение митохондрий и простых пластид (см. раздел 5.1.1).

Стратегия партнерства в первую очередь зависит от вклада прокариотной клетки в метабо-
лизм хозяина. Важнейшее значение имеют такие варианты энергетического и конструктивного
метаболизма эндоцитобионта, как фототрофия, хемолитотрофия, автотрофия и диазотрофия.

Эндоцитобиотические бактерии широко распространены у протистов, растений и
животных. Реже встречаются эндоцитобиотические археи, например Methanoplanus
endosymbiosus. Их хозяином являются ресничные инфузории рода Мetopus.

Примером фотосинтетических эндоцитобионтов, снабжающих своих хозяев кис-
лородом и продуктами автотрофной ассимиляции СОг, служат так называемые «ци-
анеллы» — облигатно-симбиотические одноклеточные цианобактерии.
Хемолитотрофные метанокисляющие эндоцитобионты известны у двустворча-
тых моллюсков, а хемолитотрофные эндоцитобионты, окисляющие сероводород — у
вестиментиферов рода Riftia.

Клубеньковые бактерии рода Rhizobium (класс «Alphaproteobacteria»} обеспечи-
вают бобовые растения связанным азотом.

Примером облигатно-эндоцитобиотических бактерий, которые синтезируют неза-
менимые аминокислоты для своих хозяев-тлей, служат хемоорганогетеротрофные
бактерии рода Buchnera (класс «Gammaproteobacteria»).

В качестве примеров патогенных облигатных эндоцитобионтов назовем риккет-
сий (класс «Alphaproteobacteria»') и хламидий (фила BXVI Chlamydiae).
ГЛАВА 8

ЦИТОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ

Л. С. Берг. Наука, ее содержание, смысл и класси-
фикация (Петроград, 1920).

Считается, что основу биологического образования, по крайней мере, в России
закладывает «общая» цитология. На самом деле преподают цитологию ядерных ор-
ганизмов, в основном животных. Что касается строения прокариотов, то с ним мало
знакомы даже специалисты-микробиологи, и современные успехи молекулярной ге-
нетики увеличили отрыв от цитологических тылов.

Цитология прокариотов появилась после того, как к бактериальным объектам
стали применять методы электронной микроскопии. На первых порах охотились за
эстетичными изображениями, что при грубости методик породило множество арте-
фактов. Следом пришла трезвая ориентация на щадящую химическую фиксацию, а
затем на сверхбыструю криофиксацию. После изобретения методов молекулярного
зондирования in situ в микробиологии наступил ренессанс световой микроскопии.
В настоящее время получены данные о компартментализации ключевых процессов
у прокариотов и их динамическом развертывании в онтогенезе.

Хотя прокариоты беднее морфологическими деталями, чем эукариоты, этот
«недостаток» компенсируется большей возможностью изучать клеточное строение
с помощью индуцированного мутагенеза. Кроме того, благодаря ярче выраженной
способности к физиологической адаптации, ультраструктурные ответы прокариотов
можно анализировать в более широком интервале внешних воздействий.

8.1. ПРОКАРИОТНЫЙ МОРФОТИП

Когда мы обсуждали глобальную фенотипическую систему, решающее значение
имела организация мембранного аппарата (см. главу 2). Используя этот критерий,
мы выяснили, что существуют только два глобальных морфотипа — эукариотный и
прокариотный. Теперь же зададимся вопросом, насколько они гетерогенны.
Эукариотный морфотип един в своей основе, хотя разные филогенетические
группы эукариотов различаются по ультраструктурным деталям. Напротив, про-
кариотный морфотип гетерогенен и подразделяется на четыре бактериальных мор-
фотипа и один археотный морфотип.

8.1.1. Бактериальные морфотипы

В 1978 г. Нил Гиббонс и Роберт Мюррей предложили таксономическую систему,
которая на многие годы стала венцом фенотипической классификации бактерий.
Вслед за Роджером Стэниером эти авторы рассматривали понятия «бактерии» и
«прокариоты» как эквивалентные, хотя в то время уже была опубликована и стала
завоевывать признание концепция Карла Воза о «других» прокариотах — археях.

В основу своей системы Гиббонс и Мюррей положили тип клеточной оболоч-
ки, прежде всего — присутствие в ней ригидного слоя (или слоев) и их химический
состав.

Клеточная оболочка (англ, cell envelope) — это комплекс окружающих цитоплаз-
му мембран и немембранных структур.

Основой оболочки является клеточная мембрана, или цитоплазматическая мем-
брана (англ, cytoplasmic membrane, СМ). У многих бактерий помимо нее имеется
наружная мембрана (англ, outer membrane, ОМ).

Наряду с мембранами в состав клеточной оболочки в большинстве случаев вхо-
дит клеточная стенка (англ, cell wall, CW). Она состоит из одного или нескольких
ригидных слоев (англ, rigid layer).

Архитектурный план клеточной оболочки бактерий можно дать в виде схемы
(рис. 4) или записать следующим образом:

клеточная оболочка = СМ + (ОМ) -I- (ригидные слои).

Мембраны клеточной оболочки разграничивают три генеральных компартмен-
та—цитоплазматический, периплазматический и экзоплазматический (рис. 4).

Очевидно, что при отсутствии ригидных слоев клеточная оболочка образована
СМ и ОМ или только СМ. Такие клетки не имеют постоянной формы. Если они
окружены одновременно СМ и ОМ, их называют сферопластами, а если они окру-
жены только СМ — протопластами.

Ригидные слои различаются по молекулярному составу, но чаще всего их осно-
ву образует бактериальный пептидогликан, или муреин (лат. murus — стенка). Этот
азотсодержащий гетерополимер подробно рассматривается в разделе 8.4.3.1. Сейчас
мы только отметим, что он состоит из спирализованных гликановых цепей, которые
ковалентно связаны друг с другом при помощи боковых пептидных цепочек. В ре-
зультате клетка одета мономолекулярной сетью, или саккулусом (лат. sacculus —
мешочек).

Система Гиббонса и Мюррея впервые позволила упорядочить бактериальные
морфотипы и на этой основе создать стройную фенотипическую систему. Однако в
дальнейшем она утратила таксономическое значение. Как известно, в настоящее вре-
мя основой для классификации прокариотов служит их положение на родословном
древе, и вместо строения клеточной оболочки ведущим таксономическим признаком
является первичная структура рРНК (см. разделы 2.5 и 7.2). Тем не менее, рацио-
нальное зерно, заложенное Гиббонсом и Мюрреем в классификацию прокариотных
морфотипов, сохранилось.
Мембраны

Генеральные
компартменты

периплазматический экзоплазматический
Слои стенки |

Рис. 4- Оболочка, ригидные слои стенки и генеральные компартменты бактериальной клетки.
СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана.

Поскольку этот вопрос принципиально важен для цитологии прокариотов, оста-
новимся на нем подробно.

Основной, или грамотрицательный бактериальный морфотип
(рис. 5,Б1). Гиббонс и Мюррей разделили царство прокариотов (Procaryotae) на
четыре мегатаксона с разными морфотипами. Каждому из этих мегатаксонов соот-
ветствует ранг отдела:

1. Gracilicutes;

2. Firmicutes;

3. Mollicutes (синоним — Tenericutes);

4- Mendocutes (синоним — Mendosicutes).

В отдел Gracilicutes (лат. gracilis — тонкий и cutis — кожа; «тонкокожие») вошли
бактерии с однослойным муреиновым саккулусом (см. раздел 8.4.3.1). Второй осо-
бенностью этих бактерий служит наружная мембрана, или ОМ — уникальная мем-
бранная структура, расположенная за пределами СМ.

Наружная мембрана относится к числу унитарных липопротеиновых биомем-
бран, однако она имеет особый молекулярный состав и выполняет специфические
функции. В частности, ее внешний полумембранный листок состоит из амфифиль-
ных липополисахаридов. Отсюда второе название этой мембраны — «липополисаха-
ридная».

Термин «грациликутный» (англ, gracilicute) когда-то широко использовался в
отечественной литературе, но теперь он редко употребляется. Дело в том, что кор-
реляция между малой толщиной муреинового саккулуса и присутствием ОМ не уни-
Рис. 5. Прокариотные морфотипы.

А — археотный; Ei —основной бактериальный (грамотрицательный); Ба —упрощенный
бактериальный (грамположительный); Бз—усложненный бактериальный; Б4—трихомный;
СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана; ICM — интрацитоплазматические
мембраны; МР — микроплазмодесмы.

версальна. Как правило, толщина муреинового слоя действительно различается в
клетках с ОМ или в клетках без ОМ (в первом случае <10 нм, а во втором >50 нм).
Однако существуют отклонения от этой закономерности. Например, ОМ имеется у
всех цианобактерий, однако у некоторых одноклеточных штаммов толщина муреи-
нового саккулуса >10 нм, а у некоторых нитчатых штаммов она составляет 15-35 нм,
а у Oscillatoria sp. даже >700 нм.

О толщине ригидного слоя можно косвенно судить по характеру окрашивания
бактерий на микроскопических препаратах. Для этого используется простая мето-
дика, которую предложил в 1883 г. датский врач Ганс Грам.

Этот классический метод состоит в том, что зафиксированный материал прокрашивается ани-
линовым красителем кристаллическим фиолетовым, протравливается смесью Люголя (раствор J2
в водном KJ), а затем обрабатывается водным спиртом или водным ацетоном.

По современным представлениям, механизм «окрашивания по Граму» следующий. Проникшая
в клетку растворимая хлорная форма красителя после протравливания переходит в иодную форму
(изоморфное замещение) и выпадает в мелкозернистый осадок, который равномерно прокрашива-
ет цитоплазму. При обработке водным спиртом или ацетоном из СМ экстрагируются липиды, в
результате чего она становится пористой и не препятствует вымыванию комплекса иода с красите-
лем. Однако помимо СМ обычно существует барьер, устойчивый к органическим растворителям —
муреиновый ригидный слой. Если он состоит из многочисленных слоев с мелкими порами, то ком-
плекс иода с красителем удерживается внутри, и клетки окрашиваются по Граму положительно.
В том случае, если он образован монослоем с крупными порами, клетки окрашиваются по Граму
отрицательно.

Если строго соблюдать стандартную продолжительность отдельных этапов окрашивания по
Граму (нем. Gramdauer), то окажется, что бактерии по этому признаку не образуют непрерывно-
го вариационного ряда, а подразделяются на альтернативные группы — «грамотрицательные» и
«грамположительные». Объяснение этому, на первый взгляд, парадоксальному явлению заключа-
ется в том, что существуют два альтернативных варианта архитектуры бактерий:

—клетки с многослойным муреином; не имеют ОМ;

— клетки с монослойным муреином; имеют ОМ.

Среди бактерий, не имеющих ОМ, встречаются «грамвариабельные» формы (например, неко-
торые представители низших актиномицетов). Кроме того, характер окрашивания по Граму зави-
сит от таких факторов, как возраст культуры, стресс, клеточная диссоциация и дифференциация.
Наконец, известны примеры, когда клетки одновременно имеют ОМ и толстый муреиновый слой
(см. выше).

Таким образом, тип окрашивания по Граму служит интегральной характеристикой, отражаю-
щей физические свойства ригидного слоя. Химическая природа этого слоя несущественна. В част-
ности, грамположительные археи имеют мощный псевдомуреиновый саккулус или гетерополиса-
харидный ригидный слой, а грамотрицательные археи — ригидный белковый S-слой (см. раздел
8.5.3). Отрицательно окрашиваются по Граму прокариотные клетки, не имеющие ригидного слоя
и окруженные только СМ — бактериальные или археотные микоплазмы (см. ниже).

Как правило, тонкий муреиновый саккулус встречается у бактерий, у которых
есть ОМ. Поэтому в понятие «грамотрицательная бактерия», которое указывает на
характер диагностического окрашивания, стали вкладывать архитектурный смысл.
Однако если употреблять термин «грамотрицательный», не уточнив, что имеется в
виду — тинкториальные (от лат. tinctura — окрашивание) свойства объекта или его
морфотип, появляется путаница.

Пытаясь избежать этого, канадский бактериолог Терри Биверидж (Т. J. Beve-
ridge) в начале 1980-х годов ввел в бактериологическую литературу понятие гра-
мотрицательного морфотипа.

В 1994 г. автор учебника предложил называть грамотрицательный морфотип
«бимембранным» (лат. bi — двойной и membrana — перепонка, «с двумя мембрана-
ми»). Радж Гупта дал в 1998 г. грамотрицательному морфотипу еще одно назва-
ние—«дидермы» (греч. dis —дважды и derma — кожа; «двухкожие»). Видно, что
оно заимствует у термина «грациликутный» афористичность, а у термина «бимем-
бранный» — архитектурный смысл. Наконец, Томас Кавалье-Смит назвал бактерии,
обладающие грамотрицательным морфотипом, «негибактериями» (лат. negativus —
отрицательный). Поскольку дальнейшая судьба терминов «бимембранный», «дидер-
мы» и «негибактерии» неясна, мы воспользуемся термином «грамотрицательный
морфотип», несмотря на то, что он несет двойной смысл.

Для понимания природы бактериальных морфотипов важно усвоить, что по-
давляющая часть фил «Берги-2001» (22 из 24)—это объекты с грамотрица-
тельным строением. Исключение составляет фила ВХШ Firmicutes, большинство
представителей которой имеет грамположительное строение, а также фила BXIV
Actinobacteria, состоящая только из грамположительных форм.

У бактерий, принадлежащих к грамотрицательному морфотипу, ОМ окружа-
ет всю клетку и служит внешней границей уникального периплазматического ком-
партмента (греч. peri —около и plasma — оформленное тело; «вокруг цитоплазмы»).
Внутреннюю границу этого компартмента образует СМ. Интерьер периплазматиче-
ского компартмента представлен периплазматическим пространством со специфи-
ческим содержимым — периплазмой.

Периплазматический компартмент выполняет в бактериальной клетке комплекс
пограничных функций. Он не только обеспечивает механическую и осмотическую
защиту, но также может принимать участие в двигательных, транспортных, мета-
болических, сигнальных и генетических процессах.

СМ и ОМ структурно взаимодействуют, но как именно, окончательно не вы-
яснено. Согласно первой модели, СМ и ОМ сообщаются друг с другом при помо-
щи посредника. В этом случае от СМ отпочковываются мембранные везикулы, ко-
торые пересекают периплазматический компартмент в радиальном направлении и
сливаются с ОМ, что внешне напоминает эукариотный экзоцитоз (рис. 6, Л). Со-
гласно второй модели, взаимодействие между СМ и ОМ осуществляется с помощью
трубчатого анастомоза (рис. 6, Б). Однако реальнее всего третья модель (рис. 6, В).
В данном случае СМ и ОМ соприкасаются в отдельных участках, образуя зоны мем-
бранной адгезии — «контакты Байера» (см. раздел 8.4.1.4). По современным пред-
ставлениям, именно там находится секреторный аппарат (см. раздел 8.6.1).

Какой бы ни была природа этого взаимо-

ом СМ

ОМ см

Рис. 6. Структурное взаимодействие меж-
ду цитоплазматической и наружной
мембраной.

А —с помощью мембранных везикул; Б — с
помощью анастомоза; В — с помощью зоны
адгезии; СМ — цитоплазматическая мембра-
на; ОМ — наружная мембрана; BJ —
контакт Байера.

действия, участки, где оно осуществляется —
это мост, по которому доставляется материал
для сборки ОМ.

Упрощенный, или грамположитель-
ный, бактериальный морфотип (рис. 5,
Бг). Предки некоторых бактерий в ходе мор-
фо-функциональной эволюции потеряли ОМ.
Поскольку бактерии, лишенные ОМ, обычно
имеют многослойный муреиновый саккулус,
Гиббонс и Мюррей назвали данный тип стро-
ения «фирмикутным» (лат. firmus — прочный
и cutis — кожа; «толстокожие») и отнесли та-
кие формы к отделу Firmicutes.

Как уже указывалось, мощный ригидный
слой обеспечивает положительное окрашива-
ние по Граму. Термин «грамотрицательный»,
как и термин «грамположительный», перво-
начально указывал на характер диагностиче-
ского окрашивания, и только когда Биверидж
ввел термин «грамотрицательное строение»,
он получил дополнительный архитектурный
смысл.

Автор учебника обозначил грамположи-
тельный морфотип как «унимембранный»
(лат. unus —один и membrana — перепонка;
«с одной мембраной»). Радж Гупта дал та-
ким бактериям название «монодермы» (греч.
monos —один и derma — кожа; «однокожие»),
а Томас Кавалье-Смит предложил для них
сразу два термина—«позибактерии» (лат.

positivus — положительный) и «унибактерии» (лат. unus — один).

По современным представлениям, бактерии, обладающие грамотрицательным
морфотипом, находятся в основании родословного древа. В свою очередь, грам-
положительный морфотип рассматривается как результат вторичного упрощения,
которое в целом характерно для морфофункциональной эволюции прокариотов.

Усложненный бактериальный морфотип (рис. 5,Бз). Бактериальная
клетка может иметь в той или иной степени выраженную эндомембранную систе-
му — интрацитоплазматические мембраны (англ, intracytoplasmic membranes, ICM).
Мы подробно рассмотрим их в разделе 8.3.5, однако уже сейчас отметим, что ICM
бактерий принципиально отличаются от ICM эукариотов.

Прежде всего, ICM имеются не у всех бактерий, а только у представителей неко-
торых физиологических групп, причем они могут образовываться адаптивно. Един-
ственным исключением служат цианобактерии — они постоянно содержат ICM, где
расположен фотосинтетический аппарат.

Морфология бактериальных ICM отличается от морфологии эукариотного ваку-
ома. Как правило, это монотонный комплекс, состоящий из повторяющихся струк-
тур сферической, трубчатой, пластинчатой или дискоидной формы.

Основная функция бактериальных ICM — это ассимиляция энергии, хотя извест-
ны случаи, когда они, подобно мембранам вакуома, принимают участие в конструк-
тивном метаболизме.

Как уже отмечалось, в клетках эукариотов СМ и ICM изолированы друг от
друга, и функциональное взаимодействие между ними осуществляется с помощью
везикулярного транспортного аппарата. Детали этого взаимодействия хорошо изу-
чены. Напротив, характер взаимодействия между СМ и ICM у бактерий до конца
не выяснен и, возможно, он различается у разных объектов (см. раздел 8.3.5).

Посредники между СМ и ICM не обладают свойствами везикулярного транс-
портного аппарата, а представляют собой перемычки-анастомозы. С помощью та-
ких мембранных каналов СМ и ICM превращаются в непрерывную структуру, или
«мембранный континуум» (лат. con-tinuo — связывать друг с другом).

За исключением «тилакоидных центров» цианобактерий (см. раздел 8.3.5), мо-
лекулярный состав анастомозов неизвестен. Механизм образования новых анасто-
мозов также не изучен — возможно, они возникают путем вторичного слияния ICM
и СМ. При сильно развитой эндомембранной системе анастомозы между ICM и СМ
встречаются редко, и не исключено, что это отражает дегенерацию когда-то сильно
развитого континуума, который существовал у прародительских форм бактерий.

ICM характерны для фототрофных бактерий и часто встречаются у хемолито-
трофных бактерий. У остальных представителей домена Bacteria ICM наблюдаются
редко и незакономерно (см. табл. 7).

По предложению автора учебника усложненный бактериальный морфотип был
назван «тримембранным» (лат. tres — три и membrana — перепонка; «с тремя мем-
бранами»).

Трихомный морфотип (рис. 5, Бд). Термин «трихом» (греч. trichoma —во-
лосы) традиционно используется в ботанике применительно к разным филаментоз-
ным структурам — нитчатым водорослям, выростам на стеблях растений, опуше-
нию на листьях и т. д. В середине 1960-х годов Старр (М. Starr) ввел этот термин в
микробиологию для того, чтобы обозначить им цепочку плотно прилегающих друг
к другу бактериальных клеток, с ветвлением или без ветвления. В настоящее время
термин «трихом» используется бактериологами в более конкретном ультраструктур-
ном смысле и только по отношению к бактериям, обладающим грамотрицательным
морфотипом.

Трихом — это квази-многоклеточное образование, т. е. (не)разветвленный фила-
ментозный или сфероидный агрегат, в котором клетки окружены общей ОМ и соеди-
нены трубчатыми микроплазмодесмами, пронизывающими поперечные клеточные
стенки.

Трихомные формы образуют сборную группу. Они встречаются в филах
ВVI Chloroflexi (например, Chloroflexus aurantiacus), ВХ Cyanobacteria (напри-
мер, Prochlorothrix hollandica), ВХП Р rot eobacteria (например, Beggiatoa alba),
BXX Bacteroidetes (например, Saprospira grandis) и BXXI Fusobacteria (например,
Leptotrichia buccalis).

Благодаря микроплазмодесмам индивидуальные цитоплазматические компарт-
менты сливаются в обобществленный цитоплазматический компартмент. Растворен-
ные в обобществленной цитоплазме («симцитоплазме») молекулы могут диффунди-
ровать по всему трихому, что обеспечивает интеграцию метаболических и сигналь-
ных процессов на цитоплазматическом уровне. Однако индивидуальные органеллы
(хромосома, набор рибосом, ICM, цитоскелет и включения) все же остаются в пре-
делах своих индивидуальных цитоплазматических компартментов. Благодаря тому,
что трихом окружен общей ОМ, в нем также существует обобществленный пери-
плазматический компартмент, содержащий «симпериплазму». Это, в свою очередь,
интегрирует транспортные и сигнальные процессы на периплазматическом уровне.

Рост трихома осуществляется путем деления отдельных клеток, а размножение
трихома —с помощью фрагментации, которая может быть случайной или запро-
граммированной. Во втором случае разлом проходит по «некридию» (греч. nekros —
мертвый), или интеркалярной клетке, погибшей в результате апоптоза.

Таким образом, трихом можно рассматривать как квази-синцитий. Он образует-
ся благодаря тому, что при делении интеркалярных клеток поперечные перегородки
не расслаиваются. Кроме того, в делении не участвует ОМ.

Бактерии, обладающие трихомным морфотипом, либо содержат ICM, либо ли-
шены ICM.

Способность образовывать трихом генетически детерминирована. Также генети-
чески детерминирована способность образовывать мультимерные или олигомерные
трихомы. По предложению автора учебника образование олигомерных трихомов бы-
ло названо «бревитрихомией» (лат. brevis — короткий и греч. trichoma — волосы; «с
коротким трихомом»). Число клеток в трихоме не постоянно и варьирует в норме
или при патологии. В частности, старые или голодающие трихомы рассыпаются на
одиночные клетки. Кроме того, существуют спонтанные или индуцированные од-
ноклеточные мутанты трихомных бактерий с высокой частотой реверсии к дикому
типу. Но одноклеточные бактерии дикого типа трихомов не образуют.

Связь между бактериальными морфотипами и присутствием ригид-
ного слоя клеточной стенки. У большинства представителей домена Bacteria в
составе оболочки имеется ригидный слой, который представлен муреиновым сакку-
лусом (см. разделы 8.4.3.1 и 8.5.2.1). В некоторых случаях вместо него или наряду
с ним эту роль выполняет экзоплазматический белковый S-слой (см. раздел 8.5.2.3).

Среди бактерий, не имеющих муреина, встречаются и формы, обладающие гра-
мотрицательным морфотипом, и формы, обладающие грамположительным мор-
фотипом. В первом случае это представители фил BXV Planctomycetes и BXVI
Chamydiae-, во втором случае это микоплазмы (фила ВХШ Firmicutes, класс II
Mollicutes). Гиббонс и Мюррей поместили их в отдел Mollicutes (лат. mollis —мяг-
кий и cutis — кожа; «мягкокожие»). Позже они заменили это название на Tenericutes
(лат. tener — нежный и cutis — кожа; «нежнокожие»).

Наконец, у хламидий имеется ригидный слой, представленный периплазматиче-
ским белковым саккулусом (см. раздел 8.4.3.2).

8.1.2. Археотный морфотип

Поскольку у архей нет муреина, Гиббонс и Мюррей в 1978 г. отнесли их к отделу
Mendocutes (лат. mendosus — уродливый и cutis —кожа; «уродливокожие»).

Археи не синтезируют липополисахаридов и не имеют ОМ. Их мембранная си-
стема максимально рационализирована и состоит из одной СМ. Они не имеют ана-
лога бактериальных ICM или вакуома (рис. 5). Хотя в цитоплазме некоторых ар-
хей встечаются мембранные структуры, они представляют собой газовые везикулы,
ограниченные неунитарной мембраной (см. раздел 8.3.11.2). При электронно-мик-
роскопическом исследовании клеток метаногенных архей находили ICM, однако в
1980-е годы было доказано, что они имеют артефактную природу.

Таким образом, археи обладают таким же планом строения, что и бактерии упро-
щенного, или грамположительного морфотипа. Однако сходство имеет конвергент-
ную природу, поскольку у этих прокариотов липидный матрикс СМ состоит из уни-
кальных липидов (см. раздел 8.3.3).

Археи конвергируют с бактериями по негативному цитологическому признаку,
отсутствию вакуома, и относятся к прокариотам. Вместе с тем, археи конвергируют с
грамположительными бактериями по такому негативному признаку, как отсутствие
наружной мембраны. По отношению к ним может быть использован термин «квази-
грамположительный» мофотип.

Связь между археотным морфотипом и присутствием ригидного слоя.
У большинства представителей домена Archaea имеется клеточная стенка. Ее ригид-
ный S-слой (см. раздел 8.5.3.1) образован экзоплазматическими белковыми субъеди-
ницами.

У шаровидных представителей экстремально галофильных архей из филы АП
Euryarchaeota, например, Halococcus morrhuae ригидный слой состоит из гетеропо-
лисахарида (8.5.3.3). Очень редко в роли ригидного слоя выступает аналог бакте-
риального муреина — археотный псевдомуреин (см. раздел 8.5.3.2).

Наконец, в виде исключения среди архей встречаются лишенные клеточной стен-
ки микоплазмы (например, Thermoplasma acidophilum).

8.1.3. Связь между прокариотным морфотипом
и размером прокариотной клетки

Прокариоты имеют микроскопическую величину (греч. micros — небольшой и
skopos — наблюдатель; «мелкий для смотрящего»).

В большинстве случаев линейный размер прокариотной клетки составляет 1-
3 мкм. Поэтому для ее визуального наблюдения нужен световой микроскоп — оп-
тический прибор, увеличивающий до тысячи раз. В свою очередь, субклеточные
структуры прокариотной клетки не видны в световой микроскоп, поскольку их раз-
меры обычно лежат за нижним краем оптической шкалы. Они не отражают волны
видимого света (Л = 350-750 нм), и для их наблюдения используется электронный
микроскоп, создающий сфокусированный пучок электронов с длиной волны, на по-
рядок меньшей.

«Затерянный» мир, в который с помощью своего уникального метода наблюде-
ния впервые проник Левенгук (см. раздел 1.1), заселяют не просто микроскопиче-
ские существа, а организмы, имеющие прокариотное строение.

Встает вопрос, что определяет нижнюю границу размера прокариотной клетки,
и существует ли связь между прокариотным морфотипом и микроскопической вели-
чиной прокариотов? Иными словами, прокариоты так малы из-за своего строения?
Или прокариотный морфотип является следствием их микроскопического размера?

Оказывается, размер прокариотной клетки определяется прокариотным морфо-
типом.
8.1.3.1. Причины микроскопического размера прокариотной клетки

В живой клетке всегда перераспределяются вещество, энергия и информация, и
она обменивается ими с окружающей средой. Поэтому принципиально важна функ-
циональная специализация органелл, а также эффективность пограничных процес-
сов. В первом случае встает вопрос о компартментализации (см. раздел 8.2), а во
втором — о соотношении между поверхностью клетки и ее объемом.

Линейный размер большинства прокариотов приближается к размеру митохон-
дрии и на порядок меньше линейного размера ядерных клеток, что дает 1000-крат-
ную разницу в объеме.

У относительно более крупных одноклеточных ядерных организмов (протистов)
физиологические процессы были бы крайне неэффективными, если субстраты и про-
дукты биохимических реакций диффундировали бы по всему объему цитоплазмы,
а также молекула за молекулой пересекали СМ. Поэтому такие клетки разделены
мембранами на высокоспециализированные отсеки-компартменты, которые имеют
автогенное или симбиогенное происхождение и находятся в тесном взаимодействии
друг с другом. Кроме того, ядерная клетка сообщается с окружающей средой при
помощи цитоза, при котором отдельные порции жидкой, твердой или смешанных
фаз в обоих направлениях пересекают СМ.

У относительно более мелких прокариотов, как правило, отсутствует мембран-
ная компартментализация (см. раздел 8.2), и у них, за редчайшими исключениями,
нет цитоза. Поэтому метаболизм прокариотной клетки зависит в основном от внут-
риклеточной диффузии, а также от «поштучного» транспорта молекул через СМ.
Подобно грибам, прокариоты являются осмотрофными организмами — они диффу-
зионным способом импортируют питательные субстраты и экспортируют продукты
метаболизма.

При использовании такой «экстенсивной» транспортной стратегии принципиаль-
ное значение приобретает количественное отношение поверхности клетки (S) к ее
объему (V), или поверхностно-объемный коэффициент. В простейшем случае, когда
клетка имеет форму сферы, он равен:

S/V = (47гН2)/(4/37гН3) = 3/R.

Таким образом, с уменьшением линейного размера клетки увеличивается ее от-
носительная поверхность, что создает предпосылки для более эффективного осмот-
рофного питания. Именно в этом и заключается одна из главных причин микроско-
пического размера прокариотов.

8.1.3.2. Рациональный и нерациональный
дизайн прокариотной клетки

Как известно, среди геометрических фигур при равном объеме минимальную по-
верхность имеет сфера, поэтому такой дизайн прокариотной клетки нерационален.
Однако это не означает, что шаровидные прокариоты, или кокки встречаются реже
других. Напротив, они очень широко распространены в природе, хотя обычно имеют
малые размеры. Данное ограничение не распространяется на некоторых фотоавто-
трофов, в частности на шаровидных цианобактерий, а также на тех шаровидных
гетеротрофных бактерий, которые находят нетривиальные решения проблемы, как
обеспечить высокий поверхностно-объемный коэффициент (см. раздел 8.1.3.3).
У палочковидных прокариотов, например, Е. coli довольно рациональный ди-
зайн, и при равной массе тела их поверхностно-объемный коэффициент в 2-3 раза
выше, чем у равновеликой сферы.

Более рациональным дизайном, чем «гладкие» сферы и палочки, обладают клет-
ки той же общей формы, но снабженные выростами (см. раздел 8.3.9.1).

Еще более рациональный дизайн имеют нитчатые бактерии, у которых поверх-
ностно-объемный коэффициент в 5 раз выше, чем у сферы. Однако дальнейшее
уменьшение диаметра с одновременным увеличением длины повышает риск меха-
нического повреждения клетки.

Самый рациональный дизайн имеют плоские и одновременно с этим очень тон-
кие археи «квадратной» или «треугольной» формы (см. раздел 8.3.9.1). У них по-
верхностно-объемный коэффициент в 5-10 раз выше, чем у сферы эквивалентной
массы.

8.1.3.3. Функциональные последствия микроскопического размера
прокариотной клетки

Микроскопический размер прокариотной клетки накладывает отпечаток на це-
лый ряд аспектов ее биологии.

Плотная упаковка систем жизнеобеспечения. Из-за микроскопического
размера прокариотной клетки в ней помещается мало генетического материала, да-
же если он упакован очень плотно. В частности, вследствие высокой компактизации
кольцевая молекула ДНК с контурной длиной ~1 мм занимает объем ~1 мкм3 (см.
раздел 8.3.6.1). Для сравнения отметим, что ДНК эукариотной клетки имеет кон-
турную длину ~1 м и упаковывается в объеме ~1000 мкм3.

Из-за ограниченного размера прокариотной клетки ее цитоплазма приобретает
очень густую консистенцию (содержание воды <70%) и примерно на 85% состоит из
макромолекул (табл. 5). Благодаря относительно высокому содержанию осмотиче-
ски активных веществ (~15%) на СМ оказывается высокое гидростатическое давле-
ние, или цитоплазматический тургор, максимальная величина которого составляет
20 бар (см. раздел 8.3.9.1).

Таблица 5. Усредненный молекулярный состав
прокариотной клетки

Компонент % сухого веса
ДНК 5
РНК* 15
Растворимые белки** 65
Простые органические молекулы 10
Неорганические ионы 5

* рРНК - 85%; тРНК - 15%; мРНК - 5%;

** 103 типов; 2,5106 молекул на клетку.

Роль силы трения для прокариотной клетки (специфика существова-
ния при малых числах Рейнольдса). Прокариоты растут и развиваются только
в жидкой гидрофильной среде, которая может находиться в статическом или дина-
мическом состоянии (см. раздел 7.3).

При пассивном или активном взаимодействии с набегающим водным потоком
(соответственно у седентарных и самостоятельно перемещающихся форм) клетка
испытывает на себе сочетанное действие сил инерции и сил трения. Какая из них
имеет большее значение?

Преимущественное воздействие на объект силы инерции или силы трения оценивается в гид-
родинамике числом Рейнольдса (величина, названная в честь английского физика и инженера
Осборна Рейнольдса; О.Reynolds, 1842-1912). В потоке жидкости, омывающем физическое тело,
могут доминировать три силы — сила инерции, сила трения и сила давления, причем обычно рас-
сматриваются только первые две из них.

Сила инерции рассчитывается по формуле:

Рин - l3pv/t - l2pv2,
где v — характерная скорость потока жидкости; 1 — характерный линейный размер объекта; р —
плотность жидкости.

В свою очередь, сила трения рассчитывается по формуле:

FTp = M-vl,
где ц — динамический коэффициент вязкости жидкости; v — характерная скорость потока жидко-
сти; 1 — характерный линейный размер объекта.

Число Рейнольдса (Re) отражает соотношение массовых сил с вязкостными силами в жидкости
и рассчитывается по формуле:

Re = Fhh/FTp = (l2pv2)/pvl = pvl/ц.

Для быстро плывущего человека число Рейнольдса составляет ~104, для аквариумной рыбки
гуппи ~102, тогда как для бактерий и архей, движущихся с характерной скоростью ~10 мкм с-1,
оно составляет ~510-5. Таким образом, в случае прокариотов числитель дроби FMh/Ftp ничтожно
мал по сравнению со знаменателем. Это означает, что инерция для них несущественна, зато они
очень сильно зависят от силы трения.

Прокариоты живут в мире «без инерции» —в частности, после выключения жгу-
тикового мотора Е. coli проплывает по инерции за 5-10-6 с расстояние не более 0,1 А
(что составляет 1 10“6 длины тела этой бактерии) и останавливается как вкопанная.

В мире малых чисел Рейнольдса бессмысленно использовать для движения воз-
вратно-поступательный механизм (это все равно, что для человека плавать в бас-
сейне с медом со скоростью ~1 см-мин-1). Выход из этого тупика прокариоты нашли
в том, что «изобрели» гребной винт, роль которого выполняет вращающийся жгутик
(см. раздел 8.6.2).

За счет трения на поверхности клетки постоянно удерживается жидкая оболоч-
ка, или водная «шуба». По толщине она приближается к диаметру клетки и служит
дополнительным диффузионным барьером, через который транспортируются пита-
тельные субстраты и отходы жизнедеятельности. Эта локальная среда повторяет
форму клетки, и относительная величина ее поверхности служит дополнительным
критерием рациональности клеточного дизайна.

Локальная среда обновляется только в ходе пассивной диффузии (для того, что-
бы «проветрить» ее только на 10%, клетке пришлось бы двигаться со скоростью
700 мкм-с-1, что на порядок выше реально возможной). Таким образом, движе-
ние не способствует улучшению режима питания, поскольку прокариотная клетка
постоянно увлекает за собой свою локальную среду.

Проникающая способность прокариотов. Благодаря своим микроскопиче-
ским размерам свободноживущие прокариоты способны колонизировать монолит-
ные, на первый взгляд, субстраты. Они проникают в микротрещины и микрока-
пилляры, пронизывающие осадочные и изверженные породы, почвенные частицы,
толщу льда, а также поверхность строительных материалов.
Одни симбиотические прокариоты вступают в эпифитные и эпизойные ассоциа-
ции, колонизируя микроскопическую текстуру поверхности макроорганизмов. Дру-
гие проникают внутрь своих хозяев, образуя эктосимбиозы и эндосимбиозы, в том
числе на внутриклеточном уровне. Меньший, по сравнению с эукариотной клеткой,
размер бактерий был необходимым элементом эндоцитобиотического сценария про-
исхождения митохондрий и пластид.

Для болезнетворных форм малый размер является одним из факторов вирулент-
ности, поскольку за счет этого они проникают в макроорганизм через микроповре-
ждения покровов, а затем разносятся по органам и тканям.

Каталитическая активность прокариотов. Хотя прокариотная клетка ни-
чтожно мала, популяция в целом обладает огромной суммарной площадью поверх-
ности. Приведем «скромный» пример — при диаметре клетки 2,5 мкм общая поверх-
ность кокков, содержащихся в одном миллилитре популяции средней плотности (106
клеток мл-1), составляет около 1 см2.

На поверхности прокариотной клетки иммобилизованы экзоферменты, и через
нее же они секретируются во внешнюю среду. Таким образом, популяция прокари-
отов представляет собой гигантский тонкодисперсный катализатор. Действие про-
кариотных экзоферментов вызывает макроскопические изменения в окружающей
среде и обеспечивает глобальный круговорот биогенных элементов.

Применительно к интересам человека действие прокариотных экзоферментов мо-
жет быть позитивным или негативным.

Позитивное действие выражается в том, что экзоферменты участвуют в раз-
нообразных биотехнологических процессах (биотехнологию можно определить как
эксплуатацию ферментативной активности микроорганизмов или клеточных куль-
тур для получения целевых продуктов, производство которых химическим путем
невозможно или нерентабельно).

Негативное действие выражается в том, что экзоферменты вызывают разру-
шение инертных материалов (пример — порча облицовки зданий и архитектурных
украшений, а также коррозия металлов в результате образования серной кисло-
ты тионовыми бактериями из рода Acidithiobacillus') или биологических структур
(примером служит коллагеназная активность представителей рода Fusobacterium,
вызывающих ряд заболеваний у человека, в частности парадонтоз).

8.1.3.4. «Гигантские» прокариоты

Итак, мы установили, что микроскопический размер прокариотов напрямую свя-
зан с осмотрофным способом питания.

Если диаметр бактерий или архей составляет 1-3 мкм, «диффузионная» про-
блема обычно решается на морфогенетическом уровне — клетка имеет вытянутую
форму или содержит отростки, так что поверхностно-объемный коэффициент ока-
зывается более высоким, чем у равной по массе сферической клетки. Представители
рода Hyphomicrobium образуют гифы длиной до нескольких десятков микрометров,
диаметр которых меньше 0,2 мкм.

Обитатель ротовой полости человека Spirochaeta plicatilis достигает в длину
250 мкм, хотя диаметр клетки не больше 0,75 мкм (существуют спириллы значитель-
но большего диаметра, например, обитатель пищеварительного тракта головастиков
Sporospirillum praeclarum имеет размер 4x100 мкм).
В том случае, когда трихомы бактерий или цепочки архей состоят из десятков и
сотен клеток, они имеют длину больше 100 мкм. Однако диаметр такой полимерной
структуры, как правило, не превышает 1 мкм, причем каждая клетка решает диф-
фузионную проблему тривиальным способом — благодаря удлиннению по продоль-
ной оси. Гораздо реже трихомы состоят из клеток диаметром до 8 мкм, примером
чего служит цианобактерия «Lyngbya majuscula».

Бактерии сферической, эллипсоидной или цилиндрической формы в виде исклю-
чения могут иметь диаметр >10 мкм. В качестве примеров особо крупных бактерий
можно привести серных хемолитотрофов Macromonas mobilis (диаметр до 15 мкм)
и Thiovulum majus (до 25 мкм), оксигенного фототрофа Prochloron didemni (до
30 мкм), а также факультативного хемогетеротрофа Beggiatoa gigantea (до 50 мкм).
В данном случае диффузионная проблема приобретает особую остроту и решается
разными способами (см. ниже).

Археи по размерам несколько меньше бактерий, и среди них не встречаются
крупные кокки и палочки.

В частности, сферические представители филы AI Crenarchaeota (Acidianus
infemus, Ignicoccus islandicus, Metallosphaera sedula и др.) имеют диаметр меньше
3 мкм. Нитчатые представители этой филы (Thermofilum pendens, Thermoproteus
tenax и др.) вытянуты в длину на 100 мкм, но их диаметр меньше 0,4 мкм.

Сферические представители филы АП Euryarchaeota (Archaeoglobus fulgidus,
Ferroglobus placidus, Halococcus morrhuae, Methanococcus vannielii, Methanosphaera
stadtmanae, Pyrococcus furiosus и др.) в диаметре не превышают 2 мкм. Отдельные
палочки (например, Halorubrum saccharovorum) имеют диаметр до 1 мкм и длину
до 12 мкм, а цепочки из палочек (например, Methanosaeta concilii) достигают мак-
симальной длины 150 мкм при размере клетки 1x5 мкм.

Археи диаметром больше 5 мкм, тем более «гигантские» археи неизвестны.

Среди прокариотов особо крупный размер (диаметр >50 мкм) имеют только
несколько видов «гигантских» бактерий. Они решают диффузионную проблему од-
ним из трех нетривиальных способов.

Увеличение площади поверхности без изменения размера и формы
клетки: образование «ворсинок» СМ. Абсолютным чемпионом по величине
среди бактерий считается Epulopiscium fishelsoni (греч. epulo — сотрапезник). Первое
сообщение о ней опубликовал австралийский протистолог Клименте (К. Clements)
в 1989 г. Эта бактерия, которую одно время принимали за протиста, относится к
филе ВХШ Firmicutes и принадлежит к числу некультивируемых форм (см. раз-
дел 7.1). Нишей для нее служит пищеварительный тракт рыбы-хирурга Acanthurus
nirgofuscus (сем. Acanthuridae), которая живет в Красном море, а также на Большом
Барьерном рифе, расположенном в Коралловом море по краю материковой отмели
вдоль северо-восточного побережья Австралии.

Веретеновидные клетки Е. fishelsoni можно разглядеть невооруженным глазом,
поскольку их максимальный размер составляет 80 х 600 мкм (по массе это примерно
в 106раз больше Е. coli).

Е. fishelsoni имеет ряд нетривиальных цитологических признаков. Например, при
размножении несколько дочерних клеток образуется внутри материнской, что имеет
общую основу с механизмом образования эндоспор (см. III том учебника).

Для решения диффузионной проблемы Е. fishelsoni прибегают к способу, напо-
минающему тот, который используют млекопитающие и птицы с целью увеличения
всасывающей поверхности тонкой кишки. В данном случае СМ образует ворсовид-
ный слой, состоящий из трубчатых инвагинаций длиной до 1 мкм и диаметром около
0,2 мкм. Даже не прибегая к математическим расчетам, мы видим, что это приводит
к значительному увеличению площади поверхности СМ.

Уменьшение объема цитоплазмы без изменения размера и формы
клетки: образование включений. Одну из групп некультивируемых прокарио-
тов образуют «бросающиеся в глаза» (англ, morphologically conspicuous) гигантские
серные бактерии. Они живут на поверхности или в верхнем слое морских и прес-
новодных осадков, получая энергию путем окисления S2~ или S0 с помощью Ог,
аниона ЬЮз- или катиона Fe3+. Особенность экологии этих бактерий заключается
в том, что они находятся в зоне хемоклина —на пересечении встречных градиен-
тов концентрации указанных субстратов. Абиогенный сульфид, а также сульфид,
образующийся в анаэробной зоне при разложении органики или при сульфатном
дыхании, легко подвергается спонтанному окислению. Поэтому серные бактерии
вынуждены конкурировать с химическими окислителями. В свою очередь, биоло-
гическое окисление сульфида, которое связано или не связано с получением энер-
гии, является одним из способов адаптации серных бактерий к этому токсичному
соединению.

Чтобы обеспечить динамический баланс между оптимальной концентрацией
сульфида и окислителя, серные бактерии используют особые цитофизиологические
стратегии.

Примером служит «гигантская» серная бактерия Achromatium oxaliferum (класс
«Gammaproteobactena»), которая повсеместно встречается в неглубоких водоемах
на поверхности богатого сульфидом ила. Ее клетки имеют сферическую, эллипсо-
идную или цилиндрическую форму при максимальном линейном размере 125 мкм
и максимальном объеме 3,5-104 мкм3 (в 104 раз больше, чем у клетки Е. coli).
В результате окисления сульфида кислородом в периплазматическом компартменте
A. oxaliferum накапливаются серные глобулы (см. раздел 8.4.4.1), содержимое кото-
рых затем окисляется до сульфата. Уникальной особенностью A. oxaliferum служит
то, что помимо серных глобул клетки содержат многочисленные кристаллы кальци-
та (СаСОз). В результате на долю цитоплазмы и органелл приходится не больше 2%
внутреннего объема клетки. В данном случае проявляется полифункциональность
цитологических структур у прокариотов, поскольку смысл запасания кальцита за-
ключается еще и в нейтрализации образуемого сульфата.

Уменьшение объема цитоплазмы без изменения размера и формы
клетки: образование вакуолей. Можно значительно уменьшить объем цитоплаз-
мы, оттесняя ее на периферию крупными центральными вакуолями (см. раздел
8.3.11.1). В данном случае речь идет о «нитратных» и «кислородных» вакуолях
у гигантских серных бактерий из родов Beggiatoa, Thiomargarita и Thioploca.

Здесь также проявляется полифункциональность цитологических структур, по-
скольку эти вакуоли играют роль анаэробных или аэробных «легких», которые за-
пасают анионы NO3- или О2, используемые для окисления экзогенного сульфида.
В настоящее время нитратные вакуоли обнаружены и у одноклеточных, и у трихом-
ных бактерий.

«Гигантская» одноклеточная некультируемая бактерия Thiomargarita namibiensis (класс
«Gammaproteobacteria») живет в поверхностном слое ила на шельфе у юго-западной оконечности
Африканского континента, где из-за сильного апвеллинга, т. е. подъема воды к поверхности анокси-
ческие условия создаются уже на небольшой глубине (<300 м). Сферические клетки Т. namibiensis
имеют диаметр до 750 мкм и образуют цепочки, погруженные в общий слизистый чехол. Основную
часть цитоплазматического компартмента (98%) занимает вакуоль, в которой накапливаются ани-
оны NOa- до концентрации 0,8 М. Периферический слой цитоплазмы имеет толщину 0,5-2 мкм,
а в периплазматическом компартменте откладываются светопреломляющие серные глобулы, в ре-
зультате чего видная невооруженным глазом цепочка клеток похожа на жемчужное ожерелье (лат.
margarita — жемчуг). Поскольку клетки Т. namibiensis лишены подвижности, эта бактерия получа-
ет анионы NO3- из морской воды только при периодическом взмучивании ила. Благодаря эффек-
тивной адаптации Т. namibiensis к естественной среде обитания урожай биомассы этой бактерии
составляет ~50 гм-2.

«Гигантские» трихомные некультивируемые бактерии рода Thioploca (класс «Gammaproteobac-
teria»') живут в поверхностном слое ила на всем протяжении континентального шельфа вдоль
восточного пробережья Южной Америки. Гиперпопуляция этих бактерий занимает площадь
~104 км2, а ее продуктивность составляет ~1 кг м-2. Цилиндрические или бочковидные клетки
Т. агаисае и Т. chileae имеют максимальный диаметр 50 мкм. Макроскопический трихом, состоя-
щий из сотен клеток, достигает длины в 7 см. Несколько десятков трихомов сплетаются в жгут
диаметром ~1 мм (греч. ploca — косичка), одетый общим чехлом. До 80% объема цитоплазматиче-
ского компартмента занимает центральная вакуоль, в которой аккумулируются анионы NO3- до
концентрации 0,8 М (что в 2104 раз превышает их содержание в морской воде). Подвижные три-
хомы Thioploca sp. обладают положительным хемотаксисом к анионам NO3-, и для их накопления
периодически совершают вылазки в морскую воду.

Свойством накапливать анионы МОз“в нитратных вакуолях обладают и «гигантские» пред-
ставители серных бактерий из рода Beggiatoa (класс « Gammaproteobacteria*'), клетки которых име-
ют максимальный диаметр 150 мкм. Некоторые виды получены в чистой культуре. В отличие от
Thioploca, они образуют одиночные трихомы. Эти бактерии образуют густые маты вокруг глубоко-
водных горячих газовых выбросов у берегов Южной Америки или вокруг «холодных» мелководных
газовых выбросов в Балтийском море у берегов Дании. Для накопления нитрата они используют
такую же миграционную стратегию, что и морские представители рода Thioploca.

«Гигантские» трихомные бактерии из класса «Gammaproteobacteria» живут вблизи мелких
морских гидротерм у берегов Калифорнии и образуют монофилетическую группу с видами родов
Beggiatoa, Thiomargarita и Thioploca. Клетки этих бактерий имеют диаметр до 120 мкм и содержат
центральную вакуоль, внутри которой накапливаются не анионы NO3-, а молекулы кислорода.
Внутриклеточный резерв кислорода используется для дыхания при кратковременном попадании
в аноксические условия, когда поверхностные слои воды смешиваются с придонными слоями, обо-
гащенными сульфидом.

8.1.3.5. «Карликовые» прокариоты

Наряду с «гигантами» в мире прокариотов встречаются «карлики», клетки ко-
торых имеют диаметр < 0,5 мкм.

Соответствующих бактерий называют «нанобактериями» (лат. nanus — карлик),
«пикобактериями» (исп. pico —тонкий, как острие) или «ультрамикробактериями»
(англ, ultramicrobacteria, UMB). Они проходят через мембранные фильтры, и их еще
называют «фильтрующимися» бактериями.

«Карликовые» прокариоты находятся в двойственной ситуации:

С одной стороны, при уменьшении радиуса клетки поверхностно-объемный ко-
эффициент (S/V = 3/R) возрастает, что является универсальным способом решения
диффузионной проблемы. Они также обладают повышенной проникающей способ-
ностью, что позволяет им колонизировать субстраты, недоступные для бактерий
обычного размера;

С другой стороны, у этих бактерий нерациональный дизайн, поскольку сфера
имеет минимальную поверхность для геометрической фигуры с заданным объемом.
Кроме того, когда размер клетки предельно мал, СМ уже не может вместить ми-
нимально необходимый набор белков, а в цитоплазматическом компартменте уже
нельзя упаковать полноценный геном со всем ассортиментом продуктов его экс-
прессии.
«Карликовые» прокариоты нашли два выхода из создавшейся ситуации. В одном
случае они ведут автономное существование. При этом их геном имеет нормальный
размер (> 2 т.п.н.), и в метаболическом отношении они полноценны. В другом случае
они являются облигатными внутриклеточными симбионтами. При этом они имеют
геном небольшого размера (1 т.п.н.) и из-за различных генетических дефектов на-
ходятся в метаболической зависимости от своих хозяев.

Свободноживущие ультрамикробактерии. Большинство морских бакте-
рий, а также бактерий, обитающих в олиготрофных пресноводных водоемах, имеет
диаметр < 1 мкм и объем <0,3 мкм3. Более того, среди представителей пикопланк-
тона численно преобладают клетки диаметром <0,5 мкм и объемом <0,1 мкм3.
Однако в данном случае уменьшение размера служит способом адаптации к стрессу
на бедной среде. Такие бактерии ультрамикроскопические только в естественных
местообитаниях, а при росте на богатых питательных средах они увеличиваются до
обычного размера (диаметр > 1 мкм, объем > 0,3 мкм3).

Истинные свободноживущие ультрамикробактерии, сохраняющие свои размеры
при культивировании в лабораторных условиях, довольно редки.

Наиболее известна среди них морская бактерия Sphingopyxis alaskensis (класс
«Alphaproteobacteria»}, ряд штаммов которой был выделен у побережья Аляски,
а также в Северном и Японском морях. Ультрамикробактерии известны также
среди представителей широко распространенного морского кластера SAR11 (класс
« Alphaproteobacteria»).

Пресноводные ультрамикробактерии, относящиеся к филе BXIV Actinobacteria,
обнаружены в одном из озер Австрии, где их концентрация составляет ЗЛО5 кле-
ток-мл-1. Они имеют вибриоидную форму и диаметр 0,2 мкм.

Почвенные ультрамикробактерии, в свою очередь, были обнаружены среди
представителей класса «Betaproteobacteria», филы BXIV Actinobacteria, филы ВХХ
Bacteroidetes и филы ВХХП Verrucomicrobia.

Непатогенные эндосимбиотические ультрамикробактерии. Ситуации,
когда непатогенные ультрамикробактерии поселяются в разных компартментах эу-
кариотной клетки, довольно редки и связаны только с ядерными структурами.
В частности, виды рода Holospora (класс «Alphaproteobacteria»}, клетки которых
имеют размер 0,5-1 мкм, размножаются в микронуклеусе или макронуклеусе инфу-
зории Paramecium caudatum.

Сама возможность репродукции непатогенных ультрамикробактерий в цитоплаз-
матическом компартменте прокариотной клетки противоречит классическим пред-
ставлениям о том, что прокариоты не имеют эндоцитоза (см. раздел 2.3 и главу
6).

Однако можно указать на одно исключение из этого правила. В начале 1970-х
годов были опубликованы, а в 2004 г. подтверждены данные о том, что ультра-
микробактерии, относящиеся к классу «Alphaproteobacteria» и имеющие размер
0,4x1 мкм, размножаются в митохондриальном матриксе ресничных инфузорий
Halteria geleiana и Uriotrichia ovata, а также клещей Ixodes ricinus.

Следует также напомнить, что от представителей класса «Alphaproteobacteria»
произошли митохондрии, и по строению они представляют собой редуцированные
грамотрицательные клетки.

Патогенные ультрамикробактерии. Репродукция представителей этой сбор-
ной группы ультрамикробактерий в большей степени, чем у непатогенных симбион-
тов, зависит от метаболических систем хозяина.
Примером патогенных ультрамикробактерий, которые размножаются в пери-
плазматическом компартменте другой бактерии, является Bdellovibrio bacteriovorus
(класс «Deltaproteobacteria»). Средний размер его клеток составляет 0,3x1 мкм. По-
сле соприкосновения с хозяином этот активно подвижный паразит пробуравливает
его ОМ. Очутившись в периплазматическом компартменте, он трансформируется
в репродуктивную форму — спиралевидный «бделлопласт», который растет за счет
продуктов лизиса хозяйской клетки и дробится на зрелые вибрионы, покидающие
опустошенную клетку через разрывы ее оболочки.

Примером эктопатогенных ультрамикробактерий служат плеоморфные парази-
ты высших животных — микоплазмы (фила ВХШ Firmicutes). Они не способны об-
разовывать ни муреин, ни другие ригидные слои клеточной стенки. Клетки этих
ультрамикробактерий имеют диаметр ~0,2 мкм, и их метаболическая зависимость
от хозяев является следствием уменьшения размера генома. В случае Mycoplasma
genitalium он составляет только 580 т.п.н. (475 открытых рамок считывания), что
уступает на порядок размеру генома Е. coli (соответственно 4639 т.п.н. и 4288 от-
крытых рамок считывания). Микоплазмы лишены цитохромов, а также ферментов
цикла Кребса и неспособны синтезировать de novo пиримидиновые и пуриновые
основания.

Эндопатогенные ультрамикробактерии довольно многочисленны. Они могут раз-
множаться в разных компартментах эукариотной клетки — ядре, фагосоме и цито-
плазме.

Примером патогенных ультрамикробактерий, которые репродуцируются в фаго-
соме, являются хламидии (фила BXVI Chlamydiae), вызывающие у человека дис-
симинативные или контагиозные заболевания, в частности пневмонию, пситтакоз и
трахому. Репродуктивные клетки хламидий, или «ретикулярные тела» имеют диа-
метр ~0,5 мкм и накапливаются внутри фагосомы, мембрана которой модифициро-
вана таким образом, что лизосомы с ней не сливаются. Вследствие того, что размер
генома хламидий составляет ~1 млн. п.н., они обладают дефектным метаболизмом
и находятся в облигатной зависимости от хозяина. В частности, они не имеют соб-
ственной системы для выработки энергии и получают от него АТФ в обмен на АДФ
(с помощью АДФ/АТФ-транслоказы). Конвергентный аналог этого фермента име-
ется только в митохондриях.

Представителями патогенных ультрамикробактерий, которые репродуцируются
в цитоплазме или ядре, служат риккетсии (класс «Alphaproteobacteria»), вызываю-
щие у человека разные формы риккетсиозного тифа, а также риккетсиозный сифи-
лис и сыпную лихорадку. Природным резервуаром и вектором для переноса этих
патогенов от грызунов к человеку служат клещи. Риккетсии не образуют экзо-
токсинов — вызываемые ими патологии связаны с разрушением хозяйских клеток
изнутри. Диаметр риккетсий составляет ~0,3 мкм, и они имеют небольшой геном
(в случае Rickettsia rickettsii, этиологического агента сыпной лихорадки Скалистых
гор, его размер составляет ~1 млн. п.н.), вследствие чего эти патогены находятся
в облигатной метаболической зависимости от своего хозяина. Поскольку у них от-
сутствуют ферменты гликолиза и глюконеогенеза, они импортируют из цитоплазмы
НАДН и УДФ-глюкозу (что неспособны делать другие прокариоты, а также эукари-
оты). Источником энергии для риккетсий служит окисление глутамата через цикл
Кребса. В дополнение к этому они занимаются «энергетическим паразитизмом», при
котором обменивают АДФ на АТФ хозяина.

Симбиотические ультрамикроархеи. Среди архей известен только один
такой пример — Nanoarchaeum equitans, единственный представитель новой фи-
лы «Nanoarchaeota» (см. раздел 3.5). Размер генома этого археота составляет
~500 т.п.н., а диаметр клетки ~0,4 мкм. Он является облигатным эктосимбионтом
другого археота — гипертермофила Ignicoccus sp. Зависимость от старшего партне-
ра, скорее всего, связана с потерей метаболической автономии, однако в чем кон-
кретно заключается стратегия этой уникальной ассоциации, еще не установлено.

8.2. КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ У ПРОКАРИОТОВ

Несмотря на свой микроскопический размер, прокариоты имеют сложное внут-
реннее строение, что связано с компартментализацией.

Мы не раз подчеркивали основное структурное различие между эукариотами и
прокариотами — если первые обязательно содержат ICM, то у вторых эти мембран-
ные структуры встречаются только у некоторых групп бактерий. Кроме того, у бак-
терий ICM обычно образуются в результате адаптации к «автотрофному» питанию
(см. раздел 8.3.5).

То, что бактерии в большинстве случаев обходятся без ICM, а археи их не имеют
вообще, дало повод считать прокариотные клетки не только не компартментализо-
ванными, но и внутренне изотропными. Однако это неверно.

Во-первых, установлено, что прокариотная клетка анизотропна. Для обозна-
чения анизотропии на молекулярном уровне предложено новое понятие — «гипер-
структура».

Одним из примеров гиперструктуры является кластер рецепторных белков,
участвующих в хемотаксисе, своеобразный «нос» бактериальной клетки (см. раз-
делы 8.4.2 и 8.6.2.2). Он расположен на одном из полюсов Е. coli. Другой пример
гиперструктуры — это локализованный в центральной области клетки прокариот-
ный аналог эукариотного ядрышка, в котором происходит биогенез рибосом. Тре-
тьим примером гиперструктуры является реплисома, расположенная в экватори-
альной зоне и обеспечивающая репликацию хромосомы и сегрегацию дочерних хро-
мосом (см. III том учебника). Границы гиперструктуры строго не заданы, и поэтому
есть разница между этим понятием и понятием органеллы (хотя в функциональном
плане гиперструктура сходна с органеллой, имеющей особое расположение).

Во-вторых, прокариотная клетка разделена на отсеки, т. е. у нее существует ис-
тинная компартментализация (англ, compartment — отсек). Однако в данном случае
компартментализация достигается другими средствами, чем у эукариотов, а неко-
торые типы прокариотных компартментов уникальны как в структурном, так и в
функциональном отношении.

Чем же обеспечивается компартментализация у прокариотов и каковы ее прин-
ципы?

Органеллы-микрокомпартменты, или просто «компартменты» подразделяются
на две основные группы — генеральные и специализированные. Выполняемые ими
функции также подразделяются на генеральные и специализированные.

Генеральные микрокомпартменты необходимы для жизнедеятельности клетки,
поскольку на их основе осуществляются основополагающие, или генеральные функ-
ции. Генеральными функциями являются все «информационные» функции (хране-
ние, воспроизведение и процессинг генных последовательностей), а также важней-
шие функции из числа «операционных» (биогенез клеточных структур, транспорт
и метаболизм).
В любой клетке существуют два генеральных микрокомпартмента, разделен-
ные унитарной мембраной, — цитоплазматический и экзоплазматический. Бактерии,
обладающие грамотрицательным морфотипом, имеют еще и третий генеральный
микрокомпартмент — периплазматический, который расположен между СМ и ОМ
(рис. 4).

Внутри цитоплазматического генерального микрокомпартмента находятся мно-
жественные генеральные микрокомпартменты, лишенные собственной мембран-
ной границы. К ним относятся органеллы трансляции — рибосомы, а также близ-
кие к ним по размерам органеллы посттранскрипционного и посттрансляционно-
го процессинга — деградосомы, шаперонины и протеасомы (см. разделы 8.3.10.1-
8.3.10.3).

Специализированные микрокомпартменты выполняют адаптивные функции, и
их присутствие в клетке не служит условием сохранения жизнеспособности.

Специализированные микрокомпартменты (табл. 6) находятся внутри генераль-
ных микрокомпартментов. Соответственно, они подразделяются на:

— цитоплазматические',

— периплаз матические',

— экзоплазматические.

Иногда специализированный микрокомпартмент размещается сразу в несколь-
ких генеральных компартментах, т. е. имеет смешанную локализацию. Одним из
примеров этого служит вращающийся жгутик.

Если специализированный микрокомпартмент находится внутри клетки, его на-
зывают функциональным включением (англ, functional inclusion), или просто «вклю-
чением». Определение «функциональное» никогда не используется по отношению к
цитоплазматическим включениям ядерных организмов — они редки и существенной
физиологической роли не играют.

Если специализированный микрокомпартмент находится на наружной поверхно-
сти клетки, его обычно назвают «придаточной структурой» (англ, appendage). Если
придаточные структуры, например чехол, окутывают всю клетку, они называют-
ся «покровом» (англ, cover). Другие придаточные структуры, например фимбрии,
занимают только часть клеточной поверхности, и тогда это одна, несколько или
множество идентичных поверхностных органелл.

Граница специализированного микрокомпартмента обеспечивается унитарной
мембраной или иными способами (табл. 6). В соответствии с этим специализиро-
ванные микрокомпартменты подразделяются на:

— ограниченные мембраной',

— ограниченные твердой фазой',

— ограниченные комбинированным способом.

Ограниченные мембраной специализированные микрокомпартменты окружены
унитарной или неунитарной мембраной, а их содержимое находится в жидком или
газообразном состоянии.

В свою очередь, ограниченные твердой фазой специализированные микроком-
партменты представляют собой микроскопические скопления твердого материала,
ультрамикроскопические частицы или надмолекулярные комплексы. Границей та-
кого микрокомпартмента служит поверхность образующей его фазы.

Что касается специализированных микрокомпартментов, ограниченных комби-
нированным способом, то они имеют твердофазное содержимое и окружены унитар-
ной или неунитарной мембраной.
Таблица 6. Специализированные микрокомпартменты у прокариотов

Ограниченные Ограниченные твердой фазой Ограниченные комбинированным способом
Мембрана Мембрана Мембрана Мембрана
унитарная неунитарная унитарная неунитарная

В цитоплазматическом компартменте

Анаммоксосомы; нитратные и кис- лородные вакуоли Газовые везикулы Полифосфатные, полигликозидные и цианофицино- вые гранулы; микрокристаллы Магнитосомы; ацидокальци- сомы; кери- томические вакуоли Карбоксисомы и энтеросомы; полигидро- ксиалканоат- ные гранулы
В периплазматическом компартменте
- Серные глобулы Микрокристаллы - -
В экзоплазматическом компартменте
- Шипы; газо- вые баллоны Чехлы и капсулы; микрокристаллы; целлюлосомы - -
Со смешанной локализацией

- - Система секреции III типа; враща- ющиеся жгутики; фимбрии IV типа - -

Примечание: (-) —данный тип компартмента не выявлен.

При классификации специализированных микрокомпартментов необходимо учи-
тывать не только локализацию и тип строения, но и функцию. По характеру функ-
ций специализированные микрокомпартменты подразделяются на адгезионные, бал-
ластные, барьерные, запасающие, локомоторные, экспортные и энзиматические.
Существуют также специализированные микрокомпартменты, которые совмещают
сразу несколько из перечисленных функций.

Конкретные примеры специализированных микрокомпартментов мы рассмот-
рим в разделах, которые посвящены соответствующим генеральным компартмен-
там.

8.3. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ КОМПАРТМЕНТ

Границу цитоплазматического компартмента прокариотной клетки образует СМ.
Каковы общие принципы организации этого компартмента и какую роль в нем иг-
рают мембранные структуры, в частности ICM?

Для ответа на поставленные вопросы необходимо вернуться к определению клет-
ки (см. раздел 5.1).

Автором образного термина «клетка» был английский натуралист Роберт Гук (R. Нооке), ко-
торый впервые употребил его в своем сочинении «Micrographia or Some Physiological Descriptions
of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses... », изданном в Лондоне в 1667 г.

Гук был родоначальником цитологии — он не только открыл клетку, но и указал на ее важней-
шее свойство микрокомпартмента (а не просто обнаружил многокамерное строение некротизиро-
ванной покровной ткани древесных растений, или пробки, как обычно утверждают историографы
биологии).

Микроскопические полости на срезе пробки по виду напомнили Гуку ячейки пчелиных сот (в
оригинале лат. cellula — ячейка). При этом он отметил, что камеры пробки имеют тонкие стенки
(в оригинале лат. interstitium — промежуток) и что в сухой древесине они заполнены воздухом, а
в зеленой клетке растительным соком.

Выбранное Гуком многозначное слово cellula (уменьш. лат. cella — помещение) вбирает в се-
бя много нюансов — ячейка, каморка, келейка, карцер, клетка для животного, кладовка, кабин-
ка и т. д. К словам cella или cellula восходят термины, обозначающие биологическую клетку в
большинстве романских языков (англ, cell, исп. сё11и1а, итал. cfellula, нем. Zelle, франц, cellule и
т. д.). Особо важно то обстоятельство, что Гук интуитивно уловил суть клетки как микрокомпарт-
мента.

Роль компартментализации отражена в образном названии науки о клетке —
цитологии (греч. kitos —сосуд, урна).

В понятие «клетка» постепенно стали вкладывать расширенное содержание, на-
зывая так не только периметр биологического микрокомпартмента вместе с цито-
плазмой, но и совокупность внутренних деталей этого микрокомпартмента и ассо-
циированных с ним наружных структур. Хотя во многих случаях клетки имеют
ригидные стенки, которые могут сохраняться и в постмортальном состоянии, неза-
менимую интегрирующую роль играет СМ.

Мембранные структуры выполняют разнообразные функции. Они отвечают за
функционирование генофора и аппарата трансляции, а также за собственное сохра-
нение и воспроизведение. Генетические, метаболические, транспортные, регулятор-
ные и коммуникативные процессы в той или иной степени связаны с мембранами.
Поэтому в клеточной биологии мембранологии всегда отводится центральное место.

Мембранологический подход использован при классификации глобальных мор-
фотипов (см. разделы 8.1.1 и 8.1.2). Вкратце напомним, что все представители доме-
на Archaea обладают «минимальной» мембранной системой, которая состоит только
из СМ. В то же время большинство представителей домена Bacteria имеют две мем-
бранные структуры (СМ и ОМ), а некоторые — три мембранные структуры (СМ,
ОМ и ICM).

8.3.1. Биомембраны

Мембранология как раздел клеточной биологии возникла в начале 1960-х годов.
Поскольку методы ультраструктурного анализа вначале были малоинформативны-
ми, первые представления об архитектуре мембран сложились на основе анализа их
биохимического состава.

Термином «мембрана» (лат. membrana — перепонка) пользовались еще классики биологии.
В частности, швейцарский натуралист Альбрехт фон Галлер (A. von Haller) в своем учебнике по фи-
зиологии человека «Primae lineae Physiologiae usum Praelectiones Academicum aucrae et emenlate»,
изданном в 1747 г., называл мембранами соединительнотканные оболочки внутренних органов
(фасции). В цитологическом смысле термин «мембрана» стали употреблять в конце XIX в., ко-
гда обратили внимание на явления, происходящие на внешней границе клетки.

Общее представление о мембранах унаследовано цитологией от органической и коллоидной
химии. К началу XX в. выяснилось, что если жирные кислоты, жирные спирты или липиды нанести
на водную поверхность, они растекаются в монослойные пленки, а при эмульгировании в воде
образуют мицеллы и двухслойные везикулы.

Молекулы липидов — в случае прокариотов это в основном фосфолипиды — ориентируются та-
ким образом, что их полярный конец, или гидрофильная «головка» взаимодействует с гидрофиль-
ной фазой (в природных условиях это обычно водный раствор), а неполярный конец, или гидро-
фобный «хвост» разворачивается в противоположную сторону.

Билипидная мембрана — это ультратонкая и изнутри гидрофобная пленка, разделяющая два
гидрофильных компартмента. Способность липидов к самосборке и упорядоченной ориентации
приводит к образованию жесткой и одновременно с этим эластичной квази-кристаллической струк-
туры. Мембраны при ничтожно малой (по сравнению с протяженностью) толщине механически
прочны, поскольку их матрикс образован двумя слоями сильно взаимодействующих гидрофоб-
ных молекул. Неслучайно для солюбилизации мембранных структур используются поверхностно-
активные вещества (детергенты).

При выборе физико-химического прототипа клеточной мембраны, или биомембраны учитыва-
лось главное условие — окружающая цитоплазму пограничная пленка должна быть не растворимой
в воде и физически прочной. Применительно к липидным мембранам максимально устойчивому
состоянию, или минимальному уровню свободной энергии отвечает двухслойная мембрана (англ,
bilayer membrane).

Первую модель строения мембраны, или «химическую» билипидную модель
предложили в 1925 г. Гортер (Е. Gorter) и Грендель (F. Grendel). Согласно ей, мем-
брана состоит из двух зеркально ориентированных липидных монослоев. Гидро-
фобные взаимодействия между углеводородными «хвостами» осуществляются как
в плоскостях полу мембранных листков, так и между полумембранными листка-
ми, а взаимодействие заряженных головок с молекулами воды или другого гидро-
фильного растворителя происходит на противоположных поверхностях мембраны
(рис. 7, Л).

Рис. 7. Модели билипидной мембраны.

А— «химическая» мембрана (по Гортеру и Гренделю); Б — «трехслойная» биомембрана
(по Дэниэлли и Дэвсону); В— «элементарная» биомембрана (по Робертсону);

Г—«жидкостно-мозаичная» биомембрана (по Сингеру и Николсону);

1 — интегральный белок; 2 — периферический белок; 3 — амфипатический белок;

in — внутренняя поверхность; out — внешняя поверхность.

В середине 1930-х годов, благодаря прогрессу аналитической и препаративной
биохимии, модель биомембраны Гортера-Гренделя уступила место модели «трех-
слойной» биомембраны (англ, triple layer membrane), которую предложили Дэниэл-
ли (J.Danielli) и Дэвсон (Н. Davson). В соответствии с ней, по обеим сторонам двой-
ного липидного слоя лежат белковые слои. Внутренняя область, или матрикс такой
мембраны проявляет амфипатические свойства (греч. amphi — двойной и pathos —
страсть; «сочетание внутренней гидрофобности с внешней гидрофильностью»). Мо-
дель Дэниэлли-Дэвсона (рис. 7, Б) объясняла не только механические и электроизо-
лирующие свойства биомембран, но и их физиологические свойства, в том числе
ферментативную активность.

Следует напомнить, что из-за своей ультрамикроскопической толщины биомем-
браны были в то время недоступны для наблюдения in situ.

В конце 1950-х годов, когда в цитологии стали использоваться электронно-микро-
скопические методы, выяснилось, что животные и растительные клетки окружены
мембраной, которая имеет толщину ~8 нм и состоит из примерно одинакового коли-
чества липидов и белков. Одновременно с доказательством мембранной природы по-
граничного слоя были получены данные, что ядерная оболочка, аппарат Гольджи и
вакуоли, в свою очередь, представляют собой мембранные компартменты и что клет-
ка пронизана сетью мембран — эндоплазматическим ретикулумом (лат. reticulum —
сеточка; англ, endoplasmic reticulum, ER). Общий вывод был таков, что мембранные
структуры универсальны для клеток животных и растений, имеют стандартную
толщину и характерный трехконтурный профиль на срезе (два электроноплотных
слоя, разделенные электронопрозрачным слоем).

Все это позволило Робертсону (D. Robertson) распространить физико-химиче-
скую модель трехслойной мембраны на живые объекты и предложить модель «эле-
ментарной» биомембраны (англ, elementary membrane). Согласно этой модели, био-
мембрана состоит из липидного матрикса с асимметричными антиподными поверх-
ностными слоями. Внутренний слой представлен негликозилированным белком, а
наружный слой — гликопротеином (рис. 7, В). Модель «элементарной» биомембра-
ны стала важным шагом к объяснению морфофункциональных свойств мембранных
структур у животных и растений.

Позднее модель «элементарной» мембраны распространили на клетки других
ядерных организмов — грибов и протистов, а также на прокариотов-бактерий. Об-
щими усилиями биохимиков и цитологов была создана концепция универсально рас-
пространенной, или «унитарной» биомембраны (англ, unit membrane).

Вернуться к модели биомембраны Дэниэлли-Дэвсона, но уже на новом каче-
ственном уровне и максимально близко к реальным физиологическим условиям поз-
волила «жидкостно-мозаичная» модель биомембраны (англ, liquid mosaic membrane)
(рис. 7, Г). Ее разработали в начале 1970-х годов Сингер (S. Singer) и Николсон
(G. Nicholson) на основе следующих положений:

— билипидный слой способен к обратимым фазовым переходам из кристалли-
ческого состояния в жидкое, причем во втором случае белки и надмолекулярные
комплексы обладают горизонтальной плавучестью, т. е. они диффундируют в ли-
пидной фазе с образованием квази-стационарных физиологических ансамблей;

— мембранные белки обладают вертикальной плавучестью, т. е. они интегриро-
ваны в мембрану в меру своей гидрофобности, а не в соответствии со своим раз-
мером;

— физиологическая роль белка зависит не только от его принадлежности к опре-
деленному функциональному классу, но и от ориентации по отношению к мембране.

Таким образом, под унитарными жидкостно-мозаичными мембранами подразу-
меваются структуры, состоящие из двух зеркально ориентированных липидных мо-
нослоев, в которые интегрированы или с поверхностью которых связаны полипеп-
тиды. Общее расположение полипептида и ориентация его доменов по отношению
к липидному матриксу определяются профилем гидропатичности (распределением
гидрофильных и гидрофобных радикалов вдоль цепи аминокислотных остатков).
В соответствии с этим мембранные белки подразделяются на три группы — инте-
гральные, периферические и амфипатические (рис. 7, Г 1-3).

Авторы модели унитарной биомембраны понимали, что архитектура мембран
зависит от характера взаимодействия липидов с полипептидами, а также с полиса-
харидами. Эти компоненты мембраны не только не уменьшают, но, напротив, повы-
шают прочность липидного матрикса. В то же время они делают строение мембран
менее регулярным, а их состав —более лабильным как в онтогенетическом, так и
в филогенетическом плане. Все это дает основание рассматривать мембраны как
квази-упорядоченные надмолекулярные структуры.
Особая заслуга в разработке функциональной модели биомембраны принадле-
жит Питеру Митчелу (Р. Mitchell, Нобелевская премия по химии, 1978 г.). В начале
1970-х годов он добавил к двум основным свойствам протеолипидной мембраны, ам-
фипатичности и механической прочности, третье свойство — активного полупрони-
цаемого барьера, разделяющего соседние компартменты. При затрате энергии меж-
ду этими компартментами перераспределяются молекулы и ионы, благодаря чему
они находятся в осмотическом неравновесии.

Мембранные полипептиды выполняют архитектурные, транспортные, метаболи-
ческие, генетические и регуляторные функции. От особенностей полипептидного
состава мембран зависит их физиологическая специализация. В то же время мем-
браны имеют универсальное свойство, связанное с гидрофобной природой липидно-
го матрикса. Оно выражается в низкой проницаемости для гидрофильных молекул,
прежде всего гидрофильных ионов. Поэтому все унитарные мембраны потенциаль-
но энергогенны — они могут запасать энергию в форме трансмембранной разности
электрохимических потенциалов катионов Н+ или Na+. Естественно, что диэлек-
трические свойства унитарных мембран служат лишь необходимым условием ас-
симиляции энергии. Условием достаточным является то, что в мембране должен
содержаться белковый трансформатор энергии, а из окружающей среды должен
поступать энергоноситель в биологически доступной форме (в виде квантов элек-
тромагнитного поля или в виде окисляемого субстрата).

Помимо фосфолипидов, к широко распространенным, но не универсальным ли-
пидам прокариотной клетки относятся моно- и полициклические производные бес-
цветных полиизопреноидов (хиноны, стероиды и гопаноиды), а также окрашенные
полиизопреноиды (каротиноиды). Последние существуют как в свободной форме,
так и в составе пигмент-белковых комплексов, которые могут быть бинарными (ка-
ротинопротеины) или тройственными (хлорофилл-каротин-протеины).

Мембрана рассматривается в первую очередь как разделительный барьер и пло-
щадка для иммобилизации ферментов, а также транспортных, регуляторных и дру-
гих белков. Билипидный матрикс гораздо реже рассматривается как компартмент,
поскольку поперечник мембраны ничтожно мал по сравнению с ее протяженностью.
И тем не менее это компартмент — внутри мембраны в латеральном направлении
мигрируют белки и белковые комплексы; в свою очередь, молекулы липида могут
перемещаться в продольном (латеральном) или в поперечном (трансверсальном )
направлениях. Во втором случае говорят о том, что они «кувыркаются», или дела-
ют сальто-мортале (англ, flip-flap).В компартменте билипидного матрикса и на его
поверхностях сосредоточены субстраты ферментов, а также молекулы, играющие
роль сигнализаторов, регуляторов или биологически инертные.

Для физиологической роли, которую выполняют мембраны in situ, важное зна-
чение имеет как латеральная, так и трансверсальная анизотропия. Методы для ана-
лиза локализации мембранных липидов еще мало разработаны, и немногочисленные
данные относятся только к ОМ бактерий.

Напротив, уже давно научились выявлять мультиполипептидные комплексы и
крупные белки на поверхности реплик, полученных с помощью вакуумного напы-
ления углерода или тяжелого металла на «криосколы» — поверхности разлома за-
мороженных клеток и субклеточных препаратов. Они имеют форму глобулярных
выступов или комплементарных им углублений диаметром 5-15 нм. Большинство
унитарных мембран при криоскалывании образуют два полумембранных листка,
соответствующих двум липидным монослоям. По терминологии, предложенной в
CM

Рис. 8. Профили криосколов унитарной мембраны.

СМ — цитоплазматическая мембрана; ICM — интрацитоплазматические
мембраны; PS — протоплазматическая поверхность; ES — экзоплазматическая
поверхность, PF — протоплазматическая лицевая сторона;

EF — экзоплазматическая лицевая сторона.

конце 1960-х годов Брэйтоном (D. Branton), полумембранный листок, ориентирован-
ный в сторону цитоплазмы, называется протоплазматическим (англ, protoplasmic,
Р). Реплика внутреннего разлома для протоплазматического листка обозначается
как протоплазматическая лицевая сторона (англ, protoplasmic face, PF), а репли-
ка внутреннего скола —как протоплазматическая поверхность (англ, protoplasmic
surface, PS). Аналогичные реплики для обращенного в сторону экзоплазмы, или
экзоплазматического (англ, exoplasmic, Е) полумембранного листка соответственно
обозначаются как EF и ES (рис. 8).

8.3.2. Разнообразие мембранных структур у прокариотов

Морфобиохимические и молекулярно-биологические данные, полученные при
изучении бактерий и архей, привели к открытию ранее неизвестных типов биомем-
бран. Некоторые из них имеют уникальный состав и выполняют специфические
функции. Однако можно назвать ряд общих свойств, которыми должна обладать
любая биомембрана. Независимо от своего конкретного строения она:

— имеет гидрофобный матрикс, состоящий из монослоя или двойного слоя моле-
кул;

— гидрофильна по крайней мере с одной поверхности;

— выполняет функцию барьера между цитоплазмой и экзоплазмой или между
периплазмой и экзоплазмой;

— образует замкнутый компартмент.

Перечисленными свойствами может обладать не только билипидный слой, но и
монослой белка или липида. В первом случае речь идет об унитарной мембране, а во
втором —об «неунитарной» мембране (англ, non-unit membrane). Различие между
ними, в частности, морфологическое.

Срез унитарной мембраны, контрастированный солями тяжелых металлов, при
просвечивающей электронной микроскопии выглядит как два темных контура, раз-
Таблица 7. Мембранные структуры прокариотов

Мембранная структура Объект Функция Примечание

Образованы унитарной мембраной

СМ Все бактерии и археи Полифункциональна У представителей филы AI Crenarchaeota липи- ды образуют монослой (гидрофобные «хвосты» соединены ковалентно)
ОМ Бактерии грамотри- цательного морфоти- па Вместе с ригидным сло- ем стенки поддержива- ет структурную целост- ность клетки; участвует в транспорте и сигналинге У трихомных форм под- держивает структуру трихома; создает общий периплазматический компартмент
ICM Бактерии грамотри- цательногоморфоти- па с автотрофным метаболизмом Преимущественно энер- гоассимилирующая структура У представителей фил ВХ Cyanobacteria , BXII Proteobacteria и BXV Planctomycetes могут быть изолированными от СМ

Образованы неунитарной белковой мембраной

Оболочка интрацито- плазматиче- ских газовых везикул Незакономерно пред- ставлена у бактерий и архей Увеличивает плавучесть клетки Образуется адаптивно путем самосборки
Оболочка интрацито- плазматиче- ских гранул полигидрок- сиалканоатов; оболочка карбоксисом Незакономерно пред- ставлена у бактерий Участвует в запасании и использовании запасного материала; участвует в иммобилизации RuBisCO и концентрировании СОг Образуется адаптивно путем самосборки; со- держит интегральные полипептиды, а также амфипатические и пери- ферические ферменты
Оболочка экс- трацелл юл я р- ных газовых баллонов Некоторые бакте- рии грамотрицате- льного (Alcaligenes sp.) и грамположи- тельного (Bacillus vesiculiferous) морфо- типа - Образуется адаптив- но путем самосборки, участвует в накоплении кислорода
Поверхност- ный S-слой Незакономерно пред- ставлен у бактерий и архей Наряду с ригидным слоем (или вместо него) поддерживает целост- ность клетки; участвует в транспорте и сигна- линге Участвует в образова- нии квази-периплазмати- ческого компартмента

Образованы неунитарной липидной мембраной

Оболочка хло- росом Фототрофные пред- ставители филы BVI Chloroflexi-, все пред- ставители филы BXI Chlorobi Участвует в упаковке и биогенезе перифериче- ской светособирающей антенны Образуется адаптивно путем самосборки или конститутивно; содержит интегральные полипеп- тиды

Примечание: (-) — данные отсутствуют.
деленных светлым промежутком около 8 нм, что равно сумме длин двух липид-
ных «хвостов». В свою очередь, поперечный срез неунитарных мембран однокон-
турный и по ширине составляет 3-5 нм. На криосколах поверхностей неунитарных
мембран не выявляются глобулярные частицы диаметром 5-15 нм, которые соответ-
ствовали бы интегральным и амфипатическим белкам, характерным для унитарных
мембран.

Между унитарными и неунитарными мембранами существуют и функциональ-
ные различия — неунитарные мембраны не содержат транспортных систем, в том
числе для создания протонного градиента. Это ограничивает их участие в физиоло-
гических процессах и сводит его к роли оболочки специализированных компартмен-
тов, а также докинг-площадки для отдельных ферментов конструктивного метабо-
лизма. В отличие от универсально распространенных унитарных мембран, неуни-
тарные мембраны встречаются только у бактерий и архей.

Чтобы выполнять свои функции, мембраны бактерий и архей не обязательно
должны иметь протеолипидное строение и состоять из двух полумембранных лист-
ков (см. табл. 7).

Установлено, что мембраны прокариотов более разнообразны, чем мембраны эу-
кариотов, причем это касается не только молекулярного состава, но и функций этих
структур, а также их локализации.

К сказанному можно добавить, что термин «мембрана» используется для обозначения пря-
мых или спирализованных белковых ламелл, которые встречаются в цитоплазме некоторых бак-
терий и имеют толщину несколько десятков нанометров. Примером служат «R-тела» (сокр. ан-
гл. refractive — светопреломляющий) хемогетеротрофной бактерии Holospora sp. — симбионта па-
рамеций, а также свободноживущих фототрофных бактерий, в частности пурпурной бактерии
Rhodospirillum centenum. В некоторых случаях показано, что они кодируются внехромосомны-
ми генетическими элементами — плазмидами. Структура R-тел и их функциональное значение
задают много загадок. Установлено, что они играют роль киллер-фактора в смешанной популя-
ции протистов, состоящей из особей-носителей бактериальных симбионтов и незараженных особей.
Возможно, что образование R-тел связано с патологическими состояниями (например, вирусной
инфекцией или прионизацией); не исключено также, что некоторые R-тела имеют артефактную
природу. Несмотря на внешнее сходство таких ламелл с мембранами, они к ним не относятся. То-
пологическое свойство истинных мембран — это везикулизация, т. е. образование замкнутых сфер
и гомеоморфных фигур.

Функциональная активность мембран определяется спецификой их молекуляр-
ных компонентов, причем для белков, помимо молекулярного состава, принципиаль-
ное значение имеет распределение в трансверсальном и латеральном направлениях,
а также их взаимодействие друг с другом и небелковыми молекулами.

Состав (но не физическое состояние) липидного матрикса влияет на свойства
мембран в меньшей степени. Так, мембраны бактерий и эукариотов содержат струк-
турно сходные липиды, хотя в функциональном плане сильно различаются. Напро-
тив, мембраны бактерий и архей имеют альтернативный липидный состав, однако
спектр физиологических функций у них одинаков.

8.3.3. Мембранные липиды

Липидами в широком смысле слова (греч. lipos —жир и eidos вид; «нечто жи-
роподобное») считаются любые гидрофобные органические соединения. При рас-
ширенном толковании этого термина липидами называют даже некоторые белки,
например, интегральная 6-субъединица FoFi-АТФазы известна как «протеолипид».
Однако собственно липиды —это углеводороды, а также азотсодержащие, кисло-
род-, серу- и фосфорсодержащие производные углеводородов.

Липиды можно условно разделить на структурные, функциональные и запасные.

Структурные липиды. Они входят в состав биомембран, реже —в состав покровов, напри-
мер, образуют ламинарный слой чехла гетероцисты цианобактерий или чехол «везикул» актино-
мицетов (см. раздел 8.5.4).

Функциональные липиды. Они входят в состав биомембран, где участвуют в преобразо-
вании световой или химической энергии (хиноны и каротиноиды). Кроме того, они универсально
предохраняют клетку от окислительного стресса (каротиноиды). В большинстве случаев такие
липиды образуют унитарные мембраны, хотя бывают исключения — например, у зеленых фото-
трофных бактерий мембрана хлоросомы состоит из монослоя галактолипида.

Запасные липиды. У прокариотов они накапливаются в цитоплазме. Примером служат по-
лигидроксиалканоатные гранулы бактерий (см. раздел 8.3.11.7). В свою очередь, ядерные клетки
откладывают триацилглицериды в цитоплазме или в строме элайопластов — запасающих органелл,
которые представляют собой один из вариантов дифференцированных пластид.

В настоящем разделе мы рассмотрим только структурные липиды, входящие в
состав бактериальных СМ и ICM, а также структурные липиды археотной СМ.

На структурных липидах из ОМ грамотрицательных бактерий, и на структур-
ных липидах квази-ОМ бактерий из группы «mycolata», мы остановимся в разделах
8.4.1.1 и 8.5.2.2.

8.3.3.1. Мембранные липиды бактерий

По химическому строению мембранные липиды прокариотов подразделяются на
три основные группы:

— ацилсодержащие и/или алкилсодержащие глицеролипиды;

— полиизопреноиды;

— полиизопреноид-содержащие глицеролипиды.

Бактерии могут образовывать липиды первой и второй групп. Образование ли-
пидов третьей группы является уникальным свойством архей.

Ацилсодержащие и/или алкилсодержащие глицеролипиды имеют 1-3 гидрофобных «хвоста»,
которые чаще всего связаны с полиолом — глицеролом. Вместо глицерола в качестве несущего по-
лиола могут использоваться глюкоза, дисахарид трегалоза или остатки арабинозы (в миколовых
кислотах, см. раздел 8.5.2.2), а также сдвоенные остатки глюкозамина (в липиде А; см. раздел
8.4.1.1). В этом случае суммарное число гидрофобных хвостов может быть очень большим — до 50,
и такая биохимическая стратегия не только увеличивает гидрофобность липидных молекул, но и
дает бактериям возможность широко варьировать их структуру. Кроме того, к глицеролу обычно
присоединяется полярная «головка», что позволяет глицеридам образовывать билипидный слой.

В составе молекулы полиизопреноидных липидов (гопаноидов, каротиноидов, стероидов и хи-
нонов) нет полиола. Наличие у многих из них полярной «головки» не делает их основой биипидного
слоя, хотя они корректируют его структуру (стероиды и гопаноиды) или выступают в роли функ-
циональных липидов (каротиноиды и хиноны).

В полиизопреноидсодержащих липидах архей гидрофобные «хвосты» связаны с полиолом —
глицеролом или кальдитолом (см. ниже). По аналогии с ацилсодержащими и/или алкилсодержа-
щими липидами бактерий и эукариотов, они обычно содержат полярные головки, что позволяет
им образовывать гидрофобное ядро СМ. Строение полиизопреноидной цепи в таких липидах ис-
ключительно вариабельно.

Мембранные липиды бактерий изучены в основном на примере Е. coli и В. subtilis.
Собраны фундаментальные сведения о фракционном составе и биосинтезе мембран-
ных липидов. Однако до сих пор неизвестно, существует ли латеральная и транс-
ФОСФАТИДЫ

©pR
R—ф

ф1—О

— Р—О”

РА

РЕ

NH3

РА Т
СОО"

©рОН

®-он
РА—

®р РА
ф-он

РА—

DPDG

+ /СН
y^N^CH
paz

ОН ОН

НО он
PI

©|—О

©г— О

— © О
II
©*—о-р-х

1-алк-1-енил-
2-ацил-
фосфоглицериды

— © О 1-алкил-2-ацил-
q О р х ФосФоглицеРиды

Ог— о

—© о
II
Ф1—О —Р-Х

1,2-ди алкил-
фосфоглицериды

триацил-
глицериды

©г—R

диацилгпикозил-
ж глицериды

©Г—R

диацил глюкозиды

ch2o-r
I он

@1—R

®L_

ГЛИКОЗИЛ 13

R-O

он

Рис. 9. Мембранные липиды бактерий.

РА — фосфатидная кислота; R — остаток жирной кислоты; PG — фосфатидилглицерол; DPDG —
дифосфатидилдиглицерол (кардиолипин); РЕ — фосфатидилэтаноламин и PS — фосфатидилсерин
(кефалины); PC — фосфатидилхолин (лецитин); PI — фосфатидилинозитол; X — полярная группа
(этаноламин и др.; см. «Б»).
версальная анизотропия липидного матрикса, т. е. насколько однородно они распре-
делены в плоскостях и поперек мембраны.

Большинство бактериальных глицеролипидов представляет собой двойные слож-
ные эфиры глицерола и жирных кислот—1,2-диацил-зп-глицер иды (рис.9,Б).

Напомним, что согласно стереоспецифической нумерации (англ, stereospecific
numeration, sn) в проекции Эмиля Фишера (E.Fischer) верхний атом углерода идет
под №1, а вторичная гидроксильная группа направлена влево от вертикально ори-
ентированной оси молекулы. Из-за присутствия в глицероле асимметричного цен-
трального атома углерода большинство бактериальных глицеролипидов являются
левовращающими D-изомерами.

Жирные кислоты. В мембранах бактерий свободные жирные кислоты встре-
чаются редко и в малом количестве. Обычно они образуют сложные эфиры с гли-
церолом. Исключением служит сложный эфир cv-алициклической Сго-жирной кис-
лоты с метанолом, относящийся к недавно открытому классу липидов — ледеранам
(см. раздел 8.3.11.1).

Цепи жирных кислот в мембранных липидах различаются по длине. Они бывают
разветвленными, а также могут содержать кольца и двойные связи (рис. 9, А).

Жирные кислоты в мембранных липидах относятся к двум основным группам.

В первую, широко распространенную группу входят:

— неразветвленные насыщенные жирные кислоты (рис. 9, А, а): додекановая (С1г:О; лаурино-
вая), тетрадекановая (Ci4:0; миристиновая), гексадекановая (Cie:0; пальмитиновая) и октадека-
новая (Cig:O; стеариновая)-,

— моно-сгз-ненасыщенные жирные кислоты (рис. 9, А, б): гексадеканоевая (С1в:1, Д9; пальми-
толеиновая) и октадеканоевая (С1в:1, All; цис-вакценовая);

— жирные кислоты с циклопропановыми кольцами (рис. 9, А, е): 9,10-сгз-метилен-гексадекано-
вая и 11,12-сгз-метилен-нонадекановая (лактобацилловая);

— жирные кислоты с одним метильным или одним гидроксильным заместителем (10-метилгек-
садеканоевая и 2- или 3-гидроксигексадеканоевая).

Все они синтезируются из ацетил-СоА в качестве праймера и малонил-СоА в качестве удлини-
теля цепи. Примером служит пальмитиновая кислота:

СНзСО ~ SCoA + 7“ООС - СН2 — СО ~ SCoA + 14НАДФН

СНз - (СН2)14 - СООН + 7СО2 + 14НАДФ + 6Н2О + 8C0ASH.

Во вторую, редко встречающуюся группу входят:

— терминально разветвленные жирные кислоты в изо-конфигурации (рис. 9, А, г) или в антеизо-
конфигурации (рис. 9, А, д);

— си- алициклические жирные кислоты (рис. 9, А, ж).

Они также синтезируются из соответствующего праймера и малонил-СоА в качестве удли-
нителя цепи. В случае необходимости они подвергаются модификации (десатурации или гидрок-
силированию). Грамположительные бактерии, в частности представители рода Bacillus обычно
содержат больше терминально разветвленных жирных кислот, чем грамотрицательные бакте-
рии.

Одна из старых догм липидологии гласила, что у бактерий, в отличие от растений и жи-
вотных, отсутствуют полиненасыщенные жирные кислоты. Однако в настоящее время у морских
бактерий Cowliella psychrerythraea, Flexibacer polymorphus и Shewanella gelidimarina, а также у ря-
да цианобактерий обнаружены поли-сгз-ненасыщенные жирные кислоты (рис. 9,А, б), в частности
эйкозопентаеноевая кислота (С2о : 5, Д5, 8, 11, 14, 17).

Согласно другой догме, у бактерий отсутствуют trans-мононенасыщенные жирные кислоты.
Однако в настоящее время они найдены у Pseudomonas putida, которая образует их путем прямой
изомеризации (рис. 9, А, в).

В отличие от эукариотов, у которых изменение физических свойств липидного
ядра мембраны происходит за счет изменения соотношения между фосфолипидами
и холестеролом, бактерии используют другую стратегию — варьируют жирнокис-
лотный состав липидов.

Способность бактерий варьировать жирнокислотный состав мембранных ли-
пидов в зависимости от изменений условий окружающей среды для того, что-
бы мембраны находились в жидкостно-кристаллическом состоянии, называется
«гомеовязкостной адаптацией» (англ, homeoviscous adaptation). Благодаря это-
му бактерии поддерживают вязкость своих мембран на относительно постоянном
уровне.

У бактерий, которые самостоятельно синтезируют жирные кислоты (прототро-
фов по жирным кислотам), это происходит путем изменения набора соответству-
ющих ферментов. В то же время для бактерий, нуждающихся в экзогенных жир-
ных кислотах (ауксотрофов по жирным кислотам, например Acholeplasma laidlawii)
температура, при котроой возможен рост, зависит от типа добавленной жирной
кислоты.

Первая задача мембраны — быть барьером для гидрофильных молекул, что не только не про-
тиворечит статичности этой структуры, но напрямую зависит от нее. Вторая задача мембраны —
служить матриксом для функциональных белков — требует внутренней динамичности, чтобы они
могли свободно плавать или хотя бы смещаться в латеральном, а также трансверсальном направ-
лениях. Для физиологической активности мембраны одинаково губительны как «замороженное»
кристаллическое состояние, так и «расплавленное» жидкое состояние.

В случае фазового перехода при понижении температуры функциональные белки «вымора-
живаются», т. е. в результате латеральной диффузии вытесняются из липидного слоя и случай-
но группируются в участках, свободных от липидов. В свою очередь, липиды с более низкой
температурой фазового перехода образуют «незамерзшие» домены, которые остаются в жидком
состоянии.

В случае фазового перехода при повышении температуры мембрана разжижается, и скорость
диффузии ее компонентов возрастает. В конечном счете, контакты между функциональными бел-
ками становятся слишком кратковременными и хаотичными.

При температуре, когда происходит рост, мембрана обязательно должна содержать участки
в промежуточном жидкостно-кристаллическом состоянии, хотя в ней могут быть относительно
большие кристаллические зоны.

Обратимый переход мембранных липидов из кристаллического в жидкое состояние зависит
от температуры плавления жирных кислот. Однако в физиологическом отношении важнее темпе-
ратура фазового перехода липидного матрикса. В зависимости от преобладающего типа жирной
кислоты она ниже температуры ее плавления на 10-45° С.

Липидный слой с плотно упакованными длинными и «прямыми» молекулами характеризуется
более высокой упорядоченностью и повышенной жесткостью, и поэтому он плавится при более
высокой температуре.

Более высокую температуру фазового перехода имеют липиды, образованные:

— длинноцепочечными жирными кислотами (по сравнению с короткоцепочечными);

— насыщенными жирными кислотами (по сравнению с ненасыщенными);

— irans-мононенасыщенными жирными кислотами (по сравнению с моно-сгз-ненасыщенными и
поли-сгз-ненасыщенными);

— разветвленными жирными кислотами (по сравнению с неразветвленными);

— ациклическими жирными кислотами (по сравнению с циклическими).

Поэтому при более низкой температуре прежде всего увеличивается относительное содержание
ненасыщенных жирных кислот. В свою очередь, длина жирнокислотной цепи прогрессивно возрас-
тает у мезофильных, термофильных и экстремально термофильных бактерий (С15) —> (С15-С17)
—> (С17-С19).

Текучесть мембраны уменьшается не только при снижении температуры, но и при других
воздействиях, которые сокращают расстояние между фосфолипидными молекулами — например,
при повышении гидростатического давления или при добавлении стероидов к фосфатидам. У ба-
рофильных бактерий при повышении гидростатического давления увеличивается относительное
содержание ненасыщенных жирных кислот.

Ферменты биосинтеза гицеролипидов используют растворимые субстраты, в частности 3-фос-
фоглицерол. Поскольку эти ферменты находятся на PS-поверхности СМ, возникает проблема, как
перенести готовый продукт в наружный полумембранный листок. Спонтанно это происходит до-
вольно медленно, и для ускорения используются «переворачивающие» ферменты — флиппазы.

В связи с ключевой ролью мембран в жизни бактериальной клетки, большое фармакологиче-
ское значение имеют антибиотики, мишенью для которых служит биосинтез липидов (тиолакто-
мицин, церуленин и др.).

Фосфатиды. Основой полярных диацилглицеридов является фосфатидная кис-
лота (англ, phosphatidic acid, РА), которая содержит жирнокислотные остатки в
положении 1 и 2, а остаток фосфорила в положении 3. В свободном виде фосфа-
тидной кислоты обычно мало, в основном она образует замещенные по фосфорилу
производные — фосфатиды (рис. 9, Б).

Три самых распространенных у бактерий фосфатида — это фосфатидилглицерол
(англ, phosphatydyl glycerol, PG), дифосфатидилдиглицерол ( англ, diphosphatydyl
diglycerol, DPDG; кардиолипин) и фосфатидилэтаноламин (англ, phosphatydyl
ethanolamine, РЕ; кефалин). Фосфатидилглицерол преимущественно синтезируют
неспорообразующие грамположительные бактерии, а фосфатидилэтаноламин — гра-
мотрицательные бактерии.

Менее распространен фосфатидилсерин (англ, phosphatydyl srerine, PS) — напри-
мер, он известен у представителей рода Rhizobium, а также фосфатидилхолин (англ,
phosphatydyl choline, PC; лецитин).

Еще реже встречается фосфатидилинозитол (англ, phosphatydyl inosite, PI; ино-
зитид), который играет важную роль во внутриклеточном сигналинге у эукариотов.
Тем не менее, у некоторых бактерий, например из рода Mycobacterium, это главный
мембранный липид.

От количественного соотношения между анионными полярными головками фос-
фатидилглицерола и дифосфатидилглицерола и катионными полярными головками
фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина зависит величина избыточного отри-
цательного заряда на обеих поверхностях СМ.

Плазмалогены. Многие анаэробные бактерии образуют 1-алк-енил-2-ацилгли-
цериды, или плазмалогены (рис. 9, В), которые представляют собой внутримолеку-
лярную комбинацию винилового эфира глицерола с алифатическим альдегидом и
сложного эфира глицерола с жирной кислотой. Существуют и неацилированные
варианты, а также варианты с двумя ацильными остатками в положении 2 и поло-
жении 3.

Плазмалогены, впервые обнаруженные у живущей в рубце жвачных животных
анаэробной бактерии Ruminococcus flavefaciens, бывают и у грамотрицательных, и у
грамположительных бактерий.

Моноалкилфосфоглицериды. Еще реже у анаэробных бактерий встречаются
1-алкил-2-ацил-фосфоглицериды — обычные компоненты рыбьего жира (рис. 9, Г).
В данном случае глицерол в положении 1 образует простую эфирную связь с нераз-
ветвленным алифатическим спиртом, а в положении 2 находится остаток жирной
кислоты. В качестве этерифицирущего спирта могут выступать химиловый (гекса-
дециловый), батиловый (октадециловый) и селахиловый (октадек-сгз-енил) спирты.
Ацильные заместители находятся в положении 2 или в положении 2 и 3.

Уникальную группу моноалкилглицеридов образуют некоторые варианты недав-
но открытых уникальных липидов — ледеранов (см. раздел 8.3.11.1).

Диал кил фосфоглицериды. Исключительно редко бактерии образуют 1,2-ди-
алкилглицериды (рис. 9,Д). В этом случае к глицеролу в положении 1 и положении
2 с помощью простой эфирной связи присоединяются изо- или антеизо-разветвлен-
ные алифатические спирты. Обладателями таких липидов являются термофиль-
ные сульфатредуцирующие бактерии из рода Thermodesulfobacterium (фила ВШ
Thermodesulfobacteria).

Нейтральные ацилглицериды и ацилглюкозиды. Такие липиды являются
полярными, но электронейтральными.

Примерами нейтральных ацилглицеридов служат полностью замещенный 1,2,3-
триацил-5п-глицерид (рис. 9, Е), частично замещенный диацил-sn-глицерид, 1-моно-
ацил-вп-глицерид и З-моноацил-бп-глицерид, а также полностью замещенный диа-
цилгликозилглицерид (рис. 9, Ж).

В свою очередь, нейтральные ацилглюкозиды могут содержать от одного до трех
ацильных заместителей (рис. 9,3). Такие липиды у бактерий встречаются довольно
редко.

Стероиды (циклические полиизопреноидные липиды). В отличие от
ацилглицеридов и ацилглюкозидов, гидрофобный домен полиизопреноидных липи-
дов представлен не ацильными остатками, а состоит из циклических или из ре-
гулярно разветвленных ациклических структур. Для их биосинтеза используются
изопреновые Cs-единицы (-СН2-С(СНз)=СН-СН2~).

Циклические полиизопреноиды из группы стероидов типичны для эукариотов.
Напротив, прокариоты синтезируют их исключительно редко. Известны всего три
достоверных примера — метилотрофная бактерия Methylococcus capsulatus, а также
миксобактерии Nannocystis exedens и Polyangium sp., которые самостоятельно син-
тезируют стероиды, причем в таких же количествах, как и эукариоты. Способность
некоторых штаммов Azotobacter sp. и Synechococcus sp. синтезировать стероиды тре-
бует подтверждения.

Некоторым бактериям необходимы экзогенные стероиды, которые спонтанно
включаются в состав СМ. Редкими примерами этого служат представители родов
Helicobacter, Mycoplasma и Treponema.

Стероиды, в частности С27-холестерол представляют собой тетрациклические
соединения с боковой полиизопреноидной цепью в положении 17 (рис. 10, А). Благо-
даря тому, что холестерол содержит полярный гидроксильный радикал в положе-
нии 3, он ориентируется в липидной фазе мембраны точно так же, как это делают
фосфатиды, причем тетрациклическая часть молекулы по размеру соответствует
гидрофобному «хвосту» фосфолипида.

Стероиды играют важную роль в гомеовязкостной адаптации. Два гидрофобных
«хвоста» в молекуле фосфатида обладают гибкостью, которая увеличивается с по-
вышением температуры. В итоге мембрана разжижается и, в конечном счете, теряет
свои физиологические функции. Плоские молекулы стероидов, напротив, обладают
жесткостью. Они могут компенсировать гибкость фосфатидов и их значительную
диффузию.

Гопаноиды (циклические полиизопреноидные липиды). Хотя бактерии
не содержат стероидов, у них широко распространены суррогаты стероидов — гопа-
ноиды (англ, hopanoid). Название этих пентациклических углеводородов происходит
от того, что их первый представитель, гидроксигопанон был выделен из живицы
тропического дерева Нореа (сем. Dipterocarpaceae), в свою очередь, названного в
честь английского ботаника XVIII в. Джона Хоупа (J.Hope). Источником гопанои-
да у этого представителя криптогамных служат мембраны хлоропластов. Поскольку
хлоропласты произошли от цианобактерий, это не эукариотный, а бактериальный
липид.
Рис. 10. Циклические полиизопреноидные липиды.

А — стероиды; Б — гопаноиды.

Гопаноиды широко распространены у грамположительных и грамотрицательных
бактерий; исключением являются энтеробактерии, пурпурные бактерии и некоторые
облигатные анаэробы. У архей гопаноиды не обнаружены. Накопление гопаноидов
коррелирует с высоким содержанием ГЦ-пар (> 50%). Поскольку такой состав ДНК
свойствен бактериям в «стрессовых» экологических нишах, гопаноиды можно рас-
сматривать как своего рода «стрессовые» молекулы.

Простейшим представителем гопаноидов является Сзо-гопаноид диплоптен
(рис. 10, Б), обнаруженный, в частности, у цианобактерий, а также у Methylococcus
capsulatus и В. subtilis. Структура Сзо-гопаноидов может усложняться путем вве-
дения Сэ-алкильного заместителя в положение 30. Кроме того, может изменяться
число и позиция гидроксилов полярной боковой цепи в положении 29, а также может
появляться метильная группа в положении 2 или положении 3 или двойная связь в
положении 6 и положении 11.

Аналогично стероидам, гопаноиды участвуют в гомеовязкостной адаптации. Они
ориентируются вдоль молекул фосфолипидов (их полярная «головка» находится на
поверхности мембраны) и повышают упорядоченность мембраны при физиологиче-
ской температуре, стабилизируя двойной липидный слой в квази-кристаллическом
состоянии.

Сквален и другие ациклические каротиноиды. Мембраны всех бактерий,
за исключением актиномицетов, а также представителей родов Staphylococcus и
Streptococcus, содержат очень мало ациклического сквалена (рис. 11, В, а). Этим они
принципиально отличаются от архей, у которых сквален и его гомологи являются
характерными неполярными липидами (см. ниже).

В то же время сквален используется в качестве предшественника для биосинтеза
стероидов и гопаноидов. Они образуются путем его циклизации или циклизации его
эпоксида.

Сквален представляет собой Сзо-каротиноид, или «тритерпен» (греч. terebinthos — скипидар-
ное дерево). Он собирается из двух остатков фарнезилпирофосфата (С15) на боковой ветви гене-
рального пути биосинтеза С20- и С40-каротиноидов:

СНзСО~ЗСоА С5 (изопентенилпирофосфат СН2=С(СНз)-СН2~СН2~РР) —>

Сю (геранилпирофосфат, или «монотерпен») —»

Cis (фарнезилпирофосфат, или «сесквитерпен») —»

С20 (геранилгеранилпирофосфат, или «дитерпен») —» С40 (фитоин, или «тетратерпен»).

Терпеноиды могут модифицироваться путем циклизации, гидроксилирования и эпоксидирова-
ния, что приводит к очень большому разнообразию этих соединений (> 2104 вариантов).

Наиболее важное превращение терпеноидов связано с одним из альтернативных механизмов —
десатурацией (уменьшением степени насыщенности) и сатурацией (повыщением степени насыщен-
ности). В результате десатурации синтезируются универсально распространенные окрашенные ка-
ротиноиды. В свою очередь, полная сатурация приводит к образованию регулярно разветвлен-
ных алканов — фитанов, которые образуют боковые цепи уникальных липидов архей (см. раздел
8.3.3.2).

Помимо сквалена, в состав двойного липидного слоя могут входить и другие
ациклические каротиноиды. Они изучены слабо; возможно, что вместе со скваленом
они принимают участие в гомеовязкостной адаптации.

8.3.3.2. Мембранные липиды архей

Вспомогательные мембранные липиды архей сходны с мембранными липидами
бактерий и эукариотов, причем во всех трех случаях это свободные полиизопрено-
иды. Подобно бактериям, археи могут включать в состав своих мембран линейные
полиизопреноиды — сквален и его гомологи. Однако они никогда не образуют поли-
циклических полиизопреноидов — стероидов и гопаноидов.

В то же время основная часть мембранных липидов архей уникальна. Это про-
стые эфиры, содержащие регулярно разветвленные, полностью насыщенные боко-
вые цепи. Такие липиды обладают повышенной рекальцитрантностью, поскольку
простые эфиры устойчивее к гидролизу, чем сложные, а полностью насыщенные и
регулярно разветвленные углеводородные цепи противостоят расщеплению и окис-
лению при высокой темературе.

Археолы и кальдархеолы. Напомним, что полярные липиды бактерий и эу-
кариотов образуются на основе фосфатидной кислоты. В ее состав входят сложные
эфиры жирных кислот или, в очень редких случаях, простые эфиры глицерола с
алкановыми спиртами (см. раздел 8.3.3.1).

В отличие от этого, полярные липиды архей образуются на основе особых глице-
ролипидов—«археолов» и «кальдархеолов», которые представляют собой простые
эфиры глицерола или простые эфиры 9-атомного спирта нонитола с полиизопрено-
идными спиртами. В данном случае гидрофобные «хвосты» регулярно разветвлены
и состоят из 20, 25 или 40 атомов углерода (рис. 11).

Археолы (англ, archaeol; «спирт архей») представляют собой простые диэфиры глицерола и
полиизопреноидных спиртов, прототипом которых служит Сго-спирт фитанол. Они содержат два
коротких «хвоста», каждый из которых состоит из 20-25 атомов углерода. В редких случаях два
С20-«хвоста» соединяются концами. Наиболее распространенным археолом является 2,3-ди-О-фи-
танил-лп-глицерол (англ, diphytanyl glyceride diether, DGD). Его боковые цепи состоят из 20 атомов
углерода (рис. 11 А,а). Важно подчеркнуть, что, в отличие от фосфатидов, гидрофобные хвосты
связаны с глицеролом простой эфирной связью не в положении 1 и 2, а в положении 3 и 2 (еще
раз напомним, что по стереоспецифической нумерации в проекции Эмиля Фишера верхний атом
углерода идет под № 1, а вторичная гидроксильная группа обращена влево от вертикальной оси
молекулы). Поэтому археолы являются не левовращающими D-изомерами, а правовращающими
L-изомерами.

Чаще всего обе боковые цепи археолов состоят из четырех восстановленных изопреновых (ме-
тил-бутадиеновых) субъединиц со структурой -СН2-СН(СНз)-СН2-СН2~. Однако бывают и такие
варианты, когда в одной или обеих цепях число изопреновых единиц возрастает на одну (Сго> С25-
археолы и С25, С25-археолы; рис. 11, А, а). Иногда в одной или в другой Сго-цепи при третьем
атоме углерода (если считать от эфирной связи) появляется гидроксильный радикал. Наконец,
две Сго-цепи могут соединяться концами, и тогда образуется моноциклический диглицерид (англ,
monocyclic glyceride diether, MGD; рис. 11, А, б).

Археолы составляют до 100% изопреноидных эфиров у экстремально галофильных архей,
а также у метаногенных кокков (фила АП Euryarchaeotd). Напротив, у представителей рода
Thermoplasma (фила АП Euryarchaeota), а также у серазависимых гипертермофилов (фила AI
Crenarchaeota) их количество не превышает 5% общего содержания глицероэфиров.

Кальдархеолы (лат. caldus — горячий; англ, caldarchaeol; «спирт термофильных архей») пред-
ставляют собой простые тетраэфиры глицерола и полиизопреноидных спиртов. Они содержат
длинные боковые цепи, которые образуются путем ковалентного соединения «голова к голове»
боковых цепей двух диэфиров. При этом первичные гидроксилы находятся в trans-конфигурации.

Чаще всего происходит попарное соединение, и тогда образуется тетраэфир — 2,3,2,3-тетра-
О-дибифитанил-ди-5п-глицерол (англ, diphytanyl glyceride tetraether, DGT), боковые цепи кото-
рого состоят из 40 атомов углерода. Иногда связь образуется только в одной паре (рис. 11, А, в).
В результате усложнения структуры кальдархеолов внутри ациклической полиизопреноидной цепи
появляются циклопентановые кольца, и в этом случае образуются циклизированные дифитаниль-
ные тетраэфиры (англ, cyclic diphytanyl glyceride tetraether, CGT). Число колец в каждой цепи
варьирует от одного до четырех, причем они могут располагаться как симметрично, так и асим-
метрично. Другим усложнением является замена одного из глицеролов на уникальный 9-атомный
спирт нонитол, или кальдитол (рис. 11, А, г).

Кальдархеолы составляют до 90% изопреноидных эфиров у представителей родов
Thermoplasma и Sulfolobus, а также у термофильных метаногенов. Циклизированные тетраэфи-
ры встречаются только у Thermoplasma и гипертермофильных архей, а смешанные тетраэфиры
глицерола и кальдитола — только у гипертермофилов из филы AI Crenarchaeota.

Мембрана, состоящая из кальдархеолов, характеризуется уникальным строени-
ем— в ее основе лежит не двойной липидный слой, а амфипатический монослой,
в котором различают гидрофобную сердцевину и две гидрофильные полярные по-
верхности. В отличие от обычных унитарных мембран (см. рис. 8), такая мембрана
не образует внутренних поверхностей разлома.
A - археолы и кальдархеолы

НО—I®

НО — ® О
©*—O-P-DGD
О-(DGT)

/ О
- ।
O-S-

I II
\ о

о“ в

1 ~

O-P-O—I®

II
о но-®

О
II

Q1— O-P-DGD

о"

он он

II
O-P-DGD
|_

ГЛИКОЗИЛ ------

O-S = O
I
< О~ гликозил

-DGD

(DGT)

В - неполярные липиды

Рис. 11. Мембранные липиды архей.

DGD—дифитанилдиглицерид; MGD — моноциклический диглицерид; DGT —
дибифитанилтетраглицерид; CDT — циклизированный дибифитанилтетраглицерид. Пояснение для
структур а—е («Б») и а-г («В») в тексте.
Тетраэфиры более упорядочены, чем диэфиры, и поэтому при совместном суще-
ствовании в мембране они сегрегируются в различных ее участках, т. е. мембрана
становится латерально анизотропной. Монослой значительно стабильнее двойного
слоя и менее проницаем для ионов, в частности протонов.

Полярные липиды архей. Полярные «головки» археотных липидов могут
быть заряженными или электронейтральными. В целом они аналогичны полярным
головкам липидов бактерий, но более разнообразны. Они присоединяются к археолу
или кальдархеолу в положении 1 через фосфорильный остаток (рис. 11,Б,а-д) или
напрямую (рис. 11, Б, е).

В качестве фосфорзамещенной полярной головки могут выступать се-
рин (рис. 11, Б, а), глицерол (рис. 11, Б, б), глицерофосфат или глицеросульфат
(рис. 11, Б, в) и этаноламин (рис. 11, Б, г), а также разнообразные полиолы и саха-
ра— инозитол (рис. 11, Б, д), аминопентатриол, галактоза, глюкоза и манноза.

Напрямую присоединяются к археолу или к кальдархеолу моно-, ди- и триг-
ликозил ьные группировки. Они могут быть дополнительно фосфорилированы или
сульфатированы, а также могут содержать вторичные гликозильные остатки или
вторичные остатки этаноламина ( рис. 11, Б, е).

Thermoplasma, у которой отсутствует клеточная стенка, содержит липополиса-
хариды с длинными и разветвленными полярными цепями (см. раздел 8.5.1.2).

Неполярные липиды архей. Неполярные липиды составляют не более 20%
общего количества липидов в СМ архей. Еще раз напоминаем, что археи не синтези-
руют стероидов и гопаноидов, и их неполярные липиды представлены ациклическим
скваленом (рис. 11, В, а).

Наряду со скваленом, существуют его ди-, тетра-, гекса-, окта- и декагидропроиз-
водные, в частности сквалан (рис. 11, В, б). Кроме того, встречаются гомологи сква-
лена с цепью из 15-30 атомов углерода, например, сестертерпанан (рис. 11, В, в) и
фарнезан (рис. 11, В, г).

Гомеовязкостная адаптация у архей. Поскольку археи не образуют фосфати-
дов и не могут синтезировать стероидов и гопаноидов, им приходится осуществлять
гомеовязкостную адаптацию иным способом, чем это делают бактерии или эука-
риоты.

При относительно низкой температуре в СМ увеличивается количество «разжи-
жающих» компонентов — сквалена и его частично восстановленных производных.
В свою очередь, при высоких температурах возрастает содержание тетраэфиров,
что делает мембрану более упорядоченной и повышает температуру фазового пере-
хода.

За счет образующихся циклопентановых колец изменяется толщина СМ, а также
ограничивается вращение бифитанильных цепей. Вязкость и ригидность липидного
монослоя повышаются. Это способствует не только выживанию архей при экстре-
мальных температурах, но и обеспечивает их оптимальный рост в условиях, где не
могут существовать другие живые организмы.

8.3.3.3. Значение мембранных липидов для палеомикробиологии

В разделе 1.8 уже шла речь о биомолекулах, которые обладают высокой устойчи-
востью к разрушению и, в отличие от легко уязвимых нуклеиновых кислот и белков,
неограниченно долго сохраняются в постмортальном состоянии.
К числу наиболее рекальцитрантных биомолекул относятся мембранные липи-
ды (или их компоненты). Благодаря тому, что они имеют разветвленную и/или
циклическую структуру и не содержат или содержат очень мало двойных свя-
зей, они не разрушились и почти без изменений просуществовали до наших
дней.

Именно из таких липидов состоит нерастворимый органический углерод осадоч-
ных пород —известняков, сланцев и глин —кероген (лат. сего — натирать мазью и
греч. genea — происхождение; «источник маслянистого вещества»). Кроме того, та-
кие липиды входят в состав фракции твердых углеводородов угля и фракции жид-
ких углеводородов нефти.

Возраст этих «молекулярных ископаемых» достигает 1,5 млрд лет, а их общее
количество оценивается в 1012 т (по углероду), что равно содержанию углерода в
биомассе современных организмов.

Ископаемые липиды имеют специфическое строение, и их аналоги содержатся
в биомембранах. Более того, иногда тот или иной тип «молекулярного ископаемо-
го» находят раньше, чем его аналога у живых организмов. Применительно к этим
случаям используется образный термин «молекулярный целакант» (англ, molecular
coelacanth; представитель этой группы кистеперых рыб — Latimeria — до 1938 г. был
известен только по ископаемым остаткам).

Поскольку бактерии, археи и эукариоты различаются по составу мембранных
липидов, для каждого из этих доменов существует свой тип «молекулярного иско-
паемого». Для бактерий это гопаны (продукты спонтанного восстановления гопано-
идов), для архей —фитаны (продукты спонтанного восстановления спиртовых «хво-
стов» у археолов и кальдархеолов), а для эукариотов — стераны (продукты спонтан-
ного восстановления стероидов).

Таким образом, определяя геологический возраст, места залегания и состав оса-
дочных пород, мы можем судить об архаичности, географическом распределении и
разнообразии когда-то существовавших микроорганизмов.

8.3.4. Цитоплазматическая мембрана

Среди мембран прокариотной клетки важнейшее место принадлежит цитоплаз-
матической мембране (СМ). Она не только обеспечивает структурную целостность
организма, но и представляет собой полифункциональную органеллу.

СМ поддерживает осмотический баланс цитоплазмы с окружающей средой, осу-
ществляет разные виды транспорта (в том числе, секрецию белка; см. раздел 8.6.1),
участвует в биогенезе клеточной стенки и биосинтезе внеклеточных полимеров (см.
раздел 8.5), а также рецептирует внешние регуляторные сигналы.

Помимо всех перечисленных функций, которые у прокариотов и эукариотов оди-
наковы, СМ прокариотной клетки может ассимилировать энергию в форме транс-
мембранного электрохимического потенциала, или протондвижущей силы (англ,
proton motive force, Pmf). Наконец, CM принимает участие в генетических процес-
сах — репликации и сегрегации дочерних хромосом, а также в векторном транспорте
ДНК при вирусной инфекции или половом процессе, протекающем по сценариям ге-
нетической трансформации и конъюгации. Таким образом, с ней ассоциированы все
важнейшие функции прокариотной клетки.

Прокариотная СМ имеет черты специализации, по отдельности свойственные:
— СМ эукариотов (импорт субстратов, экспорт метаболитов, секреция);

— ICM эукариотов (участие в структурной организации, копировании и экспрес-
сии генетического материала; участие в биосинтезе липидов, а также в процессинге
и таргетинге белков);

— ICM митохондрий или пластид (ассимиляция энергии).

Прокариотная СМ выполняет сильнее выраженную «экстравертную» роль, чем
СМ ядерных клеток. Действительно, у бактерий и архей важнейшие генетические,
метаболические и транспортные процессы ассоциированы с клеточной оболочкой
(а не с мембранами вакуома, как в случае протистов, грибов, животных и расте-
ний). Метафорически это можно выразить следующим образом — ядерные клетки
«скрывают» от собственного цитоплазматического компартмента процессы, локали-
зованные в нуклеоплазме, а биосинтетические и транспортные процессы на уровне
ER и аппарата Гольджи протекают в состоянии «внутренней эмиграции».

Хорошо изучена СМ цианобактерий, хотя для этого пришлось преодолеть труд-
ности методического характера, поскольку это минорный компонент мембранного
материала (< 1% клеточного белка); кроме того, фрагменты СМ нелегко отделить
от фрагментов ICM — мембран тилакоидов.

В результате анализа, проведенного автором учебника в конце 1970-х годов, а
позднее австрийским биохимиком Гюнтером Пешеком (G. Peschek) было показано,
что СМ цианобактерий содержит до 40 полипетидов и характеризуется низким со-
держанием Mg-порфиринов и высоким содержанием каротиноидов (среди них боль-
ше всего, 60% зеаксантина и меньше всего, 3% |3-каротина). Каротинопротеин с
молекулярной массой 40-45 кДа выполняет фотопротекторную функцию.

Поскольку СМ не содержит хлорофилла, она непосредственно не участвует в
фототрофии, однако способствует этому процессу (среди ее компонентов обнару-
жен предшественник хлорофилла а — хлорофиллид а). Кроме того, в составе СМ
обнаружены полипептиды, функционирующие в полости тилакоида (в частности,
это Мп-стабилизирующая субъединица кислородвыделяющего комплекса, а также
минорные субъединицы ФС1 — белки PsaD и PsaE). Этот факт можно объяснить ли-
бо «неразборчивым» таргетингом белков ICM, либо тем, что ICM непосредственно
сообщается с СМ.

Установлено, что СМ содержит FoFi-АТФазу, хотя неясно, действует этот
фермент обратимо или только гидролизует АТФ. Помимо этого СМ содержит
Р-АТФазу, которая не транслоцирует протоны, а катализирует АТФ-зависимый пе-
ренос катионов Са2+ (что весьма необычно для бактерий, хотя АТФазы данного
типа широко распространены у высших растений и грибов).

8.3.5. Интрацитоплазматические мембраны

Напомним, что клетки усложненного бактериального морфотипа имеют бимем-
бранную оболочку, а также интрацитоплазматические мембраны (ICM). Биогенез
ICM осуществляется адаптивно, в частности, у пурпурных бактерий при низком
парциальном давлении кислорода. В редких случаях ICM сохраняются в любых
физиологических состояниях (примером служат цианобактерии).

В учебниках по микробиологии сведения о бактериальных ICM даются конспек-
тивно; кроме того, при описании строения, функционирования и биогенеза этих
структур повторяются характерные ошибки. Прежде всего, тезис о «простом» стро-
ении бактериальной клетки, якобы выраженном в отсутствии ICM, противоречит
фактам (они закономерно представлены у многих бактерий). Другая ошибка свя-
зана с тем, что ICM рассматривают не как дифференцированные структуры, а
как складки СМ. Наконец, утверждается, что ICM возникают путем инвагина-
ций СМ.

Самый распространенный дизайн ICM — это глубоко погруженные в цитоплазму
мембранные цистерны. Реже это немногочисленные трубки или полусферы, связан-
ные с СМ. Хотя в последнем случае ICM морфологически слабо выражены, все
же это дифференцированные структуры, и их следует отличать от «ворсинок» СМ
у гигантской бактерии Epulopiscium fishelsoni (см. раздел 8.1.3), за счет которых
увеличивается площадь поверхности СМ.

Общие закономерности образования ICM. Подобно тому, как интенсив-
ность транспортных процессов зависит от величины поверхностно-объемного ко-
эффициента (см. раздел 8.1.3.1), фактором, критичным для ассимиляции энергии,
является относительный размер поверхности СМ.

В качестве примера рассмотрим фототрофию. Ее эффективность зависит от
площади мембраны, поглощающей свет и ассимилирующей энергию его квантов.
При отсутствии ICM фототрофию можно было бы интенсифицировать за счет уве-
личения поверхностно-объемного коэффициента. Однако такая морфогенетическая
стратегия почему-то не используется фототрофными бактериями, среди которых,
за исключением Rhodomicrobium vannielii, нет мицелиальных форм. В онтогене-
зе эта стратегия также не получила распространения (единственное исключение —
Rhodospirillum tenue, которая при слабом освещении образует длинные тонкие клет-
ки с более высоким, а на ярком свету короткие толстые клетки с более низким
поверхностно-объемным коэффициентом). В основном же используется стратегия
«интернирования» фотосинтетических мембран, т. е. их размещение внутри клетки.
Естественно, что ICM по причине внутренней локализации не выполняют погра-
ничных функций — таких, как поглощение субстратов, экспорт, рецепция сигналов
и т.д.

Генераторы Pmf занимают много места в мембране. Линейный размер каждо-
го из них примерно равен толщине билипидного слоя, а у многих фототрофов он
увеличивается за счет светособирающего комплекса. Поэтому фотосинтетический
аппарат в ходе эволюции закономерно подвергался интернированию. В результа-
те клетки бывают «набиты» ICM, площадь которых многократно (иногда на 2-3
порядка) превышает площадь поверхности СМ.

Однако фототрофные бактерии не обязательно образуют ICM. Примерами слу-
жат все зеленые серные бактерии (фила BXI Chlorobi), все гелиобактерии (фила
ВХШ Firmicutes), большинство зеленых несерных бактерий (фила BVI Chloroflexi)
и несколько видов пурпурных несерных бактерий (фила ВХП Proteobacteria). Сре-
ди цианобактерий (фила ВХ Cyanobacteria) не имеет тилакоидов только Gloeobacter
violaceus.

Связано ли образование ICM с генеральными структурно-функциональными
свойствами бактерий? Если такая связь существует, то насколько она законо-
мерна?

Факты говорят о тройственной системе корреляций, связывающей способность к
образованию ICM с морфотипом и энергетическим метаболизмом (рис. 12).

Первая корреляция связывает способность к образованию ICM с основным бак-
териальным, или грамотрицательным морфотипом. Бактерии, обладающие грампо-
ложительным морфотипом, ICM не образуют (табл. 8).
Рис. 12. Система корреляций, связывающая способность к образованию
интрацитоплазматических мембран с морфотипом и энергетическим метаболизмом.

ICM — интрацитоплазматические мембраны.

Данную корреляцию можно объяснить тем, что открытые в периплазматическое пространство
мембранные цистерны могут существовать лишь в том случае, если внутри них поддерживается
осмотическое давление, противодействующее тургорному давлению цитоплазмы. Такой «контртур-
гор» действительно существует. Он обеспечивается накоплением в периплазматическом простран-
стве осмотически активных соединений — уникальных полигликозидов, ковалентно связанных с
остатками сукцинила, фосфоглицерола и фосфоэтаноламина (см. раздел 8.4.2). С помощью регуля-
торного каскада, который начинается с осмосенсора, концентрация этих осмолитиков регулируется
таким образом, что обеспечиваемый ими тургор в сумме с осмотическим давлением окружающей
среды уравновешивает тургорное давление цитоплазмы. Бактерии, обладающие грамположитель-
ным морфотипом, лишены периплазматического пространства и не образуют ICM, поскольку не в
состоянии обеспечить их «осмотический комфорт».

Вторая корреляция связывает способность к образованию ICM с автотрофным
энергетическим метаболизмом. В данном случае это означает ассимиляцию световой
энергии или энергии окисления неорганического субстрата. Выше мы уже говори-
ли о том, что для интенсификации этого способа питания необходимо увеличить
количество систем, создающих Pmf. Когда для них уже не хватает места в СМ, про-
блема «перенаселения» решается путем интернирования и специализации мембран,
т. е. путем образования ICM.

Третья корреляция связывает грамотрицательный морфотип с автотрофным
энергетическим метаболизмом. Из-за маленького размера пор, имеющихся в ОМ
(см. раздел 8.4.1.2), периплазматическое пространство закрыто для экзогенных ор-
ганических молекул размером > 0,6 кДа. По этой же причине ограничивается секре-
ция гидролитических ферментов, что не позволяет питаться продуктами гидролиза
экзогенных полимеров. Таким образом, из-за свойств оболочки грамотрицательных
бактерий давление отбора направлено в сторону уменьшения гетеротрофного потен-
циала. Характерно, что грамположительные бактерии, не имеющие этого ограниче-
ния, редко проявляют способность к автотрофному энергетическому метаболизму.
В качестве исключений назовем фототрофа Heliophilum fasciatum и таких хемоли-
тотрофов, как Bacillus tusciae, Clostridium mayombei и Mycobacterium gastri.

Мезосомы прокариотов — артефактные ICM. В связи со сказанным рас-
смотрим «странные» случаи, когда ICM обнаруживаются у бактерий, обладающих
грамположительным морфотипом. В первую очередь упомянем мезосомы — поли-
морфные структуры, получившие свое название из-за преимущественнй локали-
зации в экваториальной области клетки (греч. mesos — находящийся в середине и
soma —тело).
Таблица 8. ICM бактерий; распространение и характеристики

Морфофизиологическая группа; фила; представитель Строение Функция Тип и регуляция биогенеза

Фототрофные бактерии

Пурпурные; фила ВХП- Proteobacteria-, Rhodomic.ro- Ыит vannielii (класс «Alphaproteobacteria»), Rhodocyclus purpureus (класс «Betaproteobac- teria»), Ectothiorhodospira halochloris (класс «Gammaproteobacteria») (He) агрегирован- ные сферы; (не)аг- регированные труб- ки; стопки дисков; стопки ламелл Фототрофия; аэробное дыхание «Перманентное разви- тие»; «ступенчатое раз- витие» в обратной за- висимости от интенсив- ности освещения; «ин- дукция» при низком парциальном давлении кислорода
Зеленые нитчатые; система- тическое положение неиз- вестно; «морские CTiZo- roflezus-подобные организ- мы» Неагрегированные трубки Фототрофия; аэробное дыхание -
Гелиобактерии; фила ВХШ Firmicutes', Heliobacterium chlorum (класс «Clos- tridia») Неагрегированные трубки - -
Тривиальные цианобакте- рии; фила ВХ Cyanobacte- ria-, Synechococcus sp. (пор. « Chroococcales ») Неагрегированные тилакоиды Фототрофия; аэробное дыха- ние; трансляция на «шерохова- тых» тилакоидах «Перманентное разви- тие» ;«ступенчатое раз- витие» в обратной за- висимости от интенсив- ности освещения
Прохлорофиты; фила ВХ Cyanobacteria-, Prochlorococ- cus marinus (nop. «Chroo- coccales») (Не) агрегирован- ные тилакоиды Фототрофия «Перманентное разви- тие»

Квази-фототрофные бактерии

Аэробные аноксигенные; фила ВХП Proteobacteria-, Erythrobacter longus (класс «Alphaproteobacteria») Неагрегированные сферы Фототрофия «Индукция» при уме- ренном парциальном давлении кислорода и прерывистом освеще- нии или в темноте

Хемолитотрофные бактерии

Нитрифицирующие; фила ВХП Proteobacteria-, Nitro- bacter winogradskyi (класс «Alphaproteobacteria»), Nitrosomonas europaea (класс «Betaproteobacte- ria»), Nitrosococcus ocea- nus (класс «Gammaproteo- bacteria») Неагрегированные трубки; стопки дисков; стопки ламелл Аммиакмоноокси- геназная реакция; создание Pmf «Перманентное разви- тие»; «ступенчатое раз- витие» в прямой за- висимости от снабже- ния минеральными ве- ществами
Анаэрбно окисляющие ам- миак бактерии; фила BXV Planctomycetes; Candidatus « Brocadia anammozidans » (класс «Planctomycetacea») Вакуоль (анаммок- сосома) Компартментали- зация субстратов, участвующих в анаэробном окис- лении аммиака; создание Pmf -
Железобактерии; фила ВХП Proteobacteria-, Gal- lionella ferruginea (класс «Betaproteobacteria») Неагрегированные трубки или сферы - -
Продолжение табл. 8

Морфофизиологическая группа; фила; представитель Строение Функция Тип и регуляция биогенеза
Бесцветные серные; фила ВХП Proteobacteria', Thiomargarita namibiense (класс III « Gammapro- teobacteria») Вакуоль (нитратная или кислородная) Запасание терми- нального акцеп- тора электронов (анионов МОз-, Ог или элемент- ной серы) «Перманентное раз- витие» ; «ступенчатое развитие» в прямой зависимости от снаб- жения сульфидом; «индукция» сульфи- дом и при уменьшении парциального давле- ния кислорода
Метанокисляющие типа I; фила BXII Proteobacteria-, Methylophilus methylotro- phus (класс «Betaproteobac- teria»), Methylococcus cap- sulatus (класс «Gamma- proteobacteria») Неагрегированные трубки; стопки ламелл Метанмоноокси- геназная реакция; создание Pmf «Перманентное разви- тие»; «ступенчатое раз- витие» в прямой зави- симости от парциаль- ного давления кислоро- да; «индукция» мета- ном
Метанокисляющие типа II; Фила BXII Proteobacteria', Methylosinus trichosporium (класс «Alphaproteobac- teria») Неагрегированные сферы; неагрегиро- ванные ламеллы; стопки ламелл Метанмоноокси- геназная реакция; создание Pmf «Перманентное» раз- витие; «ступенчатое развитие» в прямой зависимости от пар- циального давления кислорода; «индук- ция» метаном

Хемоорганогетеротрофные бактерии

Магнитобактерии; фила BXII Proteobacteria', Mag- netospirillum gryphiswal- dense (класс «Alphaproteo- bacteria») (He) агрегированные сферы Участие в биоге- незе магнитосом «Индукция» железом
Уксуснокислые; фила BXII Proteobacteria', Gluconobac- ter oxydans (класс «Alpha- proteobacteria») Неагрегированные сферы или ламеллы - «Индукция» в стацио- нарной фазе
Планктомицеты; фила BXV Planctomycetes’, Gem- mata obscuriglobus (класс « Planctomycetacia ») (Не) агрегированные ламеллы Обеспечение квази-эукарио- тизма «Перманентное разви- тие»
Фила BXX Bacteroidetes, Crenothrix polyspora (класс « Sphingobacteria ») Стопки ламелл - -

Примечание: (-) — данные отсутствуют.

Пик интереса к мезосомам пришелся на 1960-1970 годы, когда их часто находи-
ли у бацилл, грамположительных кокков и актиномицетов, а также у метаногенных
архей. Вначале мезосомы считали аутентичными структурами и приписывали им
функции, аналогичные функциям специализированных органелл ядерных клеток.
В частности, их рассматривали как аппарат для сегрегации хромосом (по аналогии
с веретеном деления), место сосредоточения электрон-транспортной цепи (по анало-
гии с митохондрией или пластидой), а также депо гидролитических ферментов (по
аналогии с лизосомой). В аналогичном контексте обсуждались функции «метано-
хондрий» (англ, methanochondrion) — мезосом метаногенных архей. Как следует из
названия, их считали анаэробными аналогами митохондрий.

Мезосомы были «издержкой» при поисках компартментов в прокариотной клет-
ке. Существовало мнение, что такие компартменты не должны отличаться от сво-
их эукариотных аналогов. В настоящее время показано, что эти структуры име-
ют артефактную природу. Главной причиной образования мезосом служит грубая
фиксация, при которой отдельные участки СМ меняют положение из-за нарушения
осмотического барьера. В частности, ДНК-связывающий локус СМ увлекается коа-
гулирующей хромосомой и смещается в центр клетки, в результате чего образуются
экваториальные инвагинации тубуло-везикулярного, ламеллярного или смешанно-
го типа. Неудивительно, что мезосомы перестали обнаруживать после перехода на
щадящие методы приготовления электронно-микроскопических препаратов, в осо-
бенности при «сверхбыстром» (106 град-с-1) замораживании в струе пропана с крио-
замещением льда раствором осмия в спирте или ацетоне.

У некоторых хемоорганогетеротрофных грамотрицательных (рода Azotobacter
и Gluconobacter) и грамположительных бактерий (р. Streptomyces) в 1970-е годы
время от времени описывали ICM, которые по морфологии отличались от мезосом
и не были расположены на экваторе клетки. Скорее всего, это были артефактные
структуры, появление которых было также вызвано грубой фиксацией.

Морфология бактериальных ICM. Набор морфологических вариантов ICM
очень беден, и каждый из них высококонсервативен. В частности, у пурпурных,
нитрифицирующих и метилотрофных бактерий ICM представляют собой однооб-
разные агрегаты везикулярных, тубулярных или дискоидных модулей. Уникальным
исключением является пурпурная бактерия Rhodopseudomonas acidophila, которая
одновременно образует ламеллярные и везикулярные хроматофоры.

Часто пишут, что ICM состоят из сферических (везикулярных), трубчатых (ту-
булярных) или пластинчатых (ламеллярных) модулей. К данному списку следует
добавить дискоидные модули, которые встречаются у некоторых пурпурных бакте-
рий (примером служит Ectothiorhodospira halochloris). С помощью трубчатых ана-
стомозов везикулы соединяются в гирлянды, а диски —в стопки, напоминающие
граны.

Вопреки своему названию, пластинчатые модули реально не существуют, по-
скольку термином «ламелла» обозначают на срезе фигуры сдвоенных мембран, и
неизвестно, на каком протяжении они взаимодействуют друг с другом и как уложе-
ны в пространстве.

Способность образовывать ICM, их молекулярный состав и механизм биогенеза кодируются
геномом. Однако нет таких генов, которые кодировали бы общую архитектуру ICM, т. е. она обес-
печивается эпигенетически. В частности, конфигурация модулей ICM зависит от размера входящих
в их состав белковых комплексов, их латерального распределения и физиологического состояния
клетки.

Роль первого «формообразующего» фактора видна на примере пурпурных бактерий, у кото-
рых геометрия ICM зависит от состава фотосинтетической единицы. В частности, мутант pufX
Rhodobacter capsulatus содержит больше проксимальных антенных комплексов LHCI, чем клетки
дикого типа, и, соответственно, образует более крупные везикулярные хроматофоры. Связь между
составом и морфологией ICM отмечена для мутантов Rhodobacter sphaeroides с дефектной дисталь-
ной антенной LHCII (штамм дикого типа имеет везикулярные, а мутант — тубулярные хроматофо-
ры). Пигмент-белковые комплексы Е. halochloris упакованы в паракристаллические пластинки с
гексагональной симметрией, что придает дискоидным хроматофорам характерную уплощенность.

Роль второго фактора можно показать на примере цианобактерий. Сдвоенные мембраны ти-
лакоидов могут сближаться или расходиться. Сближению мембран препятствует одноименный
(отрицательный) заряд ES-поверхностей. Однако при образовании Pmf, которая у цианобактерий
в основном поддерживается благодаря градиенту концентрации протонов (АрН), он нейтрализу-
ется протонами, поступающими из цитоплазмы. В результате мембраны сближаются, и за счет
гидрофобных взаимодействий, сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей происходит их адгезия.
В состоянии стресса, а также при старении или отмирании клеток адгезия нарушается, мембраны
расходятся, и интратилакоидное пространство расширяется с образованием керитомической вакуо-
ли (см. раздел 8.3.11.6). В отличие от тилакоидов цианобактерий, сдвоенные мембраны пурпурных
и метилотрофных бактерий находятся на удалении друг от друга. В данном случае Pmf поддер-
живается за счет разности электрического потенциала (△?/>), и поэтому ES-поверхности энергизи-
рованных мембран заряжены одноименно, что препятствует адгезии.

Пространственная архитектура ICM обеспечивается тремя способами.

Во-первых, модули могут соединяться анастомозами (рис. 13, А). Такой вывод
вытекает из электронно-микроскопических наблюдений. Например, после мягкого
лизиса сферопластов Chromatium vinosum через разрыв клеточной оболочки высво-
бождается быстро седиментирующая гирлянда везикул (в то время как для оса-
ждения индивидуальных везикул, диаметр которых <50 нм, требуется ультрацен-
трифугирование). Благодаря анастомозам дискоидные модули пурпурной бактерии
Е. halochloris сложены в стопки, а трубчатые модули нитрифицирующей бактерии
Nitrosomonas sp. образуют гребневидные кассеты.

Рис. 13. Взаимодействие модулей внутри системы
интрацитоплазматических мембран.

А — гирлянда; Б — адгезия; В — связь через тилакоидный центр; Vi-з — везикулы;
11—3—ламеллы; Ц_2—тилакоиды; СМ — цитоплазматическая мембрана.

Во-вторых, модули вплотную сближаются благодаря адгезии PS-поверхностей
(рис. 13, Б). Показано, что фактором адгезии у пурпурных бактерий и цианобакте-
рий-прохлорофитов являются апопротеины светособирающего комплекса.

В третьих, модули могут определенным образом ориентироваться по отношению
к клеточной оболочке, что показано на примере цианобактерий, имеющих так на-
зываемые «тилакоидные центры» (рис. 13, В). Эти органеллы не только «подвеши-
вают» тилакоиды к СМ, но и участвуют в биогенезе фотосинтетического аппарата
(см. ниже).

Функции ICM. Споры о том, являются ли ICM специализированной органел-
лой или это просто инвагинации СМ, закончились: в пользу первого утверждения
свидетельствуют данные, полученные на пурпурных бактериях и цианобактериях
с использованием электронной цитохимии, физиологического тестирования интакт-
ных клеток и биохимического анализа мембранных препаратов.

Чаще всего роль ICM заключается в создании трансмембранного электрохимиче-
ского потенциала (Pmf). Ассимилированная энергия используется энергопотребля-
ющими, или эндергоническими системами непосредственно (например, жгутиковым
мотором или пермеазами), либо предварительно преобразуется в энергию АТФ. Ши-
рокое распространение и большое количество ICM у фототрофных и хемолитотроф-
ных бактерий (см. табл. 8) объясняется высокой энергоемкостью их метаболизма.

Функции ICM изучались в основном у фототрофных бактерий. Прежде всего
это касается цианобактерий, с тилакоидами которых связаны фотосинтетические
реакционные центры и антенные комплексы, а также электрон-транспортная цепь,
создающая Pmf. Сведения для хемолитотрофов более фрагментарны; по некоторым
данным, ICM содержат дегидрогеназные системы, с помощью которых ассимилиру-
ется энергия, освобождающаяся при окислении неорганических субстратов.

В редких случаях ICM принимают участие в конструктивном метаболизме.
Прежде всего это касается трансляции. В частности, на поверхности тилакоидов
цианобактерий обнаружены круги эпимембранных частиц, напоминающие фреты
(англ, fret —орнамент), или агрегаты полирибосом на «шероховатых» тилакоидах
пластид. Кроме того, в тилакоидах находится ключевой фермент биосинтеза окра-
шенных каротиноидов — фитоиндесатураза. Наконец, на них иммобилизованы фер-
редоксинзависимые редуктазы, играющие ключевую роль в ассимиляции нитрата и
нитрита.

Биогенез ICM. Унитарные мембраны растут и дифференцируются путем само-
сборки, причем в качестве предшественника используются уже существующие мем-
бранные структуры. Такую биогенетическую стратегию можно охарактерзовать, пе-
рефразируя основной цитологический закон Рудольфа Вирхова (R. Virchow): «Каж-
дая клетка происходит от другой клетки» (лат. omnis cellula е cellulae). А имен-
но: «Каждая мембрана происходит от другой мембраны» (лат. omnis membrana е
membranae). Однако это положение не распространяется на неунитарные мембра-
ны, поскольку их биогенез осуществляется не на матрице, а путем самосборки de
novo.

Биогенез унитарной мембраны можно рассматривать как квази-репликативную
самосборку органеллы. Новый материал встраивается в мембрану по сродству к
резидентным компонентам, благодаря чему воспроизводится ее структурно-функ-
циональная специфичность. В результате мембрана разрастается, и это позволяет
ей делиться или отпочковывать дочерние мембранные структуры. У бактерий, как
правило, реализуется вариант деления. Исключения составляют отпочкование от
ОМ мембранных везикул (см. раздел 8.4.1.3), а также отпочкование от СМ оболоч-
ки магнитосомы (см. раздел 8.3.11.6).

Биогенез ICM в основном изучен на примере пурпурной бактерии Rhodobacter
sphaeroides. Это координированный процесс биосинтеза, сборки и обновления мо-
лекулярных компонентов фотосинтетической органеллы. Его конкретный характер
зависит от физико-химических параметров среды, которые могут быть относительно
постоянными или изменяются в количественном и качественном отношении. Точнее
сказать, сценарии биогенеза ICM зависят от характера роста. Для их классифика-
ции можно использовать терминологию, которую предложил немецкий бактериолог
Герхарт Древс (G. Drews).

Первый сценарий, «перманентное развитие» (англ, continuous development) представляет собой
консервативную репликацию ICM. Она осуществляется при сопряженном росте, когда физико-хи-
мические условия внешней среды относительно постоянны. В данном случае уже существующие
ICM служат матрицей, в которую встраиваются «свежие» компоненты фотосинтетического ап-
парата — реакционные центры, светособирающие антенны и электрон-транспортная цепь. После
удвоения мембранного материала он поровну распределяется между дочерними клетками, что
обеспечивает постоянство качественного состава и количества ICM.

Второй сценарий, «ступенчатое развитие» (англ, stepwise development) связан с изменением
состава и количества ICM. Он реализуется в нестационарных условиях среды, в частности, когда
происходит трофический «сдвиг» (англ, nutritional shift), и клетки начинают ассимилировать боль-
ше или меньше энергии. В соответствии с данным сценарием бактерии проходят биоэнергетическую
акклиматизацию.

При «фотоакклиматизации» (англ, photoacclimation), когда изменяется интенсивность света
или его спектральный состав, имеет место характерная поведенческая реакция — приспособление
к новому световому режиму на всех уровнях организации фотосинтетического аппарата (от отдель-
ной фотосинтетической единицы до ICM в целом). Если изменяется интенсивность света, действу-
ет принцип светолюбивости-теневыносливости (размер антенны находится в обратной зависимости
от интенсивности света). Если изменяется спектральный состав света, наблюдается «комплемен-
тарная хроматическая адаптация» (англ, complementary chromatic adaptaion), т. е. синтезируются
пигменты, поглощающие доминирующий тип световых квантов.

У хемолитотрофных бактерий существует аналогичная стратегия. Состав и количество ICM
регулируются так, чтобы оптимально использовать неорганический энергоноситель конкретного
типа и определенной концентрации. В отличие от фотоакклиматизации, степень развития ICM
тем выше, чем больше концентрация субстрата, хотя корреляция менее заметна.

Ступенчатое развитие по типу «репрессии» (англ, repression) выражается в подавлении проли-
ферации ICM и/или в уменьшении скорости встраивания специфических компонентов, например
апопротеинов светособирающего комплекса. В свою очередь, «дерепрессия» (англ, derepression)
связана с противоположными изменениями и также регулируется на уровне транскрипции. Пере-
ход к новому состоянию ICM требует, чтобы репликация мембранного материала была разобщена с
репликацией других клеточных структур, в результате чего рост становится несопряженным. При
«дерепрессии» в дочерних клетках увеличивается пул ICM, тогда как при «репрессии» избыточный
мембранный материал разбавляется по ходу клеточных делений.

Третий сценарий, «ингибирование/индукция» (англ, inhibition/induction) представляет собой
образование ICM de novo или их исчезновение. В частности, у пурпурных бактерий биогенез ICM
регулируется парциальным давлением кислорода (см. II том учебника). При «ингибировании» био-
генез ICM прекращается из-за подавления кислородом транскрипции фотосинтетических генов,
объем ICM уменьшается в геометрической прогрессии по ходу деления, и в итоге клетки депигмен-
тируются. При частичном ингибировании в составе ICM увеличивается концентрация дыхатель-
ных комплексов и уменьшается содержание пигментных систем. В случае «индукции» биогенез
фотосинтетического аппарата дерепрессируется в ответ на снижение парциального давления кис-
лорода. Реакционные центры и антенные комплексы равномерно встраиваются в протяженные
участки СМ, которые разрастаются и оттесняются в цитоплазму, превращаясь в ICM. Такой ме-
ханизм называется «разбавлением» (англ, in-synthesis; «синтез внутри»), и он описан для одних
видов пурпурных бактерий. У других видов действует механизм «конденсации» (англ, on-synthesis;
«синтез на поверхности»), когда точечные локусы СМ служат затравкой для сборки ICM.

Для большинства аноксигенных фототрофных бактерий кислород играет роль негативного ре-
гулятора биосинтеза бактериохлорофиллов а-д, что приводит к подавлению биогенеза фотосинте-
тического аппарата на всех уровнях — от блокирования трансляции апопротеинов и прекращения
их встраивания в реакционные центры или антенные комплексы до уменьшения объема ICM.

Однако случается и так, что кислород не влияет на биогенез аноксигенного фотосинтетиче-
ского аппарата. Иногда (у «регуляторных» мутантов и даже у штаммов дикого типа) биосинтез
бактериохлорофилла не подавляется, а, наоборот, индуцируется при переходе от микроаэробных
условий к аэробиозу. Такой тип регуляции, в частности, свойствен квази-фототрофным бактериям,
которые при нормальном парциальном давлении кислорода образуют больше сферических хрома-
тофоров, чем в микроаэробных условиях. Квази-фототрофных бактерий объединяет то, что они
неспособны к анаэробному фототрофному росту. Они обладают портативным фотосинтетическим
аппаратом, состав и механизм действия которого такие же, как у пурпурных бактерий. Место
квази-фототрофии в энергетическом метаболизме до конца не выяснено. Скорее всего, при дефи-
ците питательных субстратов она служит источником «энергии поддержания» (англ, maintenance
energy), необходимой для репарационных процессов и сохранения структурной целостности клетки.

В отличие от факультативно фототрофных пурпурных бактерий или факультативно метило-
трофных бактерий, у цианобактерий и облигатно хемолитотрофных бактерий отсутствует меха-
низм ингибирования/индукции, поскольку они ассимилируют энергию только с помощью ICM и
постоянно в них нуждаются.
Результаты генетического анализа пурпурных бактерий проливают свет на дета-
ли биогенеза ICM, касающиеся поведения интрамембранных комплексов и отдель-
ных молекул.

В данном отношении подробно изучены штаммы Rhodobacter capsulatus. Показано, что лате-
ральное распределение фотосинтетических единиц, или «сгз-анизотропия» мембраны и адаптив-
ное изменение состава хроматофоров (фотоакклиматизация) обеспечиваются согласованной тран-
скрипцией двух оперонов. Первый из них, рн/-оперон кодирует оф-апопротеины проксимальной
антенны LHCI, а также L/M-полипептиды реакционного центра. Второй, puc-оперон кодирует апо-
протеины дистальной антенны LHCII (см. II том учебника).

Биогенез ICM комплексно регулируется на уровне биосинтеза пигментов и апопротеинов.
В частности, бактериохлорофилл встраивается в ICM на протяжении всего клеточного цикла в
стехиометрическом соотношении с антенными полипептидами, в то время как липиды предвари-
тельно накапливаются в СМ, а затем, непосредственно перед клеточным делением, доставляются
в ICM. В случае Rhodobacter sphaeroides ингибиторы биосинтеза бактериохлорофилла подавляют
трансляцию антенных апопротеинов, после чего блокируется образование ICM. Интеграция антен-
ных полипептидов требует специфического распознавания их N-терминальных доменов и зависит
от энергизированного состояния ICM.

Механизмы биогенеза ICM у цианобактерий слабо изучены, хотя выяснено, что
в доставке пигментов к тилакоидам участвуют тилакоидные центры (англ, thylakoid
centres).

Эти цилиндрические образования расположены непосредственно под СМ. Они имеют размер
30x300 нм и состоят из глобулярных субъединиц. Тилакоиды расходятся от них лучами. Вероятно,
тилакоидный центр не только фиксирует их положение, но и служит каналом, по которому пред-
шественники хлорофилла а поступают из СМ на место своей постоянной дислокации. Доставка
галактолипидов в тилакоиды осуществляется при помощи белка VIPP (сокр. англ, vesicle-inducing
protein in plastids; 37 кДа), мутации по его гену нарушают способность образовывать ламеллярную
систему. Таргетинг белков, местом назначения которых служит полость тилакоида, является эк-
вивалентом секреции и система, обеспечивающая их доставку, сходна с генеральной Зес-системой
(см. раздел 8.6.1). Однако эти белки не покидают клетку и функционируют в составе фотосинте-
тического аппарата. С помощью иммуноцитохимического метода установлено, что с тилакоидами
АпаЬаепа sp. и Synechococcus sp. связан шаперон GroEL; специфичные к нему иммунозонды (конъ-
югаты с коллоидными частицами золота) в основном выявляются на периферических тилакоидах,
что свидетельствует об анизотропии процесса сборки фотосинтетических мембран.

Мембранный континуум. Одна из нерешенных проблем цитологии бакте-
рий—это способ структурного взаимодействия между СМ и ICM. В разделе 8.1.1
мы уже говорили о том, что для бактерий характерна топологически непрерывная
мембранная система, или «мембранный континуум».

В пользу существования континуума у фототрофных и хемолитотрофных бак-
терий говорят морфологические данные. В частности, на срезах и криосколах
Chromatium sp., Nitrosomonas sp. и Methylocystis sp. часто выявляются анастомо-
зы между СМ и ICM. В клетках пурпурной серной бактерии Ectothiorhodospira
halochloris до 90% хроматофоров прямо связаны с СМ. Косвенным свидетельством
существования мембранного континуума служат результаты центрифугирования
мембранных фрагментов пурпурных бактерий и цианобактерий — помимо зон, со-
ответствующих СМ и ICM, в градиенте образуется зона с промежуточным биохи-
мическим составом.

Однако мембранный континуум не универсален, и пора отказаться от классиче-
ского постулата Роджера Стэниера: «Бактерии не имеют вакуолей». В некоторых
случаях вакуоли обнаружены, и они окружены унитарной мембраной (см. раздел
8.3.11.1).
Сложна ситуация с цианобактериями, где анастомозы между СМ и обширной ICM редко уда-
ется обнаружить. С одной стороны, это можно объяснить тем, что их диаметр меньше толщины
ультратонкого среза, и поэтому большинство из них не попадает в плоскость электронно-микро-
скопического изображения. С другой стороны, эволюция ICM у цианобактерий могла привести к
их изоляции от СМ, и тогда сохранившиеся анастомозы — рудиментарный признак. Наконец, ICM
цианобактерий могли специализироваться настолько, что приобрели полную автономию от СМ.

Наследуют ли континуум дочерние клетки, или после деления он восстанавли-
вается путем вторичного слияния СМ и ICM? Может ли континуум нарушаться в
интервале между делениями?

На эти вопросы ответ еще не получен. Однако ясно, что мембранная система бак-
терий потенциально способна к формированию континуума, и этимони отличаются
от эукариотов, у которых прямое взаимодействие между СМ и ICM совершенно
исключено.

С учетом изложенного можно говорить о трех типах взаимоотношений между
СМ и ICM:

1. Открытый континуум. Анастомозы между СМ и ICM существуют, и релак-
сированные цистерны ICM сообщаются с периплазматическим компартментом. В
таком случае они содержат периплазму (рис. 14,А).

Рис. Ц. Структурные взаимоотношения цитоплазматической
мембраны и интрацитоплазматических мембран.

А — «открытый» континуум; Б — «закрытый» континуум; В — «разорванный» континуум;
СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана; ICM — интрацитоплазматические
мембраны.

2. Закрытый континуум. Анастомозы между СМ и ICM существуют, однако
цистерны ICM стянуты или сплющены и поэтому не сообщаются с периплазматиче-
ским компартментом (рис. 14,Б).

3. Разорванный континуум. Между СМ и ICM не существует анастомозов,
цистерны ICM не сообщаются с периплазматическим компартментом и образуют
непрерывный эндоплазматический компартмент или систему изолированных ком-
партментов, аналогичную вакуому эукариотной клетки. В таком случае внутреннее
пространство этих цистерн заполняется «эндоплазмой» (рис. 14,В).
8.3.6. Хромосомы

Мембранная система прокариотной клетки устроена таким образом, что она не
изолирует генетический материал от цитоплазмы. Хромосомы у бактерий и архей
могут занимать различное положение и взаимодействуют с другими органеллами
(оболочкой, рибосомами, цитоскелетом и включениями).

В данном разделе мы остановимся только на морфологии и молекулярном стро-
ении прокариотных хромосом. Поведение хромосом в онтогенезе (репликация, рас-
хождение), инфраструктура прокариотного генома и другие вопросы цитогенетики
прокариотов будут рассмотрены в III томе учебника.

8.3.6 1. Хромосомы бактерий

Большинство работ по бактериальным хромосомам выполнено на Е. coli,
В. subtilis и Caulobacter crescentus. Результаты свидетельствуют о большом сход-
стве, которое проявляют эти виды в отношении пространственной организации и
динамического поведения хромосом.

История изучения компартментализации генетического материала у
бактерий: от «ядра» до свободной хромосомы. Проблема существования ядра
у бактерий изучается с конца XIX в.

В 1890 г. зоолог Отто Бючли обнаружил у серных бактерий прижизненно окрашиваемое гема-
токсилином «центральное тело», которое он принял за истинное ядро. В 1891 г. его ассистент Вар-
лих (Wahrlich) описал у зафиксированных бактерий «хроматин», окрашивающийся ферроцианидом
калия. В 1900 г. Фейнберг (Feinberg) применил к бактериям эозиновую методику, предложенную
Романовским (D. Romanowski) и Гимза (G. Giemsa) для выявления ядра у малярийного плазмо-
дия. При этом он выявил у них некий аналог ядра, или «ядерное образование» (нем. Kerngebilde).
В 1932 г. Причманн (К. Pritschmann) и Риппель (A. Rippel) выявили ДНК в клетках В. mycoid.es.
Для этого они использовали цитохимический метод Фельгена (R. Feulgen), основанный на «кис-
лотной депуринизации», или удалении с помощью кислоты пуриновых оснований из дезоксири-
бонуклеотидов и проведении цветной реакции между освобожденными альдегидными группами
и анилиновым реактивом Шиффа. В 1940-х годах Карл Робиноу провел анализ бактериального
хроматина in situ и пришел к ошибочному выводу о его сходстве с хромосомами эукариотов (в
частности, он использовал такие термины, как «ядерная структура», «митоз», «телофаза» и т. д.).
Все упомянутые исследователи считали, что бактерии имеют ядро, окруженное мембраной.

В начале 1950-х годов, когда при биологических исследованиях стали использовать электрон-
ный микроскоп и была разработана техника приготовления ультратонких срезов, Чэпмен и Хилли-
эр (J. Hillier) показали, что у бактерий ДНК-содержащая зона не окружена мембраной. Благодаря
этому уже в 1958 г. Эдуард Келленбергер сформулировал вывод о том, что бактерии не имеют ядра
и митоза, а их «нуклеоид» представляет собой одну или несколько хромосом, свободно лежащих в
цитоплазме.

С помощью радиоавтографического метода Кэрнс (J. Cairns) в 1963 г. доказал, что хромосома
Е. coli представляет собой кольцевую молекулу ДНК с контурной длиной ~1 мкм, что соответству-
ет молекулярной массе З Ю6 кДа (4600 т.п.н.).

Бактериальные хромосомы обычно представляют собой компактные тела, или «нуклеоиды»
расположенные в центре клетки и ориентированные вдоль ее продольной оси. Единственное исклю-
чение составляет гигантская бактерия Е. fishelsoni (см. раздел 8.1.3.4), хроматин которой образует
узкий ободок по периферии клетки.

При окрашивании живых клеток эпифлуоресцентными красителями (например, диамидино-
фенилиндолом; diamidine phenylindole, DAPI), а также при использовании метода замораживания-
протравливания хромосомы напоминают по форме коралловую веточку. После химической фик-
сации они приобретают зернистый вид или состоят из электроноплотных фибрил, пучки которых
часто имеют волнистую или перистую структуру (наблюдаемые картины могут быть артефактом,
поскольку хромосома постоянно меняет свою конфигурацию в ходе репликации и транскрипции).

Бактериальную хромосому можно выделить в препаративном виде как частицу, называе-
мую «компактной» хромосомой (англ, folded chromosome). Ее диаметр составляет 0,5-1,5 мкм,
что соответствует размеру нуклеоида in situ, и она имеет константу седиментации 1500-3000 S.
Чтобы избежать декомпактизации хромосомы при лизисе клетки, используются химические ре-
агенты, экранирующие силы электростатического отталкивания между фосфатными группами
ДНК, в частности IM NaCl или 5 мМ спермидин. В настоящее время установлено, что в та-
ких условиях изменяются архитектура хромосомы и характер ее взаимодействия с цитоплазма-
тическими структурами и клеточной оболочкой, т. е компактная хромосома — это препаративный
артефакт.

Анализ состава хромосом показал, что прокариотный хроматин беднее белком, чем хроматин
эукариотов (соответственно < 10% и 50%), и поэтому он был назван «LP-хроматином» (от англ, low-
protein). Хотя такие препараты обычно содержат РНК и фрагменты клеточной оболочки, это не
структурные части хромосомы, а сопутствующие примеси. Истинными белковыми компонентами
нереплицирующейся бактериальной хромосомы являются ДНК-связывающие белки (см. ниже), и
в динамическом взаимодействии с ней находятся РНК-полимераза, а также топоизомеразы, т. е.
ферменты, влияющие на ее компактизацию.

Общие сведения о бактериальных хромосомах. В большинстве случаев
бактериальная хромосома имеет контурную длину ~1 мм, а это на три порядка
больше диаметра клетки. Для того, чтобы разместить в цитоплазматическом ком-
партменте такую макромолекулу, ей нужно придать компактную форму, что дости-
гается с помощью специальных структурных белков и ферментов и требует затраты
энергии (см. ниже).

Бактериальная хромосома обычно замкнута в кольцо, и две репликативные вил-
ки движутся в противоположных направлениях от участка инициации (опС), встре-
чаясь в локусе терминации репликации (Тег), где находится сайт dif, отвечающий за
декатенацию, т. е. размыкание сцепленных дочерних хромосом. Хотя способ иници-
ации репликации и ее механизм одинаковы у всех трех филогенетических доменов,
эукариотные хромосомы, в отличие от бактериальных, реплицируются не из одного,
а из нескольких участков инициации.

Многие бактерии содержат внехромосомные генетические элементы — плазмиды,
которые отличаются от хромосом не столько размером (мегаплазмиды приближа-
ются по величине к небольшим хромосомам), сколько тем, что они не содержат
информационных генов. Поэтому при их элиминации клетка сохраняет жизнеспо-
собность.

Число хромосом в бактериальной клетке зависит и от природы организма, и от
фазы развития популяции. Многокопийные хромосомы встречаются у представи-
телей разных родов. Например, Deinococcus radiodurans (фила BIV «Deinococcus-
Thermus») имеет от 4 до 10 копий, Borrelia hermsii (фила BXVII Spirochaetes) — от
8 до 16, Desulfovibrio gigas (класс «Deltaproteobacteria») — от 9 до 17, a Azotobacter
vinelandii (класс «Gammaprot eobacteria») — до 80 копий хромосомы на клетку.

В молодых клетках хромосом обычно больше, чем в старых (например, Е. coli в
стационарной фазе содержит 1-2 хромосомы, а в экспоненциальной фазе 2-8 хро-
мосом).

Кроме того, установлено, что бактериальные клетки могут обладать не только
многокопийными хромосомами, но и в некоторых случаях сложным «кариотипом»,
когда геном распределяется между несколькими хромосомами и внехромосомными
элементами.

Например, геномы Agrobacterium tumefaciens С58, Brucella melitensis и Rhodo-
bacter sphaeroides (класс «Alphaproteobacteria») содержат по две разные хромосомы.
В состав геномов В. cereus А0836 76 (фила ВХШ Firmicutes), Leptospira interrogans
(фила BXVII Spirochaetes) и Rhizobium meliloti (класс «Alphaproteobacteria»), поми-
мо хромосом входят 1-2 мегаплазмиды размером 100-500 т.п.н.
Наконец, в последнее время опровергнуто классическое представление о том,
что бактериальная хромосома обязательно имеет кольцевую форму (в отличие от
линейных хромосом у эукариотов). С помощью метода гельэлектрофореза в пульси-
рующем поле (англ, pulced-field gel electrophoresuis, PFGE), позволяющего разделять
большие и маленькие линейные молекулы ДНК, было установлено, что некоторые
бактерии содержат и кольцевые, и линейные хромосомы, а также могут иметь толь-
ко линейные хромосомы.

Первая линейная хромосома размером 946 т.п.н. была выявлена в 1989 г. у возбу-
дителя болезни Лайма — Borrelia burgdorferi В31 (фила BXVII Spirochaetes). Затем
линейные хромосомы обнаружили у A. tumefaciens (класс «Alphaproteo bacteria»),
Rhodococcus fascians (фила ВХШ Firmicutes), Streptomyces coelicolor и S. lividans
(фила BXIV Actinobacteria).

Линейные плазмиды были впервые найдены в 1977 г. у S. rochei. Потом их об-
наружили у многих других стрептомицетов, а также у R. fascians, Nocardia ораса
(фила BXIV Actinobacteria), многих видов Borrelia sp. и Thiobacillus versutus (класс
«В etaprot eobacteria»).

В связи с открытием у бактерий линейных хромосом и линейных плазмид встал
вопрос о природе их теломеров (концевых участков ДНК, обеспечивающих стабиль-
ность и полную репликацию линейного репликона), а также о механизме репли-
кации, поскольку ДНК-полимеразы не способны копировать ДНК с «открытого»
конца. Как выяснилось, проблема решается одним из трех способов —с помощью
одноцепочечных концевых шпилек ДНК, с помощью белка, ковалентно присоеди-
ненного к 5'-концу двухспирального теломера, а также благодаря временному пере-
ходу линейной хромосомы в кольцевую репликативную форму.

Участок инициации репликации (oriC) занимает центральное положение в ли-
нейной хромосоме и разделяет ее на две примерно равные по длине «реплихоры».

ДНК-связывающие белки. Бактериальная хромосома занимает до 20% цито-
плазматического компартмента и имеет объем около 0,2 мкм3. Концентрация ДНК
в этом участке клетки чрезвычайно велика и близка к концентрации ДНК в хрома-
тине интерфазных ядер (20-50 мг-мл-1). При растворении такого количества ДНК
в пробирке получился бы очень вязкий гель.

Чтобы упаковаться в крошечном объеме, не теряя способности к репликации, ре-
парации, рекомбинации и транскрипции, прокариотная хромосома должна сочетать
в себе противоречивые свойства — высокую компактность и динамичную структури-
рованность. Объемный коэффициент упаковки ДНК в бактериальной клетке исклю-
чительно высок и достигает х 1 тыс. (хотя это уступает плотности упаковки ДНК в
головке бактериофага, которая в 30-60 раз выше).

В эукариотных хромосомах существуют несколько уровней компактизации. Нижний из них
представлен нуклеосомой — регулярно повторяющимся октамерным комплексом: по две копии ги-
стонов Н2а, H2b, НЗ и Н4. При сборке нуклеосомы два димера гистонов НЗ/Н4 образуют тетрамер,
или «тетрасому», с которой связывается ДНК. К противоположным сторонам тетрасомы присо-
единяются два димера гистонов Н2а/Н2Ь. Вокруг получившегося октамера суперспирализуется
участок ДНК протяженностью 146 п.н., образуя 1,65 «отрицательных», т. е. левозакрученных, су-
первитка (напомним, что закручивание одной нити ДНК вокруг другой называется витком двойной
спирали, а закручивание двойной спирали вокруг себя — суперспирализацией). Помимо гистонов
Н2а, Н2Ь, НЗ и Н4 существуют не гомологичные им «линкерные» гистоны Н1/Н5, которые при-
соединяются к тетрасоме, обеспечивая суперспирализацию еще 20 п.н., и вместе они образуют
«хроматосому».

Гистоны относятся к катионным, или положительно заряженным белкам, и их взаимодействие
с ДНК неспецифично.
Нуклеосомная организация хроматина стабилизирует ДНК, одновременно препятствуя тран-
скрипции. Для «разрыхления» хроматина N-концевые участки молекул гистонов, особенно линке-
ров Н1/Н5 подвергаются посттрансляционной ковалентной модификации путем ацетилирования
или метилирования по остаткам Lys.

В бактериальной хромосоме отсутствует нижний уровень упаковки в виде ста-
бильной, регулярно повторяющейся нуклеосомы, и поэтому определить участие бел-
ков в ее строении достаточно трудно. Кроме того, оказалось, что некоторые из них
играют не только структурную, но и регуляторную роль.

Компактизация бактериальной хромосомы зависит от небольшой гетерогенной
группы белков, важнейшими из которых являются HU, Н-NS и SMC. Гистоноподоб-
ные белки HU и Н-NS, или HLP-белки (от англ, histone-like protein) синтезируются
в наибольшем числе копий. Их взаимодействие с ДНК зависит от ее первичной по-
следовательности, а также от присутствия в ней шпилек и изгибов.

HU и Н-NS, а также минорные гистоноподобные белки FIS и IHF не только участ-
вуют в организации бактериальной хромосомы, подобно эукариотным гистонам, но
и влияют на экспрессию генов, а также на репликацию и рекомбинацию ДНК.

Белок HU. Этот гистоноподобный белок (от англ, histone U; «гистоноподобный
белок штамма U-93 Е. coli») представлен гетеродимером субъединиц Ниа и Ни|3
и образуется в количестве ЗЛО4 копий на клетку. Субъединицы белка HU имеют
молекулярную массу ~10 кДа и обладают катионными свойствами, благодаря чему
они образуют солевые мостики с фосфатными группами ДНК.

Белок HU выполняет функцию, сходную с функцией гистонов, хотя гомология
между ними отсутствует. Совместно с ДНК-гиразой (топоизомеразой I) он обеспе-
чивает отрицательную суперспирализацию ДНК. Предполагается, что 10 димеров
HUa(3 образуют изгиб на участке ДНК длиной 102 п.н. (рис. 15, А).

Рис. 15. Три уровня компактизации бактериальной хромосомы.

А — нижний (изгиб с помощью 10 димеров белка HU);

Б — средний (суперспирализация с помощью димера белка SMC и вспомогательных белков);
В — верхний (образование доменов).

В отличие от гистонов, белок HU оставляет ДНК более доступной для тран-
скрипции, и поэтому нет необходимости в его посттрансляционной модификации
путем ацетилирования или метилирования. Регуляция транскрипции осуществляет-
ся в результате сайт-специфического связывания положительных и отрицательных
регуляторов, а также путем смены о-факторов.
Помимо роли, которую белок HU играет в общей упаковке ДНК, он влияет
на ее локальную конфигурацию. Благодаря этому он косвенно участвует в таких
процессах, как репликация, сайт-специфическая рекомбинация и транскрипция. Та-
кую же роль выполняют небольшие катионные белки FIS (от англ, factor of internal
stabilization) и IHF (от англ, integration host factor).

Белок H-NS. Этот гистоноподобный белок (от англ, histone-like nucleoid
structuring protein) образуется в количестве 2-104 копий на клетку. Он имеет мо-
лекулярную массу 15,6 кДа и не несет на себе избыточного электростатического
заряда. Его С-концевой домен взаимодействует с ДНК, а N-концевой домен отвеча-
ет за белок-белковые взаимодействия и гомоолигомеризацию. Этот белок компак-
тизует ДНК, изменяет ее суперспирализацию и индуцирует ее изгибы. Однако его
основной ролью является не упаковка ДНК, а участие в глобальной регуляции, по-
скольку под его контролем находятся до 40 генов (ген антисмысловой РНК micF,
ген порина отрС, ген |3-глюкозидазы bgl и т.д.).

Белки из семейства SMC. Эти белки (от англ, structural maintenance of
chromosomes) играют универсальную роль в организации хромосом у представите-
лей всех трех филогенетических доменов. Они обнаруживают гомологию с миозином
и у эукариотов играют роль моторов при конденсации хроматина.

SMC —это крупные (> 50 кДа) белки, образующие V-образные гомо- или гетеро-
димеры. Плечи гетеродимера состоят из взаимно перекрученных антипараллельных
цепей длиной ~50 нм и вместе со вспомогательными белками создают повторяющу-
юся стабильную структуру в виде отрицательных супервитков размером 103 п.н.
(рис. 15, Б).

В зависимости от специфики вспомогательных белков, димеры SMC могут иг-
рать не только роль «конденсинов», т. е. суперспирализовать бактериальную ДНК,
но и участвовать в ее репарации, рекомбинации, сегрегации дочерних хромосом и
других процессах.

Уровни компактизации хромосомы. Таким образом, нижний уровень ком-
пактизации бактериальной ДНК обеспечивается гистоноподобными белками HU и
Н-NS. Хотя образующиеся при этом комплексы отдаленно напоминают нуклеосо-
мы, они не имеют такой же стабильной структуры и, кроме того, не повторяются
регулярно в сгз-положении (т. е. вдоль нити ДНК).

Однако главная роль в компактизации бактериальной ДНК принадлежит не ги-
стонам и не гистоноподобным белкам (в отличие от эукариотов, а также от многих
архей), а отрицательной суперспирализации, которая осуществляется с помощью
SMC-белков и топоизомераз.

Ферменты из суперсемейства топоизомераз локально действуют на одну или две
взаимодействующие молекулы ДНК. Они создают или релаксируют торсионное на-
пряжение, образуют или завязывают узлы, а также вызывают (де)катенацию, т. е.
размыкают или, наоборот, переплетают кольца ДНК.

Топоизомеразы I производят одноцепочечные, а топоизомеразы II—двухцепо-
чечные разрывы в молекуле ДНК. Типичным примером топоизомеразы I является
ДНК-гираза, обеспечивающая суперспирализацию прокариотных хромосом.

Суперспирализованная молекула обладает избыточной свободной энергией, кото-
рая служит движущей силой для многих процессов, происходящих на уровне хромо-
сомы. Именно поэтому полная потеря отрицательной суперспирализации вызывает
летальный эффект.

В незащищенной молекуле, как в скрученной пружине, для релаксации достаточ-
но единственного одноцепочечного разрыва. Однако in situ такой эффект предот-
вращается благодаря сегрегации ДНК на независимо суперспирализованные петли,
или хромосомные «домены». В случае разрыва они релаксируются поодиночке, и
суперспиральная структура хромосомы в целом не нарушается.

Число и размер этих доменов точно не установлены. Считается, что бактери-
альная хромосома состоит из 50-200 доменов, и их средний размер, по последним
данным, составляет ~104 п.н. (рис. 15, В). Однако неясно, где находятся внутриге-
номные границы этих доменов, а также — способны ли они перемещаться.

8.3.6.2. Хромосомы архей

Хромосомы архей имеют признаки, свойственные, с одной стороны, бактериям,
с другой стороны — эукариотам.

Как и у бактерий, компактные нуклеоиды у архей расположены в центре клет-
ки и ориентированы вдоль ее продольной оси. При окрашивании живых клеток
эпифлуоресцентными красителями, а также на криосколах хромосомы имеют фор-
му коралловой веточки, а после химической фиксации приобретают зернистое или
фибриллярное строение.

Как и у бактерий, число хромосом у архей зависит от природы организма и фазы
развития популяции. Например, Sulfolobus acidocaldarius в экспоненциальной фазе
содержит 1-2 хромосомы, а М. voltae 3-10 хромосом. В молодых клетках обычно
больше хромосом — в частности, Methanococcus jannashii в стационарной фазе имеет
1-5 хромосом, а в экспоненциальной фазе 3-15 хромосом.

Как и бактерии, археи могут содержать плазмиды. Например, у экстремального
галофила Halofetrax mediterranean обнаружены отрицательно суперспирализованные
кольцевые мегаплазмиды размером >500 т.п.н.

Вопрос о присутствии у архей набора разных хромосом, а также о существовании
у них линейных хромосом и линейных плазмид остается открытым.

Как и в случае бактерий, хромосомы у архей имеют кольцевую форму. Число
участков инициации репликации (опС) окончательно не установлено, хотя получе-
ны данные о том, что их несколько.

ДНК-связывающие белки: гистоны. В начале 1990-х годов у термофильно-
го метаногенного археота Methano thermus fervidus были обнаружены небольшие (~7
кДа) катионные белки HMfA и HMfB. Оказалось, что они на 30% гомологичны эу-
кариотным гистонам и также обеспечивают нижний уровень компактизации ДНК.
Истинные гистоны есть и у других членов филы АП Euryarchaeota (например, ги-
стон HMk Methanopyrus kandleri, имеющий молекулярную массу 7 кДа), однако они
отсутствуют у представителей филы AI Crenarchaeota.

Археотные гистоны по размеру меньше эукариотных и содержат укороченный N-
концевой участок, подвергающийся посттрансляционной модификации, и поэтому
характер их взаимодействия с ДНК несколько иной.

Нуклеосомы архей не обладают октамерной структурой, как у эукариотов, поскольку гомологи
гистонов Н2а/Н2Ь у них отсутствуют. Однако они обнаруживают большое сходство с тетрасомой
[Н3/Н4]2. Вокруг тетрамера суперспирализуется участок ДНК протяженностью ~70 п.н., образуя
один правозакрученный (положительный) виток. Предполагается, что гомологичные нуклеосомы
архей и эукариотов в ходе эволюции дивергировали от тетрамерного прототипа.

Негистоновые ДНК-связывающие белки. Термофильные и гипертермо-
фильные представители филы AI Crenarchaeota (в частности, Sulfolobus solfatarius
и S. tokodaii) не содержат гистонов, однако у них есть другие катионные ДНК-
связывающие белки.

Первый из них, Sul7d (от англ. Sulfolobus 7-kDa DNА-binding protein), уклады-
вается вдоль малой борозды ДНК, защищая хроматин от температурной денату-
рации. Кроме того, он компактизирует положительно су перепирал изованну ю ДНК
(см. ниже). Показано, что он метилируется по остаткам Lys, хотя значение этой
посттрансляционной модификации еще не выяснено.

Второй ДНК-связывающий белок, Alba (от англ, acetylation lowers binding
affinity) имеет молекулярную массу 10 кДа и встречается не только у разных видов
рода Sulfolobus, но и у представителей филы АП Euryarchaeota, а также у эукари-
отов, например трипаносомид, высших растений и даже некоторых позвоночных.
У архей он составляет до 5% растворимого белка и образует димеры, полностью
укрывающие ДНК, что придает ей устойчивость к нуклеазам. Однако в одиноч-
ку он не обеспечивает нижнего уровня компактизации; требуется второй катион-
ный белок —Sul7d или гомолог бактериального белка HU. Подобно гистонам, белок
Alba подавляет транскрипцию, что зависит от его посттрансляционной модифика-
ции (ацетилаза еще не идентифицирована, а роль деацетилазы выполняет гомолог
«гистоновой» деацетилазы Sir2).

Третий ДНК-связывающий белок описан у термофильного археота Thermo-
plasma acidophilum (фила АП Euryarchaeota). Он гомологичен бактериальному бел-
ку HU, компактизирует ДНК и защищает ее от тепловой денатурации, повышая
температуру ее плавления примерно на 40°С.

Более высокие уровни компактизации ДНК, по-видимому, обеспечиваются SMC-
белками. Их гомолог обнаружен, в частности, у метаногена М. jannaschii.

«Обратная» гираза. Как уже отмечалось, ДНК эукариотов и бактерий отри-
цательно суперспирализована. У первых это достигается главным образом путем
закручивания ДНК на нуклеосомном октамере, у вторых — в основном с помощью
ДНК-гиразы.

Уникальным архитектурным свойством хромосом архей является положитель-
ная (правозакрученная) суперспирализация ДНК, которая осуществляется при по-
мощи «обратной» гиразы. Предполагается, что положительная суперспирализация
стабилизирует ДНК у экстремофильных архей, особенно у таких гипертермофилов,
как Sulfolobus.

8.3.7. Квази-эукариотизм

В настоящем разделе мы рассмотрим «квази-эукариотизм» — очень редкое явле-
ние, когда у прокариотов хромосомы компартментализуются при помощи ICM.

Компартментализация «информационных» структур и процессов
у прокариотов. Как мы уже отмечали, эукариоты принципиально отличаются от
прокариотов тем, что у них сайты процессинга генетического материала изолирова-
ны ядерной оболочкой от сайтов его экспрессии. Кроме того, в эукариотной клетке
трансляция не начнется до тех пор, пока не завершится раунд репликации ДНК, а
также пока не закончится синтез и процессинг мРНК (см. раздел 5.1).

В прокариотной клетке процессы репликации, трансляции и транскрипции ме-
нее изолированы — как в пространстве, так и во времени. Транскрипция мРНК мо-
жет начаться еще до завершения полного раунда репликации ДНК. В свою очередь,
трансляция может инициироваться на частично синтезированной молекуле мРНК, а
транслирующие рибосомы могут регулировать действие РНК-полимеразы (см. раз-
дел 8.3.8).

Однако это не означает, что у прокариотов транскрипция и трансляция не обособ-
ляются в пространстве. На рубеже XX-XXI вв. Эррингтон (J.Errington), а сле-
дом за ним и другие исследователи сконструировали молекулярные гибриды (ан-
гл. fusion protein) между зеленым флуоресцирующим белком и белковыми субъ-
единицами РНК-полимеразы В. subtilis, а также между зеленым флуоресцирующим
белком и белковыми субъединицами рибосомы. В результате с помощью светово-
го микроскопирования живых клеток было показано, что РНК-полимераза нахо-
дится в центральной части клетки, тогда как рибосомные белки расположены на
периферии. Безусловно, из этого еще не следует, что у бактерий, как и у эукарио-
тов, транскрипция и трансляция полностью изолируются друг от друга, посколь-
ку эти процессы могут «перекрываться» на границе между флуоресцирующими
зонами.

Аналогичным способом показано, что репликативный комплекс В. subtilis не рас-
средоточен по клетке, а расположен в ее центре, хотя в отсутствии ядерной оболочки
и нуклеоплазмы хромосомы не компартментализованы, а лежат непосредственно в
цитоплазме.

Еще раз напомним, что прокариотная клетка по определению не содержит ядра,
маркером которого на ультраструктурном уровне служит ядерная оболочка. Строго
говоря, по отношению к генофору прокариотов не следовало бы употреблять терми-
ны, намекающие на сходство с ядром, в частности, такой широко распространенный
термин, как «нуклеоид» (см. разделы 2.3 и 2.4).

Квази-эукариотизм у планктомицетов. Планктомицеты (фила BXV
Planctomycetes) являются одной из важнейших, в плане биоразнообразия и эколо-
гии, групп прокариотов. Особого внимания заслуживают две цитологические осо-
бенности этих бактерий. Первая — это отсутствие у них муреинового саккулуса (по
аналогии с филой ВVII Thermomicrobia и микоплазмами из филы ВХШ Firmicutes).
Вторая — это квази-эукариотизм.

В 1995-2001 гг. австралийский микробиолог Ферст (J. A. Fuerst) обнаружил, что
у пресноводного планктомицета Gemmata obscuriglobus ДНК окаймлена структурой,
морфологически сходной с ядерной оболочкой. Она состоит из двух параллельных
мембран толщиной 5-8 нм, разделенных промежутком в 14-21 нм, и изолирует ква-
зи-нуклеоплазму с расположенными в ней фибриллами ДНК от цитоплазмы. Одна-
ко если внимательно проанализировать опубликованные микрофотографии, выяс-
няется, что квази-ядерная оболочка представляет собой бокаловидную инвагинацию
СМ (рис. 16, А). Хотя такая органелла была названа «ядерным телом» (англ, nuclear
body), это аналог, а не гомолог ядра. При внешнем сходстве с ядром мембранная
граница ядерного тела не имеет характерных признаков ядерной оболочки и не изо-
лирует процессы транскрипции и трансляции (поскольку в «квази-нуклеоплазме»
содержатся рибосомы). Кроме того, истинная ядерная оболочка сращена с ICM, но
никогда не образует анастомозов с СМ (см. раздел 5.1).

G. obscuriglobus и другие планктомицеты (в частности, Candidatus «Brocadia
anammoxidans», Isosphaera pallida, Pirellula marina и P. staleyi) характеризуются еще
одной нетривиальной особенностью — у них сильно гипертрофирован периплазмати-
ческий компартмент. Его ошибочно принимают его за свободную от рибосом цито-
плазму и предлагают для ее обозначения термин «парифоплазма» (греч. pariphe —
кайма). В свою очередь, цитоплазму планктомицетов называют «рибоплазмой»
(англ, ribosome — рибосома), а совокупность ядерного тела и рибоплазмы— «пирел-
лулосомой» (от родового имени планктомицета Pirellula).

Функциональное значение изоляции хромосомы G. obscuriglobus внутри напоми-
нающей ядерную оболочку бокаловидной инвагинации СМ остается неясным.

LMflepHoeJ

тело

Рис. 16. Квази-эукариотизм.

А —у планктомицетов; Б —у цианобактерий;

СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана;

ICM — интрацитоплазматические мембраны;

М — муреиновый саккулус; S — поверхностный белковый слой;

Т — тилакоид; МТ — модифицированный тилакоид.

Квази-эукариотизм у цианобактерий. Второй пример квази-эукариотизма
связан с цианобактериями. В конце 1980-х годов американский бактериолог Йенсен
(Т.Е. Jensen) опубликовал электронные микрофотографии Oscillatoria sp., на кото-
рых ДНК окружена двойной мембранной оболочкой с «ядерными порами» и соеди-
ненными с ней «цистернами эндоплазматического ретикулума» (рис. 16, Б). По его
мнению, это показывает, что в ходе эволюции ядерная оболочка образовалась в ре-
зультате видоизменения тилакоидов. Однако он не учел, что эукариоты произошли
не от бактерий — это разные филогенетические домены. Кроме того, он анализиро-
вал старую (145-дневную) культуру, где ламеллярная система претерпела дегенера-
тивные изменения, и ее морфология случайно напоминает ядерную оболочку.

8.3.8. Рибосомы

У прокариотов генетический материал не изолирован от аппарата трансля-
ции, и прокариотные рибосомы занимают почти весь цитоплазматический ком-
партмент. Относительное (по сравнению с другими органеллами) количество ри-
босом у прокариотов выше, чем у эукариотов, и это обеспечивает более высокую
активность их метаболизма, а также более высокую скорость их роста и размно-
жения.

Рибосомы — это множественные генеральные микрокомпартменты, которые на-
ходятся в цитоплазматическом компартменте и выполняют роль универсальной бе-
локсинтезирующей органеллы. За исключением редких случаев, когда полипептиды
синтезируются нерибосомным путем (см. разделы 8.3.11.4, 8.4.3.1 и 8.5.3.2), амино-
кислоты связываются в линейную цепь только благодаря ферментативной активно-
сти рибосом.

Биосинтетический процесс трансляции уникален, поскольку информация о по-
рядке расположения нуклеотидных триплетов (код мРНК) переводится в информа-
цию о порядке расположения аминокислот (код полипептида). Посредником меж-
ду этими кодами, или «адаптером» (англ, adapter — звукосниматель аудиосистемы)
является тРНК. Она доставляет аминокислоту в пептидилтрансферазный центр и
одновременно с этим распознает ее кодон в молекуле мРНК.

Рибосомы служат универсальным аппаратом для синтеза белка, без которого
невозможно существование клеточных форм жизни. Собственным аппаратом транс-
ляции обладают не только облигатные внутриклеточные паразиты, но и полу авто-
номные органеллы бактериального происхождения — митохондрии и пластиды. Цен-
тральную роль в организации рибосомы играют рибосомные РНК, нуклеотидная
последовательность которых содержит и высоко консервативные, и вариабельные
участки. С учетом этого именно структура рРНК была избрана в качестве уни-
версального критерия для реконструкции филогении клеточных форм жизни (см.
главы 2, 4 и 7).

Типы рибосом. Рибосома — это мультимолекулярный комплекс, состоящий из
рРНК и рибосомных белков в массовом соотношении 2:1.

В рабочем состоянии рибосома, или «моносома» представляет собой частицу диа-
метром 25 нм, которая состоит из двух субъединиц — большой L-субъединицы (от
англ, large) и малой S-субъединицы (от англ, small). Они имеют разный состав, раз-
ную морфологию и выполняют разные функции.

По количественным признакам все рибосомы подразделяются на два типа — про-
кариотный и эукариотный. Прокариотная рибосома имеет коэффициент седимента-
ции 70S (субъединицы 50S и 30S), а эукариотная рибосома —80S (субъединицы 60S
и 40S). Прокариотная рибосома содержит три молекулы рРНК — 23S (~3000 нуклео-
тидов), 16S (~1500 нуклеотидов) и 5S (~120 нуклеотидов), а также 53-65 однокопий-
ных белков. Эукариотная рибосома устроена сложнее прокариотной. Она содержит
не три, а четыре молекулы рРНК —28S (4000-6000 нуклеотидов), 18S (1750-1850
нуклеотидов), 5S (~120 нуклеотидов) и 5,8S (~150 нуклеотидов), а также более бо-
гатый набор однокопийных белков (70-84).
Механизм трансляции. Хотя современные представления об архитектуре ри-
босом и процессе трансляции сложились на основе данных, полученных на бактери-
ях, доказано, что работа рибосомы универсальна у всех трех глобальных доменов
(рис. 17).

Рис. 17. Рабочий цикл рибосомы.

А — исходное состояние; Б — претранслокационное состояние; В — гибридное транслокационное
состояние; Г — однородное транслокационное состояние; Р, А и Е — сайты связывания пептидил-тРНК,
аминоацил-тРНК и деацилированной тРНК; EF-Tu и EF-G — факторы элонгации.

Результаты рентген-структурного анализа с уровнем разрешения 5,бД и криоэлектронной мик-
роскопии дали для рибосомы Е. coli картину геометрического тела сложнейшей конфигурации,
состоящего из взаимно переплетенных молекул рРНК и белка. Внутри него, а также на его по-
верхности имеются каналы, борозды, углубления, площадки, выступы и мостики.

Субстратами для биосинтеза полипептидной цепи служат аминоацил-тРНК, причем для каж-
дой аминокислоты существует своя тРНК и своя аминоацил-тРНК-синтетаза. Специфические
тРНК (~75 нуклеотидов) различаются по первичной структуре, однако все они имеют стан-
дартную Г-образную третичную структуру. На дистальном конце длинного «локтя» находится
антикодон, комплементарный триплету мРНК, который кодирует специфическую аминокисло-
ту. На дистальном конце короткого «локтя» всех тРНК находится 3'-концевая последователь-
ность ССА. К аденозину (по его 2'- или З'-гидроксильному радикалу) присоединяется а-карбок-
сильная группа специфической аминокислоты. В ходе трансляции антикодон длинного «локтя»
распознает на S-субъединице кодон мРНК, а короткий «локоть» с аминокислотой взаимодей-
ствует на L-субъединице с пептидилтрансферазным центром, который катализирует образование
пептидной связи.

Долгое время считали, что трансляцию обеспечивают рибосомные белки, а рРНК служит лишь
каркасом для их сборки. Однако в настоящее время доказано, что роль главного катализатора
трансляции играет рРНК, а белки выполняют структурную функцию.

Между субъединицами рибосомы существует разделение труда. Малая субъединица содержит
декодирующий центр, который обеспечивает взаимодействие между мРНК и тРНК. Большая субъ-
единица содержит пептидилтрансферазный центр. В организации декодирующего центра участву-
ют 16S рРНК и рибосомные белки, в то время как пептидилтрансферазный центр образован только
23S рРНК. Последовательность Шайна-Дальгарно (J. Shine, L. Dalgarno), предшествующая старто-
вому кодону мРНК, спаривается с комплементарной последовательностью на 37-конце 16S рРНК.
Антикодоновый конец тРНК также взаимодействует с 16S рРНК, тогда как акцепторный конец
тРНК взаимодействует с 23S рРНК.

Рибосома шаг за шагом образует пептидные связи в направлении от N-конца к С-концу. Для
инициации полипептидной цепи у бактерий используется особая аминокислота — формилметионин,
которая доставляется в рибосому с помощью специфической TPHKPmet. Происходит спонтанная
пептидилтрансферазная реакция: нуклеофильная а-аминогруппа аминоацил-тРНК атакует элек-
трофильную карбонильную группу (*) в сложной эфирной связи между пептидом (или формил-
метиониновой затравкой) и другой тРНК. В результате этого аминокислотная цепь удлиняется на
один остаток, а молекула тРНК деацилируется:

+ H3N-...-(CONH)-CHRn-CO*-jrPHKn/KOflOHn + +Н3Ы-СНЙп+1-тРНКп+1/кодонп+1 ->

+ H3N-.. .-(CONH)-CHRn-(CONH)-CHRn+1-rPHKn+i/KOflOHn+i + тРНКп/кодонп.

Молекулы 16S рРНК и 23S рРНК образуют три сайта —Р, А и Е, каждый из которых пред-
ставлен субсайтами в обеих субъединицах рибосомы. P-сайт (от англ, peptide) связывает пептидил-
тРНК, A-сайт (от англ, amino acid) связывает аминоацил-тРНК, а Е-сайт (от англ, exit) связывает
деацилированную тРНК.

Рабочий цикл рибосомы состоит из четырех этапов, или состояний (рис. 17, А-Г).

1. В исходном состоянии Р/Р-А/А (рис. 17, А) пептидил-тРНК находится в P-сайте, аминоацил-
тРНК в A-сайте, Е-сайт свободен. Специфическая аминоацил-тРНК связывается с A-сайтом при
помощи фактора элонгации EF-Tu. Для этого используется энергия гидролиза ГТФ. Тройственный
комплекс аминоацил-тРНК/(ЕЕ-Ти)-ГТФ прочно связывается с рибосомой только если антикодон
комплементарен кодону в декодирующем субсайте А.

2. В «претранслокационном» состоянии Р/Р-А/А (рис. 17,Б) происходит пептидилтрансфераз-
ная реакция. При этом аминокислота, находящаяся в A-сайте, образует связь с пептидом (или
формилметионином, если цепь инициируется), который находится в P-сайте. В обоих случаях ди-
пептид или полипептидная цепь, удлиннившаяся на один аминокислотный остаток, переносятся в
А-сайт.

Чтобы следующая молекула аминоацил-тРНК могла попасть в A-сайт, пептидил-тРНК должна
освободить его и перейти в P-сайт. Этот процесс называется «транслокацией». При транслокации
взаимодействующие друг с другом тРНК и мРНК перемещаются внутри рибосомы на расстояние
до 50А.

3. В «гибридном транслокационном» состоянии Е/Р-Р/А (рис. 17, В) связанный с пептидом ко-
нец тРНК перемещается на большой субъединице из А-субсайта в Р-субсайт, а акцепторный ССА-
конец деацилированной тРНК перемещается из Р-субсайта в Е-субсайт. Этот этап транслокации
напоминает «эффект домино» и зависит от рРНК. Его механизм еще неизвестен.

4. В «однородном транслокационном» состоянии Е/Е-Р/Р (рис. 17,Г) антикодоновый конец
тРНК, связанной с пептидом, перемещается на малой субъединице из А-субсайта в ее же Р-суб-
сайт, а антикодоновый конец деацилированной тРНК перемещается из Р-субсайта в Е-субсайт.
В результате этого мРНК сдвигается в малой субъединице на один кодон. Теперь A-сайт может
принять следующую молекулу аминоацил-тРНК, а деацилированная молекула тРНК может поки-
нуть рибосому. Хотя этот этап транслокации зависит от рРНК, он ускоряется фактором элонгации
EF-G, который использует энергию гидролиза ГТФ.

Действие многих антибиотиков (канамицина, неомицина, олеандомицина, стрептомицина, тет-
рациклина, хлорамфеникола и др.) основано на их связывании с факторами элонгации и сайтами,
которые образует рРНК.

Различие между прокариотным и эукариотным сценариями трансля-
ции. В разделе 5.1 мы уже говорили о том, что эукариотная транскрипция разделе-
на с трансляцией в пространстве и времени. Транскрипция вместе с процессингом
РНК происходят в нуклеоплазме, а трансляция, в зависимости от типа клеток, осу-
ществляется преимущественно в цитозоле или на шероховатом эндоплазматическом
ретикулуме (англ, rough endoplasmic reticulun, RER). Интегральные белки встра-
иваются в мембрану RER котрансляционно, а секретируемые белки выделяются в
полость цистерны RER через тороидальный переходник между выходным порталом
рибосомы и мембранным транслоконом (его образует белок Sec61).

У прокариотов не существует пространственно-временной изоляции процессов
транскрипции и трансляции. Цитоплазматические рибосомы присоединяются к 5'-
концу мРНК еще до завершения образования короткоживущего транскрипта (см.
раздел 8.3.10.1). Котрансляционная инсерция интегральных белков известна только
на примере «шероховатых тилакоидов» цианобактерий (см. раздел 8.3.5). Гидро-
фобные белки при помощи SRP-частиц презентируются транс локону — компоненту
генеральной системы секреции Sec (см. раздел 8.6.1).
8.3.8.1. Рибосомы бактерий

Состав бактериальной рибосомы и ее биогенез изучены в основном на примере
Е. coli.

Состав. Большая и малая субъединицы бактериальной рибосомы имеют коэф-
фициенты седиментации 50S и 30S (молекулярная масса соответственно 1,5-103 кДа
и 750 кДа).

Большая субъединица состоит из двух молекул рРНК (23S и 5S) и 34 молекул
белка (L1-L34). Малая субъединица образована одной молекулой рРНК (16 S рРНК)
и 21 молекулой белка (S1-S21). Молекула 23S рРНК имеет массу 103 кДа, молекула
16S рРНК — 500 кДа, а молекула 5S рРНК — 40 кДа. За исключением двух слу-
чаев (L7 и L12), все рибосомные белки представлены только одной копией, имеют
молекулярную массу 5-60 кДа и состоят из 45-555 аминокислотных остатков.

Биогенез. Гены, кодирующие рРНК, образуют один или несколько оперонов
на бактериальной хромосоме и считываются в виде полицистронной мРНК. Струк-
турные гены (цистроны) рРНК универсально расположены в последовательности
16S-23S-5S. Иногда между ними находятся «внутренние транскрибируемые спей-
серы», в состав которых могут входить последовательности TPHKSer, tPHKg1u и
тРНК11е. Процессинг первичного транскрипта осуществляется путем расщепления
при помощи РНКаз III и Е, а также путем метилирования.

Гены, кодирующие рибосомные белки, образуют на бактериальной хромосоме
несколько оперонов. Наряду с цистронами рибосомных белков, в них входят гены
факторов трансляции и субъединиц РНК-полимеразы.

Биогенез рибосомы начинается с транскрипции оперона рРНК, после чего пер-
вичный транскрипт расщепляется на 16S рРНК, 23S и 5S рРНК. Сборка субъедини-
цы рибосомы занимает 0,5-1,5 мин и представляет собой строго координированный
многоступенчатый процесс, или «карту сборки» (англ, assembly map). Естественно,
что в случае 508-субъединицы она более сложна. Молекулярным каркасом служит
рРНК, которая в строгой последовательности одевается рибосомными белками.

Рибосомы постоянно диссоциируют на большую и малую субъединицы. Моносо-
ма образуется, только когда с малой субъединицей связывается мРНК. Затем при
участии факторов инициации мРНК связывает тРНК, и только в этом случае к
малой субъединице прикрепляется большая. Рибосома считывает мРНК до стоп-
кодона и снова диссоциирует на субъединицы.

Скорость роста бактерий ограничивается скоростью синтеза белка, которая при
37°С составляет ~20 аминокислотных остатков-в секунду. Поэтому чтобы рост уско-
рился, бактерия должна содержать больше рибосом. В медленно растущих клетках
рибосомы составляют 15% клеточной массы, а в быстро растущих клетках — до 50%
(у эукариотов — не больше 5%); во втором случае скорость образования рибосом воз-
растает почти в 100 раз. При быстром росте бактерия (например, Е. coll) делится
каждые 20 мин. В этих условиях клетка содержит до 105 рибосом, число которых
удваивается к началу каждого клеточного цикла. Неудивительно, что на биосинтез
рибосом направлено до 50% энергетических ресурсов, 70% суммарной РНК состав-
ляет рРНК, а на рибосомные белки приходится 30% всех синтезируемых белков.

При попадании бактерий в более благоприятную для роста среду скорость тран-
скрипции увеличивается за несколько секунд. В число активируемых оперонов вхо-
дят, в частности, опероны рРНК и рибосомных белков.
8.3.8.2. Рибосомы архей

К началу 1980-х годов стало известно, что ряд представителей порядков
Halobacteriales и Methanococcales имеет рибосомы бактериального 708-типа, состоя-
щие из субъединиц 52S/31S и содержащие по одной молекуле 23S рРНК, 16S рРНК
и 5S рРНК.

Позднее было установлено, что у других членов филы АП Euryarchaeota (пор.
Methanomicrobiales, Thermoplasmatales и Thermococcales), а также у некоторых чле-
нов филы AI Crenarchaeota (пор. Desulfurococcales, Thermoproteales и Sulfolobales)
рибосомы имеют константу седиментации 80S. Более крупный размер этих рибо-
сом объясняется не увеличением суммарной массы рРНК (они содержат 23S рРНК,
16S и 5S рРНК, однако у них нет «эукариотной» 5,8S рРНК), а присутствием до-
полнительных рибосомных белков. Если в рибосомах бактерий их число составляет
53-54, то здесь их 60-65. Эти дополнительные белки относятся главным образом к
S-субъединице.

По морфологии археотные рибосомы второго типа отличаются от бактериальных
и похожи на эукариотные (в частности, для S-субъединицы характерно сочетание
выступов в форме «клювика» и двух «лапок»).

Рибосомные белки. Рибосомы экстремальных галофилов и некоторых гало-
фильных метаногенов состоят преимущественно из кислых белков, что, видимо, яв-
ляется приспособительной чертой в среде обитания с высокой соленостью. В то же
время рибосомные белки серазависимых термоацидофилов, как и рибосомные белки
бактерий и эукариотов, проявляют щелочные свойства.

Археи и бактерии имеют взаимно гомологичные рибосомные белки LI, Lil, S8 и
S17. К числу взаимно гомологичных рибосомных белков архей и эукариотов отно-
сятся L2, L3, L5, L6, LIO, L12, L14, L15, L22, L23, L30, S5, S7, S9, S10-12, S15 и S19.
Некоторые рибосомные белки представлены как у архей, так и у бактерий (напри-
мер, L1), однако отсутствуют у эукариотов. В свою очередь, некоторые рибосомные
белки, одинаковые у архей и у эукариотов (например, L12), отсутствуют у бактерий.

Археотные рРНК. Молекулы 23S и 16S рРНК у архей не больше, чем на 10%
гомологичны своим эквивалентам в составе бактериальной рибосомы (23S и 16S) и
эукариотной рибосомы (28S и 16S). Вторичная структура рРНК у всех трех доме-
нов имеет специфические особенности, связанные с появлением вставок или деле-
ций. Однако рРНК архей в этом отношении мозаична. В одних участках вторичной
структуры она сходна с рРНК бактерий, а в других — эукариотов.

«Мозаичность» археотных рибосом. Если мы сравним такие качественные
признаки рибосомы, как нуклеотидная последовательность рРНК, аминокислотная
последовательность рибосомных белков и детали процесса трансляции, то увидим,
что так называемые «прокариотные» рибосомы образуют неоднородную группу —
бактериальные рибосомы не гомологичны археотным рибосомам. Гетерогенность
проявляется и в пределах группы археотных рибосом, которые мозаично сочетают
в себе бактериальные и эукариотные признаки.

С одной стороны, рибосомы архей по первичной структуре рРНК четко диф-
ференцируются как от рибосом бактерий, так и от рибосом эукариотов. С другой
стороны, рибосомы архей по первичной структуре белков принадлежат либо к бак-
териальному типу, либо имеют черты рибосом эукариотного типа.

В итоге, по деталям процесса трансляции археи сходны либо с бактериями, либо
с эукариотами. Как и у бактерий, археотная мРНК содержит последовательность
Шайна-Дальгарно, которая связывается со специфическим сайтом на S-субъедини-
це. В то же время археи, как и эукариоты, используют для инициации полипеп-
тидной цепи не формилметионин, а метионин, который доставляется в рибосому
специфической T₽HKMet.

Рибосомы архей также проявляют мозаичную чувствительность к ингибиторам
трансляции. В отличие от бактерий, археи устойчивы к рифампицину и хлорамфе-
николу, однако чувствительны к дифтерийному токсину.

Дифтерийный токсин переносит остаток АДФ-рибозы от НАД на эукариотный фактор элон-
гации EF-2 (аналог бактериального фактора элонгации EF-G). Мишенью для ковалентного при-
соединения АДФ-рибозы к консервативному С-концу фактора элонгации EF-2 служит необычная
аминокислота дифтамид, которая представляет собой посттрансляционно модифицированный ги-
стидин.

Бактериальный фактор элонгации EF-G не поддается АДФ-рибозилированию, в то время как
археотный фактор элонгации EF-2 содержит дифтамид или его дезаминированное производное —
дифтин.

Фактор элонгации, связывающий аминоацил-тРНК, сходен у всех трех глобальных доменов.
Однако по чувствительности к антибиотику кирромицину он у архей ближе к эукариотному EF-
1а, чем к бактериальному EF-Tu.

8.3.9. Цитоскелет

Представления о цитоскелете сложились в цитологии позже, чем о других орга-
неллах, и этот термин использовался только по отношению к эукариотам.

В 1917 г. английский эмбриолог Эдвин Конклин (Е. Conclin) пришел к выводу, что ригидность
клеточной оболочки яйцеклетки, а также фиксированное положение ее органелл обеспечивают-
ся эластичным цитоплазматическим матриксом. В 1930 г. английский цитолог Рудольф Питерс
(R. Peters) предположил, что метаболические процессы координируются сложно организованной
белковой сетью, и что часть ее образуют ферменты. На следующий год французский эмбриолог
Поль Вэнтребер (Р. Wintrebert) назвал эту сеть цитоскелетом (франц, cytosquelette). В общепри-
нятой английской транскрипции (cytoskeleton) термин «цитоскелет» окончательно ввел в научный
обиход в 1936 г. известный английский эмбриолог Джозеф Нидэм (J. Needham).

Цитоскелет эукариотов состоит из микротрубочек, микрофиламентов и промежуточных фила-
ментов. Он отвечает за форму клетки и взаимное расположение органелл, а также обеспечивает
везикулярный транспорт, поляризацию, деление, работу локомоторных систем, сигналинг, при-
крепление к субстрату и т. д.

Центральным компонентом цитоскелета эукариотов является актин. В определенных условиях
мономерный актин с молекулярной массой 43 кДа (G-актин) полимеризуется в протофиламенты
(F-актин), отвечающие за форму многих эукариотных клеток.

Еще недавно считалось, что прокариоты лишены цитоскелета, и что у них нет
актиноподобных белков. В основе этих представлений лежали классические опыты
на Е. coli, где муреиновый слой разрушали лизоцимом (см. раздел 8.4.3.1), в ре-
зультате чего палочковидные клетки приобретали сферическую форму. Мутации по
генам, отвечающим за биосинтез и обновление му рерина, также приводили к из-
менению формы клетки. Поскольку при этом в цитоплазме не удавалось выявить
филаментозных структур, напрашивался вывод, что у прокариотов нет цитоскеле-
та, гомологичного или аналогичного цитоскелету эукариотов. Однако в настоящее
показано, что цитоскелет является неотъемлемой частью прокариотной клетки.

В биологии прокариотов термином «цитоскелет» обозначаются три типа клеточ-
ных структур:

1. Морфоскелет (англ, morphology — морфология), или морфогенетический ци-
тоскелет;
Рис. 18. Классификация цитоскелетных структур у прокариотов.

2. Дивискелет (англ, division — деление), или цитокинетический цитоскелет;

3. Энзоскелет (англ, enzyme — фермент), или метаболический цитоскелет.

Они принимают участие соответственно в мофогенезе, делении и конструктив-
ном метаболизме (рис. 18).

8.3.9.1. Морфоскелет

Под морфоскелетом, или собственно цитоскелетом понимают структуры, отве-
чающие за целостность клеточной оболочки, а также за индивидуальную форму
бактерии или археота.

Морфоскелет универсально представлен эндоскелетом (англ, endoskeleton) — си-
стемой цитоплазматических микрофиламентов.

Наряду с эндоскелетом прокариотная клетка обычно имеет экзоскелет (англ,
exoskeleton) — клеточную стенку, основу которой составляют ригидные слои, распо-
ложенные в периплазматическом и/или экзоплазматическом компартменте.

В морфогенетическом плане прокариоты занимают уникальное положение в ми-
ре живых организмов, поскольку в большинстве случаев индивидуальная форма
клетки у них обеспечивается совместно эндоскелетом и экзоскелетом.

Форма прокариотов. Мир прокариотных организмов состоит из множества
видоспецифичных клеточных форм. Кроме того, некоторые бактерии и археи пред-
ставлены многоликими формами — имеются в виду бактериальные (Mycoplasma sp.)
и археотные (Thermoplasma sp.) микоплазмы. Они лишены клеточной стенки и обра-
зуют «ассорти» из сферических, лопастных, булавовидных, гантелевидных и нит-
чатых клеток. Иногда индивидуальное морфологическое разнообразие проявляют
и прокариоты с клеточной стенкой. Например, популяции археота Halogeometricum
borinquense состоят из палочковидных, «квадратных», «треугольных» и «овальных»
особей. В обоих случаях такое цитологическое явление называется плеоморфизмом
(греч. pieion — большой по числу и morphe —форма).

Форма прокариотной клетки консервативна, и это широко учитывается в феноси-
стематике. Иногда морфологические особенности находят отражение в родовом на-
звании или в видовом эпитете. Примерами служат бактерия рода Stella (лат. stella —
звезда) и археот Haloarcula quadrata (греч. alos — соль, лат. arcula — коробочка и лат.
quadratus — квадратный, «галофил в форме квадратной коробочки»).

Клетки бактерий чаще всего имеют форму фигур вращения. Самые простые из
них:

1. Сфера, или кокк (рис. 19,1). Пример — Streptococcus mutans (фила ВХШ
Firmicutes}.

2. Эллипсоид (рис. 19,2). Пример — Chromatium vinosum (класс «Gammaproteo-
bacteria»}.

3. Цилиндр с полусферическими концами, или бацилла (рис. 19,3). Пример —
Bacillus thuringiensis (фила ВХШ Firmicutes}.

4- Цилиндр с коническими концами, или веретено (рис. 19,4). Пример —
Cystobacter fuscus (класс «Deltaproteobacteria»}.

5. Удлиненная палочка, или мицелиальная нить (рис. 19,5). Пример —
Thermothrix thiopara (класс «Betaproteobacteria»}.

При сжатии сферической клетки с противоположных сторон она превращается
в «диск» (рис. 19,6). Пример — Crenothrix polyspora (фила ВХХ Bacteroidetes}.

В результате радиальной деформации диска его поперечный срез становится
овальным (рис. 19,7). Пример — Crinalium epipsammum (фила ВХ Cyanobacteria}.
Поперечный срез диска также бывает полукруглым (рис. 19,8). Пример —
Simonsiella steedae (класс «Betaproteobacteria»}. Наконец, поперечный срез дис-
ка бывает лопастным (рис. 19,9). Пример — Starria zimbabweensis (фила ВХ
Cyanobacteria}.

Изгиб палочки в одной плоскости придает ей форму половины тора, или полу-
месяца (рис. 19,10). Пример — Rhodocyclus purpureus (класс «Betaproteobacteria»}.

При закручивании палочки одновременно по трем осям бактерия приобретает
форму вибриона, т. е. отрезка спирали (рис. 19,11). Пример — Vibrio cholerae (класс
«Gammaproteobacteria»}. Она также принимает форму спириллы, т.е. спирали с
несколькими полными витками — растянутой или плотно сжатой (рис. 19,12). При-
мер— Spirillum volutans (класс «Betaproteobacteria»}.

Палочки могут за счет ветвления принимать Y-образную форму (рис. 19,13).
Пример — Mycobacterium smegmatis (фила BXIV Actinobacteria}.

В свою очередь, мицелиальные нити бывают слабо или сильно разветвленными
(рис. 19,14). Пример — Streptomyces carpinensis (фила BXIV Actinobacteria}.

Встречаются бактерии бугристой формы (рис. 19,15). Пример — Nitrosolobus
multiformis (филогенетическое положение не установлено).

Наконец, бактерии могут образовывать выросты нитевидной и конической
формы, или простеки (рис. 19,16). Пример — Ancalomicrobium adetum (класс
«Alphaprot eobacteria »}.

Что касается архей, то среди них можно найти все «бактериальные» варианты
формы (рис.19,1-16).

Некоторые экстремально галофильные археи имеют уникальную форму «квадра-
тов» (рис. 19,17) или «треугольников» (рис. 19,18). Примеры — Haloarcula quadrata
и Halogeometricum borinquense (фила АП Euryarchaeota}.
Рис. 19. Основные варианты морфологии прокариотной клетки.

Главный формообразующий элемент прокариотной клетки — это ригидный слой
клеточной стенки (см. разделы 8.4.3 и 8.5.2). Второй функцией этого слоя служит
противодействие тургору, который составляет 1-5 бар (0,1-0,5 мПа), а в отдельных
случаях даже достигает 20 бар.

Для снижения тургорного давления (или в противовес ему) клетки могут ис-
пользовать четыре стратегии.

Первая стратегия — это экскреция воды, поступающей в клетку по градиенту
водного потенциала. Прокариоты, в отличие от эукариотов, не имеют сократитель-
ных вакуолей, и только немногие из них могут выделять излишки воды через аква-
порины (см. II том учебника).

Вторая стратегия — это выравнивание давления по обе стороны СМ путем накоп-
ления в цитоплазме осмотически активных веществ, или осмопротекторов. Наиболее
эффективно, хотя и уникальным способом это делают экстремально галофильные
археи, в цитоплазме которых снакапливаются катионы К+ в концентрации, равной
концентрации катионов Na+ в окружающей среде.
Третья стратегия — это образование ригидного экзоскелета, и подобным образом
поступают многие протисты, все грибы и растения, а также большинство бактерий
и архей.

Четвертая стратегия — это использование эндоскелета.

Для обеспечения осмотического комфорта прокариоты больше полагаются на
экзоскелет, в то время как эндоскелет у них играет преимущественно морфогенети-
ческую роль.

Эндоскелет. Первые данные о том, что клетки бактерий и архей (Е. coli,
В. subtilis, Methanococcus voltae и др.) содержат сеть белковых фибрилл, лежащую
под СМ, были получены в конце 1990-х годов с помощью метода иммуноэлектрон-
ной микроскопии, В качестве зондов использовались моноклональные антитела к
С-концевому участку актина, содержащему высококонсервативный мотив Ser-Gly-
Pro-Ser-Ile-Val-His-Arg-Lys-Cys-Phe.

В дальнейшем выяснилось, что за образование белкового эндоскелета отвечает
оперон тге (от англ, murein cluster е), обеспечивающий образование муреинового
саккулуса. Одним из его продуктов является актиноподобный белок МгеВ, который
полимеризуется в протофиламенты, сходные с F-актином. Показано, что у В. subtilis
он образует спираль, подстилающую СМ (рис. 20,А).

МгеВ

Рис. 20. Молекулярная подоплека «несферической» формы бактерий.

А — палочковидная форма, приобретенная с помощью цитоскелетного белка МгеВ;
Б — спиральная форма, приобретенная с помощью цитоскелетного белка CreS.

Белок МгеВ и сходные с ним актиноподобные белки, например МЫ, широко рас-
пространены у палочковидных, нитевидных и спиралевидных видов. Из них состоит
эндоскелет, который отвечает за «несферическую» форму бактерий. Молекулярная
гомология между МгеВ и актином говорит об общем и очень древнем происхожде-
нии этих цитоскелетных белков.

Более сложную форму клетке придают протофиламенты других белков. В
частности, вибриоидная или спиральная форма стебельковой бактерии Caulobacter
crescentus (лат. caulis — стебель и crescentus — полумесяц) обеспечивается цитоске-
летным белком кресцентином CreS. Он гомологичен цитокератинам — белкам про-
межуточных филаментов (intermediary filament, IF) животных, и имеет сходную с
ними мультидоменную структуру. Кресцентиновая спираль расположена вдоль во-
гнутой стороны клетки. Предполагается, что белок МгеВ придает клетке форму
палочки, в то время как белок CreS закручивает ее в спираль (рис. 20, Б).

Форма бактерий, не имеющих клеточной стенки, полностью зависит от эндос-
келета. Например, у Mycoplasma pneumoniae существует так называемая «терми-
нальная органелла» (англ, therminal organelle). Это бульбовидный вырост клет-
ки, который окружен СМ и содержит филаментозный цитоскелет, состоящий из
белков семейства HMW и вспомогательных белков. Окончательные выводы об
их сходстве (или отличии) с известными цитоскелетными белками еще не сдела-
ны. Терминальная органелла полифункциональна. Она принимает участие в се-
грегации дочерних хромосом, цитокинезе и скользящей подвижности (см. раздел
8.6.2.1), а также содержит адгезины, прежде всего белок Р1, которые связыва-
ются с гликолипидами и сиалолипидами на поверхности эпителиальных клеток
хозяина.

Интересно, что за форму пластид, которые произошли от бактерий и в ходе
внутриклеточной эволюции потеряли ригидную стенку, отвечает не актиноподоб-
ный белок, а тубулиноподобный белок FtsZ (см. III том учебника). От какого цитос-
келетного белка зависит форма митохондрий, еще не ясно.

В отличие от бактерий, сведений об эндоскелете у архей очень мало. По неко-
торым данным, клетки Thermoplasma sp. содержат микрофиламенты, состоящие из
актиноподобного белка. На примере гипертермофила Sulfolobus shibatae показано,
что шаперонины (раздел 8.3.10.2) образуют филаментозные структуры диаметром
10 нм, одной из функций которых, возможно, является участие в формировании
эндоскелета.

Экзоскелет. Термином «экзоскелет» в цитологии прокариотов обознача-
ются разнообразные ригидные структуры, расположенные вне СМ. За счет
(не)ковалентных внутренних взаимодействий они приобретают жесткую конфигу-
рацию, которая навязывается протопласту. В изолированном виде эти структуры,
как скорлупа ореха, продолжают сохранять характерную форму клетки.

Наиболее распространенным типом экзоскелета служат ригидные слои, которые
имеют разную локализацию и различаются по химическому составу.

Бактерии, обладающие грамотрицательным морфотипом, образуют периплазма-
тический экзоскелет в виде муреинового саккулуса (см. раздел 8.4.3.1) или белкового
саккулуса (см. раздел 8.4.3.2).

Бактерии, обладающие грамположительным морфотипом, образуют экзоплаз-
матический экзоскелет в виде муреин-тейхоатного саккулуса (см. раздел 8.5.2.1),
муреин-миколил-арабиногалактанового саккулуса (см. раздел 8.5.2.2) или паракри-
сталлического поверхностного слоя (см. раздел 8.5.2.3).

В свою очередь, археи образуют экзоплазматический экзоскелет в виде паракри-
сталлического поверхностного слоя (см. раздел 8.5.3.1), псевдомуреинового сакку-
луса (см. раздел 8.5.3.2) или гетерополисахаридного слоя (см. раздел 8.5.3.3).

Совершенно другой тип экзоскелета имеют спирохеты (фила BXVII Spiro-
chaetes). В данном случае ведущая роль принадлежит не сплошному ригидному
слою, а осевой структуре — совокупности периплазматических жгутиков (см. раз-
дел 8.6.2). Характерным примером является возбудитель болезни Лайма Borrelia
burgdorferi, которая по размеру превышает большинство патогенных бактерий
(0,3x20 мкм). На обоих концах клетки расположены по 7-11 периплазматиче-
ских жгутиков, которые перекрываются в экваториальной зоне, образуя периплаз-
матический пучок, или аксиальную нить. Ее спиральная форма передается гиб-
кому цитоплазматическому цилиндру и гибкой ОМ. Как показал результат ин-
серционного мутагенеза, при блокаде гена flaB, кодирующего главный флагел-
лин нити жгутика, спирохеты перестают образовывать периплазматические жгути-
ки. Одновременно они теряют свою спирализацию и приобретают палочковидную
форму.
8.3.9.2. Дивискелет

Под названием «дивискелет», или «септосома» (англ, septosome) известна си-
стема микрофиламентов, обеспечивающая цитокинез. Благодаря ему сестринские
хромосомы обособляются внутри своих цитоплазматических компартментов.

В состав септосомы у бактерий и архей входят белки FtsZ, FtsA и MukB, кото-
рые по ряду свойств (молекулярная масса, третичная структура, способность свя-
зывать и гидролизовать нуклеозидтрифосфаты) напоминают белки цитоскелета у
прокариотов — тубулин и актин, хотя не гомологичны им. Эти белки будут подробно
рассмотрены в III томе учебника.

8.3.9.3. Энзоскелет

По характеру локализации клеточные ферменты подразделяются на мембра-
носвязанные и растворимые (цитозольные, периплазматические и экзоплазматиче-
ские).

Растворимые цитозольные ферменты, вопреки своему названию, образуют фила-
ментозные структуры и нередко функционируют как часть мультиэнзимного ком-
плекса. По ним, как по конвейеру, передвигаются субстраты и интермедиаты ме-
таболических путей. Для обозначения данного варианта цитоскелета в середине
1990-х годов был предложен термин «энзоскелет» (англ, ensoskeleton).

Энзоскелет не только создает функциональный ансамбль ферментов, но и взаи-
модействует с нуклеоидом, рибосомами и мембранным аппаратом.

Характерным примером такого мультиэнзимного комплекса является трипто-
фансинтаза Salmonella typhimurium. Это своего рода молекулярный туннель, по ко-
торому происходит облегченная диффузия индола.

В свою очередь, из клеток Е. coli выделен компартментализованный суперком-
плекс, содержащий стехиометрический набор ферментов, участвующих в гликолизе.
Молекулярная масса супер комплекса составляет 1650 кДа, и он образует частицы
диаметром более 30 нм. С помощью ферментов-л инке ров отдельные ферменты объ-
единяются в цепочки. Те, в свою очередь, формируют цитоплазматическую сеть,
в состав которой дополнительно входит комплекс пируватдегидрогеназы, состоя-
щий из 8 тримеров липоамидредуктазы/трансацетилазы, 12 молекул дигидролипо-
и л-дегидроген азы и 24 молекул пируватдекарбоксилазы. Наконец, с суперкомплек-
сом связана регуляторная киназа и фосфатаза. Совместно они образуют частицу,
по размеру превосходящую рибосому (~ 25 нм).

Бактериальные рибосомы и другие компоненты аппарата трансляции также
образуют энзоскелет. Он взаимодействует с хромосомой и мембранами. Возмож-
но, в его отдельных участках образуются структуры, аналогичные эукариотному
ядрышку.

8.3.10. Генеральные компартменты для
посттранскрипционного и посттрансляционного процессинга

Среди регуляторных механизмов прокариотной клетки первое место занимает
контроль репликации и транскрипции. Следующим по важности является посттран-
скрипционный и посттрансляционный процессинг. Благодаря ему поддерживается
гомеостаз, исправляются ошибки транскрипции и трансляции, достигается адапта-
ция к условиям окружающей среды (которые часто являются экстремальными), а
также обеспечиваются условия, выгодные для взаимодействия внутри популяции и
с другими компонентами биоты.

8.3.10.1. Деградосомы

Посттранскрипционный процессинг мРНК, в частности, выражается в ее дегра-
дации путем расщепления на поли- и мононуклеотиды. Этот процесс, изученный
в основном на примере Е. coli, компартментализован в деградосоме — мультифер-
ментном комплексе молекулярной массой 160-460 кДа и константой седиментации
8-16S.

В отличие от эукариотов, у которых время жизни мРНК измеряется многими часами, бакте-
рии синтезируют нестабильную мРНК, которая живет не дольше нескольких минут. «Короткий
век» этих макромолекул связан главным образом с тем, что при вегетативном существовании, а
также при клеточной (де)дифференцировке бактерии быстро и адекватно реагируют на измене-
ния в окружающей среде. В обоих случаях они должны репрограммировать биосинтез белка путем
изменения количественного и качественного состава пула мРНК.

Наряду с контролем промоторов, центральным способом регулирования уровня экспрессии
генов является деградация мРНК. С одной стороны, независимо от стабильности мРНК, соот-
ветствующие клеточные механизмы рано или поздно выводят ее из оборота. С другой стороны,
возможность обновления пула мРНК позволяет перенастраивать белоксинтезирующий аппарат в
соответствии с конкретными особенностями адаптации к изменяющимся параметрам окружаю-
щей среды. Наконец, поскольку особенностью инфраструктуры бактериального генома служит
объединение структурных генов в опероны, с которых считывается полицистронная мРНК, при
ее частичной деградации образуется набор мРНК с разным временем жизни, что дополнительно
влияет на паттерн трансляции.

Деградация мРНК у прокариотов осуществляется с помощью экзорибонуклеаз и эндорибону-
клеаз. В отличие от эукариотных мРНК, прокариотные мРНК легче поддаются деградации, по-
скольку для этого не требуется предварительное деаденилирование, т. е. ферментативное удаление
защитных полиадениловых кэпов на З'-конце.

Каркас деградосомы составляет эндорибонуклеаза Е. Этот фермент имеет моле-
кулярную массу 118 кДа и гидролизует мРНК по З'-концу на относительно крупные
полинуклеотидные фрагменты. Его N-участок содержит активный центр, а С-уча-
сток служит платформой для сборки остальных деталей деградосомы (рис. 21).

Вторым ферментом деградосомы является экзорибонуклеаза PNP (от англ,
polynucleotide phosphorylase; гомотример субъединиц 78 кДа). Она осуществляет
фосфоролиз мРНК, т. е. с помощью неорганического фосфата отщепляет от З'-кон-
ца по одному нуклеозиддифосфатному остатку.

Третьим ферментом деградосомы является геликаза RhlB (от англ. RNA helicase
type В; димер субъединиц 50 кДа). За счет энергии гидролиза АТФ этот фермент
расплетает дуплексы, или двухцепочечные участки в молекуле мРНК, тем самым
подготавливая ее к расщеплению нуклеазами.

Четвертый фермент деградосомы — энолаза, или фосфоэнолпируват-гидратаза,
которая катализирует обратимую реакцию гликолиза: 2-фосфоглицерат + ЩО <-»
фосфоэнолпируват. Какую роль в данном случае играет этот фермент, неясно.

Роль пятого фермента деградосомы, возможно, выполняет РНКаза III, которая
расщепляет двухцепочечные участки РНК.

Наконец, дополнительными компонентами деградосомы служат молекулярные
шапероны GroEL и DnaK.
Рис. 21. Деградосома.

RhlB — геликаза; PNP — полинуклеотидфосфорилаза (экзорибонуклеаза);
РРК— полифюсфаткиназа; (Ф)п—полифосфат; Ф — фосфатная группа.

С деградосомой тесно ассоциирована, хотя непосредственно не входит в число ее
структурных компонентов, полифосфаткиназа РРК (от англ, polyphosphate kinase;
гомотетрамер субъединиц 80 кДа). Этот фермент регенерирует АТФ для геликазы
согласно уравнению реакции (Ф)п + АДФ —> (Ф)п-1 + АТФ (см. раздел 8.3.11.4).

8.3.10.2. Шаперонины

Пострансляционный процессинг белка происходит в двух генеральных микро-
компартментах — шаперонинах и протеасомах. Они представляют собой гомогенные
популяции ультрамикроскопических частиц, расположенных в цитоплазматическом
компартменте.

Молекулярные шапероны. Термин «молекулярные шапероны» (англ,
chaperone — лицо, обеспечивающее нормальные взаимоотношенения между людьми)
служит для обозначения гетерогенного молекулярного суперсемейства, в которое
входят более 50 белков, различающихся по первичной последовательности и третич-
ной структуре. Эти белки имеются у представителей всех трех филогенетических
доменов и выполняют такие функции, как:

— фолдинг (англ, fold — складывать), или правильная укладка белка при его син-
тезе de novo;

— сборка правильно уложенных белков в надмолекулярные комплексы;

— таргетинг (англ, target — мишень), или доставка белков в определенные обла-
сти клетки и перенос белков через мембраны;

— изменение конформации регуляторных белков;

— предотвращение образования патологических белковых агрегатов, а также их
разборка;

— ренатурация белка, поврежденного при стрессе;

— придание обновляемому белку такой конформации, которая благоприятна для
его протеолитического расщепления.
Широкий спектр действия молекулярных шаперонов определяется их свойством
взаимодействовать с участками полипептидной цепи, играющими критическую роль
при внутримолекулярной или межмолекулярной самосборке, а также их способно-
стью стабилизировать эти участки. Тем самым молекулярные шапероны отслежи-
вают конформационное состояние белка на всем протяжении жизни его молекулы,
начиная с трансляции.

Хотя информация о третичной структуре белка заложена в его первичной структуре, спон-
танный и термодинамически выгодный фолдинг возможен только в разбавленном растворе. При
высокой концентрации белков в цитоплазме и особенно при супероптимальной температуре про-
исходят сильные гидрофобные взаимодействия, которые приводят к неправильному складыванию
белка и его агрегации.

Кроме того, скорость укладки белка намного выше скорости трансляции. Для того, чтобы ли-
дирующий конец полипептидной цепи не вступал в ошибочное взаимодействие сам с собою или с
другими белками, т. е. чтобы его конформация в конечном счете оказалась правильной, требуется
коррекция. Ее осуществляют молекулярные шапероны, а также содержащие их микрокомпартмен-
ты — шаперонины (см. ниже).

Молекулярные шапероны прежде всего участвуют в укладке белка при его синтезе de novo.
Значительная часть полипептидной цепи, появляющейся из выходного туннеля рибосомы, взаи-
модействует со связанным молекулярным шапероном. В случае бактерий это «триггер-фактор»
(англ, trigger factor, TF), а в случае архей и эукариотов — «комплекс, ассоциированный с натив-
ным полипептидом» (англ, nascent polypeptide-associated complex, NAC). Co связанным шапероном
функционально взаимодействуют растворимые молекулярные шапероны — DnaK (в случае бакте-
рий), комплекс DnaK с префолдином (в случае архей) или комлекс Hsp70 с префолдином (в случае
эукариотов).

В результате взаимодействия с этими молекулярными шаперонами новая полипептидная цепь,
как правило, принимает правильную конформацию. При наличии отклонений последняя коррек-
тируется путем процессинга белка внутри шаперонина.

Шаперонины также корректируют конформацию ранее образованных полипептидных цепей,
которая по той или иной причине стала ненативной.

Глобальное значение шаперонинов подтверждается тем, что дефектные по ним мутанты нежиз-
неспособны.

В случае бактерий шаперонин представлен комплексом GroES/GroEL, в случае архей — термо-
сомой (см. ниже), а в случае эукариотов — комплексом ССТ.

Движущей силой конформационной перестройки белка служит его собственная свободная энер-
гия, а также свободная энергия гидролиза АТФ.

Одни молекулярные шапероны присутствуют в клетке постоянно, и при нефизио-
логической температуре или при действии токсичных агентов уровень их экспрессии
либо сохраняется прежним, либо повышается. Другие молекулярные шапероны яв-
ляются стрессовыми белками, например, белки теплового шока (англ, heat-shock
protein, Hsp); они индуцируются в неблагоприятных условиях и служат ключевыми
факторами для выживания.

В соответствии со своим размером, молекулярные шапероны подразделяются
на группу больших (~60 кДа) и малых (~10 кДа). Малые молекулярные шаперо-
ны называют «младшими» (англ, junior)—в основном из-за того, что механизм их
действия менее изучен, чем у «старших» (англ, senior) шаперонов. Большинство
младших шаперонов образует глобулярные полидисперсные олигомеры, суммарная
молекулярная масса которых 200-800 кДа.

Шаперонины; общие сведения. Как уже указывалось, молекулярные ша-
пероны вместе со своими кофакторами образуют шаперонины (англ, chaperonin) -
микрокомпартменты, предназначенные для коррекции конформации неправильно
сложенного белка.

Субъединицы шаперонинов принадлежат к группе больших молекулярных ша-
перонов (~60 кДа) и собираются в тороидальную структуру, состоящую из двух
колец.

Существуют две филогенетически обособленные группы шаперонинов.

К группе I относится шаперонин бактерий (содержащий шаперон GroEL), а так-
же его гомолог в митохондриях (содержащий шаперон Hsp60) и пластидах (содер-
жащий шаперон RuBP; от англ. RuBisCO subunit binding protein). Основу этих мик-
рокомпартментов образуют два кольца, каждое из которых состоит из 7 субъединиц
молекулярного шаперона GroEL.

К группе II относятся шаперонины архей и эукариотов. Эти микрокомпартменты
состоят из двух колец, каждое из которых образовано 8-9 субъединицами молеку-
лярного шаперона TF55 и молекулярного шаперона ССТ.

Шаперонины бактерий. Это олигомерный комплекс, состоящий из 14 иден-
тичных субъединиц шаперона GroEL (57 кДа). Согласно результатам рентген-кри-
сталлографии с уровнем разрешения 2,8А, он имеет форму полого цилиндра, вы-
сота которого составляет 14,5 нм, а диаметр 13,5 нм. Центральная полость цилин-
дра GroEL сообщается с окружающей средой через концевые отверстия диаметром
4,5 нм. На одном торце к цилиндру прикрепляется крышка в форме блюдца, состо-
ящая из 7 субъединиц кошаперонина GroES (10 кДа).

Субъединица GroEL состоит из трех доменов — обладающего АТФазной актив-
ностью экваториального домена, промежуточного домена и апикального домена, ко-
торый связывает субъединицу кошаперонина GroES и может изменять угол своего
наклона. Комплекс 14GroEL/7GroES7/7ATO претерпевает цикл конформационных
превращений, в ходе которых белок связывается, попадает в центральную полость
шаперонина, а затем выходит в цитозоль (рис. 22). В центральной полости шаперо-
нина частично развернутая молекула белка защищается от нежелательных взаимо-
действий при фолдинге или разворачивается с помощью молекулярного шаперона,
что дает ей возможность снова принять правильную конформацию.

АТФ

> В

АДФ АДФ

Рис. 22. Шаперонин.

А, Б, В, Г — цикл конформационных превращений комплекса 14GroEL/ 7GroES/ 7АТФ;
GroEL — трехдоменный молекулярный шаперон; GroES — кошаперонин.

Шаперонины архей. Как мы уже говорили, шаперонины архей не гомологич-
ны шаперонинам бактерий и отличаются от них по архитектуре. Вместо шаперона
GroEL (Hsp60) у них имеется шаперон, гомологичный эукариотному шаперону ССТ.

Шаперонины архей изучены преимущественно у термофилов, например
Thermoplasma acidophilum (фила АП Euryarchaeota) и экстремальных термофи-
лов—например, Sulfolobus shibae (фила AI Crenarchaeota) и Thermococcus profundus
(фила АП Euryarchaeota). Это дало основание называть их «термосомами», хотя
аналогичные компартменты обнаружены у мезофилов, например у экстремальных
галофилов и метаногенов.

Термосомома представляет собой тороидальный комплекс, образованный двумя
кольцами и состоящий из 16-18 идентичных или неидентичных субъединиц <х/(3.
В частности, термосома S. shibae состоит из 16 идентичных субъединиц шаперона
TF55 с молекулярной массой ~60 кДа. Она имеет тороидальную форму (высота
15 нм, диаметр 16 нм), ее центральная полость сообщается с цитозолем через отвер-
стия диаметром 5 нм.

Как и бактериальный шаперонин, комплекс 16ТЕ55/8АТФ проходит через цикл
конформационных превращений, в ходе которых белок принимает правильную кон-
формацию, побывав в центральной полости тороида.

8.3.10.3. Протеасомы

Наряду с шаперонинами, или микрокомпартментами, предназначенными для
коррекции третичной структуры белка, существуют протеасомы, или микроком-
партменты, которые служат для ликвидации белков путем протеолиза. Сочетание
фолдинга с протеолизом является одним из важнейших условий адаптации и выжи-
вания клеток в изменяющихся, особенно — в экстремальных условиях окружающей
среды.

Существует несколько категорий белков, подлежащих устранению. Во-первых, это склонные
к агрегации белки, третичная структура которых нарушена вследствие генной мутации, ошибки
трансляции или теплового шока и не исправляется с помощью шаперонинов. Во-вторых, это белки,
для которых характерна высокая скорость обновления (например, белковые факторы транскрип-
ции, репарации, рестрикции-модификации, а также компоненты регуляторных каскадов или специ-
фические белки, отвечающие за деление, клеточную дифференциацию и коллективное поведение).
В третьих, это субъединицы белковых комплексов, стехиометрия которых оказалась измененной.
В четвертых, это белки, мобилизуемые как источник азота при голодании по этому элементу.

Протеолиз является мощным оружием, и чтобы его жертвой не оказались нормальные и необхо-
димые белки, он держится под контролем. Наиболее эффективным способом является компартмен-
тализация. Эукариоты используют для компартментализации протеаз специализированные мем-
бранные органеллы (лизосомы).

Шире встречающимся способом компартментализации протеаз является их самосборка в про-
теасомы— ультрамикроскопические бочковидные аргегаты, во внутренней полости которых содер-
жатся активные центры. Туда разрешен доступ только полностью развернутым белкам.

Развертывание осуществляется с помощью конститутивных или временно образующихся вспо-
могательных комплексов, которые обладают АТФазной активностью и называются анфолдазами
(англ, unfold — разворачивать), или «обратными шаперонинами».

После развертывания белки расщепляются энергозависимыми протеазами. Они относятся к
четырем низкогомологичным суперсемействам — Clp, Lon, FtsH и 203-протеасомам. С1р-протеазы
ClpAP и ClpXP представляют собой комплекс АТФазы (С1рА или С1рХ) и «сериновой», т. е. име-
ющей каталитический домен с остатками Ser протеазы (С1рР). Lon-протеазы содержат АТФазный
домен и сериново-протеазный домен внутри одного полипептида. FtsH-протеазы содержат АТФаз-
ный домен и Zn2+-зависимый протеазный домен также внутри одного и того же полипептида.
Некоторые из них индуцируются при стрессе или тепловом шоке.

Перечисленные протеазы — это мультикаталитические комплексы, образующие путем само-
сборки компартмент, в котором протеолитические активные центры изолируются от содержимого
клетки. Предварительно развернутые (не)нормальные белки входят в эти микрокомпартменты
сквозь узкие отверстия — их ширина примерно равна диаметру а-спирали. С помощью нескольких
активных центров они гидролизуются до олигопептидов, причем до окончания процесса промежу-
точные продукты в цитозоль не выходят.

Важнейшими энергозависимыми протеазами являются 208-протеасомы.

208-протеасомы. Генеральные компартменты этого типа образуют гомогенную
популяцию субмикроскопических частиц, имеющих размер 12x15 нм и молекуляр-
ную массу 700-750 кДа. В эукариотной клетке они локализуются в ядре или ци-
топлазме, где ассоциированы с эндоплазматическим ретикулумом и цитоскелетом.
В прокариотной клетке они находятся в цитоплазме или непрочно связаны с внут-
ренней поверхностью СМ.

208-протеасомы распространены у всех эукариотов и архей. У бактерий они
встречаются довольно редко — только у отдельных представителей филы BXIV
Actinobacteria (рода Frankia, Mycobacterium, Rhodococcus и Streptomyces).

Основное различие между прокариотными и эукариотными 208-протеасомами
заключается в степени их сложности. Прокариотные протеасомы обычно содержат
несколько идентичных копий субъединиц а и |3. Последние взаимно гомологичны
и состоят из пяти центральных складчатых |3-цепей, фланкированных по обоим
концам молекулы а-спиралями. По сравнению с субъединицей а, субъединица (3
имеет более короткий N-концевой фрагмент.

В свою очередь, эукариотные протеасомы содержат по 7 гомологичных вариан-
тов субъединиц а и (3 (молекулярной массой 22-35 кДа). У позвоночных структура
протеасомы усложняется тем, что несколько конститутивных субъединиц |3 заме-
щаются индуцибельными гомологами.

Каталитическую активность проявляют только субъединицы |3, и она определя-
ется единственным аминокислотным остатком — N-концевым остатком Thr.

Из субъединиц а и |3 путем самосборки образуются гептамерные кольца ос? и
З7 (у прокариотов) и oti-7 и 31—7 (у эукариотов). В обоих случаях два сложенных
вместе 3-кольца фланкированы двумя а-кольцами, в результате чего образуется

1,3 нм

12 нм

Рис. 23. Протеасома.

а и Р —субъединицы; Ai и Аг — «преддверья»; С — центральная полость.
Черными кружками обозначены каталитические центры.
бочковидный комплекс из четырех колец, высота которого 15 нм, а диаметр 12 нм
(рис. 23). Через него проходит сквозной канал, расширяющийся в центральную по-
лость, и два фланкирующих ее «преддверья» размером 4x5 нм. Центральная по-
лость размером 3,8х 5,5 нм содержит каталитические центры и образована двумя
0-кольцами. Оба преддверья, функции которых неизвестны, образованы одним а-
кольцом и одним 0-кольцом. «Субстратные» белки проникают в преддверья через
входные отверстия в а-кольцах диаметром 1,3 нм. Из преддверий они попадают
в центральную полость через отверстия в 0-кольцах, диаметр которых составляет
2,2 нм.

В результате неспецифического протеолиза субстратный белок расщепляется на
олигопетиды из 4-10 аминокислотных остатков, которые освобождаются в цито-
золь и там подвергаются дальнейшему расщеплению. В центральной полости может
разместиться только одна молекула субстратного белка, и освободившееся после ее
окончательного расщепления место занимает следующая молекула.

Ширина входного отверстия протеасомы приближается к диаметру полипептид-
ной цепи. Поэтому через него могут пройти только полностью развернутые белки,
что предварительно осуществляется с помощью вспомогательных комплексов.

Обязательным компонентом этих комплексов служит АТФ-аза. В случае эука-
риотов и бактерий это АТФаза из суперсемейства ААА (от англ. ATPases associated
with various cellular activities), а в случае архей —АТФаза из суперсемейства PAN
(от англ, proteasome activating nucleotidase). При временном (у прокариотов) или по-
стоянном (у эукариотов) объединении с АТФазой 208-протеасома становится функ-
ционально завершенной структурой.

У эукариотов 208-протеасомы становятся частью более сложного компартмен-
та — 268-протеасомы.

268-протеасомы универсальны для эукариотов и необходимы для их жизнедеятельности. Они
имеют молекулярную массу ~2500 кДа и содержат вспомогательные комплексы в виде двух
асимметричных 198-кэпов, фланкирующих бочковидную 208-структуру. Кэпы состоят из 15 раз-
ных субъединиц с молекулярной массой 25-110 кДа. Одни из них распознают субстратный бе-
лок, другие обладают АТФазной активностью и окончательно разворачивают субстратный бе-
лок, третьи транслоцируют его во внутреннюю полость протеасомы и презентируют его активным
центрам.

Получение белком «черной метки» для протеолитической деградации обычно осуществляется
путем убиквитирования, т. е. АТФ-зависимого ковалентного связывания с цитозольным белком
убиквитином (англ, ubiquitin, Ub; 8,6 кДа).

Таким образом, у эукариотов АТФ-зависимый протеолиз включает в себя две стадии: а) рас-
познавание неправильно свернутого белка убиквитином и его мечение; б) расщепление меченного
убиквитином субстратного белка в 268-протеасоме.

Между 208-кором и кэпами расположены кольцеобразные переходники. Они состоят из шести
субъединиц, принадлежащих к суперсемейству ААА-АТФаз.

Поскольку четыре из семи Р-субъединиц не имеют N-концевого остатка Thr, каталитической
активностью обладают не все 14 Р-субъединиц, а только шесть из них (pi, 01', Р2, 02', Р5 и 05').

В сборке эукариотной протеасомы принимают участие молекулярные шапероны, например
Hcs73. Напротив, прокариотные протеасомы образуются путем самосборки, и для их созревания
молекулярные шапероны не требуются.

208-протеасомы бактерий. Если эукариоты используют протеасомы в лю-
бых условиях, то для бактерий их присутствие необязательно (например, мутанты
Mycobacterium smegmatis с делегированными генами протеасом не отличаются от
штаммов дикого типа). Они есть не у всех бактерий и обычно экспрессируются в
экстремальных условиях.
208-протеасомы не содержат 198-кэпов (в отличие от 268-протеасом). У них так-
же есть комплексы, распознающие и развертывающие субстратные белки, но стаци-
онарной структуры они не образуют.

Как уже указывалось, бактериальные протеасомы состоят из однотипных субъ-
единиц а и |3. Исключение представляет Rhodococcus erythropolis N186/21, у которого
по два типа этих субъединиц.

Бочковидный комплекс из четырех колец содержит 14 активных протеолитиче-
ских сайтов.

Интересно, что по строению бактериальные 208-протеасомы напоминают шапе-
ронины. Оба микрокомпартмента имеют цилиндрическую форму, сходные разме-
ры и состоят из гептамерных колец, образующих центральную полость (см. раздел
8.3.10.2). Однако между шаперонинами и протеасомами есть существенное разли-
чие. Входное отверстие шаперонина имеет диаметр 4,5 нм, благодаря чему в цен-
тральную полость проникают частично развернутые белки, и там их структура кор-
ректируется. Протеасома имеет более узкое входное отверстие (1,3 нм), поэтому в
центральную полость попадают только полностью развернутые белки, где подвер-
гаются протеолитическому расщеплению.

В развертывании субстратных белков могут участвовать молекулярные шаперо-
ны DnaK/DnaJ/Hsp70 и GroEL/GroES.

«Упрощенные» протеасомы бактерий. Большинство бактерий содержит бо-
лее просто устроенные протеолитические микрокомпартменты, примером которых
является протеасома HslV (сокр. англ, heat-shock locus V). Она состоит из двух ко-
лец, по шесть субъединиц в каждом. Эти кольца взаимодействуют с АТФазой из
семейства Clp (HslU). Отверстия на противоположных сторонах образующегося ци-
линдра имеют диаметр ~0,7 нм.

HslV-протеасомы и 208-протеасомы вместе не встречаются. Некоторые бактерии
протеасом вообще не образуют, например, они отсутствуют у Synechocystis sp. РСС
6803 (фила ВХ Cyanobacteria), Mycoplasma genitalium, М. pneumoniae (фила ВХШ
Firmicutes) и Chlamydia trachomatis (фила BXVI Chlamydiae).

208-протеасомы архей. Если для эукариотов протеасомы «универсальны и
обязательны», для бактерий «неуниверсальны и необязательны», то для архей они
«универсальны, но необязательны».

Состав и архитектура протеасом у архей в настоящее время досконально изуче-
ны, в том числе с помощью рентгеноструктурного анализа с уровнем разрешения
3,5 А. Установлено, что они почти не отличаются от бактериальных 208-протеасом
(см. рис. 23).

Как и бактериальные протеасомы, протеасомы архей обычно состоят из субъ-
единиц а и Р только одного типа. Однако у нескольких видов Аегоругит (фила AI
Crenarchaeota), а также Haloferax и Halococcus (фила АП Euryarchaeota) они бывают
2-3 типов.

В отличие от бактерий, археи не имеют С1р-протеаз, Lon-протеаз и FtsH-протеаз,
которые агрегируют с образованием «упрощенных» протеасом. Поэтому за энерго-
зависимую деградацию белков у них отвечают только 208-протеасомы.

Естественно, что протеасомы архей так же, как протеасомы эукариотов и бак-
терий, участвуют в клеточном ответе на неблагоприятные условия окружающей
среды.
8.3.11. Специализированные компартменты

В цитоплазматическом компартменте прокариотной клетки может находиться
несколько типов специализированных компартментов. Они различаются способом,
которым обеспечивается их граница, своим содержимым и функциями. Одни из них
встречаются у представителей обоих прокариотных доменов, другие бывают толь-
ко у бактерий. Некоторые имеют очень широкое распространение; другие крайне
редки, а иногда даже уникальны.

8.3.11.1. Вакуоли

В соответствии с определением, которое дал прокариотам Роджер Стэниер (см.
раздел 2.3), одним из цитологических признаков, чем они принципиально отличают-
ся от эукариотов, служит отсутствие вакуолей — микрокомпартментов, окруженных
унитарной мембраной.

Классический термин «вакуоль» (от лат. vacuum — пустое пространство) используется в цито-
логии ядерных организмов, хотя им обозначают структуры, которые имеют разный состав и выпол-
няют разные функции. Чаще всего вакуолями называют микрокомпартменты, которые находят-
ся в цитоплазме, окружены унитарной мембраной, или тонопластом и заполнены гидрофильным
жидким содержимым. У протистов и растений вакуоли служат для поддержания осмотического
баланса с окружающей средой путем компартментализации воды с ее последующим удалением, а
также для хранения раствора гидрофильных метаболитов, или клеточного сока.

Тонопласт происходит от trans-мембран аппарата Гольджи. Во многих отношениях он напоми-
нает лизосомальную мембрану, хотя это две разные «стволовые линии» онтогенеза эукариотных
ICM. В обоих случаях за счет ограничивающей мембраны обеспечивается градиент концентрации
катионов, в том числе Н+, и внутри обоих компартментов изолируются гидролитические фер-
менты. Однако вакуоли служат преимущественно для хранения метаболитов, а лизосомы —для
деструкции макромолекул или для процессинга секретируемого материала.

Таким образом, вакуоли представляют собой структурно обособленный и функционально спе-
циализированный участок ICM эукариотной клетки.

Мы уже говорили о том, что ICM бактерий принципиально отличаются от ICM
эукариотов. Хотя вопрос о структурной обособленности ICM от СМ до конца не
выяснен, известно, что эти два участка мембранной системы различаются по мо-
лекулярному составу. Установлено также, что у бактерий «узкой специализацией»
ICM служит ассимиляция энергии (см. раздел 8.3.5).

Модули, из которых состоят ICM, в некоторых случаях обнаруживают внешнее
сходство с вакуолями, особенно когда они раздуваются, однако это не дает оснований
считать их специализированными органеллами.

Истинные вакуоли у бактерий исключительно редки, и сведения о них носят в
основном описательный характер.

Загадкой для цитологов стала нитратная вакуоль морских хемолитотрофов
Beggiatoa, Thiomargarita и Thioploca, которая была впервые обнаружена в середине
1980-х годов (см. раздел 8.1.3.4). Внутри этого ограниченного унитарной мембраной
компартмента, занимающего основную часть внутриклеточного объема, накаплива-
ются анионы NOa- ДО конечной концентрации ~0,8 М. Среди представителей рода
Thioploca есть штаммы с широкими и узкими клетками: в первом случае образу-
ется одна крупная нитратная вакуоль, во втором — множество мелких нитратных
вакуолей.

Упомянутые бактерии используют нитрат в качестве терминального акцептора
электронов при анаэробном окислении сульфида, в результате чего NO3- восста-
навливается до NH3 или N2.
Недавно у Beggiatoa-подобных бактерий были обнаружены истинные вакуоли,
внутри которых запасается не нитрат, а другой терминальный акцептор электро-
нов — молекулярный кислород.

Механизм образования нитратных и кислородных вакуолей неизвестен; дело усу-
губляется тем, что бактерии с такими органеллами относятся к числу некультиви-
руемых форм.

Еще одним примером вакуоли у бактерий является анаммоксосома, открытая в
конце 1990-х годов. Эта уникальная органелла запасает энергию путем анаэроб-
ного окисления NH3, используя в качестве акцептора электронов анионы NO2-
(см. II том учебника). Данным свойством обладает ряд представителей филы
BXV Planctomycetes (Candidatus «Brocadia anammoxidans», Candidatus «Scalindua
sorokinii» и Candidatus «Kuenenia stuttgartiensis»).

Анаммоксосома занимает до 30% внутреннего объема клетки (рис. 24). Она
окружена унитарной мембраной, состоящей из уникальных липидов — «ледеранов»
(англ, ladder —лестница).

СМ ОМ S

Рис. 24- Анаммоксосома в клетке бактерии-планктомицета.

СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана;

S — поверхностный белковый слой; МА — мембрана анаммоксосомы; С — хромосома.

Жирные «хвосты» ледеранов (рис. 25) представляют собой Сго-спирты или С20-
кислоты. Они состоят из 8-углеродной линейной цепи, с которой связана «лестница»
из пяти циклобутановых остатков или из трех циклобутановых остатков и одного
циклогексанового остатка. Такие гидрофобные радикалы образуют простой эфир с
метанолом или глицеролом, либо смешанный (простой и сложный) эфир с глицеро-
лом.

Напомним, что липиды на основе простых эфиров глицерина (универсальные
для архей) у бактерий встречаются исключительно редко. Кроме рассматриваемого
случая, они найдены только у некоторых термофилов и сульфатредукторов (см.
раздел 8.3.3). У эукариотов их не бывает никогда.
Рис. 25. Липиды из группы ледеранов.

А — сложный эфир метанола и Сго-жирной кислоты, содержащей пять
агрегированных циклобутановых колец; Б — простой моноэфир глицерола
и Сго-жирной кислоты, содержащей три циклобутановых кольца,
агрегированных с одним циклогексановым кольцом; В—эфир смешанного типа;
Г — способ укладки ледеранов в липидном слое мембраны анаммоксосомы.

Плотно упакованные ледераны создают непроницаемый барьер для токсично-
го гидразина (NH2-NH2J, образующегося внутри анаммоксосомы при окислении
аммиака. При окислении гидразина анаэробной дыхательной цепью, состоящей из
гидразиндегидрогеназы (англ, hydrazine oxidizing enzyme, HZO) и нитритредуктазы
(англ, nitrite reducing enzyme, NR), на мембране анаммоксосомы создается протон-
ный градиент.

В мембране анаммоксосомы содержится АТФ-синтаза, которая осуществляет
фосфорилирование АДФ при движении протонов по градиенту их концентрации,
т. е. из аммоксосомы в цитоплазму. Таким образом, анаммоксосома является уни-
кальным дыхательным компартментом — функциональным аналогом симбиотиче-
ской органеллы ядерной клетки, митохондрии.

Изучение анаммоксосомы только начинается, и механизм ее биогенеза пока еще
неизвестен.

8.3.11.2. Газовые везикулы

Эти специализированные микрокомпартменты ограничены неунитарной мембра-
ной. Они содержат газовую фазу, что придает прокариотной клетке повышенную
плавучесть. Газовые везикулы широко распространены у планктонных форм и опи-
саны примерно у 150 видов бактерий и архей. Особенно часто они встречаются у
цианобактерий.

Газовые везикулы имеют стандартную морфологию и представляют собой пу-
стотелые цилиндры с полыми конусами на обоих концах. У разных прокариотов
они различаются по соотношению диаметра (50-200 нм) и длины (100-1200 нм).
Стенка газовой везикулы имеет толщину ~2 нм и представляет собой однослойную
мембрану, которая у разных видов состоит из взаимно гомологичных белков.

Газовые везикулы лежат в цитоплазме поодиночке или образуют сотовидные
агрегаты (их неправильно называют газовыми «вакуолями»).

Газовая везикула — это инертная структура. Она заполнена атмосферным возду-
хом, который диффундирует в нее через клеточную оболочку, цитоплазму и белко-
вую мембрану. В модельных экспериментах атмосферный воздух можно заменить
различными газами (Аг, СЩ, СО, СО2, Н2, N2, О2 или водяным паром). В предель-
ном варианте внутри газовой везикулы может быть вакуум.

Мембрана газовой везикулы состоит из двух гидрофобных белков. Один из них
уложен паракристаллическим монослоем вдоль кольцевых ребер, образующих ци-
линдрический баллон с коническими концами (рис. 26). Молекулы другого белка
лежат поперек 4-5 ребер и стабилизируют органеллу снаружи.

Рис. 26. Газовая везикула.

GvpA — главный белок неунитарной мембраны,
образующей газовую везикулу.

Газы беспрепятственно диффундируют сквозь поры гидрофобной мембраны, ко-
торые имеют диаметр ~0,6 нм. В результате содержимое газовой везикулы по обще-
му и парциальным давлениям не отличается от газовой фазы над жидкой средой, в
которой находится бактерия. Вода из цитоплазмы удерживается силами поверхност-
ного натяжения и вместе с гидрофильными молекулами внутрь газовой везикулы
не проникает.

Мембрана газовой везикулы нерастяжима и механически прочна, но когда дав-
ление на нее становится выше критического, газовая везикула сплющивается и рас-
правиться уже не может.

В биогенезе газовой везикулы участвуют до 15 хромосомных или плазмидных
дир-генов (от англ gas vesicle protein). Молекулярная масса их продуктов составляет
7-50 кДа. Большинство белков не идентифицировано; они могут соответствовать
минорным компонентам газовой везикулы, а также участвовать в ее сборке или
выполнять регуляторную роль (например, продукты генов gvpF-L).

Ген gvpA кодирует главный белок (7,5 кДа), на долю которого приходится до
90% твердого материала органеллы. Он состоит из двух антипараллельных (3-цепей;
около 230 молекул образуют ребро шириной 4-5 нм (рис. 26). До сих пор неизвест-
но, являются ли ребра замкнутыми кольцами или это отдельные витки туго скру-
ченной спирали. Исключительно высокая гидрофобность белка GvpA обеспечивает
самосборку и гидрофобные свойства внутренней поверхности мембраны газовой ве-
зикулы.

Продукт гена gvpC имеет молекулярную массу 22 кДа и содержит повторяющий-
ся 4-5 раз а-спиральный мотив из 33 аминокислотных остатков. Предполагается,
что задача этого белка — стягивать ребра газовой везикулы, хотя неизвестно, как он
ориентирован по отношению к ее продольной оси.

При биогенезе газовой везикулы вначале образуется биконическая структура, ко-
торая растет в длину и одновременно с этим в нее диффундирует газ из цитоплазмы.

Плотность бактерий обычно выше плотности воды, поскольку они богаты белками
(1,33 г- см-3), углеводами (1,55 г- см—3) и нуклеиновыми кислотами (1,66 г- см-3). Благодаря
образованию множества газовых везикул (плотностью 0,06-0,2 г- см-3) плотность бактерий сни-
жается до 0,975 гем-3 и становится ниже плотности воды (0,998 г- см-3 при 20°С). В результате
они всплывают к поверхности водоема. Такой тип подвижности называется флотацией (см. раздел
8.6.2). Фототрофам он обеспечивает более выгодный световой режим, аэробам — лучшее снабже-
ние кислородом. Кроме того, газовые везикулы отражают свет и поэтому защищают клетки от
фотоповреждения.

Внешнее давление на мембрану газовой везикулы складывается из атмосферного давления или
из давления экспериментальной газовой фазы над жидкой средой (Pg)> гидростатического давле-
ния (Рн)> тургорного давления (Рт) и силы поверхностного натяжения (Ps)- Газовая фаза внутри
везикулы находится в равновесии с атмосферным воздухом или с экспериментальной газовой фа-
зой над жидкой средой, поэтому контр-давление равно Pg- В итоге ригидность мембраны газовой
везикулы компенсирует Рн +Рт+ Ps (в зависимости от радиуса, она выдерживает критическую
разность давлений в 0,1-3,5 мПа). Поскольку газ перераспределяется между полостью органеллы
и цитоплазмой довольно медленно, увеличение гидростатического давления при быстром погру-
жении бактерии или увеличение тургорного давления из-за накопления осмотически активных
веществ вызывают коллапс газовых везикул, и клетка начинает тонуть. Тургорное давление, в
частности, возрастает при биосинтезе углеводов. При высоком уровне автотрофной ассимиляции
углерода в клетке накапливаются полигликозидные гранулы, играющие роль балласта. Напротив,
при низком уровне автотрофной ассимиляции углерода образуются новые газовые везикулы, и
клетка всплывает к поверхности.

Широта распространения газовых везикул у прокариотов и взаимная гомология
Gvp-белков говорят в пользу их древнего происхождения. Трудно допустить, что
прокариоты специально «изобрели» газовые везикулы для флотационной подвиж-
ности. Скорее всего, это свойство было приобретено вторично после мутационного
изменения белков, выполнявших иные функции. Уже давно подмечено сходство га-
зовых везикул с белковой оболочкой, или капсидом вириона (интересно, что белок
GvpA на 50% гомологичен гликопротеину шипов капсида у вируса везикулярного
стоматита). И все же «вирусное» происхождение этих специализированных компарт-
ментов маловероятно.

8.3.11.3. Полярные мембраноподобные органеллы

Под таким названием выступают загадочные микрокомпартменты, в разное вре-
мя выявленные у разных прокариотов.

В случае метаногенных архей Methanococcus jannaschii, М. vannielii и М. voltae
полярные мембраноподобные органеллы выглядят как сдвоенные ламеллы длиной
до 0,5 мкм. Они расположены в основании жгутика, параллельно СМ на расстоя-
нии от нее около 25 нм. Промежуток между дистальной ламеллой и СМ заполнен
диффузным поперечно исчерченным материалом.

Поскольку срез такой ламеллы имеет двухслойный контур, их назвали «мембра-
ноподобными». Это едва ли оправданно, поскольку настоящие мембраны всегда ве-
зикулизированы, т. е. замыкаются в сферу, а ламеллы мембраноподобных органелл
свободны по концам. Аналогичные структуры описаны у экстремально галофиль-
ного археота Halobacterium salinarium, а также у грамотрицательных бактерий с
полярным типом жгутикования — Campylobacter jejuni и Spirillum serpens.

Конкретные выводы о функциональном значении полярной органеллы делать
еще рано, хотя, судя по ее локализации, она способствует работе жгутиков.

С одной стороны, полярная органелла может быть интегральным компонентом
жгутикового аппарата. С помощью цитохимических методов показано, что она про-
являет АТФазную активность, хотя непосредственным источником энергии для вра-
щения жгутика служит не АТФ, a Pmf или Smf (см. разделы 8.6.2 и II том учебни-
ка).

С другой стороны, полярная органелла может быть частью эндоскелета или эн-
зоскелета (см. разделы 8.3.9.1 и 8.3.9.3), и тогда ее функции должны быть связаны
с поддержкой базального тела или с процессингом субъединиц жгутика и их век-
торным транспортом.

8.3.11.4. Полифосфатные, полиглюкозидные
и цианофициновые гранулы

Специализированные микрокомпартменты, перечисленные в заглавии данного
подраздела, принадлежат к числу классических включений (см. раздел 8.2).

Отдавая должное термину «включение», который используется и по отношению
к эукариотам, нельзя не заметить, что он придает соответствующим структурам
нежелательный смысловой оттенок — функционально инертного и даже чуждого
клетке образования. Для включений, которые относительно редко встречаются в
клетках эукариотов (примером служат кристаллы оксалата кальция у растений),
это в чем-то справедливо. Напротив, когда мы говорим о включениях у прокариотов,
такая интерпретация может принизить и даже исказить роль этих микрокомпарт-
ментов. Ведь им отводится значительная часть пространства клетки, они проявляют
высокую физиологическую активность и чаще всего полифункциональны.
Включения хранят резервные вещества в осмотически инертной полимерной
форме и представляют собой динамическое депо, где клетка запасает три метаболи-
ческих ресурса — энергию, конструктивный субстрат или восстановитель (см. II том
учебника). Объем этого депо зависит от стадии развития кульуры.

Рост можно определить как координированную репликацию клеточных структур, которая, в
конечном счете, приводит к увеличению биомассы. Часто, но далеко не всегда, рост предшествует
делению. В общем случае рост бывает сопряженным и несопряженным.

«Сопряженный» рост (англ, balanced growth) является результатом одинакового темпа репли-
кации всех субклеточных структур, в результате чего фракционный состав биомассы не изменяется.
Например, за период ZXt количество ДНК, рибосом, мембранных липидов, материала ригидного
слоя, включений и т. д. возрастает в одинаковое число раз (хп).

«Несопряженный» рост (англ, unbalanced growth) приводит к структурной диспропорции, так
как разные компоненты клетки за период At реплицируются с разной скоростью (xni, Хп2, хпз и
т. д.). Обычно это связано с метаболическим стрессом при неравномерном истощении питательных
субстратов — например, клетке не хватает экзогенного азота или фосфора на фоне относительного
избытка экзогенного углерода. Несопряженный рост может также быть результатом попадания в
новые трофические условия (англ, nutritional shift) при резкой смене ниши или при пересеве на
другую питательную среду.

Полифосфатные гранулы. Это цитоплазматические микрокомпартменты,
ограниченные твердой фазой. Они состоят из конденсированных неорганических
фосфатов, или просто «полифосфатов» (Ф)п — неразветвленного полимера, состоя-
щего из 100-1000 остатков неорганического фосфата (Ф), которые соединены фос-
фоэфирными связями (рис. 27).

Рис. 27. Полифосфат и воздействующие на него ферменты.

1 — эндополифосфатаза; 2 — экзополифосфатаза; 3-5 — АМФ-фосфотрансфераза,
полифосфаткиназа и полифосфат-глюкокиназа; 6 — гуанозинтетрафосфат:
пирофосфат-трансфераза.

Полифосфаты часто называют «молекулярными ископаемыми». По-видимому,
они существовали еще на пребиотической стадии эволюции Земли, поскольку спон-
танно образуются при дегидратации ортофосфата в вулканических конденсатах и
глубоководных газовых выбросах. В современной биосфере способностью к биосин-
тезу полифосфатов обладает большинство прокариотов, а также некоторые проте-
сты, грибы, водоросли и даже млекопитающие.

Будучи полианионами, полифосфаты связывают катионные красители, макси-
мум поглощения которых при этом сдвигается в коротковолновую область. Поэтому
полифосфатные гранулы часто называют «метахроматиновыми». Устаревший тер-
мин «волютиновые» гранулы происходит от видового эпитета бактерии Spirillum
volutans.
Под электронным микроскопом полифосфаты выглядят как резко контрастные
кристаллоидные сферы диаметром от 50 нм до >1 мкм. Они расположены в цен-
тральной области клетки и быстро испаряются в электронном луче, оставляя после
себя пустое место. Количество полифосфатных гранул при избытке фосфора в сре-
де относительно постоянно и быстро уменьшается вплоть до полного исчезновения
при фосфорном голодании.

Биосинтез полифосфатов. Полифосфаты в основном синтезируются с помощью
полифосфаткиназы из концевой (у) фосфатной группы АТФ:

пАТФ <-+ (Ф)п + пАДФ.

Сначала фосфорилируется His в активном центре, и он служит затравкой для об-
разования полимерной цепи, которая у Е. coli имеет длину до 800 остатков. Фермент
иммобилизован на СМ и представляет собой тетрамер из субъединиц молекулярной
массой 80 кДа.

Функции полифосфатов. Полифосфаты полифункциональны. Они служат ре-
зервуаром энергии и фосфора, являются эндогенным регулятором метаболизма, а
также хелатируют катионы металлов. В комплексе с катионами Са2+ полифосфаты
локально изменяют фазовое состояние липидов СМ, что обеспечивает компетент-
ность бактерий при генетической трансформации. Иногда из них состоит капсула
(см. раздел 8.5.4.1).

При недостатке АТФ полифосфаты выполняют роль фосфагена (см. II том учеб-
ника). В этом случае концевая фосфорильная группа переносится на АДФ (с помо-
щью полифосфаткиназы) или на АМФ (с помощью АМФ-фосфотрансферазы):

(Ф)П + АДФ-^(Ф)П_1 + АТФ,

(Ф)п—i + АМФ (Ф)п_2 + АДФ,
а затем АДФ диспропорционируется аденилаткиназой:

2АДФ -» АТФ + АМФ.

Помимо этого, концевая фосфорильная группа используется для активации глю-
козы с помощью полифосфат-глюкокиназы:

(Ф)п + глюкоза —> (Ф)п_1 + глюкозо-6-фосфат.

Полифосфаты подвергаются «холостому» расщеплению под воздействием экзо-
и эндополифосфатаз (рис. 27). Ортофосфат, образующийся с помощью иммобилизо-
ванных на СМ димерных экзополифосфатаз (58 кДа), служит источником фосфора
для биосинтеза нуклеиновых кислот и фосфолипидов.

Участие полифосфатов в регуляторных процессах заключается прежде всего в
том, что с опероном ррк, который кодирует полифосфаткиназу и экзополифосфатазу
Е. coli, взаимодействует р/го-регулон, регулирующий активность более 30 генов фос-
форного метаболизма. Кроме того, с помощью гуанозинтетрафосфат-пирофосфат-
трансферазы от полифосфата на ГДФ переносится концевой фрагмент, состоящий
из двух фосфорильных групп, в результате чего образуется гуанозинтетрафосфат
(англ, guanosine tetraphosphate, ppGpp):

(Ф)п + ГДФ -> (Ф)п-2 + ppGpp.
Это соединение играет роль сигнала тревоги, или «алармона» (англ, alarm — тре-
вога). В условиях стресса, особенно при голодании по аминокислотам или неоргани-
ческому фосфору, ppGpp обеспечивает «строгий» ответ (англ, stringent response) —
репрессирует одни и активирует другие гены. Это способствует выживанию бакте-
рий, в частности благодаря дифференциации покоящихся клеток.

Очень важна способность полифосфатов хелатировать катионы металлов (Са2+,
Mg2+, Мп2+ др.). Например, не имеющая супероксиддисмутазы молочнокислая бак-
терия Lactobacillus plantarum таким способом накапливает до 30 мМ марганца, с по-
мощью которого устраняется токсичный супероксид (Мп2+ + Ог-- 4- 2Н+ —> Н2О2 +
Мп3+; Мп3+ + Ог-- —> Mn2+ + О2). Для многих прокариотов поли фосфаты служат
крайним средством для обезвреживания проникших в клетку токсичных катионов
Cd2+, Cu2+, Fe2+ или Zn2+.

Практическое использование бактерий, активно синтезирующих полифосфаты,
позволит удалять растворенный фосфор из сточных вод и тем самым предотвра-
щать эвтрофикацию. Кроме того, выделенные из бактерий полифосфаты могли бы
применяться в пищевой индустрии, а также служить заменителем асбеста при из-
готовлении негорючих тканей.

Полиглюкозидные гранулы (а-гранулы). Эти твердофазные цитоплазма-
тические микрокомпартменты состоят из гидрофильного нерастворимого полиглю-
козида молекулярной массой до 200 кДа.

Способностью синтезировать полиглюкозиды обладают отдельные представите-
ли всех трех глобальных доменов. Среди прокариотов это многие бактерии из раз-
ных фил, а также некоторые археи, например Methanococcus thermolithotrophicus
(фила АП Euryarchaeota) и Sulfolobus acidocaldarius (фила AI Crenarchaeota).

Полиглюкозиды состоят из остатков глюкозы, соединенных связями al—>4
(неразветвленная цепь) или связями al—>4 и связями al—>6 (разветвленная цепь).
Бактерии и археи обычно синтезируют только разветвленный полиглюкозид — ана-
лог животного гликогена. Значительно реже у бактерий встречается только нераз-
ветвленный полиглюкозид - гранулоза, которую в количестве до 60% сухого ве-
са накапливают перед началом спорообразования многие виды рода Clostridium.
Единственным известным примером, когда у прокариотов образуется аналог расти-
тельного крахмала (тривиальное название смеси неразветвленного полиглюкозида
амилозы и разветвленного полиглюкозида амилопектина), служит цианобактерия
Prochloron didemni.

Прокариотный гликоген постоянно присутствует в клетке в небольшом количе-
стве, а его накопление происходит при неблагоприятных условиях (например, при
субоптимальном pH) или когда рост прекращается из-за недостатка экзогенного
азота, серы, фосфора или железа на фоне относительного избытка экзогенного уг-
лерода.

Электроноплотные полиглюкозидные гранулы равномерно распределены в ци-
топлазме и имеют форму гомогенных или структурированных палочек диаметром
30 нм и длиной 50-300 нм.

При биосинтезе прокариотного гликогена донором глюкозильного мономера слу-
жит АДФ-глюкоза, которая образуется из глюкозо-1-фосфата под действием рас-
творимой индуцибельной АДФ-глюкозо-пирофосфорилазы (50 кДа; ген glgC):

АТФ + глюкозо-1-фосфат —> АДФ-глюкоза + ФФ.
Затем глико генсинтаза (40 кДа; ген gig А), иммобилизованная на затравке al—>4-
глюкана, переносит на нее глюкозильный мономер:

АДФ-глюкоза + al—>4-глюкан —> al—>4-глюкозилглюкан + АДФ.

В завершение всего ~10% глюкозильных мономеров соединяются связями al—>6.
Катализатором реакции служит глюкозилтрансфераза (85 кДа; ген glgB), которая
играет роль «разветвляющего» фермента (англ, branching enzyme).

При биосинтезе гранулозы, которая накапливается в клетках представителей ро-
да Clostridium, неразветвленная полиглюкозидная цепь может образовываться из
дисахаридов — мальтозы или сахарозы — соответственно с помощью амиломальта-
зы и амилосахаразы:

мальтоза 4- (а1-4-глюкозил)п —> глюкоза + (al-4-глюкозил )n+i,

сахароза + (al-4-глюкозил)п —> фруктоза + (а1-4-глюкозил)п_|_1.

Прокариотный гликоген используется в результате совместного действия инду-
цибельной a-амилазы (гидролизует неразветвленный участок цепи на декстрины),
пуллуланазы (атакует точки ветвления) и глюкоамилазы (образует мономеры глю-
козы).

Цианофициновые гранулы. «Полипептид цианофициновых гранул» (англ,
cyanophycin granule polypeptide, CGP), или просто «цианофицин» —это уникаль-
ный полипептид, который образуют только некоторые цианобактерии. Он синтези-
руется из отдельных мономеров нерибосомным АТФ-зависимым путем с помощью
транспептидазного ферментного комплекса. Готовый полимер представляет собой
линейную цепь, состоящую из остатков L-аспарагиновой кислоты, |3-карбоксильные
группы которых связывают остатки L-аргинина через их а-аминогруппы:

Arg Arg Arg

H2N-Asp-(Asp)n-Asp-COOH

Цианофицин имеет молекулярную массу 25-125 кДа и находится в нераство-
римом состоянии в цитоплазме, образуя округлые негомогенные гранулы разного
размера.

В условиях стресса (слабое освещение, низкая температура, голодание по сере,
фосфору и т. д.) или при избытке внешнего источника азота содержание цианофи-
цина может достигать 20% клеточной массы. Он используется в качестве источника
азота и углерода при сбалансированном росте. Сборка цианофицина осуществляет-
ся на затравке с помощью димерной цианофицинсинтазы (130 кДа; ген cphA). Для
действия этого фермента необходимы оба мономера, АТФ, катионы К+ и Mg2+,
а также вспомогательный физиологический реагент, содержащий SH-группы. Де-
полимеризует цианофицин мономерная экзопептидаза — циафициназа (30 кДа; ген
cphB), которая в качестве конечного продукта образует дипептид Asp-Arg.

Устойчивый к протеазам цианофицин интересен для биотехнологии, посколь-
ку из него легко получить полиаспарагиновую кислоту, которая может быть за-
менителем технических полиакрилатов. Поскольку цианобактерии растут довольно
медленно, для производства цианофицина выгоднее использовать рекомбинантные
штаммы Е. coli.
8.3.11.5. Цитоплазматические микрокристаллы

Случаи, когда в цитоплазматическом компартменте бактерий встречаются не
ограниченные мембраной гидрофильные кристаллы, довольно редки. Будучи по су-
ти балластными или запасными включениями, они играют важную роль в жизни
отдельной клетки или популяции в целом.

Микрокристаллы кальцита. Уникальным примером бактерии, образующей
цитоплазматические кристаллы кальцита (СаСОз), является гигантская серная бак-
терия Achromatium oxaliferum. Включения занимают больше 70% ее объема, состав-
ляющего 3-104 мкм3. По-видимому, благодаря этому клетка увеличивает количе-
ственное соотношение между площадью своей поверхности и объемом цитоплазмы,
что частично снимает ограничение, которое «гигантский» размер накладывает на
интенсивность транспортных процессов (см. раздел 8.1.3).

Микрокристаллы селена. Некоторые анаэробные бактерии, например
Sulfo spirillum bamesii (класс « Ер silonprot eobacteria»} содержат в цитоплазме округ-
лые кристаллы элементного селена диаметром до 200 нм. Они образуются в резуль-
тате восстановления аниона селенита БеОз2-, что позволяет обезвредить это ядови-
тое соединение, которое при высокой концентрации в окружающей среде неспеци-
фически импортируется сульфатпермеазой или нитратпермеазой. Таким образом,
кристаллы селена —это крайне специфичные балластные включения, образование
которых служит своеобразной «платой» за сохранение клетки в жизнеспособном
состоянии.

Микрокристаллы теллура. Представители семи видов квази-фототрофных
бактерий из класса « Alphaproteobacteria» (см. II том учебника) — Erythrobacter
litoralis, Erythromicrobium ezovicum, E. hydrolyticum, E. ramosum, Erythromonas
ursincola, Roseococcus thio sulfatophilus и Sandaracinobacter sibiricus — обладают спо-
собностью восстанавливать анион теллурита ТеОз2- до элементного теллура. Иголь-
чатые кристаллы теллура, очень крупные (30x500 нм) у одних и мелкие (8x50 нм)
у других видов, образуются в цитоплазме и в некоторых случаях занимают до 30%
объема клетки.

Как и в случае восстановления селенита в селен, восстановление теллурита в
относительно инертный теллур служит эффективным способом детоксикации этого
ядовитого поллютанта. Данное свойство бактерий может быть использовано в целях
ремедиации, а также для концентрирования теллура для нужд металлургии.

Микрокристаллы железа. Цитоплазматические микрокристаллы железа
обычно окружены унитарной мембраной и вместе с ней образуют органеллы, спо-
собствующие пассивной ориентацией бактериальной клетки во внешнем магнитном
поле (см. раздел 8.3.11.6). В то же время в цитоплазме ряда бактерий, например
Rhodopseudomonas palustris (класс «Alphaproteobacteria-»'), а также архей, например
Halococcus morrhuae (фила АП Euryarchaeota) в последнее время обнаружены не
окруженные мембраной магниточувствительные кристаллы железа. Физиологиче-
ский смысл образования этих включений, по-видимому, заключается в детоксикации
хорошо растворимого катиона Fe2+ путем его частичного окисления в малораствори-
мый катион Fe3+. Образовавшийся кристалл магнетита ГеОРегОз может выполнять
первичную функцию запасного включения, а за счет своих магнитных свойств —
вторичную функцию органеллы, обеспечивающей магнитную ориентацию.

Параспоральные микрокристаллы. На одной из промежуточных стадий спо-
рообразования у некоторых бацилл, например Bacillus thuringiensis (фила ВХШ
Firmicutes') в цитоплазме материнской клетки, или экзоспориуме образуется один
или несколько кристаллов бипирамидальной, кубоидной или полиэдральной формы
размером 0,1-1,5 мкм. Они состоят из протоксина Р1, или 6-эндотоксина — белка
молекулярной массой 130-140 кДа, который кодируется плазмидным (реже —хро-
мосомным) геном. После попадания в кишечник личинки насекомого из протоксина
Р1 под воздействием щелочных протеаз образуется биологически активный поли-
пептид молекулярной массой 30-80 кДа. Он изменяет ионную проницаемость клеток
кишечного эпителия, что быстро вызывает летальный энтомопатогенный эффект.

Благодаря способности к образованию параспоральных микрокристаллов бак-
терии имеют возможность занять благоприятную нишу. Путем биотехнологическо-
го производства 6-эндотоксина человек получил в свои руки сильное средство для
борьбы с вредителями сельского хозяйства.

8.3.11.6. Магнитосомы, ацидокальцисомы
и керитомические вакуоли

Микрокомпартменты, принадлежащие к данной группе, окружены унитарной
мембраной и заполнены твердофазным неорганическим или органическим материа-
лом. По характеру выполняемых функций они относятся к запасающим включени-
ям.

Магнитосомы. Магнитосома — это одетый унитарной мембраной монокристалл
химически чистого магнетита или грейгита (Рез34), имеющий кубооктаэдрическую,
пулевидную или гексагонально-призматическую форму и размер 35-120 нм. Она
представляет собой элементарный магнитный домен с постоянным направлением
вектора и максимально возможной напряженностью магнитного поля. Как прави-
ло, магнитосомы объединяются в продольную цепочку, реже они образуют две или
больше параллельных или пересекающихся цепочек; некоторые виды магнитных
бактерий содержат одиночные магнитосомы.

Бактерии, способные накапливать магнетит, выделены из морских, речных и
озерных донных илов, а также из песчаных пляжей, рисовых полей и затапливаемых
почв. Все они — хемоорганотрофные микроаэрофилы или анаэробы.

Свойства магнитосом и их физиологичесая роль лучше всего изучены на примере
Magnetobacterium gryphiswaldense и М. magnetotacticum. В середине 1990-х годов
были разработаны методы культивирования этих бактерий, что позволило получить
препараты мембраны магнитосомы (англ, magnetosome membrane, ММ), играющей
ключевую роль в процессе цитоплазматической биоминерализации магнетита.

В биогенезе магнитосомы участвуют белки MagA и Mps (рис. 28). У магнитобак-
терий предполагается процесс, аналогичный эндоцитозу — от СМ отпочковываются
везикулы, играющие роль предшественников магнитосом, а затем в них из цитоплаз-
мы закачивается железо. Белок MagA действует как Ре2+/Н+-антипортер, перено-
сящий из цитоплазмы катионы Fe2+. Белок Mps содержит ацил-СоА-связывающий
мотив (его гомолог стимулирует отпочкование мембранных везикул от донорной
Zrans-цистерны аппарата Гольджи) и может выполнять функцию ацилазы, с помо-
щью которой запускается процесс инвагинации СМ.

Уникальный механизм образования ММ —это исключение, подтверждающее
правило Роджера Стэниера: «Бактерии не имеют цитоза». Это же правило не позво-
ляет одной бактерии находиться в цитоплазматическом компартменте другой бак-
терии. Известны только два исключения: хищные бактерии рода Daptobacter прони-
вакуоль

MagA

Fe14,
OFT
—*Fe2*

Fe(II)-
дегидрогеназа

Рис. 28. Биогенез магнитосомы.

CM — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана;
MagA — Ре2+/Н+-антипортер; Mps — ацилаза.

кают в цитоплазму пурпурных бактерий рода Chromatium, а некоторые виды про-
тистов и насекомых имеют интрамитохондриальных симбионтов, принадлежащих к
классу «Alphaproteobacteria» (см. раздел 8.5.1.3).

Считается, что магнитосомы в первую очередь обеспечивают магнитную ориен-
тацию. Благодаря тому, что они обладают собственным или наведенным магнитным
моментом, клетка приобретает магнитный диполь, расположенный вдоль ее про-
дольной оси. Это позволяет пассивно ориентироваться вдоль силовых линий маг-
нитного поля Земли, которые в обоих полушариях проходят под углом к горизонту.
Данное явление, известное еще с конца XVI в., называется наклонением магнитной
стрелки.

Внутренняя магнитная стрелка направлена к переднему концу клетки у «се-
верных» магнитных бактерий и к заднему концу у «южных» магнитных бактерий
(рис. 29). В обоих случаях активно плавающим магнитным бактериям задается на-
правление движения — ко дну водоема. Там они находят благоприятные микроаэро-
фильные условия, а также необходимые для роста органические субстраты.
бактерия с северной
ориентацией

бактерия с южной
ориентацией

Рис. 29. Магнитная ориентация бактерий.

Нии Hv —горизонтальная и вертикальная составляющие вектора геомагнитного поля.

По-видимому, магнитосомы изначально служили для запасания железа, и на
этой основе развилась вторичная функция — обеспечение магнитной ориентации.
Неслучайно магнитосомы образуются не только у многих бактерий, живущих в на-
земных нишах с высокой концентрацией железа, но и у некоторых морских бак-
терий, обитающих в верхнем водном слое открытой акватории, где ориентация по
отношению ко дну смысла не имеет.

Железо требуется и для роста клеток, и для образования магнетита. Импорт
Fe3+, сопряженный с его восстановлением, приводит к накоплению катиона Fe2+,
который способствует повреждению ключевых биомолекул. Поэтому клетке необ-
ходимо иметь специализированную систему, с помощью которой внутриклеточная
концентрация закисного железа поддерживалась бы на низком уровне. Наилучший
способ, позволяющий защититься от чрезмерного накопления токсичного Fe2+- это
депортировать его в твердофазный магнетит, упакованный в мембрану магнитосо-
мы. Если это действительно так, то магнитосому можно считать функциональным
аналогом бактериоферритина, который позволяет клетке запасать железо без вред-
ных последствий.

Ацидокальцисомы. Как уже отмечалось, типичные полифосфатные гранулы
не имеют ограничивающей мембраны (см. раздел 8.3.11.4). Однако получены дан-
ные, что в клетках Agrobacterium tumefaciens они окружены унитарной мембраной.
В ее состав входит протонная «неорганическая» пирофосфатаза, которая переносит
протоны внутрь этой органеллы в результате гидролиза цитоплазматического ФФ
(см. II том учебника). Очевидно, что для биосинтеза полифосфатов внутри этой ор-
ганеллы должна находиться полифосфаткиназа и туда должен транслоцироваться
АТФ.

Аналогичные включения, названные «ацидокальцисомами», были описаны
только у некоторых паразитических протистов, например Toxoplasma gondii и
Trypanosoma cruzi. Предполагается, что их функция выражается в запасании ка-
тионов Са2+, иммобилизованных на полифосфатном носителе.

Керитомические вакуоли. Микрокомпартменты с подобным названием (греч.
keratos — рог и tomein —срезать; «похожий на слоистый спил рога») встречаются у
многих нитчатых цианобактерий (см. раздел 7.2.2.10).

Эти органеллы варьируют по размеру, имеют сферическую форму, кристалли-
ческое или аморфное содержимое и окружены унитарной мембраной (по-видимому,
она представляет собой видоизмененную мембрану тилакоида). Биохимический со-
став керитомических вакуолей не определялся; возможно, он меняется от случая к
случаю. По характеру контрастирования можно заключить, что в керитомической
вакуоли накапливается органический материал. Функции данных включений неиз-
вестны; не исключено, что они являются балластом, изолирующим от цитоплазмы
дефектные продукты метаболизма, например прионизированные белки.

8.3.11.7. Карбоксисомы и полигидроксиалканоатные гранулы

В данном разделе речь пойдет о двух типах комбинированно ограниченных мик-
рокомпартментов, которые окружены неунитарной мембраной и расположены в ци-
топлазматическом компартменте.

Карбоксисомы (полиэдральные тела). Эти микрокомпартменты имеют-
ся у всех цианобактерий. Кроме того, они описаны у многих хемолитоав-
тотрофов и, по крайней мере, у одной пурпурной бактерии — Rhodomicrobium
vannielii. Анализ препаратов этих включений, полученных из серной бактерии
Halothiobacillus neapolitanus, показал, что они содержат иммобилизованный клю-
чевой фермент «цикла Кельвина-Бенсона-Бессема» — рибулозобисфосфат-каброк-
си л азу/оксигеназу RuBisCO-I (см. II том учебника), на основании чего они были
названы «карбоксисомами».

Карбоксисомы (1-50 на клетку) расположены в зоне нуклеоида и представляют
собой электроноплотные многогранники размером 100-700 нм, состоящие из «про-
томеров» диаметром 10 нм и окруженные монослойной белковой мембраной тол-
щиной 3-4 нм. Если вначале считали, что карбоксисома имеет форму икосаэдра,
или правильного 20-гранника, то сейчас установлено, что это сложный полиэдр,
обладающий 6-лучевой симметрией в горизонтальной и двумя осями симметрии в
вертикальной проекции.
Карбоксисома содержит до 300 молекул RuBisCO и на 60% состоит из моле-
кул этого фермента, упакованного в виде паракристаллической структуры. Вопрос
о том, является ли каброксисома монолитом, или внутри нее есть свободное про-
странство, остается открытым.

Ограничивающая мембрана, которая составляет до 20% массы карбоксисомы, со-
держит не менее 5 белков молекулярной массой 5-130 кДа. Гены, кодирующие эти
белки (сстК-сстО, csol-cso3), расположены на хромосоме по соседству с генами
большой и малой субъединиц RuBisCO (rbcL и rbcS). Остальные 20% массы карбок-
сисомы приходятся на ~25 неидентифицированных белков, локализация которых
неизвестна.

Другие ферменты, кроме RuBisCO, в карбоксисоме достоверно не выявлены, хотя главным
претендентом на эту роль является карбоангидраза, катализирующая реакцию: СО2 + Н2О <->
НСО3“ + Н+.

Хотя RuBisCO основательно изучена в плане молекулярного состава и ферментативной кине-
тики, физиологическая роль компартментализации этого фермента в карбоксисоме по-прежнему
остается загадкой (он вполне успешно функционирует и в монодисперсном виде в цитозоле). На
этот счет существуют две основные гипотезы:

1. Карбоксисома является формой запасания RuBisCO, что позволяет сохранить фермент в
интактном состоянии и, таким образом, уменьшить метаболические издержки на его адаптивный
биосинтез и обновление.

2. Иммобилизованная RuBisCO обладает модифицированными кинетическими свойствами по
сравнению с растворимой формой, что способствует более эффективному участию этого фермента
в ассимиляции неорганического углерода.

В пользу первого предположения (о запасающей функции карбоксисомы) говорит тот факт,
что доля иммобилизованной RuBisCO изменяется в зависимости от содержания неорганического
углерода, а при гетеротрофном росте карбоксисомы вообще не образуются.

В пользу второго предположения (об активной роли карбоксисомы в ассимиляции СОг) сви-
детельствует то, что RuBisCO имеет очень низкое сродство к этому субстрату (Кт> 150 мкМ).
Поэтому физиологически целесообразно сконцентрировать СО2 в области активного центра или
сделать так, чтобы кинетические свойства последнего существенно изменились. Действительно,
концентрация «растворенного неорганического углерода» (англ, dissolved inorganic carbon, DIC) в
среде обитания цианобактерий и хемолитоавтотрофов обычно не превышает 15 мкМ, и бактерии
необходимо сконцентрировать его до физиологически оптимального уровня ~1 мМ. При невоз-
можности накопить субстрат RuBisCO — газообразный СОг, остается другой путь — повысить его
концентрацию в зоне активного центра. Для этого в мембране карбоксисомы должна находиться
карбоангидраза (см. выше).

Механизм биогенеза карбоксисомы неизвестен. Есть предположение, что вначале
путем самосборки образуется белковая мембрана, а затем оболочка карбоксисомы
заполняется молекулами RuBisCO.

Время внесло определенные коррективы в традиционные представления о карбоксисомах.
В частности, показано, что генетические детерминанты карбоксисом существуют не только у авто-
трофов — некоторые энтеробактерии, например Е. coli, Klebsiella pneumoniae и Salmonella enterica
содержат оперон pdu (сокр. англ, propanediol utilization), ответственный за использование пропан-
диола и этаноламина. Один из генов в составе этого оперона, pduA, гомологичен генам сстК и
csoSl, кодирующим белки мембраны карбоксисомы. Продукты экспрессии этих генов образуют
полиэдральные включения, названные «энтеросомами». Считается, что их роль связана с утили-
зацией пропандиола и других редких субстратов. Точнее, внутри энтеросомы могут быть изоли-
рованы токсичные продукты, образующиеся при расщеплении пропандиола и этаноламина. Кроме
того, ферменты, действующие на эти субстраты (диолдегидратаза и этаноламин-аммиак-лиаза),
могут изолироваться в энтеросоме от ингибирующего воздействия кислорода.

Полигидроксиалканоатные гранулы. Эти запасающие компартменты широ-
ко распространены у бактерий, а также встречаются у некоторых архей (примером
служит Halobacterium mediterranei). В зависимости от объекта и окружающей сре-
ды полигидроксиалканоатные гранулы являются эндогенным источником углерода
или энергии, обеспечивающим конкурентоспособность микроорганизма в субопти-
мальных и стрессовых условиях.

Полигидроксиалканоаты (англ, polyhydroxyalkanoic acid, PHA) — это сложные
полиэфиры 3-, 4- или 5-гидроксикарбоновых кислот (рис. 30). Azospirillum brasilense
образует гомополимер 3-гидроксибутирата (англ, polyhydroxybutyrate, РНВ). В от-
личие от этого Alcaligenes eutrophus образует сополимер гидроксиалканоатов с ко-
роткой цепью из 3-5 атомов углерода (3-гидроксипропионата, 3-гидроксибутира-
та, 4-гидроксибутирата, 3-гидроксивалерата и 5-гидроксивалерата), a Pseudomonas
oleovorans —сополимер 3-гидроксиалканоатов с цепью средней длины (Ce-Cig)- Мо-
лекулярная масса полигидроксиалканоатов составляет 1-250 кДа, и они образуют
крупные (100-800 нм) округлые кристаллические включения, состоящие из несколь-
ких тысяч молекул. Они окружены неунитарной белковой мембраной (толщиной
2-4 нм), в которой, по-видимому, находится комплекс РНА-синтазы, а также депо-
лимеризующие ферменты.

НО СОО"

Рис. 30. Мономеры полигидроксиалканоатов.

А — 3-гидроксипропионат; Б — 3-гидроксибутират; В — 4-гидроксибутират;

Г — 3-гидроксивалерат; Д — 5-гидроксивалерат; Е — 3-гидроксиалканоат с цепью средней длины.

Полигидроксиалканоаты накапливаются в количестве до 50% биомассы при
несбалансированном росте, когда клетке не хватает азота при избытке экзогенно-
го источника органического углерода, в частности ацетата или глюкозы. Реже они
образуются у (фото)автотрофных организмов, например у цианобактерий.

Реконструирован биосинтетический путь, приводящий к накоплению РНВ у
A. brasilense. Он начинается с конденсации двух молекул ацетил-СоА при помо-
щи 3-кетотиолазы (ген phbA). Образовавшийся ацетоацетил-СоА восстанавливается
НАДФН-зависимой редуктазой (ген phbB) в 3-гидроксибутирил-СоА, который за-
тем полимеризуется РНВ-синтазой (ген phbC). Все три гена сгруппированы в общий
кластер на хромосоме.

Полигидроксиалканоаты рассматриваются как перспективный пластический ма-
териал бытового назначения, поскольку им можно придать любую форму, а после
использования они легко поддаются биологическому разрушению.

8.4. ПЕРИПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ КОМПАРТМЕНТ

Поскольку периплазматический (лат. peri — вокруг) компартмент лежит вокруг
цитоплазматического, может сложиться впечатление, что это лишь преддверье бак-
териальной клетки. На самом же деле это мультифункциональный компартмент, и
его значение очень велико. Грамотрицательные бактерии получили его в наследство
от своего прародителя, и он представлен во всех филах древа Bacteria за исключе-
нием филы BXIV Actinobacteria.

Происхождение ОМ, или наружной границы периплазматического компартмента
неизвестно. Существует версия, что эта специализированная билипидная мембрана
сформировалась вторично на основе S-слоя, или архаичной белковой мембраны (см.
раздел 8.5.2.3). По-видимому, в период ранней эволюции бактерий в него поэтапно
интегрировались липиды и целый ряд специфических белков. В пользу такого сце-
нария свидетельствуют данные о слабой гомологии между субъединицами S-слоя и
поринами, входящими в состав ОМ (см. раздел 8.4.1.2).

Как мы уже отмечали, наружную границу периплазматического компартмента образует ОМ
(см. раздел 8.1.1).

Помимо периплазматического компартмента, который служит цитологическим «маркером»
грамотрицательных бактерий, у разных прокариотов встречается его аналог — квази-периплазма-
тический компартмент. Это понятие появилось сравнительно недавно. Оно имеет отношение к
бактериям из группы «mycolata» (см раздел 8.5.2.2), а также к бактериям и археям, содержащим
поверхностный S-слой (см. разделы 8.5.2.3 и 8.5.3.1).

В обоих случаях под квази-периплазматическим компартментом имеют в виду зону, которая
снаружи ограничена липопротеиновыми или белковыми структурами и содержимым которой яв-
ляется морфоскелет, ферменты, транспортные белки, сигнальные молекулы и т. д.

Относительный размер квази-периплазматического компартмента у бактерий меньше, чем у
архей (соответственно, 10 и 20-40% объема цитоплазматического компартмента). Очень редко,
например, у экстремального термофила Ignicoccus sp. он достигает 60-75% объема цитоплазмати-
ческого компартмента.

Размер периплазматического компартмента обычно не превышает 5% объе-
ма клетки, хотя бывают исключения. В качестве примера можно привести род
Nitrospira (фила BVIII Nitrospirae), где эта величина составляет ~30%, при рас-
стоянии 30-40 нм между СМ и ОМ. «Гигантский» периплазматический компарт-
мент, до 70% объема клетки, имеют ядерные симбионты протистов — бактерии рода
Holospora (класс «Alphaproteobacteria»).

В том случае, когда между СМ и ICM поддерживается прямая связь, или мем-
бранный континуум (см. раздел 8.3.5), периплазматический компартмент сообщает-
ся с полостями ICM, и за счет этого его объем многократно увеличивается.

На электронных микрофотографиях расстояние между СМ и ОМ близко к тол-
щине унитарной мембраны (7-8 нм). Это мешает воспринимать данную часть клет-
ки как компартмент. Иногда зону между СМ и ОМ даже обозначают как «слой» Ьз
клеточной стенки (три других «слоя» это: Li — между СМ и муреином, L2 — муреин
и L4 — наружная мембрана).

Важно понять, что, независимо от объема, зона между СМ и ОМ — это насто-
ящий компартмент, уникальный атрибут основного бактериального морфотипа и
полифункциональная органелла грамотрицательных бактерий.

Знакомство с периплазматическим компартментом мы начнем с описания на-
ружной мембраны.

8.4.1. Наружная мембрана

ОМ принадлежит к числу унитарных мебран (см. раздел 8.3.1). Она состоит из
билипидного слоя, с которым связаны интегральные, амфипатические и поверхност-
ные белки.

По виду ОМ напоминает СМ или ICM. Это выражается в такой же, как у них,
толщине (7-8 нм) и таком же трехслойном контрастировании на ультратонких сре-
зах (темный-светлый-темный). Однако она выполняет уникальные функции, свя-
занные с особенностями ее молекулярного состава.

Общие свойства. Унитарные мембраны обычно характеризуются ярко выра-
женными диэлектрическими свойствами. Они не пропускают гидрофильные ионы —
прежде всего «сопрягающие» катионы Н+ или Na+ (см. II том учебника). Это позво-
ляет им запасать энергию в форме разности электрохимических потенциалов этих
катионов и в результате служить энергетическими станциями прокариотной клетки.

Хотя ОМ является унитарной мембраной, в ней имеются постоянно раскрытые
гидрофильные поры, что не позволяет поддерживать на ней разность электрохими-
ческих потенциалов катионов Н+ или Na+. Поэтому ОМ, в отличие от СМ и ICM,
не принимает участия в энергетическом метаболизме.

ОМ почти не задействована в конструктивном метаболизме и не имеет отноше-
ния к биосинтезу белков, липидов и полисахаридов, хотя участвует в их таргетинге
и секреции. Вклад ОМ в ферментативные процессы довольно специфичен —в ней
содержатся пермеазы и гидролазы (см. ниже), а в редких случаях с ней связаны
окислительные ферменты, например марганец-оксидаза.

Тем не менее, ОМ является полифункциональной органеллой. У бактерий, обла-
дающих грамотрицательным морфотипом, она отвечает за ряд очень важных кле-
точных функций. Эта мембранная структура:

— совместно с СМ образует периплазматический компартмент;

— наряду с клеточной стенкой выполняет роль ригидного слоя;

— служит фильтром, который пропускает в периплазматическое пространство
мелкие и задерживает крупные гидрофильные молекулы;

— задерживает гидрофобные молекулы;

— иммобилизирует содержимое периплазматического компартмента, в частности
«осморегулируемые периплазматические глюканы» (см. раздел 8.4.3);

— участвует в трофическом транспорте, т. е. в поступлении в клетку питательных
субстратов (см. II том учебника);

— участвует в экспорте метаболитов и секреции белка, а также в экскреции ток-
сикантов и антибиотиков (см. раздел 8.6.1);

— участвует в неспецифической адгезии, избирательно взаимодействует с антите-
лами, поверхностными рецепторами прокариотных и эукариотных клеток, а также
с бактериофагами.
Через узкие поры в ОМ не проходят макромолекулы — прежде всего экзогенные
ферменты, которые могли бы лизировать муреиновый саккулус. Поэтому грамот-
рицательные бактерии «позволяют себе» иметь однослойный муреин стандартного
типа, тогда как грамположительные бактерии образуют разнообразные варианты
многослойного муреина, более устойчивого против действия гидролитических экзо-
ферментов (см. раздел 8.4.2).

По той же причине гидрофильные антибиотики и амфифильные детергенты,
например желчные кислоты оказывают более слабое воздействие на грамотрица-
тельные бактерии по сравнению с грамположительными бактериями.

Наконец, в состав ОМ входят липополисахариды — специфические липиды, в мо-
лекуле которых имеется экзоплазматический гидрофильный домен. Это ограничи-
вает доступ к поверхности СМ липофильных антибиотиков и других антибактери-
альных агентов.

8.4.1.1. Липиды наружной мембраны

Рассматривая СМ и ICM, мы отмечали, что они состоят из двух симметричных
слоев фосфолипидов — главным образом из цвиттерионного фосфатидилэтанолами-
на, анионного фосфатидилглицерола и анионного дифосфатидилглицерола (см. раз-
дел 8.3.3.1). Жирнокислотные «хвосты» длиною в 12-18 атомов углерода часто со-
держат циклопропановые кольца, что стабилизирует жидкостно-кристаллическое
состояние мембраны (у эукариотов аналогичную роль выполняют ненасыщенные
жирные кислоты).

Переходя к ОМ, мы должны отметить ее первую особенность — липиды распреде-
лены между двумя полумембранными листками асимметрично. В то время как ци-
топлазматический полумембранный листок по составу не отличается от СМ и ICM,
и липиды покрывают до 50% его поверхности, экзоплазматический полумембранный
листок, как правило, образован липополисахаридами. Исключение составляет род
Neisseria, а также цианобактерии, у которых экзоплазматический полумембранный
листок содержит одновременно липоолигосахариды и фосфолипиды.

Липополисахариды. В конце XIX в. было показано, что грамотрицательные
бактерии образуют термостабильные токсины, которые вызывают лихорадку и со-
путствующие болезненные проявления у подопытных животных. В отличие от тер-
молабильных белковых токсинов грамположительных бактерий, например дифте-
рийного или столбнячного токсина, они имеют небелковую природу и представляют
собой липополисахариды. Поскольку эти токсины не выделяются из клеток, а проч-
но связаны с ними, их называют «эндотоксинами».

Липополисахариды, сокращенно ЛПС (англ, lipopolysaccharide, LPS), являются
главными компонентами ОМ грамотрицательных бактерий.

У кишечных бактерий и псевдомонад ЛПС состоят из четырех структурных бло-
ков (рис. 31):

1. «Липида А»;

2. Олигосахаридного внутреннего кора из двух молекул 8-углеродного сахара
(октозы) и трех молекул 7-углеродного сахара (гептозы);

3. Олигосахаридного наружного кора из пяти молекул 6-углеродного сахара (гек-
созы);

4. Полисахаридной наружной цепи из повторяющихся олигосахаридных субъ-
единиц, каждая из которых образована 2-8 мономерами гексозы.
Рис. 31. Строение липополисахарида.

AivuoN — остаток N-ацетилглюкозамина; КДО —остаток кетодезоксиоктоновой кислоты; гал, геп
и глю — остатки галактозы, манногептозы и глюкозы; R4-R3 —остатки жирных кислот;

О-цепь — полисахаридная наружная цепь; Р — фосфатная группа.

Арабскими цифрами обозначены номера атомов углерода.

Bordetella pertussis, Haemophilius influenzae, Neisseria meningitidis и ряд дру-
гих представителей филы ВХП Proteobacteria, а также Bacteroides fragilis (фила
ВXX Bacteroidetes) синтезируют ЛПС без наружной цепи. Представители рода
Chlamydia (фила BXVI Chlamydiae) образуют ЛПС не только без наружной цепи, но
и без наружного кора. Наконец, в редких случаях (Borrelia burgdorferi, Deinococcus
radiodurans, Sphingomonas paucimobilis, Thermotoga maritima и Treponema pallidum)
грамотрицательные бактерии вообще не синтезируют ЛПС, и их функции выполня-
ют гликосфинголипиды.

Липид А. В начале 1980-х годов была получена серия мутантов Е. coli и
Salmonella typhimurium с различными нарушениями структуры ЛПС. В отличие
от образующих гладкие колонии штаммов дикого типа, или «S-вариантов» (от
англ, smooth —гладкий), они не содержат наружной полисахаридной цепи и обра-
зуют колонии с шероховатой поверхностью, или «R-варианты» (от англ, rough —
шершавый).

В зависимости от структуры сохранившейся части ЛПС, R-варианты обозна-
чаются как Ra-Re (рис. 32). На примере мутантов Е. coli, дефектных по синтезу
гептоз, показано, что для их роста минимально необходим ЛПС Re-типа, состоя-
щий из липида А с присоединенным к нему остатком «кетодезоксиоктоновой» кис-
лоты (КДО), она же «манноктулозоновая», она же 2-кето-З-дезокси-В-глицеро-Э-
манно-октоновая (см. рис. 33). В виде исключения, например у Acinetobacter sp. и
Burkholderia sepacia, место КДО занимает «талоктулозоновая» кислота, она же D-
глицеро-В-тало-октоновая, производное редкого сахара талозы (см. рис. 55).

О-специфическая наружный

внутренний
кор

липид А

AdiioN гал геп КДО

- I г Г1 Г1 г I

-глю глю глю геп- -геп- -КДО

Re-вариант
Лф-вариант
Rd,-вариант
Rb3- и Rc-варианты
Rb2-BapnaHT
Ra- и Rfy -варианты

S-вариант

Рис. 32. Изменение доменной структуры липополисахарида у мутантов
Е. coli (варианты Ra-Re) по сравнению с диким типом
(S-вариантом).

АглюК — остаток N-ацетилглюкозамина; КДО — остаток кетодезоксиоктоновой кислоты;
гал, геп и глю — остатки галактозы, манногептозы и глюкозы.

Липид А служит якорем, который фиксирует ЛПС в ОМ. Он представлен мно-
жеством копий (до 106 в клетке Е. coli). Его химическое строение было определено
в начале 1980-х годов (рис. 33).

Основу липида А составляют две молекулы глюкозамина, соединенные между
собой гликозидной связью (31—>6. В положении 1 на редуцирующем конце и положе-
нии 4 на нередуцирующем конце имеется по фосфатной группе. К обоим остаткам
глюкозамина через амидную и сложноэфирную связь присоединены Сн-жирные
кислоты, гидроксилированные в положении 3. Благодаря этому нередуцирующий
конец дисахарида «вторично» ацилируется, в результате общее число жирнокис-
лотных радикалов достигает шести. В отличие от С16-С20 жирных кислот в гли-
церофосфолипидах жирные кислоты липида А обычно состоят из 12-14 атомов уг-
ГЕП

липид А

Рис. 33. (2 х КДО)-липид А.

КДО—остаток кетодезоксиоктоновой кислоты; Р — фосфатная группа; геп — остаток манногептозы.

лерода и не содержат двойных связей. К нередуцирующему концу липида А через
связь 02—>6 присоединяется первая молекула КДО. Мутанты по биосинтезу КДО
нежизнеспособны, т.е. этот компонент кора имеет решающее значение для функций
ЛПС.

Отклонения от консервативной структуры липида А встречаются крайне ред-
ко. В качестве примера можно привести липид А клубеньковой бактерии Rhizobium
leguminosarum — вместо глюкозамина он содержит другие сахара и не фосфорили-
рован.

Биосинтез Re-эндотоксина — (2хКД0)-липида А. Исходным материалом для
биосинтеза липида А служит активированная форма глюкозы — уридиндифосфат-
глюкоза, или УДФ-глюкоза (рис. 34). Она превращается в УДФ-глюкозамин, а затем
в N-ацетилглюкозамин. После этого при помощи ацилтрансферазы LpxA в положе-
ние 3 вводится остаток 3-гидроксимиристиновой кислоты (Си). Он поступает от
особого донора — «ацилпереносящего» белка АСР (сокр. англ, acyl carrier protein),
с которым он связан тиоэфирной связью. Затем цинкзависимая деацетилаза LpxC
удаляет из положения 2 ацетильную группу. С помощью ацилтрансферазы LpxD на
освободившееся место вводится второй остаток 3-гидроксимиристиновой кислоты. В
результате образуется УДФ-диацилглюкозамин. Наконец, пирофосфатаза LpxH рас-
щепляет пирофосфатную связь, и УДФ-диацилглюкозамин превращается в диацил-
1-Р, или «липид X».

тетраацнл-дисахарид-1-Р

АТФ

адф<4

тетраацил-дисахарид-1,4-Р

(липид IVA)

КДО-липнд ГУА

—ч

(2хКДО)-липид IVA

лаурил-АСР, мирнстил-АСР
2АСР
(2хКДО)-липид А, или Re-эндотоксин

6-8 моносахаридов
кора

Ra-эндотоксин

до 50 повторяющихся
тетрасахаридов О-цепи

Рис. 34. Биосинтез (2хКДО)-липида А.

УДФ— уридиндифосфат; УМФ — уридинмонофосфат; ЦМФ — цитидинмонофосфат; АглюН— остаток
N-ацетилглюкозамина; runoN — остаток глюкозамина; КДО — остаток кетодезоксиоктоновой кислоты;
Р — фосфатная группа; АСР — «ацилирующий» белок.

На следующем этапе дисахаридсинтаза LpxB переносит остаток диацилглюкоза-
мина от УДФ-диацилглюкозамина в положение 6 липида X. В результате образуется
тетраацил-дисахарид-1-Р. Последний фосфорилируется в положении 4 с помощью
специфической киназы LpxK. Образуется тетраацил-дисахар ид-1,4-бисфосфат, или
«липид 1¥д».

Первый остаток КДО вводится в положение б на нередуцирующем конце дисаха-
рида с помощью КДО-трансферазы WaaA, а второй остаток КДО — в положение 4
первого остатка. После присоединения двух остатков КДО нередуцирующий конец
(2 х КДО)-липида ГУд «вторично» ацилируется с помощью ацилтрансфераз LpxL
и LpxM. Как и раньше, донорами жирнокислотных остатков служат лаурил-АСР
(С12) и миристил-АСР (С14), в результате чего образуется (2 х КДО)-липид А, т.е.
Re-эндотоксин.

Все ферменты, участвующие в биосинтезе (2 х КДО)-липида А, находятся в ци-
топлазме или на внутренней поверхности СМ. Поскольку дальнейшая сборка ЛПС
и его интеграция в ОМ происходят в периплазматическом компартменте, необхо-
димо, чтобы (2 х КДО)-липид А транслоцировался через ОМ. Детали этого про-
цесса неизвестны. По-видимому, в нем участвует ABC-пермеаза MsbA (см. II том
учебника). Этот транспортер выполняет роль флиппазы, переносящей липофиль-
ный субстрат с одной поверхности мембраны на другую; он представляет собой
гомодимер из шестидоменных субъединиц, между которыми находится экспортный
канал. Для таргетинга (2 х К ДО)-липида А используются неидентифицированные
периплазматические белковые факторы и система, обеспечивающая его интегра-
цию в ОМ.

Олигосахаридный внутренний кор. На следующих этапах биосинтеза ЛПС к Re-
эндотоксину присоединяются 6-8 моносахаридов кора. Затем к нему добавляются
до 50 повторяющихся единиц О-цепи (см. далее). Олигосахаридный кор состоит из
внутренней «гептозно-октозной» части и наружной «гексозной» части.

Внутренний кор имеет консервативное строение и содержит редкие сахара —
КДО и Ь-глицеро-О-манногептозу (или Э-глицеро-О-манногептозу), остатки кото-
рых соединены между собой связями £1—>3 и 31—>7. К каркасу кора могут присо-
единяться остатки этаноламина (рис. 33).

У представителей рода Chlamydia внутренний кор которых не содержит гептоз,
а образован тремя остатками КДО.

Биосинтез внутреннего кора. Субстратами при биосинтезе КДО служат араби-
но-5-Р и фосфоэнолпируват, а ее активированной формой служит цитидинмонофос-
фат-КДО (ЦМФ-КДО). В свою очередь, манногептоза синтезируется из седогепту-
лозо-7-Р с помощью изомеразы GmhA, а ее активированной формой является АДФ-
Ь-глицеро-О-манногептоза.

Оба мономера внутреннего кора переносятся из цитоплазмы в периплазматиче-
ский компартмент. Там с помощью гликозилтрансфераз WaaA и WaaQ они присо-
единяются к ранее экспортированному (2 х КДО)-липиду А.

Олигосахаридный наружный кор. Это также довольно консервативная часть
ЛПС — например, все иммунологически различимые разновидности, или серотипы
рода Salmonella относятся к Ra-варианту. Сюда входят пиранозные формы гексоз (2-
амино-2-дезоксигалактоза, 2-амино-2-дезоксиглюкоза, N-ацетил глюкоз амин, галак-
тоза, глюкоза и др.), соединенные между собой связями |31—>2, (31—>3 и (31—>6.

Биосинтез наружного кора. Мономеры наружного кора активируются с помо-
щью УДФ. После экспорта в периплазматическое пространство гликозилтрансфе-
раза WaaG присоединяет их к внутреннему кору.

Полисахаридная наружная цепь («О-специфическая» цепи, О-антиген). Это са-
мый вариабельный домен ЛПС. Буква «О» является сокращением от немецкого
предлога ohne —без («без подвижности») и указывает на то, что данный антиген
является не жгутиковым, а «соматическим», т. е. он связан с телом клетки.

Наружные цепи состоят из разнообразных сахаров (> 60 структурных типов),
которые часто модифицируются путем амидирования, ацетилирования, мети лиро-
вания и фосфорилирования, а также могут присоединять к себе аминокислотные
остатки (что в целом дает > 30 типов заместителей).

Чаще всего наружная цепь содержит до 50 повторяющихся олигосахарид-
ных субъединиц, хотя иногда встречаются гомополимерные варианты. Например,
Legionella pneumophila образует полимер из 75 остатков «легионаминовой» кисло-
ты (5-ацетамидино-7-ацетамидо-8-О-ацетил-3,5,7,9-тетрадезокси-В-глицеро-Ь-гала-
кто-нононовой).

Характерным примером повторяющейся олигосахаридной субъединицы являет-
ся разветвленный тетрасахарид галактоза абеквоза-манноза-рамноза, который об-
разуется у возбудителя сальмонеллеза S. typhimurium (рис. 34).

У разных бактерий повторяющиеся олигосахаридные субъединицы варьируют-
ся за счет использования разных мономеров (в том числе энантиомеров) в разных
количественных сочетаниях и за счет разного взаимного расположения мономеров,
а также благодаря разным неуглеводным заместителям. Поэтому у каждого штам-
ма наружная цепь уникальна и высокоиммуногенна — например, в случае Е. coli
различают до 170 разных О-серотипов.

Дистальные участки наружной цепи ЛПС иногда выступают за пределы капсу-
лы. Это имеет негативные последствия для бактерии, поскольку через ЛПС они
могут связываться с антителами и другими белковыми факторами плазмы кро-
ви. Неслучайно некоторые патогенные бактерии проявляют адаптационную «фа-
зовую» изменчивость структуры О-антигена, благодаря чему им удается уклонить-
ся от иммунной системы макроорганизма. Например, в дистальном участке ЛПС
Neisseria gonorrhoeae повышается содержание сиаловой кислоты (N-ацетилнейра-
миновой). Это яркий пример мимикрии у бактерий, поскольку сиаловая кислота
служит типичным компонентом поверхностного гликопротеинового антигена жи-
вотной клетки.

В некоторых случаях бактерии образуют сразу несколько ЛПС, которые раз-
личаются по длине наружной цепи. В частности, Р. aeruginosa содержит А-ЛПС
(общий антиген) с короткой незаряженной цепью и В-ЛПС, боковая цепь которого
длиннее и заряжена отрицательно. Последняя выдается на 40 нм над поверхностью
ОМ и постоянно совершает колебательно-вращательные движения.

Биосинтез наружной цепи. В отличие от кора, мономеры которого наращивают-
ся по отдельности, наружная цепь образуется в периплазматическом компартменте
из повторяющихся олигосахаридных субъединиц и уже в готовом виде «пришива-
ется» к кору.

Сборка олигосахаридных субъединиц из активированных гликозидных мономе-
ров происходит с помощью периферических гликозилтрансфераз на внутренней по-
верхности СМ. Готовая субъединица присоединяется к липидному переносчику и
экспортируется с помощью флиппазы.

В качестве переносчика олигосахаридных субъединиц используется ундекапре-
нилфосфат (англ, undecaprenyl phosphate, und-P). Это липофильное соединение
представляет собой фосфорилированную форму Сбб-спирта ундекапренола, или
«бактропренола», состоящего из 11 изопреноидных единиц (рис. 35). Ундекапренил-
фосфат также используется в качестве переносчика субъединиц муреина и капсуль-
ных полисахаридов (см. разделы 8.5.2 и 8.5.4). У эукариотов аналогичную роль
выполняет долихол, состоящий из 14-22 изопреновых единиц. Он переносит олигос-
ахариды, которые используются при биосинтезе поверхностных гликопротеинов.

В случае S. typhimurium механизм сборки О-цепи, или «Wzy-путь», выглядит
следующим образом (рис. 36). Сначала активированная форма галактозы (УДФ-га-
лактоза) с помощью гликозилтрансферазы WbaP передает остаток галактозо-1-Р
на und-P, в результате чего образуется und-PP-галактоза, играющая роль затрав-
ки. На нее последовательно переносятся остатки маннозы, рамнозы и абеквозы. Все
три реакции катализируются соответственно гликозилтрансферазами WbaU, WbaN
и WbaW и протекают с участием активированных форм сахаров (ГДФ-маннозы,
ТДФ-рамнозы и НДФ-абеквозы). После сборки олигосахаридной субъединицы она
переносится с помощью флиппазы Wzx к сайту полимеризации, расположенному
на наружной поверхности СМ. Реакция осуществляется с помощью О-полисахарид-
полимеразы Wzy, состоящей из 11-13 трансмембранных доменов. Растущая цепь
полимера «перебрасывается» от und-PP, который заякоривает ее в наружной по-
верхности СМ, на нередуцирующий конец только что экспортированной олигоса-
харидной субъединицы. Освободившийся und-PP после отщепления ортофосфата
превращается в свою активную форму — und-P, которая используется при сборке
новой олигосахаридной субъединицы и т. д. Таким образом, за каждый цикл к ре-
дуцирующему концу полисахаридной цепи присоединяется одна олигосахаридная
единица. Конечная длина цепи контролируется белком Wzz. Полученный полимер
«пришивается» к кору ЛПС за счет использования энергии сахар-фосфатной связи.

Кроме описанного Wzy-пути существует самостоятельный путь для биосинте-
за неразветвленного О-полисахарида. Полимер удлинняется трансацетилазой WecA
путем поочередного присоединения гликозильных остатков на внутренней поверх-
ности СМ, а затем экспортируется с помощью ABC-пермеазы. Существует и третий
путь, когда О-полисахарид образуется с помощью интегральной синтазы, которая
осуществляет векторную полимеризацию и одновременно с этим проталкивает по-
лимер через СМ.

Транслокация липополисахарида на экзоплазматическую поверхность наруж-
ной мембраны. Чтобы окончательно занять свое положение, ЛПС должен пересечь
периплазматический компартмент и ОМ. Как это происходит, еще не ясно. Есть дан-
ные, что новые молекулы ЛПС появляются на клеточной поверхности в локальных
участках, которые могут соответствовать «контактам Байера», или зонам адгезии
между СМ и ОМ (см. раздел 8.4.1.4). По-видимому, через периплазматический ком-
партмент переброшен транслокационный мост, образованный «адгезионным» бел-
ком (англ, membrane fusion protein). ЛПС может выходить на поверхность ОМ че-
рез отверстие порина То1С, с помощью которого Е. coli экспортирует гемолизин,
импортирует бактериоцины и взаимодействует с бактериофагами.

Функциональное значение липополисахаридов. Липид А и кор несут большое
количество отрицательно заряженных фосфорильных остатков и карбоксильных
CM

Рис. 36. Сборка 0-цепи липополисахарида (Wzy-путь).

СМ — цитоплазматическая мембрана; und-P — ундекапренилфосфат; Р — фосфатная группа; гал, ман,
рам и абе — остатки галактозы, маннозы, рамнозы и абеквозы; УДФ, ГДФ, ТДФ и ЦДФ —
уридиндифосфат, гуанозиндифосфат, тимидиндифосфат и цитидиндифосфат; УМФ —
уридинмонофосфат.

групп, т. е. являются полианионами. Через катионные мостики они электростати-
чески взаимодействуют и друг с другом, и с интегральными белками. Это стабили-
зирует структуру самой ОМ и придает ригидность всей клеточной оболочке.

Однако свойство полианиона имеет и негативную сторону — поликатионы и хела-
тирующие агенты связываются с ЛПС, что повышает проницаемость ОМ. Именно
это лежит в основе антибактериального действия ЭДТА и таких антибиотиков, как
дефензины и полимиксины.

За счет гидрофильности наружной цепи ЛПС грамотрицательные бактерии за-
щищены от гидрофобных антибактериальных агентов, а также от нейтральных и
анионных детергентов. В свою очередь, через белковые поры в ОМ проходят только
мелкие гидрофильные молекулы. Большинство антибиотиков гидрофобны или, ес-
ли гидрофильны, то имеют относительно большую молекулярную массу и поэтому
остаются за пределами ОМ.

Взаимодействие эндотоксина с клетками животных. При бактериальных ин-
фекциях ЛПС проявляют высокую биологическую активность, которая полностью
зависит от липида А.
В ходе размножения бактерий, а также после их гибели ЛПС высвобождаются в плазму кро-
ви. Там они связываются со «связывающим» белком LBP (англ, lipopolysaccharide binding protein),
который доставляет их к рецепторам CD 14, расположенным на поверхности макрофагов. Через
рецепторный мембранный белок TLR4 и цитоплазматический адапторный белок MyD88 активи-
руется транскрипция генов, кодирующих эндогенные медиаторы воспаления (TNF-a, ILl-(3, тром-
боксан Аг, окись азота NO и др.). В малых количествах эндотоксин постоянно поступает в кровь
через кишечник и оказывает благотворное действие на макроорганизм в качестве иммуностимуля-
тора, а также активатора защиты от инфекций и злокачественного роста. Однако передозировка
эндотоксина при раневых поражениях и обширных ожогах вызывает синдром септического шока,
который может даже привести макроорганизм к гибели.

8.4.1.2. Белки наружной мембраны

ОМ богата белками, которые покрывают до 50% ее поверхности и обозначаются
как Отр (сокр. англ, outer membrane protein).

Их разнообразие очень велико — например, у Pseudomonas aeruginosa число
идентифицированных Omp-белков достигает 30, а число предполагаемых Отр-бел-
ков — 70.

Отр-белки подразделяются на главные и минорные. Главные Отр-белки синте-
зируются постоянно. Они составляют ~80% белков ОМ и представлены большим
числом копий (> 105), и поэтому относятся к самым многочисленным клеточным
белкам грамотрицательных бактерий. Их характерными примерами служат липо-
протеин Брауна, липопротеины спирохет, белок ОтрА и порин «общего назначения»
OmpF (см. ниже).

В отличие от них минорные белки синтезируются адаптивно и в относительно
малом числе копий. Их примерами являются «специализированный» порин PhoE и
«транспортный» рецептор FhuA (см. ниже).

Некоторые белки ОМ были вначале описаны как рецепторы для бактериофагов,
что и отразилось в их тривиальных названиях. Например, белок LamB (от англ,
lambda) используется в качестве рецептра бактериофагом А.

В структурно-функциональном отношении белки ОМ подразделяются на:

— амфипатические липопротеины, которые содержат липидный домен на N-koh-
цевом участке и связывают ОМ с муреиновым саккулусом;

— интегральные белки (например, ОтрА), которые в основном выполняют струк-
турную роль;

— интегральные белки (например, порин «общего назначения» OmpF), которые
образуют гидрофильные каналы и участвуют в импорте или экспорте на уровне
ОМ.

Препротеины белков Отр синтезируются с длинной N-концевой последователь-
ностью из ~20 аминокислотных остатков, которая требуется для транслокации че-
рез СМ с помощью генеральной секреторной Sec-системы. Эта последовательность
удаляется с помощью «сигнальной», или «лидерной» пептидазы, расположенной на
периплазматической поверхности СМ (см. раздел 8.6.1).

Липопротеины. В состав ОМ у разных бактерий входят несколько главных и
минорных липопротеинов.

Главный липопротеин Брауна (англ. Braun’s lipoprotein). Этот белок назван в
честь американского биохимика Брауна (V.Braun), который обнаружил его в конце
1960-х годов у Е. соН. Это был первый Omp-белок, полученный в очищенном виде.
Липопротеин Брауна (ген 1рр, синоним — mlpА) образуется в числе 7-105 копий на
клетку. Он имеет небольшую молекулярную массу (7,2 кДа) и состоит из 58 амино-
кислотных остатков; полипептидная цепь представляет собой а-спираль.

Липопротеин Брауна уникален тем, что к N-концевому остатку (Cys-1) через
тиоэфирную связь присоединяется глицерол, этерифицированный двумя жирными
кислотами. Третья жирная кислота связана амидной связью с тем же N-концевым
остатком (рис. 37). Примерно одна треть молекул липопротеина Брауна ковалентно
присоединяется к муреиновому саккулусу (см. раздел 8.4.3.1). Связь осуществляется
между Е-аминогруппой остатка Lys-58 и свободной карбоксильной группой каждо-
го 10-12-го остатка мезо-диаминопимелиновой кислоты в составе муреина. Отсюда
происходит второе название этого белка — «муреиновый липопротеин».

CH2-O-C-R!
*
ch-o-c-r2

СН2
S
сн2
R3-CO-NH-CH-СО
Cys-1

СОО
I

НС - (СН2)3 - NH - СО - ДАП -> МУРЕИН

ДАП — остаток диаминопимелиновой кислоты ; R1-R3—остатки жирных кислот.

На примере Е. coli показано, что препротеин белка Брауна секретируется через
СМ при помощи генеральной Sec-системы. Затем он «липидируется» тремя фер-
ментами. Вначале диацилглицерол-трансфераза Lgt (от англ, glycerolrprolipoprotein
diacylglycerol transferase) переносит диацилглицерол от мембранного фосфатидилг-
лицерола на остаток Cys. Затем чувствительная к антибиотику глобомицину пеп-
тидаза (англ, lipoprotein signal peptidase, Lsp) отрезает от препротеина сигнальный
пептид. Теперь новым N-концевым остатком становится Cys. Наконец, трансацилаза
(англ, phospholipidrapolipoprotein transacylase, Lnt) переносит третий остаток жир-
ной кислоты от мембранного фосфолипида на свободную NH2-rpynny N-концевого
остатка Lys. Таргетинг липопротеина обеспечивает молекулярный шаперон LolA, а
его правильное встраивание в ОМ — молекулярный шаперон LolB.

Предполагается, что липопротеин Брауна поддерживает структуру ОМ, благо-
даря чему клетки сохраняют форму и целостность.Точечные мутанты по гену 1рр
и 1рр~-мутанты обладают измененной морфологией и образуют дефектную оболоч-
ку. Однако у некоторых бактерий (например, Neisseria gonorrhoeae) данный белок
отсутствует даже у штамма дикого типа. Липопротеин Брауна не способен быть
рецептором для бактериофагов или ко лицинов.

Помимо липопротеина Брауна в клетках Е. coli содержится минорный липопро-
теин ЕхсС, также ковалентно связанный с пептидогликаном.
Главные липопротеины спирохет. ОМ зоопатогенных бактерий из филы BXVII
Spirochaetes имеет особый белковый состав. Это обеспечивает высокую эластичность
клеточной оболочки и работу уникального локомоторного аппарата — периплазма-
тических жгутиков (см. раздел 8.6.2).

Спирохеты образуют от 20 (возбудитель сифилиса Treponema pallidum) до 100 (агент воспа-
лительной болезни Лайма Borrelia burgdorferi) различных липопротеинов, которые играют струк-
турную роль и являются ключевыми факторами вирулентности. Главные липопротеины спирохет
(LipL32, OspA, SmpA, OspA, Vmp и др.) отличаются от липопротеина Брауна по строению, ме-
ханизму экспорта и выполняемым функциям. Они расположены не в цитоплазматическом, а в
экзоплазматическом полумембранном листке, поэтому их полипептидный домен ориентирован не
в сторону муреинового слоя, а во внешнюю среду. Как и в случае липопротеина Брауна, препро-
теин секретируется через СМ с помощью генеральной Sec-системы. Затем он липидируется тремя
ферментами. Однако за его таргетинг и интеграцию в ОМ отвечают не молекулярные шапероны
LolAB, а уникальная система, узнающая кластер из полярных аминокислот в области N-концевого
остатка Lys. Паттерн экспрессии липопротеинов изменяется в зависимости от условий окружа-
ющей среды (прежде всего, температуры), что позволяет спирохетам адаптироваться к клещам-
переносчикам, диким животным и человеку.

Липопротеины являются факторами адгезии спирохет к фибронектину и клеткам различных
тканей человеческого организма. Из-за высокой концентрации липопротеинов другие белки ОМ
экранируются от хозяйских антител, а благодаря высокой антигенной вариабельности они сами
уходят от иммунного ответа. Подобно ЛПС, липопротеины спирохет являются стимуляторами вос-
паления. Они тоже связываются с рецепторами CD14 на поверхности макрофагов, но это проис-
ходит без участия доставляющего белка LBP, и мембранным рецептором служит не белок TLR4,
а белок TLR2. На основе липопротеинов разрабатываются вакцины для борьбы с боррелиозами,
лептоспирозами и другими заболеваниями, возбудителями которых являются патогенные спиро-
хеты.

Минорные липопротеины. В настоящее время описан ряд минорных липопро-
теинов. Они не вступают в ковалентную связь с пептидогликаном, и выполняемые
ими функции неизвестны. Примерами служат липопротеины LppL, OmlA и Opri,
имеющиеся у Р. aeruginosa.

OmpA (от англ, outer membrane protein А). Это главный белок ОМ. Е. coli
(~105 копий на клетку). Он представлен in situ в мономерной форме.

OmpA состоит из 325 аминокислотных остатков. В него входят три функцио-
нальных домена:

— N-концевой гидрофильный экзоплазматический домен, построенный из четы-
рех длинных гидрофильных петель;

— N-концевой трансмембранный бочковидный домен, образованный восемью ан-
типараллельными |3-складчатыми цепями, которые соединены тремя короткими пе-
риплазматическими шпильками;

— С-концевой периплазматический домен, непосредственно взаимодействующий
с пептидогликаном.

OmpA также называют «термолабильным» белком, поскольку его электрофо-
ретическая подвижность изменяется после кипячения в растворе додецилсульфата
натрия.

Белок OmpA выполняет структурную роль, нековалентно связывая ОМ с муреи-
новым саккулусом, что стабилизирует клеточную оболочку. В то же время через его
бочковидный домен отфильтровываются мелкие гидрофобные молекулы, т. е. одно-
временно он является порином «общего назначения» (см. ниже). Помимо структур-
ной и транспортной функции белок OmpA служит рецептором для бактериофагов
Ml, КЗ, 0x2 и Tull, а также для антимикробных белков бактериального происхож-
дения— колицинов L и К. Благодаря взаимодействию OmpA с гликозилированными
эпитопами рецепторных белков эндотелия облегчается проникновение патогенных
бактерий сквозь гематоэнцефалический барьер.

Таким образом, белок ОтрА полифункционален. Его гомологи (например, бе-
лок OprF Р. aeruginosa) имеются у всех бактерий, обладающих грамотрицательным
морфотипом.

Белок ОтрА и другие бочковидные трансмембранные белки, содержащие (3-це-
пи, находятся только в ОМ. В то же время в ней отсутствуют а-спиральные белки,
входящие в состав СМ или ICM.

Порины. Как уже было сказано, ОМ является полупроницаемым барьером для
гидрофильных молекул. Большинство содержащихся в ней белков участвует в обра-
зовании гидрофильных пор. Такие белки известны под общим названием «порины»,
и к ним относятся:

— неспециализированные порины, или порины «общего назначения», через кото-
рые диффундируют небольшие гидрофильные молекулы;

— специализированные порины, которые имеют сайты для связывания лигандов,
что облегчает их диффузию;

— высокоаффинные порины, которые участвуют в энергозависимой транслока-
ции крупных молекул (например, витамина В12 или хелатов Fe3+), присутствующих
в окружающей среде в низкой концентрации.

Порины представляют собой интегральные белки с молекулярной массой 30-
50 кДа. Они образуют в СМ крупные гидрофильные поры, через которые путем
диффузии в периплазматический компартмент поступают питательные субстраты
и из него выделяются продукты метаболизма. В настоящее время установлено, что
порины встречаются и у бактерий, обладающих грамположительным морфотипом
(см. раздел 8.5.1).

В отличие от интегральных белков СМ, порины не содержат протяженных гид-
рофобных доменов. В то же время, в отличие от цитозольных белков, гидрофоб-
ные остатки у них сосредоточены преимущественно на внешней, а на внутренней
поверхности. Канал порина выстлан полярными остатками, образующими систе-
му водородных связей. Поэтому порины образно называют белками, «вывернутыми
наизнанку». Ближе к поверхности билипидного слоя сосредоточены анионные груп-
пы, которые через кальциевые и магниевые мостики взаимодействуют с анионными
группами кора ЛПС.

Порины in situ образуют тримеры (исключение составляет мономерный порин
OprF Р. aeruginosa).

Согласно рентген-структурным данным (впервые полученным для Rhodobacter capsulatus), ос-
нову поринов составляет бочковидная структура из 16 антипараллельных [3-цепей, расположенных
под углом 30-60° к плоскости ОМ. С экзоплазматической стороны |3-цепи соединены длинными
гидрофильными а-спиральными петлями, а с периплазматической — короткими шпильками из 1-
4 аминокислотных остатков. Третья наружная петля загибается внутрь гидрофильного канала,
сужая его просвет до глазка (англ, eyelet) диаметром около 10 А, что и определяет «эксклюзив-
ный диаметр» порина, т. е. максимальную массу проходящей через него молекулы. Таким образом,
канал порина имеет широкий вход, широкий выход и центральное сужение, размер которого мо-
жет изменяться в зависимости от липидного окружения, концентрации осмолитиков в периплаз-
матическом компартменте (см. раздел 8.4.3), ионной силы и pH окружающей среды, а также от
воздействия приложенного электрического поля.

Неспециализированые порины, или «порины общего назначения». Эти порины
образуют гидрофильные каналы, пронизывающие ОМ. Возможность прохождения
через них и его скорость зависят только от физико-химических свойств субстрата.
Эксклюзивный диаметр поринов общего назначения составляет ~600 Да.

Хотя неспециализированные порины не содержат сайтов для связывания суб-
страта, все же они проявляют определенную пропускную селективность. Например,
порин OmpF оказывает предпочтение нейтральным молекулам и катионам. Его го-
молог ОтрС обладает аналогичными свойствами. В обоих случаях они создают
барьер на пути проникновения неполярных молекул.

Несмотря на то, что порины «общего назначения» не обладают строгой пропуск-
ной селективностью, их биосинтез находится под регуляторным контролем. Напри-
мер, когда Е. coli попадает в пищеварительный тракт, т. е. в среду с относительно
высоким осмотическим давлением, это регистрируется осмосенсорным белком EnvZ,
который расположен в СМ и выполняет роль проводника сигнала в двухкомпонент-
ной сигнальной системе. Белок EnvZ фосфорилирует регулятор ответа — цитозоль-
ный белок OmpR. В свою очередь, фосфорилированная форма белка OmpR подав-
ляет экспрессию порина OmpF и стимулирует экспрессию порина ОтрС. Посколь-
ку эксклюзивный диаметр ОтрС меньше, чем у OmpF, это повышает устойчивость
микробной клетки к желчным кислотам. В связи с вышеописанной избирательно-
стью порины OmpF и ОтрС (а также их гомолог ОтрКЗб, имеющийся у Klebsiella
pneumoniae) называют «осмопоринами».

Специализированные порины. В отличие от поринов «общего назначения», спе-
циализированные порины имеют стереоспецифические сайты связывания субстрата,
которые подчиняются закономерностям ферментативной кинетики, в частности спо-
собны к насыщению. Диаметр гидрофильной поры у специализированных поринов
обычно меньше, чем у поринов «общего назначения», и составляет ~6 А.

К числу специализированных поринов относятся прежде всего «фосфопорины»,
хотя реально они оказывают предпочтение анионам вообще, а не только фосфа-
ту и фосфорилированным соединениям. Они обычно образуются при фосфорном
голодании. Примерами служат транспортер ортофосфата PhoE, одновременно яв-
ляющийся рецептором для бактериофага ТС45 (Е. coli), транспортер ортофосфата
ОргР (Р. aeruginosa) и транспортер пирофосфата OprO (Р. aeruginosa).

Другие специализированные порины используются для транспорта моно-, ди- и
олигосахаридов. Например, порин ОргВ (Р. aeruginosa) предназначен для транспор-
та глюкозы. В свою очередь, «мальтопорин» LamB (Е. coli) индуцируется мальтозой
и облегчает ее диффузию, а также диффузию мальтодекстринов. Он имеет малень-
кую пору, адаптированную к линейным олигсахаридам, и пропускает только глюко-
зильные остатки. Его гомолог ScrY (S. typhimurium) используется для транспорта
сахарозы.

Для транспорта дипептидов существует специализированный порин OprD
(Р. aeruginosa), а для транспорта нуклеозидов — порин Tsx (Е. coli).

«Выделительные» порины (англ, efflux porin). С помощью этих поринов бакте-
рии приобретают резистентность, в частности, к антибактериальным перпаратам.
Выделительные порины функционируют не самостоятельно, а в составе трехсубъ-
единичной экспортной системы. Она состоит из двух а-спиральных компонентов —
АТФ-зависимой помпы и «адгезионного» белка, а также из |3-спирального домена —
порина ТЫС. У Е. coli такая система (АсгАВ-TolC) обеспечивает множественную
лекарственную устойчивость и выброс из клетки токсичных соединений. В свою
очередь, в клетках Р. aeruginosa имеются 18 выделительных поринов, причем неко-
торые из них гомологичны порину То1С (например, ОтрН).
Порин TolC входит также в состав секреторной системы I типа (см. раздел 8.6.1).

Высокоаффинные порины («транспортные» рецепторы). В отличие от поринов
«общего назначения» и специализированных поринов, эти порины не образуют по-
стоянно открытых каналов, и поэтому их называют «раскрывающимися» поринами
(англ, gated porins). Другая особенность этих поринов состоит в том, что они не
только обладают высокой специфичностью по отношению к лигандам, но и участ-
вуют в энергозависимом транспорте, т. е. обладают свойствами пермеаз (см. раздел
9.1.1). Это единственный случай, когда энергетически «инертная» ОМ может пре-
образовывать энергию.

В качестве примеров высокоаффинных поринов можно назвать белки Fee А,
FepA, FhuA(TonA) и Cir, участвующие в транспорте хелатов железа, а также белок
BtuB, который транспортирует витамин В12. Для детального знакомства с ними мы
отсылаем читателя ко II тому учебника.

Завершая тему, коснемся ее эволюционного аспекта. Сохранились ли порины в
наружной мембране митохондрий и пластид, произошедших от бактерий? В настоя-
щий момент известен только один «органельный» гомолог порина — анионный канал
VDAC (сокр. англ, voltage-dependent anione channel), имеющийся у митохондрий.

Прочие белки ОМ. Помимо рассмотренных белков в состав ОМ входят:

— ферменты (фосфолипаза OmpLA и протеаза ОшрТ);

— белок ОшрХ;

— вспомогательные белки (англ, outer membrane auxilary protein).

Фосфолипаза OmpLA используется при секреции белка колициногенными штам-
мами Е. coli и этиологическим агентом язвы желудка — Helicobacter pylori. Она про-
делывает отверстия в ОМ, через которые наружу выходят антибактериальные по-
липептиды — колицины, а также белковые факторы вирулентности. Белок OmpLA
содержится в мембране в мономерной или димерной форме. По строению он сходен
с белком ОгпрА.

Белок ОшрТ представляет собой специализированную протеазу, которая явля-
ется одним из факторов патогенности Е. coli.

Белок ОшрХ играет важную роль в жизни вирулентных штаммов Е. coli, по-
скольку он участвует в нейтрализации иммунных систем макроорганизма. Когда
бактерии испытывают стресс, этот белок синтезируется в большом количестве. Он
входит в общую группу с такими белками, как Ail-белок Yersinia enterocoUtica, спо-
собствующий адгезии этой бактерии и ее проникновению внутрь хозяйской клетки,
а также с белками PagC и Rck, обеспечивающими персистенцию S. typhimurium в
макрофагах. Все эти белки существуют in situ как мономеры и по строению сходны
с белком ОтрА. В отличие от последнего, у них половина |3-спиральной бочковид-
ной структуры выступает наружу и связывается с чужеродными белками, которые,
в свою очередь, содержат поверхностные (3-спиральные участки.

К вспомогательным белкам относятся представители группы «секретинов». Они
образуют дистальный участок систем II и III секреции белка (см. раздел 8.6.1), а
также дистальный участок систем секреции полисахаридов (см. раздел 8.5.4.1).

8.4.1.3. Везикулы наружной мембраны

Процесс отпочкования от ОМ мембранных везикул диаметром 20-500 нм называ-
ется «блебингом» (англ, bleb — пузырек). Он выполняет важную приспособительную
роль в жизни многих грамотрицательных бактерий. Сходство между блебингом и
апокриновой секрецией у эукариотов чисто внешнее. Во-первых, она происходит на
уровне СМ. Во-вторых, в ней принимает участие цитоскелет.

Образование блебинг-везикул может быть неспецифическим явлением и вы-
зываться тем, что ОМ растет быстрее муреинового слоя (см. раздел 8.4.3.1).
С другой стороны, блебинг зависит от специфических условий питания. На-
пример, у Bacteroides gingivalis его предпосылкой служит дефицит геминовых
соединений.

В состав блебинг-везикул входят типичные компоненты ОМ — ЛПС, фосфолипи-
ды и Отр. Все они имеют такую же ориентацию, как в бактериальной клетке. При
образовании блебинг-везикула захватывает часть содержимого периплазматическо-
го компартмента, за исключением муреина. На примере Р. aeruginosa показано, что
блебинг-везикулы содержат периплазматические ферменты, в том числе гемолизин,
пептидогликан-гидролазы (автолизины), протеазу, проэластазу, щелочную фосфа-
тазу и фосфолипазу С (см. раздел 8.4.2).

Блебинг-везикулы служат надежным средством дистанционной доставки всех
этих ферментов вместе с упаковочным мембранным материалом к клеткам-мише-
ням или в тот участок внешней среды, где проявится их биологическое действие.

Если блебинг-везикулы соприкасаются с клеткой грамположительной бактерии,
они вскрываются и освобождают автолизины, что вызывает локальное разрушение
стенки (чему не препятствует пористый S-слой; см. раздел 8.5.2.3). В отличие от это-
го, при контакте с грамотрицательной бактерией мембрана блебинг-везикулы слива-
ется с ОМ, и внутреннее содержимое поступает в периплазматический компартмент.
Автолизины диффундируют по всему объему периплазматического компартмента,
и клеточная стенка разрушается сразу во многих местах. Блебинг-везикулы мало-
эффективны в отношении активно растущих и делящихся клеток, где нанесенные
повреждения легко репарируются. Благодаря действию на гетерологичные бакте-
рии продуцент автолизина добывает себе субстраты для роста, в то время как его
сородичи устойчивы к «знакомым» автолизинам.

Для патогенной бактерии доставка факторов вирулентности в мембранной упа-
ковке служит ценной альтернативой свободной диффузии, поскольку защищает их
от инактивации сывороточными агентами.

Благодаря тому, что блебинг-везикулы инкапсулируют протеазы и фосфолипазы,
оба фермента выделяются в инфекционный очаг в нативном состоянии и в высокой
концентрации. В частности, этим объясняется сильная коллагеназная активность
возбудителей парадонтоза В. gingivalis и Capnocytophaga gingivalis, а также их спо-
собность разрушать мембраны эпителия и клеток соединительной ткани.

Когда эндотоксин и мурамилпептиды (см. раздел 8.4.3.1), содержащиеся в бле-
бинг-везикулах, доставляются в очаг воспаления, они вызывают синергический эф-
фект, т. е. более сильную ответную реакцию по сравнению с действием по отдельно-
сти.

Показано, что при блебинге Р. aeruginosa в ОМ-везикулы, в числе прочего, по-
падает (3-лактамаза. Этот фермент позволяет бактериям не только разрушать ан-
тибиотики во внеклеточной среде, но и гидролизовать пенициллины и другие |3-
лактамные антибиотики, проникшие в периплазматический компартмент. Блебинг
служит средством кооперации патогенов — продуценты (3-лактамазы снабжают этим
ферментом тех бактерий, которые сами его не синтезируют.
8.4.1.4. Контакты Байера

Во второй половине 1960-х годов на ультратонких срезах плазмолизированных
клеток грамотрицательных бактерий были обнаружены зоны адгезии между ОМ и
СМ. Число таких зон составляет 200-400 на клетку, они покрывают до 5% поверх-
ности СМ и имеют толщину ~18 нм при ширине 20-30 нм. В честь открывшего эти
структуры американского цитолога Байера (М. Bayer) их называют «контактами
Байера» (англ. Bayer junction).

В области контактов Байера в муреиновом слое образуется крупное отверстие,
что позволяет СМ и ОМ сблизиться вплотную. Однако окончательного слияния с
образованием гибридной мембраны, по-видимому, не происходит.

Физической основой контакта Байера могут быть компоненты экспортных ком-
плексов, выделяющих из клетки акридиновые красители (комплекс АсгАВ), гемо-
лизин (комплекс HlyBD) и гидрофобные антибактериальные соединения (комплекс
ЕшгАВ). Со стороны ОМ в состав этих комплексов входит выделительный по-
рин То1С, а со стороны СМ — выделительная помпа (соответственно, AcrB, Н1уВ
и ЕтгВ). Контакт между порином и помпой обеспечивает «адгезионный» белок (со-
ответственно, AcrA, HlyD и ЕшгА).

Функциональная роль контактов Байера проблематична. Есть основания счи-
тать, что через них выделяются вышеперечисленные вещества, транс лоцируются
ЛПС и капсульные полисахариды, а также экспортируются субъединицы фимбрий.
Установлено, что в контактах Байера адсорбируются некоторые бактериофаги. По-
видимому, через них они инъецируют свою нуклеиновую кислоту.

Считается, что контакты Байера —это «долговечные» структуры, хотя высказа-
на и оппортунистическая точка зрения, согласно которой они образуются только в
момент секреции и исчезают, как только она завершилась.

8.4.2. Периплазма

Термин «периплазма» (англ, periplasm), обозначающий растворимое содержимое
периплазматического компартмента, предложил Питер Митчел в начале 1960-х го-
дов. Задолго до того, как на электронно-микроскопических снимках обнаружили
свободную зону между СМ и ОМ, уже было известно, что при осмотическом шоке
в окружающую среду «вытекает» ряд ферментов (англ, menstruum). На основании
этого был сделан упреждающий вывод, что за пределами СМ у грамотрицатель-
ных бактерий существует особый компартмент, в котором содержатся ферменты и
неферментные белки.

Периплазма представляет собой гелеобразный матрикс, состоящий из белков и
уникальных олигосахаридов — «осморегулируемых периплазматических глюканов».
Наряду с этим в ней присутствует транзитный материал, необходимый для обновле-
ния клеточной стенки, ОМ, экзоплазматического ригидного слоя и покровов (капсу-
лы и чехла); кроме того, в нее секретируются субъединицы придаточных структур
(жгутиков, фимбрий и шипов). Таким образом, через периплазму проходят разнооб-
разные макромолекулы, качественный состав и соотношение которых определяются
индивидуальным типом метаболизма, эндогенной регуляцией и условиями внешней
среды.

Периплазматические белки. К белковой фракции периплазмы принадежат:
ферменты, связывающие белки, транспортные белки и молекулярные шапероны.
Ферменты. Важнейшими периплазматическими ферментами являются тиол:ди-
сульфид-оксидоредуктазы, участвующие в окислительном образовании или восста-
новительном разрыве дисульфидной связи между двумя остатками Cys:

Ri-SH + HS-R2 w Ri-S-S-R2 + 2е“ + 2Н+,

где Ri и R2 — участки полипептидной цепи, фланкирующие аминокислотный мотив
СС (Cys-Cys).

Тиол:дисульфид-оксидоредуктазы и тиол:дисульфид-изомеразы исправляют по-
ложение дисульфидной связи, что позволяет белкам принять правильную стабиль-
ную конформацию. Соответствующие ферменты входят в суперсемейство тиоредок-
синов, активный центр которых содержит мотив СХХС (два остатка Cys, разделен-
ные двумя аминокислотами).

Цитоплазма представляет собой среду с сильнее выраженными восстановительными свойства-
ми, чем периплазма. Дисульфидные связи в цитоплазматических белках восстанавливаются при
помощи тиоредоксинов (исключение составляют некоторые археи, в цитоплазме которых содержат-
ся белки с дисульфидными связями). В периплазме, напротив, создаются окислительные условия,
и там сосредоточены белки с дисульфидными связями. Таким образом, если цитоплазма проявляет
только дисульфидредуктазную активность, то в периплазме помимо нее локализованы дисульфи-
доксидазная и дисульфидизомеразная активности.

Дисульфидные связи в белках, которые Е. coli секретирует в периплазму, напри-
мер в щелочной фосфатазе, белке ОтрА, холерном и коклюшном токсинах, а также
в субъединицах адгезионных фимбрий образуются при помощи тиол:дисульфид-
оксидоредуктазы DsbA — растворимого мономерного белка с молекулярной мас-
сой 21 кДа (рис. 38). Этот фермент имеет редокс-потенциал -120 мВ. С помо-
щью гидрофобных взаимодействий он связывается с развернутыми или частично
свернутыми полипептидами. Для регенерации окисленной формы DsbA использу-
ется тиол:дисульфид-оксидоредуктаза DsbB (20 кДа), состоящая из четырех ин-
тегральных доменов. В свою очередь, DsbB «сбрасывает» электроны на хиноны
(ан)аэробной дыхательной цепи (см. II том учебника). Гомологи белков DsbA и DsbB
существуют у многих грамотрицательных бактерий.

Для коррекции ненативного положения дисульфидной связи в периплазматиче-
ских белках, содержащих больше двух остатков Cys, некоторые представители клас-
сов «Betaproteobacteria» и «Gammaproteobacteria» используют растворимую гомо-
димерную тиол:дисульфид-изомеразу DsbC (23 кДа). Она восстанавливает «непра-
вильную» дисульфидную связь электронами, полученными от дисульфидредуктазы
DsbD, в которой имеются 8 трансмембранных доменов. В свою очередь, DsbD полу-
чает восстановительные эквиваленты от НАДФН. Промежуточным переносчиком
является представитель семейства тиоредоксинов (белков, участвующих в окисли-
тельно-восстановительных реакциях путем обратимого окисления своих тиоловых
групп), редокс-потенциал которого равняется -270 мВ. «Правильная» дисульфид-
ная связь, как и обычно, образуется с помощью DsbA.

Кроме того, DsbD может передавать электроны альтернативному акцептору —
амфипатической субъединице DsbE, или CcmG (20 кДа). Этот тиоредоксиноподоб-
ный белок восстанавливает отстатки Cys в апопротеине цитохрома с, что на завер-
шающей стадии созревания позволяет ковалентно присоединить к нему геминовую
группу.

Помимо тиол:дисульфид-оксидоредуктаз и тиол:дисульфид-изомераз в периплаз-
ме содержатся разнообразные гидролазы. К их числу относятся гидролазы олиго-
2е

цитоплазматический
компартмент

Рис. 38. Коррекция дисульфидных связей в периплазматических белках.

СМ — цитоплазматическая мембрана; DsbA и DsbB — тиол:дисульфид-оксидоредуктаза;
DsbC — тиол:дисульфид-изомераза; DsbD — дисульфидредуктаза; Тгх — тиоредоксин;
DsbE — тиоредоксиноподобный белок.

НАДФН
^НАДФ

нуклеотидов (фосфогидролазы), гидролазы олигопептидов и гидролазы олигосаха-
ридов. Обязательным компонентом периплазмы является щелочная протеаза. Все
эти ферменты выполняют преимущественно катаболические функции и расщепляют
на простые молекулы те питательные субстраты, для которых в СМ нет собственных
транспортных систем.

Помимо перечисленных ферментов в периплазме присутствуют муреин-гидрола-
зы (автолизины), участвующие в клеточном делении и обновлении муреина.

Связывающие белки. В периплазме находятся белки, которых иногда называют
«хеморецепторными», хотя нужно говорить—«периплазматические связывающие
белки» (англ, periplasmic binding protein, ВР). Лигандами для них служат органи-
ческие субстраты, которые диффундируют через каналы поринов в периплазмати-
ческое пространство.

Комплекс связывающий белок-субстрат взаимодействует с периплазматическим
доменом одного из трех хеморецепторов в СМ:

1. Тар (от англ, transductor for dipeptides);

2. Таг (от англ, transductor for aspartate);

3. Trg (от англ, transductor for ribose and galactose).

Четвертый хеморецептор, Tsr (от англ, transductor for serine) распознает серин
непосредственно, без участия связывающего ВР-белка. Через трансферный и цито-
плазматический домены этих рецепторов, которые сообща играют роль проводника
сигнала в двухкомпонентной регуляторной системе, информация поступает на ре-
гулятор клеточного ответа.

ВР являются индуцибельными белками и в мономерной форме скапливаются на
полюсах клетки, достигая концентрации >1 мМ. Три основных класса ВР, несмотря
на слабо выраженную взаимную гомологию, имеют сходное строение — два глобу-
лярных домена соединяются при помощи гибкой петли, конформационное изменение
которой обеспечивает связывание лиганда.

Конкретными примерами ВР служат:

— Dpp (связывает дипептиды; распознается хеморецептором Тар);

— Ма1Е (связывает мальтозу и мальтодекстрин; распознается хеморецептором
Таг);

— MlgB (связывает галактозу и глюкозу; распознается хеморецептором Trg);

— RbsB (связывает рибозу; распознается хеморецептором Trg).

Помимо этого существует специальный ВР для катиона Ni2+, выступающего в
качестве репеллента. Его комплекс с лигандом распознается хеморецептором Таг.

Транспортные белки и молекулярные шапероны. В периплазме находятся специ-
ализированные переносчики, осуществляющие таргетинг интегральных белков ОМ.
На примере Е. coli показано, что как только липопротеин Брауна при помощи гене-
ральной Sec-системы транс лоцируется через СМ, он образует комплекс с раствори-
мым белком р20 (20 кДа), который присутствует в числе 200-400 копий на клетку.
Только в такой связанной форме он доставляется в ОМ.

Наряду с транспортными белками в периплазме содержатся белки, выполняю-
щие роль молекулярных шаперонов. Они обеспечивают правильный фолдинг сек-
ретированных белков, а также корректируют структуру неправильно свернутых
белков (см. раздел 8.3.10.2). В частности, роль такого шаперона (помимо основной
тиол:дисульфид-изомеразной функции) играет белок DsbC.

Примерами белков, которые служат субстратами для периплазматических шапе-
ронов, является экзофермент пуллуланаза PulD (атакующий связи ocl—>6 в амило-
пектине, разветвленной фракции крахмала), а также субъединицы фимбрий и ряд
других белков.

Потребность в молекулярных шаперонах для периплазмы стоит особенно ост-
ро, поскольку в условиях высокой гидролитической активности там сохраняются
белки только в устойчивой к протеолизу конформации, тогда как незрелые белки
нуждаются в защите.

Периплазматические олигосахариды. Представители этого класса оли-
госахаридов, получившие название «мембрано генные» олигосахариды (англ,
membrane-derived oligosaccharide, MDO), или «осморегулируемые периплазмати-
ческие глюканы» (англ, osmoregulated periplasmic glucan, OPG) пока обнару-
жены только у ряда представителей класса «Alphaproteobacteria» {Agrobacterium
tumefaciens, Azospirillum braziliense, Brucella abortus, Rhodobacter sphaeroides,
Sinorhizobium meliloti), класса «Betaproteobacteria» {Ralstonia solanaceae) и клас-
са «Gammaproteobacteria» {Erwinia chrysanthemi, E. coli, Pseudomonas syringae,
Xanthomonas campestris). Однако не исключено, что они шире распространены среди
грамотрицательных бактерий. Несмотря на видовые различия в деталях строения,
OPG обладают двумя универсальными свойствами:

— они состоят из 5-40 мономеров D-глюкозы, которые соединены преимуществен-
но |3-гликозидными связями;
— их концентрация в периплазме возрастает при уменьшении осмомолярности
окружающей среды.

Молекулярная масса OPG (>900 кДа) больше «эксклюзивного диаметра» пори-
нов (600 кДа), и поэтому они застревают в периплазматическом компартменте.

OPG имеют разветвленную линейную или (не)разветвленную циклическую
структуру. Остатки глюкозы соединены связями (31—>2, (31—>3, (31—>4 и (31—>6 (ре-
же связями al—>3 и al—>6). Синтезируются OPG в цитоплазме из активирован-
ного предшественника — УДФ-глюкозы с помощью глюкозилтрансферазы MdoH
(97 кДа). По каналу, образованному восемью трансмембранными доменами это-
го белка, они выводятся на экзоплазматическую поверхность СМ. Там пери-
ферическая глюкозилтрансфераза MdoG (56 кДа) присоединяет к ним боковые
мономеры.

СМ

Рис. 39. Биосинтез осморегулируемых периплазматических глюканов.

СМ — цитоплазматическая мембрана; глю — остаток глюкозы; УДФ — уридиндифосфат;
Ф — фосфатная группа.

Во многих случаях углеводный скелет OpG модифицируется путем введения за-
местителей. Первый из них — это сукцинил. Он передается от сукцинил-СоА с помо-
щью трансферазы MdoC, имеющей 10 трансмембранных доменов. Второй замести-
тель— это фосфоглицерол. В ходе обновления фосфоглицеролипидов, входящих в
СМ, он передается на OPG с помощью амфипатической трансферазы MdoB (отсюда
и возникло название «мембраногенные» олигосахариды).

За счет большого числа заместителей OPG приобретают свойство полианиона.
Противоионы (К+, Na+ и др.), находящиеся в донановом равновесии с экзогенными
электролитами, служат источником осмотического давления в периплазме. Таким
образом, OPG играют роль осмотического «буфера», который выравнивает тургор-
ное давление по обеим сторонам СМ. При попадании бактерий в гипертоническую
среду удельное содержание OPG уменьшается на порядок (с 5% до 0,5%), что свя-
зано с ингибированием их биосинтеза. В гипотонической среде биосинтез OPG, на-
оборот, индуцируется.

Если OPG не имеют анионных заместителей, они выступают в ином качестве — как своеобраз-
ные «информационные» молекулы. Дело в том, что при размножении в гипертонической среде
в дочерних клетках содержание OPG уменьшается в геометрической прогрессии. Это отслежива-
ется с помощью мембранных сенсоров (EnvZ/ResC у Е. coli) и служит косвенным показателем,
что популяция увеличилась в размере. Иными словами, бактерии косвенным путем узнают, что
достигнут «кворум», а это важно для кооперативно действующих патогенов. Таким образом, при
инфекциях, когда бактерии попадают в среду с более высоким осмотическим давлением, OPG
выполняют роль, аналогичную роли феромонов (хотя эффект достигается разными способами),
которые секретируются во внешнюю среду и с которыми у бактерий связано «чувство кворума»
(см. III том учебника).

Наконец, Agrobacterium tumefaciens и Rhizobium sp. образуют внеклеточные
OPG, которые могут играть определенную роль в становлении симбиоза между эти-
ми бактериями и растениями. По аналогии с липидом А они оказывают на макро-
организм регуляторное воздействие.

8.4.3. Периплазматические ригидные слои

Известно, что за форму эукариотной клетки отвечает цитоскелет, расположен-
ный в цитоплазматическом компартменте. По последним данным, прокариоты так-
же имеют цитоскелет (см. раздел 8.3.1). Однако форма прокариотов и их способ-
ность не разрушаться в гипотонической среде зависят не от него, а от экзоскелета —
ригидного слоя клеточной стенки.

Общие сведения о ригидных слоях у прокариотов. Ригидный слой гри-
бов, растений и некоторых из протистов имеет целлюлозную или хитиновую основу.
Линейные молекулы этих биополимеров образуют мицеллы, взаимодействующие за
счет водородных связей; у прокаритов такой ригидный слой есть только у некото-
рых архей (см. раздел 8.5.1). Обычно же ригидный слой у прокариотов состоит из
сетчатого полимера — пептидогликана, в котором гликановые цепи связаны друг с
другом с помощью боковых пептидных цепей.

Пептидогликан уникален тем, что это мешковидная молекула, или саккулус,
форма и размер которого соответствуют форме и размеру клетки. Реже встречается
саккулус, состоящий из белковых или гликопротеиновых субъединиц; он существует
сам по себе или в сочетании с пептидогликаном.

Особый пример связан с «промежуточным» периплазматическим слоем у
Deinococcus radiodurans (фила BIV «Deinococcus-Thermus»). По электронно-мик-
роскопическим данным, у этой бактерии между толстым муреиновым слоем и
ОМ расположен тонкоструктурированный, или «компартментализованный» слой
(англ, compartmentalized layer), который, возможно, обладает ригидностью. Его со-
став неизвестен.

Ригидные слои грамположительных бактерий и архей находятся в экзоплазма-
тическом компартменте, а ригидные слои грамотрицательных бактерий могут быть
в двух компартментах — периплазматическом и экзоплазматическом (см. рис. 4).

Прокариоты без ригидного слоя, или микоплазмы. Микоплазмы встреча-
ются среди представителей обоих прокариотных доменов. Они входят в состав фи-
лы ВХШ Firmicutes (класс «Mollicutes»), а также в состав филы АП Euryarchaeota
(Thermoplasma acidophilum и Т. volcanium).

Физическая целостность микоплазм-бактерий сохраняется за счет того, что они
поддерживают низкое осмотическое давление, экскретируя катионы Na+, а также
благодаря тому, что они являются паразитами животных и растений, т. е. живут в
среде с относительно высоким содержанием осмолитиков. В отличие от микоплазм-
бактерий, микоплазмы-археи имеют ригидную СМ. Ее основу составляет монослой
кальдархеолов (см. раздел 8.3.3.2). Дополнительную прочность ей придают особые
ЛПС (см. раздел 8.5.1.2).

Бактерии без периплазматического ригидного слоя. Примеры бактерий,
не имеющих периплазматического ригидного слоя, довольно редки. Можно считать,
что это вторично приобретенный «негативный» признак, поскольку у представите-
лей наиболее архаичной филы бактерий (BI Aquifiqae) уже есть пептидогликан, а у
представителей «молодой» филы BXV Planctomycetes он отсутствует.

8.4.3.1. Муреиновый саккулус

У большинства бактерий, обладающих грамотрицательным морфотипом, имеет-
ся пептидогликановый периплазматический ригидный слой — муреин (лат. murus —
стенка). Бактерии, обладающие грамположительным морфотипом, также в боль-
шинстве случаев содержат муреин, однако он у них находится в экзоплазматическом
компартменте (см. раздел 8.5.2.1).

Поскольку муреин образуется у представителей самых архаичных фил бакте-
рий — BI Aquificae и ВП Thermotogae, способность к синтезу этого биополимера мож-
но рассматривать как одно из характерных свойств, которое бактерии приобрели
сразу же после разветвления ствола глобального древа на три домена.

По химической структуре муреин представляет собой пептидогликан, т. е. ги-
бридный полимер, в котором параллельно ориентированные неразветвленные по-
лигликозильные цепи соединены поперечными олигопептидными цепями.

В результате этого муреин образует гигантскую сетчатую молекулу массой
~5-106 Да. Она обволакивает клетку, чем и объясняется название «саккулус». Му-
реин может состоять из одного или нескольких слоев, связанных олигопептидными
цепями. У бактерий, обладающих грамотрицательным морфотипом, муреин обычно
однослойный. У бактерий, обладающих грамположительным морфотипом, муреин
чаще всего состоит из 20-50 слоев и, кроме того, ковалентно связан с другими гли-
кановыми полимерами (см. ниже).

Под толщиной муреина нужно понимать число молекулярных слоев, а не шири-
ну темного контура, окаймляющего СМ на электронных микрофотографиях ультра-
тонких срезов. У грамотрицательных или грамположительных бактерий она состав-
ляет 10-50 нм (у некоторых штаммов цианобактерий из порядка «Oscillatoriales» ре-
кордная толщина — 0,5 мкм). Однако на самом деле муреин не компактен. Судя по
результатам, полученным с помощью метода «сверхбыстрой» фиксации (см. раздел
8.3.5), он сильно гидратирован и равномерно диспергирован по всему периплазма-
тическому компартменту, образуя «периплазматический гель».

В то же время муреиновый саккулус — это жесткая структура, прочная на раз-
рыв. Он предохраняет СМ от механического разрушения под действием цитоплаз-
матического тургора; кроме того, форма муреинового саккулуса определяет форму
клетки.
Строение муреина. Лучше всего оно изучено на примере грамположительных
бактерий Micrococcus lysodeikticus и Staphylococcus aureus.

Гликановая часть муреина консервативна и состоит из чередующихся остатков
N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных связями (31—>4.
Гликановые цепи полидисперсны (10-100 дисахаридов).

Гликозильные мономеры иногда содержат в положении 6 минорные заместители,
в частности ацетильную группу. Обычно же через фосфатную группу в положении
6 муреин взаимодействует с другими полимерами клеточной стенки — тейхоевыми и
тейхуроновыми кислотами (см. раздел 8.5.2.1). Редко встречаются минорные моди-
фикации гликозильного скелета муреина за счет введения манномурамовой кислоты
вместо производного глюкозы, а также путем использования вместо N-ацетилглю-
козамина деацетилированного или гликозилированного глюкозамина.

Олигопептидная часть более разнообразна (> 100 хемотипов) и, скорее всего, яв-
ляется полидисперсной системой. В вегетативных клетках каждая карбоксильная
группа мурамовой кислоты образует амидную связь с аминогруппой концевой ами-
нокислоты боковой пептидной цепи.

Боковые олигопептидные цепи представляют собой три- или тетрапептиды. Они
имеют следующие особенности (рис. 40):

— в них регулярно чередуются L-аминокислоты с аминокислотами в «необычной»
D-конфигурации;

— проксимальное положение занимает L-аминокислота (L-аланин, глицин или L-
серин), а дистальное положение D-аланин;

— в их состав входят «редкие» аминокислоты Ь,О-диаминопимелиновая (5-
карбоксилизин), L-орнитин или О,Ь-лантионин ((2-амино-2-карбоксиэтил)-цистеин);

— в них присутствует «необычная» пептидная связь, которую образует у-карбок-
сильная группа глутаминовой кислоты (а-карбоксильная группа свободна, амиди-
рована или замещена на аминокислоту) с а-аминогруппой диаминокислоты: L,D-
диаминопимелиновой или L-лизина (а-карбоксильная группа которой свободна или
амидирована).

Боковые олигопептидные цепи, отходящие от соседних гликановых цепей, соеди-
нены друг с другом напрямую или через вставочные пептидные мостики, благодаря
чему и образуется саккулус.

Монослой муреина —это упорядоченная гексагональная сеть с порами диамет-
ром ~2 нм, через которые может пройти белок молекулярной массой до 55 кДа. Из-
за спиральной закрученности гликановой цепи боковые олигопептидные цепи ори-
ентированы «вверх» или «вниз», что позволяет ковалентно связать друг с другом
параллельно лежащие монослои.

От частоты расположения боковых олигопептидных цепей и количества связей
между ними зависит жесткость клеточной стенки, а также ее устойчивость к хими-
ческим и ферментативным воздействиям.

В соответствии со строением боковых олигопептидных цепей и особенностя-
ми связи между ними различают два типа муреина, каждый с несколькими под-
типами.

Муреин A-типа (рис. 40) характеризуется тем, что £-аминогруппа диаминокис-
лоты, находящейся в положении 3 одной олигопептидной цепи, взаимодействует с
карбоксильной группой D-аланина, находящегося в положении 4 другой олигопеп-
тидной цепи. Связь между ними образуется напрямую или через вставочные пептид-
ные мостики. Последние содержат 1-5 аминокислотных остатков (Lacn, Dacn-Ьлиз,
Агл mN- МК - О,

А-тип

АглюИ

сн2он

МК

СН2ОН

NH Н3С-СН NH
СОСН3 Су qCOCH,
La^a4"^
Вглу
^Ь.ВДАП-NH
(5)—►_!
(Вала)

Пала —СО

МКанг

сн,----о

н3с-сн

Ьала
।

Deny

Ь,ВДАП
I
(Вала)

сосн3

Ь,ВДАП
IY
иглу

Бала
।

СО г

ArjiioN - МК—Агл K)N - МК- -AraioN - МК - Агл ioN - МКанг

В-ТИП

-мк-

I
со

I
гли

।

Вглу - СО ----1

Близ I

I х

(Вала) I

Вала - СО------1

I
Близ

Вглу

гли

I
СО

-МК-

Рис. 40. Строение муреина.

АглюИ— остаток N-ацетилглюкозамина; МК — остаток N-ацетилмурамовой кислоты; МКа„,.— остаток
ангидрида N-ацетилмурамовой кислоты; ала, гли, глу, ДАП и лиз — остатки аланина, глицина,
глутаминовой кислоты, диаминопимелиновой кислоты и лизина; 1 и 1' — N-ацетилмурамидаза; 2 и 2' —
N-ацетилглюкозаминидаза; 3 — N-ацетилмурамил-Ь-аланин-амидаза; 4 — эндопептидаза; 5 —
Ь,В-карбоксипептидаза.

Крестом обозначены пептидные мостики в муреине A-типа или В-типа.

ГЛИ5 и др.). В некоторых случаях аминокислотная последовательность пептидных
мостиков такая же, как в боковой олигопептидной цепи.

Для большинства грамотрицательных бактерий характерен муреин Al-типа, в
котором Ь,В-диапимелиновая кислота одной боковой пептидной цепи образует амид-
ную связь с D-аланином другой боковой пептидной цепи. Реже вместо Ь,В-диапи-
мелиновой кислоты используются L-лизин, L-орнитин и Ь,В-лантионин. Количество
пептидных мостиков в таком муреине обычно невелико. Муреин грамположитель-
ных бактерий образует более частую сеть, поскольку содержит многочисленные пеп-
тидные мостики.

Муреин В-типа характеризуется тем, что а-карбоксильная группа D-глутами-
новой кислоты в положении 2 одной олигопептидной цепи (положение 1 занимают
глицин или серин) взаимодействует с карбоксильной группой D-аланина, находя-
щегося в положении 4 другой олигопептидной цепи. Поскольку две карбоксильные
группы не могут связаться «встык», между ними нужен вставочный мостик, содер-
жащий какую-нибудь диаминокислоту (L-лизин, L-орнитин или Ь-а,у-диаминомас-
ляную кислоту). Он состоит из 1-2 аминокислотных остатков (DopH, гли-Ьлиз и
ДР-)-

Муреин В-типа более редок и встречается только у грамположительных
бактерий из фил ВХШ Firmicutes (Acetobacterium woodii, Clostridium barkeri,
Eubacterium limosum) и BXIV Actinobacteria (Brevibacterium sp., Corynebacterium sp.,
Micro bacterium lacticum).

Особенности строения муреина в эндоспорах. Дифференциация эндо-
спор — покоящихся резистентных клеток бактерий — происходит в ряд этапов и за-
вершается полным созреванием. Между СМ зрелой эндоспоры и СМ спорангия (ма-
теринской клетки) лежит слой муреина, в свою очередь, состоящий из двух субслоев.
Тонкий внутренний субслой называется «примордиальным» муреином, а толстый
наружный субслой — муреиновым «кортексом» (англ, cortex).

Примордиальный муреин сохраняется при прорастании эндоспоры и по строе-
нию идентичен муреину вегетативной клетки. Напротив, муреиновый кортекс об-
ладает уникальными свойствами и быстро разрушается при прорастании эндоспо-
ры. В частности, 25% остатков мурамовой кислоты присоединяют тетрапептидную
боковую цепь, а еще 25% присоединяют только L-аланин. Карбоксильная группа
остальных 50% остатков вместо того, чтобы присоединять боковую пептидную цепь,
ковалентно связывается с собственной деацетилированной аминогруппой, в резуль-
тате чего образуется 5-лактам мурамовой кислоты. Кроме того, только 3% боковых
пептидных цепей сшиты друг с другом (по сравнению с 30% в примордиальном
муреине).

Видоизменение муреина при дифференциации эндоспоры преследует, по мень-
шей мере, две цели. Во-первых, из-за слабой сетчатости кортекс приобретает повы-
шенную гибкость, что способствует его сжатию с целью максимального удаления
воды из протопласта эндоспоры. Во-вторых, 6-лактам мурамовой кислоты служит
мишенью для действия автолитических ферментов — мурамидазы и глюкозамини-
дазы. Они начинают разрушать муреиновый кортекс при прорастании эндоспоры,
оставляя примордиальный муреин интактным. Функциональная роль монопептид-
ной L-аланиновой боковой цепи не выяснена.

Биосинтез блока-мономера муреина. Строительный блок муреина представ-
ляет собой дисахарид с боковой пептидной цепью: К-ацетилглюкозамин-К-ацетил-
мурамил-пентапептид. Он синтезируется в цитоплазме и экспортируется на наруж-
ную поверхность СМ, где включается в состав уже существующего саккулуса.

Сначала активированная форма глюкозы — УДФ-глюкоза превращается в УДФ-
N-ацетилглюкозамин (см. рис. 34).

Затем с помощью энолтрансферазы MurA из УДФ-М-ацетилглюкозамина и
фосфоэнолпирувата образуется УДФ-К-ацетил-энолпируват (рис. 41). После этого
НАДФН-зависимая редуктаза MurB восстанавливает энолпируватную часть моле-
УДФ-АглюМ

УДФ-М-ацетил-
энолпируват

УДФ-МК-СО

УДФ-МК

УДФ-МК-со

Н3С-СН

СОО

Drjiy

MurD

Ьала

АТФ

АДФ + Ф

Рис. 41. Биосинтез мурамил-пентапептида.

УДФ — уридиндифосфат; ФЭП — фосфоэнолпируват; Ф — фосфатная группа; ArnioN— остаток
N-ацетилглюкозамина; МК — остаток N-ацетилмурамовой кислоты; ала, глу и ДАП — остатки аланина,
глутаминовой кислоты и диаминопимелиновой кислоты; MurC-F — лигазы.
кулы в УДФ-М-ацетилмурамовую кислоту. Далее АТФ-зависимые лигазы МигС,
MurD и MurE последовательно присоединяют к карбоксильной группе мурамовой
кислоты аминокислотные остатки. Наконец, лигаза MurF добавляет к трипептидной
боковой цепи дипептид Вала-Вала, в результате чего образуется УДФ-М-мурамил-
пентапептид.

На следующем этапе N-мурамил-пентапептид перебрасывается от гидрофильно-
го переносчика (УДФ) на липофильный переносчик — ундекапренилфосфат, в ре-
зультате чего образуется «липид I» (см. рис. 35). Потом в результате переноса от
УДФ-У-ацетилглюкозамина второго гликозильного остатка ундекапренил-моносаха-
рид-пентапептид превращается в ундекапренил-дисахарид-пентапетид, или «липид
II» (рис. 42).

СМ

Агл K>N - МК - Агл K)N - МК - Агл K)N - МК

рр_^АА

ArnroN—МК-РР

липид II

• липид I

МК-рр^АА

Рис. 42. Биосинтез блока-мономера и его встраивание в муреиновый саккулус.

СМ — цитоплазматическая мембрана; AnnroN—остаток N-ацетилглюкозамина; МК — остаток
N-ацетилмурамовой кислоты; УДФ — уридиндифосфат; УМФ — уридинмонофосфат; Р — фосфатная
группа; 1—трансгликозилазная реакция; 2 — транспептидазная реакция.

Гармошкой обозначен ундекапренил, черными кружками — аминокислотные остатки в боковой
пептидной цепи.

Интересно, что некоторые мелкие бактериофаги вызывают лизис хозяйской клет-
ки, образуя особый Е-белок, который блокирует трансферазу, ответственную за об-
разование липида I. В данном случае проблема выхода из хозяйской клетки реша-
ется через воздействие на биосинтез муреина.

Сборка муреина. Ундекапренил-дисахарид-пентапептид спонтанно или при
участии флиппазы транслоцируется на наружную поверхность СМ. Там он встра-
ивается в уже существующую сеть муреина, которая через пирофосфатную связь
связана с ундекапренилом (который, в свою очередь, заякорен в наружном полу-
мембранном листке).

Для встраивания мономерного блока используются мембраносвязанные фермен-
ты, которые ковалентно встраивают его в муреиновый саккулус (рис. 42). Этот про-
цесс состоит из трансгликозилазной реакции (удлинение линейной полигликозидной
цепи) и транспептидазной реакции (сшивание боковых пептидных цепей). Они ка-
тализируются семейством бифункциональных ферментов, которые расположены в
СМ, имеют молекулярную массу 30-90 кДа и называются «пенициллинсвязываю-
щими» белками (англ, penicillin-binding protein, РВР).

Антибиотик пенициллин содержит Р-лактамное кольцо (рис. 43), сходное по структуре с по-
следовательностью Вала-Вала в олигопептидной цепи муреина. Поэтому он вступает в ковалент-
ную связь с транспептидирующими активными центрами пенициллинсвязывающих белков PBPla,
PBPlb и РВР2 и необратимо инактивирует их. Таким образом, механизм антибактериального
действия пенициллина и других (3-лактамных антибиотиков заключается в нарушении сборки
муреина.

У пенициллина нет мишеней в эукариотной клетке, и поэтому его терапевтическое применение
почти не вызывает побочных эффектов. Поскольку бактерии выработали защиту от этого антибио-
тика, основанную на действии пенициллиназ и пенициллин-амидаз, разработано много полусинте-
тических производных природного бензилпенициллина (пенициллина G). Они устойчивы к этим
ферментам, лучше всасываются при пероральном введении и дольше удерживаются в циркуляции.
Кроме того, используются химические соединения, блокирующие активный центр пенициллиназы
(например, клавулановая кислота).

Аналогичный эффект в отношении сборки муреина оказывает гликопептидный антибиотик
ванкомицин, нековалентно блокирующий последовательность Dana-Dana в олигопептидной цепи.
Кроме того, биогенез муреина ингибируется D-циклосерином, который из-за стереохимического
сходства с D-аланинрм препятствует рацемизации L-аланина в D-аланин и подавляет биосинтез
дипептида Оала-Оала.

Рис. 43. Общая формула пенициллинов.

R — органической радикал; 1— (3-лактамаза (пенициллиназа);

2 — пенициллин-амидаза.

Темным фоном выделено 0-лактамное кольцо.

Сборка муреина требует энергии. Для трансгликозил азной реакции источником
энергии служит расщепление пирофосфатной связи между старым муреином и его
ундекапренильным «якорем». Освобожденный ундекапренил-пирофосфат «кувыр-
ком» перемещается на внутреннюю поверхность СМ, гидролизуется до ундекапре-
нилфосфата и повторно используется для биосинтеза и транслокации мономерного
строительного блока. В свою очередь, старый муреин переносится на новый моно-
мерный блок, заякоренный в СМ, с образованием гликозидной связи 01—>4.

Одновременно с этим образуется прямая (или опосредованная пептидным мости-
ком) связь между боковой пептидной цепью старого муреина и боковой пептидной
цепью мономерного строительного блока. Для транспептидазной реакции источни-
ком энергии служит гидролиз связи в концевой последовательности Вала-Эала мо-
номерного строительного блока. Его осуществляют чувствительные к пенициллину
мембранные DD-карбоксипептидазы РВР4-6.

Существуют РВР-белки широкого и узкого спектра действия. В частности, у
Е. coli бифункциональные PBPla и PBPlb одновременно осуществляют и трансгли-
козилазную, и транспептидазную реакцию, а монофункциональные белки РВР2 и
РВРЗ катализируют только транспептидазную реакцию. Первый из них использует-
ся для роста клетки в длину, а второй — для образования перегородки при делении.

Лизис муреина. Ферментативное расщепление муреина происходит при по-
мощи муреингидролаз. Эндогенные муреингидролазы бактерий называются авто-
лизинами. Они участвуют в обновлении муреина, «переваривают» его при гибели
клетки, а также могут секретироваться и в качестве экзогенных литических агентов
воздействовать на другие бактерии.

Существуют четыре основных типа муреингидролаз. Одни из них выступают
в качестве пептидаз и разрывают амидные связи в боковых пептидных цепях или
между ними. Другие являются гликозидазами и разрывают связь |31 —>4 в полигли-
козидной цепи (рис. 40).

N-ацетил-мурамидаза. Этот фермент расщепляет гликозидную связь между
остатком мурамовой кислоты и остатком N-ацетилглюкозамина (рис. 40; 1 и I1).
Мурамидазы, относящиеся к «литическим» трансгликозил азам, переносят гликозид-
ную связь в положение 6 того же самого остатка мурамовой кислоты, в результате
чего образуется ангидромурамовая кислота. Чем меньше боковых пептидных цепей
соединяются пептидными связями, тем больше мономерных блоков муреина оказы-
вается среди продуктов реакции. Мурамидазы, не обладающие трансгликозил азной
активностью и поэтому не образующие ангидромурамовую кислоту, называются ли-
зоцимами (англ, lysozyme). Об их широком распространении свидетельствует то, что
они имеются у бактерий, грибов, растений и животных. Литические вирусы также
кодируют муреингидролазы, что способствует выходу из клетки новых вирионов.
У млекопитающих лизоцим содержится в сыворотке крови, слезной жидкости и
слюне; больше всего его в лизосомах макрофагов. В случае Е. coli литическая транс-
гликозилаза Slt70 (70 кДа) локализуется в периплазме, а литические трансгликози-
лазы MltA (38 кДа) и MltB (36 кДа) имеют липопротеиновую природу и связаны с
ОМ. Все три фермента действуют выступают в качестве экзомурамидаз и последо-
вательно отщепляют по одному дисахарид-пентапептиду от нередуцирующего конца
гликановой цепи.

У грамположительных бактерий (например, Bacillus subtilis) помимо экзомура-
мидаз существуют эндо мурамидазы, которые проделывают внутренние разрывы в
гликановой цепи.

N-ацетил-глюкозаминидаза. Этот фермент расщепляет гликозидную связь меж-
ду концевым, в случае экзоглюкозаминидазы, или внутренним, в случае эндо-
глюкозаминидазы, остатком N-ацетилглюкозамина и остатком мурамовой кислоты
(рис. 40,2 и 21).

№ацетилмурамил-Ь-аланин-амидаза. Этот фермент расщепляет амидную связь
между мурамовой кислотой и остатком L-аланина в боковой пептидной цепи
(рис. 40,3). У Е. coli амидаза AmiA (39 кДа) локализуется в периплазме и действует
не на полимерный муреин, а на продукты его расщепления — блоки-мономеры.
Эндопептидаза. Этот фермент атакует связи внутри боковой полипептидной це-
пи или между боковыми пептидными цепями, разрушая сеть муреина (рис. 40,4).
У Е. coli эндопептидазы РВР4 (50 кДа) и РВР7 (32 кДа) входят в состав СМ и
ингибируются пенициллином.

LD-карбоксипептидаза. Этот фермент расщепляет связь между диаминокисло-
той и остатком D-аланина в боковой пептидной цепи (рис. 40,5). В отличие от «по-
ставляющей энергию» DD-карбоксипептидазы (см. выше) он мало чувствителен к
|3-лактамным антибиотикам.

Структурные перестройки муреина. Уже говорилось о том, что муреин об-
ладает высокой ригидностью, что позволяет ему задавать клетке определенную фор-
му и предотвращать осмотический лизис в гипотонической среде. В то же время
он подвержен структурным перестройкам, что позволяет бактерии увеличиваться в
размере, делиться, а также изменять форму в ходе дифференциации.

При перестройках муреина в нем с помощью автолизинов производятся локаль-
ные разрывы. В частности, для расслоения перегородки между дочерними клетка-
ми В. subtilis использует автолизины LytC (амидаза), LytD (глюкозаминидаза) и
LytE/F (эндопептидазы). Бреши в старых акцепторных цепях заполняются новыми
донорными цепями, и пептидные связи возобновляются с помощью «интеркалиру-
ющих» транспептидаз.

Перестройка структур, находящихся под внутренним напряжением — это слож-
ная задача, поскольку нужно локально лизировать муреин при сохранении его ри-
гидности. Она по-разному решается грамотрицательными и грамоположительными
бактериями.

Грамотрицательные бактерии образуют однослойный муреин, что не позволяет
без потери ригидности проделать брешь в старом муреине, чтобы заполнить ее но-
вым фрагментом. Выход был найден — согласно модели, получившей название «три
в обмен на один», под акцепторный триплет пептидогликановых цепей подслаива-
ется донорный триплет (рис. 44, А). Затем они соединяются пептидными связями
(рис. 44,Б). Только после этого удаляется центральная цепь в акцепторном триплете
(рис. 44, В), и донорный триплет вдвигается в монослой муреина (рис. 44,Г), увели-
чивая площадь его поверхности. Естественно, такая модель требует строго согла-
сования при функционировании отдельных компонентов внутри мультиэнзимного
комплекса.

Грамположительные бактерии образуют муреин, состоящий из многих слоев, по-
этому в этих слоях можно поочередно проделывать бреши, заполняя их свежим ма-
териалом. Согласно модели, получившей название «рост снизу вверх», при помощи
эндопептидаз во внутреннем слое удаляется фрагмент старого муреина (рис. 45,А).

Рис. 44- Схема перестройки муреина у грамотрицательных бактерий.

А, Б, В, Г — последовательные этапы.

Белыми кружками обозначены поперечные срезы акцепторных,
черными кружками—донорных пептидогликановых цепей.
Интактный наружный слой принимает тургорное давление на себя (рис. 45,Б).
Брешь заполняется новым фрагментом муреина, который не испытывает механиче-
ского стресса (рис. 45,В). Затем брешь проделывается в наружном слое, и тургорное
давление передается внутреннему слою вместе с расправленным новым фрагментом
(рис. 45,Г). В заключение замуровывается брешь в наружном слое (рис. 45,Д).

Рис. 45. Схема перестройки муреина у грамположительных бактерий.

А, Б, В, Г, Д — последовательные этапы; S — пептидогликановая цепь под
механическим стрессом; R — пептидогликановая цепь, не испытывающая стресса.

Сквозные отверстия в муреиновом слое. То, что от непрерывности муре-
инового слоя зависит физическая целостность клетки, казалось бы, исключает воз-
можность образования в нем сквозных отверстий. Однако это вполне реально, если
канал не открыт, а в него вставлена белковая «пробка», и вместе они выполняют
роль транспортной органеллы.

Первый пример такой органеллы — это межмембранный контакт Байера (см. раз-
дел 8.4.1.4). Хотя по определению для его образования необходимо пробуравить
отверстие в клеточной стенке (у трихомных бактерий это продольная стенка), су-
ществование канала не подтверждено прямыми морфологическими наблюдениями.

Второй пример — комплекс микроплазмодесмы, находящийся в поперечной стен-
ке трихомных бактерий. Существование микроплазмодесм подтверждается морфо-
логическими наблюдениями. Однако неизвестно, каково внутреннее строение этой
транспортной органеллы, состоящей из канала в клеточной стенке, который изнутри
выстлан мембраной десмотубулы.

Третий пример — это «комплекс контактной поры» (англ, junctional pore complex,
JPC). У трихомных цианобактерий сквозные отверстия в муреине расположены в
продольной стенке наклонно и образуют одинарные или двойные кольца, которые
с обеих сторон фланкируют поперечную стенку. Отдельный комплекс контактной
поры состоит из трубчатого канала диаметром 14-16 нм, проходящего сквозь СМ
и периплазматический компартмент с муреиновым слоем, и из терминальной части
размером 20x30 нм. Последняя связана с ОМ и образует в ней отверстие диаметром
8 нм. Через канал со скоростью 3 мкм-с-1 выдавливается слизь, что обеспечивает
реактивное движение трихома (см. раздел 8.6.2.1). Контактные поры также могут
играть роль «перфорационных» отверстий, облегчающих спонтанную или принуди-
тельную фрагментацию трихома. В результате этого трихом размножается путем
образования многоклеточных дочерних особей.

Любопытно, что цепочка аналогичных органелл (до 50) расположена на «брюш-
ной» стороне одноклеточной бактерии Acetobacter xylinum, синтезирующей внекле-
точную целлюлозу.

Обновление и процессинг муреина. Рост и деление клеток сопровождаются
активным обновлением муреина. Кроме того, процессинг муреина происходит при
его созревании, а также при биогенезе локомоторных органелл, при специфической
секреции и приобретении компетентности для генетической трансформации.

Ди-, три- и тетрапептиды, образующиеся в ходе обновления и процессинга муре-
ина, реутилизируются, а часть выделяется в окружающую среду (до 50% в каждом
поколении бактерий).

Рудименты муреина. Варианты бактерий, которые не имеют муреинового или
иного саккулуса, но тем не менее размножаются на агаризованных средах, назы-
ваются «L-формами» (от англ. Lister Institute). Они могут появляться спонтанно
или под влиянием разных внешних воздействий, в частности при продолжительном
культивировании в присутствии пенициллина. При удалении пенициллина они ре-
вертируют в формы, имеющие клеточную стенку. Стабильным L-формам это не
свойственно. Они не содержат затравочных фрагментов муреинового саккулуса,
хотя сохраняют рудименты муреина. Это не только простые нуклеотидные пред-
шественники моносахаров, но и блок-мономер муреина — ундекапренил-дисахарид-
пентапетид. Скорее всего, сборке полимерного муреина мешает отсутствие пеницил-
линсвязывающих белков, хотя некоторые L-формы синтезируют эти ферменты.

В качестве компенсации стабильные L-формы содержат более жесткую СМ, чем
у протопласта, что связано с появлением в ней особых ЛПС, а также с увеличением
содержания жирных кислот с короткой углеводородной цепью.

Отдельно упомянем представителей филы ВП Thermotogae. Возможно, что эти
архаичные бактерии содержат «лоскуты» муреина или муреиновый саккулус с очень
большими сквозными отверстиями.

Наконец, у хламидий (см. ниже) с помощью всех имеющихся методов не удается
выявить муреин. Тем не менее, они образуют РВР и проявляют чувствительность к
пенициллину, которая пока не находит объяснения.

8.4.3.2. Белковый саккулус

Альтернативой муреиновому саккулусу служит очень редко встречающийся у
бактерий белковый саккулус.

Белковый периплазматический ригидный слой у хламидий. Хламидии
(фила BXVI Chlamydiae), которые являются облигатными внутриклеточными па-
разитами и размножаются в вакуолях человека и животных, проявляют ряд пара-
доксальных свойств. В частности, они не содержат маркера муреина — мурамовой
кислоты, хотя у них есть РВР и они чувствительны к ингибиторам биосинтеза пеп-
тидогликана, пенициллину и D-циклосерину. На электронных микрофотографиях
хламидий не видно муреинового слоя, что подтверждается негативной иммунохи-
мической реакцией с использованием антител к муреину.

В то же время показано, что в периплазме покоящейся внеклеточной стадии
хламидий («элементарных тел») накапливаются два белка, один из которых имеет
молекулярную массу 12, а другой 60 кДа. Из-за высокого содержания остатков Cys
они получили название «цистеинбогатых» белков (англ, cysteine-rich protein, CRP).
Гены CRP образуют дицистронный оперон. Его анализ показал, что малый CRP
содержит 68 аминокислотных остатков (из них 14 остатков Cys), а большой 517
аминокислотных остатков (из них 37 остатков Cys). Сульфгидрильные группы CRP
образуют многочисленные дисульфидные мостики.

Малый CRP содержит ковалентно связанный липидный домен, заякоренный во
внутреннем полу мембранном листке ОМ. По-видимому, он выполняет такую же
роль, что и муреин-липопротеин Брауна (см. раздел 8.4.1.2). В свою очередь, моле-
кулы большого CRP связаны друг с другом дисульфидными мостиками и образуют
саккулус, к которому через дисульфидные мостики прикрепляются отдельные мо-
лекулы малого CRP.

Эволюционное происхождение белкового периплазматического ригидного слоя
у хламидий неизвестно. Есть идея, что большие CRP ведут начало от белковых
субъединиц S-слоя (см. раздел 8.5.2.3), которые в ходе эволюции потеряли способ-
ность транслоцироваться через ОМ остались в периплазматическом компартменте.
Там при помощи дисульфидредуктаз из них образовался саккулус. Дополнительным
селектирующим фактором послужила потеря способности к образованию пептидо-
гликана.

Структура ригидного слоя хламидий изменяется в зависимости от условий внеш-
ней среды. На вегетативной внутриклеточной стадии они представляют собой «ре-
тикулярные тела», у которых ригидный слой ослаблен в результате восстановления
дисульфидных мостиков. В свою очередь, на расселительной стадии «элементарных
тел» между CRP образуются многочисленные дисульфидные мостики.

Белковый периплазматический слой у Thermomicrobium. Согласно дан-
ным конца 1970-х годов, существует еще одна бактерия, содержащая периплаз-
матический слой белковой природы. Это облигатно анаэробный гипертермофил
Thermomicrobium roseum (оптимум роста 70-75°С), единственный представитель
филы BVII Thermomicrobia.

В отсутствии муреина функцию клеточной стенки у этой бактерии выполняет
белковый каркас. О нем известно лишь то, что он богат аланином, глицином, глу-
таминовой кислотой и пролином и состоит из субъединиц с молекулярной массой
~75 кДа.

8.4.4. Специализированные компартменты

Периплазматический компартмент — это мультифункциональная и динамичная
транзитная зона. Обычно он мал по сравнению с цитоплазматическим компартмен-
том и не годится для запасания полимеров, что потребовало бы секреции в пери-
плазму ферментов и энергетических затрат на импорт образующихся мономеров.
Видимо, по этим причинам в нем редко встречаются специализированные компарт-
менты.

В качестве примеров рассмотрим серные глобулы и периплазматические микро-
кристаллы.

8.4.4.1. Серные глобулы

Серные глобулы (англ, sulfur globule) образуются у ряда хемолитотрофных
и фотолитотрофных бактерий, принадлежащих к филе BXII Proteobacteria, на-
пример Achromatium oxaliferum, Beggiatoa alba, Chromatium vinosum и Thiocapsa
roseopersicina. Они содержат серу в качестве промежуточного продукта окисле-
ния экзогенного донора электронов — сульфида. Гидратированная «элементная» се-
ра (точнее, полисульфан Sn2-, где п>2) образуется при окислении сульфида с по-
мощью флавоцитохрома с или сульфид:хинон-оксидоредуктазы. Активные центры
этих ферментов расположены на наружной поверхности СМ. Энергия, освобож-
дающаяся при окислении сульфида, ассимилируется в форме Pmf, и это один из
примеров механизма, который называется экстрацитоплазматическим окислением
«простых» субстратов (см. II том учебника).

Когда запасы сульфида во внешней среде подходят к концу, в качестве эндо-
генного донора электронов начинает использоваться сера, которая окисляется до
сульфита, а затем до сульфата.

Серные глобулы имеют округлую форму. Их размер составляет от 100 нм до
>1 мкм. Они расположены в глубоких карманах периплазматического компартмен-
та, и создается впечатление, что прямо в цитоплазме. Окружает серную глобулу
неунитарная мембрана толщиной 3-4 нм, состоящая из гидрофобных полипептидов
молекулярной массой 8-11 кДа (гены sgpA, sgpB и sgpC). Все три препротеина со-
держат сигнальные пептиды и секретируются в периплазматический компартмент
с помощью генеральной Sec-системы (см. раздел 8.6.1). Белки SgpABC богаты гли-
цином и гомологичны цитоскелетным кератинам и фиброину шелка. Считается, что
они выполняют не ферментативную, а структурную роль.

8.4.4.2. Микрокристаллы

Выше уже шла речь о том, что семь видов квазифототрофных бактерий из класса
«Alphaproteobacteria» способны восстанавливать теллурит ТеОз2- до элементного
теллура Те0 (см. раздел 8.3.11.5).

Кристаллы теллура образуются и в цитоплазме, и в периплазматическом ком-
партменте. Во втором случае они, как правило, мельче (средний размер 8x50 нм).

Естественно, что периплазматическое восстановление теллурита в малотоксич-
ный теллур является более эффективным способом детоксикации по сравнению с
восстановлением в цитоплазме.

8.5. ЭКЗОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ КОМПАРТМЕНТ

В отличие от цитоплазматического и периплазматического компартментов, эк-
зоплазматический компартмент не отделен от окружающей среды унитарной мем-
браной. Но хотя он не имеет барьера, который отделял бы его от внешней среды,
это неотъемлемая часть клетки. В нем находятся следующие органеллы:

— надмембранные комплексы (у грамположительных бактерий и архей);

— экзоплазматические ригидные слои;

— придаточные структуры.

Все эти органеллы являются либо специализированными компартментами, либо
внешней частью специализированного компартмента. Они не обязательно присут-
ствуют в прокариотной клетке; некоторые встречаются эпизодически, а некоторые —
в виде исключения.
8.5.1. Надмембранные комплексы
у грамположительных бактерий и архей

Термин «надмембранный комплекс», или гликокаликс (греч. glycos — сладкий и
лат. calyx — кожица; «гликозилированный покров») обычно используется по отно-
шению к ядерным организмам, точнее, по отношению к животным, а также по
отношению тем протистам и грибам, которые не имеют клеточной стенки. Одна-
ко этот термин можно применять и как общецитологический, когда поверхностная
мембрана эукариотной или прокариотной клетки сообщается с экзоплазматическим
компартментом или прямо с окружающей средой.

Надмембранные комплексы содержат гидрофобный якорный домен, который
участвует в образовании мембранного матрикса, и гидрофильный домен, находя-
щийся на экзоплазматической поверхности мембраны.

У эукариотов надмембранные комплексы являются частью СМ и представлены
гликозилированными белками, а также липогликанами с короткой боковой цепью.
Они отвечают в основном за сигнальную рецепцию и рецептор-обусловленный вези-
кулярный транспорт.

В отличие от эукариотов, у прокариотов локализация надмембранных комплек-
сов определяется морфотипом — в грамотрицательных клетках они находятся в ОМ,
а в клетках, относящихся к грамположительному морфотипу или к археотному мор-
фотипу— в СМ.

Надмембранные комплексы бактерий, обладающих грамотрицательным морфо-
типом, представлены ЛПС или негликозилированными липопротеинами (см. раздел
8.4.1).

В свою очередь, у бактерий, обладающих грамположительным морфотипом, и у
архей надмембранные комплексы представлены:

— мембранными тейхоевыми кислотами;

— липополисахаридами, липогликанами или липоманнанами;

— негликозилированными липопротеинами и гликопротеинами.

Как и у эукариотов, важнейшей функцией надмембранного комплекса прока-
риотов является поверхностная рецепция. Ее специфичность зависит от структуры
полигликозидного или полипептидного домена, выставленного на экзоплазматиче-
скую поверхность СМ.

Кроме того, у лишенных клеточной стенки архей (р. Thermoplasma) надмембран-
ный комплекс выполняет не свойственную ему механическую роль. Он придает СМ
повышенную прочность, что необходимо для сохранения физической целостности
клетки в гипотонической среде, а также дает опору базальному телу вращающегося
жгутика.

8.5.1.1. Мембранные тейхоевые кислоты

Общие свойства тейхоевых кислот мы рассмотрим в разделе 8.5.2.1. Здесь же
мы остановимся только на полиглицеролфосфатных тейхоевых кислотах, которые
получили название «мембранных», «липотейхоевых» или «внутриклеточных».

В отличие от «стеночных» тейхоевых кислот (которые связаны с муреином кова-
лентно) и капсульных тейхоевых кислот (которые не связаны с другими полимерами
ковалентно), мембранные тейхоевые кислоты образуют ковалентную фосфодиэфир-
ную связь с гликолипидом, входящим в состав СМ.
Многие грамположительные бактерии одновременно содержат и стеночные, и
мембранные тейхоевые кислоты. Последние более распространены, а их биосинтез
меньше зависит от условий роста.

Главное различие между мембранной тейхоевой кислотой и стеночной тейхое-
вой кислотой (см. раздел 8.5.2.1) заключается в том, что в первом случае донором
мономера служит мембранный липид — фосфатидил-1-глицерол, и поэтому она со-
стоит из глицерол-1-фосфата (рис. 46, А). Во втором случае донором мономера слу-
жит растворимый ЦДФ-З-глицерол, и поэтому она состоит из глицерол-3-фосфата
(рис. 46, Б). Таким образом, глицеролфосфатные остатки этих биополимеров пред-
ставляют собой два разных энантиомера.

фосфатидил-1 -глицерол

Рис. 46. Изомеры глицеролфосфата, используемые при биосинтезе
двух типов тейхоевых кислот.

А — глицерол-1-фосфат (мембранная тейхоевая кислота);

Б — глицерол-3-фосфат (стеночная тейхоевая кислота).

Цепь мембранной тейхоевой кислоты обычно состоит из 16-40 мономеров глице-
рол-1-фосфата. В случае Lactococcus garviae между глицеролфосфатными остатками
встраивается дигалактозил. К основной цепи присоединяются различные заместите-
ли — остатки D-аланина, а также галактозы, глюкозы и N-ацетилглюкозамина. Реже
это ди-, три- и тетрасахариды.

Липидный «якорь» мембранной тейхоевой кислоты имеет разное строение, хо-
тя обычно он представлен дигексозил-диацил-глицеролом (рис. 47). Негликозилиро-
ванные варианты очень редки и встречаются только у некоторых штаммов Bacillus
coagulans и В. megaterium.

глю глю

Рис. 41- Мембранная тейхоевая кислота.

X —остаток D-аланина (или — Н); глю — остаток глюкозы; Ri и R2 —остатки жирных кислот.

Биосинтез мембранных тейхоевых кислот осуществляется при помощи полимера-
зы на экзоплазматическом полумембранном листке СМ. Мы уже упоминали о том,
что в отличие от стеночных тейхоевых кислот, донором мономера для мембранных
тейхоевых кислот служит не растворимый ЦТФ-З-глицерол, а мембранный фосфа-
тидил- 1-глицерол.

Мембранные тейхоевые кислоты полифункциональны. Прежде всего они связы-
вают дивалентные катионы. Это обеспечивает ионный гомеостаз экстраплазматиче-
ских ферментов, в частности, регулирует активность автолизинов.

Особо важна минорная мембранная тейхоевая кислота, которая в качестве липо-
фильного носителя участвует в биосинтезе стеночных тейхоевых кислот (см. раздел
8.5.2.1). В отличие от главной фракции она содержит меньше субъединиц и не два,
а целых три жирнокислотных «хвоста».

Длинные цепи мембранных тейхоевых кислот пронизывают клеточную стенку
насквозь и в отдельных случаях выступают над поверхностью. Там они, по аналогии
со стеночными тейхоевыми кислотами и ЛПС, проявляют комплекс адгезионных,
антигенных и токсигенных свойств.

8.5.1.2. Липополисахариды и липогликаны

ЛПС и липогликаны (липоглюканы и липоманнаны) содержат липидный кор и
боковую цепь. У липополисахаридов она состоит из повторяющихся олигосахарид-
ных субъединиц, а у липоглюканов и липоманнанов — из идентичных гликозидных
мономеров.

Липополисахариды и липогликаны у архей, лишенных клеточной стен-
ки. Напомним, что уникальные липиды архей представляют собой простые ди- и
тетраэфиры глицерола или кальдитола со спиртами, имеющими полиизопреноидный
С15-, Сго-5 С25- и Сдо-радикал. Они образуют билипидный или квази-билипидный
слой, лежащий в основе СМ (см. раздел 8.3.3). В некоторых случаях такие липиды
служат гидрофобным якорем для липоманнана.

Термофильный археот Thermoplasma acidophilum (фила АП Euryarchaeota) ли-
шен клеточной стенки и является аналогом бактериальных микоплазм. До 3% его
клеточной массы составляет ЛПС (5,3 кДа). Боковая цепь состоит из восьми блоков
(каждый из трех остатков маннозы, соединенных связями al—+2, al—>3 и al—>4).
Кор состоит из остатка глюкозы, который в положении 1 присоединяется к свободно-
му гидроксилу полиизопреноидного тетраэфира. Благодаря тому, что у термоплазм
в состав СМ входят ЛПС, она приобретает повышенную прочность, что позволяет
клеткам сохраниться в агрессивной физико-химической среде. Жесткость СМ дает
возможность заякоривать в ней базальные тела жгутиков, несмотря на отсутствие
ригидной клеточной стенки (см. раздел 8.6.2.3).

Археотные липоглюканы, боковая цепь которых состоит из трех остатков
(не)фосфорилированной глюкозы, имеются у представителей родов Pyrobaculum
и Thermoproteus, а также у других гипертермофильных архей из филы AI
Crenarchaeota.

Липогликаны у грамположительных бактерий, имеющих клеточную
стенку. В качестве интересного примера можно привести мультидоменный полимер
Bifidobacterium bifidum. Его боковая цепь состоит из двух субдоменов — дистального
полигалактофуранозного и проксимального полиглюкопиранозного (связи (31—>4).
Концевой участок образован глицерол-1-фосфатом и замещен L-аланином в поло-
жении 3. Липидный якорь представлен галактозил-диацил-глицеролом и аналогичен
липидному якорю мембранной тейхоевой кислоты (см. рис. 47).

Характерными примерами бактериальных липоманнанов служат мультидомен-
ные полимеры Micrococcus flavus, М. luteus и М. sodonensis. Боковая цепь у них об-
разована 50-70 остатками маннопиранозы (связи al—*2, al—>3 и al—>6), из которых
10-25% несут сукцинильные заместители. Концевой участок состоит из несукци-
нилированных остатков маннозы, а липидный якорь аналогичен липидному яко-
рю мембранной тейхоевой кислоты и представлен дигалактозил-диацил-глицеро-
лом (см. рис. 47). Судя по многочисленным анионным группам, такие липоманнаны
функционально сходны с мембранными тейхоевыми кислотами.

Липополисахариды и липогликаны у микоплазм. Из всех микоплазм
способностью образовывать ЛПС, по-видимому, обладает только Mycoplasma
neurolyticum.

Примерами микоплазм-бактерий, содержащих липогликаны, являются Achole-
plasma granularum и Anaeroplasma abactoclasticum. В отличие от микоплазм-архей
(термоплазм), их гидрофобный якорный домен образован не полиизопреноидным
тетраэфиром, а «обычным» диацилглицеролом.

8.5.1.3. Негликозилированные липопротеины и гликопротеины

Липопротеины удерживаются в клеточной оболочке с помощью липидного якоря.
Это позволяет им выполнять разнообразные функции, находясь в иммобилизован-
ном состоянии.

Негликозилированные липопротеины у грамположительных бакте-
рий. В качестве примера можно привести пенициллиназу Bacillus licheniformis и
Staphylococcus aureus. Этот фермент подвергается посттрансляционной модифика-
ции — подобно липопротеину Брауна он «липидируется» на своем N-конце (см. раз-
дел 8.4.1.2). Сигнальная пептидаза, участвующая в этом процессе, так же ингиби-
руется глобомицином.

По аналогии с грамотрицательными бактериями, у которых имеются периплаз-
матические «связывающие» ВР-белки (см. раздел 8.4.2), грамположительные бак-
терии содержат «связывающие» липопротеины, которые иммобилизованы на СМ.
Например, у Streptococcus pneumoniae продукты оперонов mal и ami участвуют со-
ответственно в транспорте мальтозы и олигопептидов. Дополнительными компонен-
тами системы транспорта олигопептидов, которые не кодируются опероном ami, слу-
жат «связывающие» липопротеины АН А и АНВ. Примером «связывающего» белка
с широкой субстратной специфичностью по отношению к аналогам раффинозы слу-
жит липопротеин MsmE, обнаруженный у возбудителя кариеса Streptococcus mutans.

Липопротеины грамположительных бактерий выполняют роль адгезинов. В ка-
честве примера можно привести липопротеин SsaB (35 кДа) Streptococcus sanguis,
который взаимодействует с гликопротеинами эпителиальных клеток слизистой обо-
лочки ротовой полости человека.

Другим примером служит липопротеин PrtM (от англ, proteinase maturation
protein). Он участвует в посттрансляционном процессинге протеазы. С помощью
этого фермента бактерии рода Lactococcus расщепляют казеин молока на макропеп-
тиды, что приводит к образованию сырного сгустка.

Наконец, липопротеины грамположительных бактерий могут участвовать в сиг-
нальном каскаде при дифференциации эндоспор и при конъюгации, а также выпол-
нять структурную роль, взаимодействуя с пептидогликаном.

Гликопротеины у архей, не имеющих клеточной стенки. Гликопротеин,
входящий в состав СМ археотной микоплазмы Thermoplasma acidophilum, содержит
большой гликановый домен, присоединенный по остатку Asp. К дистальному концу
кора, состоящего из десяти остатков галактозы, глюкозы, маннозы и N-ацетил гл юко-
замина прикрепляются две разветвленные полиманнозные цепи (общее число остат-
ков маннозы — 34). Совместно с ЛПС эти гликопротеины отвечают за механическую
прочность СМ, а также определяют адгезивные свойства клеточной поверхности.

8.5.2. Экзоплазматические ригидные слои у бактерий

Экзоплазматические ригидные слои у бактерий гетерогенны по строению и функ-
циям.

Напомним, что большинство фил домена Bacteria (23 из 24) состоит из объек-
тов, обладающих грамотрицательным морфотипом. Если у них имеется ригидный
слой, то это обычно муреиновый саккулус, расположенный в периплазматическом
компартменте (см. раздел 8.4.3.1).

В некоторых случаях грамотрицательные бактерии помимо муреина содержат
дополнительные ригидные слои, которые находятся в экзоплазматическом компарт-
менте. Они не только дублируют механопротекторную функцию муреинового сакку-
луса, но и используются для других целей. Исключение составляют представители
филы BXV Planctomycetes, у которых заместителем муреинового саккулуса служит
паракристаллический поверхностный слой (см. раздел 8.5.2.3).

Напомним о том, что бактерии, обладающие грамположительным морфотипом,
относятся к филам ВХШ Firmicutes и BXIV Actinobacteria. За исключением ми-
коплазм все они содержат экзоплазматический саккулус. Однако в отличие от му-
реинового саккулуса грамотрицательных бактерий это бинарный полимер — наряду
с муреиновым доменом в него входят другие гликановые полимеры (производные
тейхоевых и тейхуроновых кислот, или тейхоаты, и производные миколовых кислот,
или миколаты).

8.5.2.1. Муреин-тейхоатный саккулус

В разделе 8.4.3.1 мы уже рассматривали особенности строения муреина в эндо-
спорах (которые образуются у многих грамположительных и некоторых грамотри-
цательных бактерий). Однако различия в строении муреина наблюдаются и меж-
ду вегетативными клетками двух морфотипов — грамотрицательные и грамположи-
тельные бактерии не только образуют муреин разного молекулярного состава, но и
с разным пространственным строением.

Специфика муреина у грамположительных бактерий. Помимо того, что
муреин грамположительных бактерий образует несколько монослоев, он содержит
большое количество пептидных сшивок — ив плоскости каждого монослоя, и между
соседними монослоями. Например, 40% остатков мурамовой кислоты в вегетатив-
ных клетках Bacillus subtilis присоединяют боковые олигопептидные цепи, причем
в них 99% остатков ДАП амидируются по свободной карбоксильной группе. Боко-
вые цепи, не участвующие в образовании поперечных сшивок, на 85% «урезаны»
до трипептидов. Гликановые цепи муреина В. subtilis состоят из ~200 моносахаров,
причем около 2% остатков мурамовой кислоты ковалентно связаны с тейхоевыми
кислотами.

Таким образом, муреин грамположительных бактерий имеет большую толщи-
ну, содержит много сшивок и высокоригиден. В то же время он представляет со-
бой молекулярное сито, в ячейках которого помещаются вспомогательные полиме-
ры клеточной стенки, удерживаются ферменты и ионы. Это своеобразный квази-
периплазматический компартмент, хотя в отличие от квази-периплазматического
компартмента бактерий группы «mycolata» (см. раздел 8.5.2.2) он не имеет внеш-
ней билипидной границы, а в отличие от паракристаллического S-слоя (см. раздел
8.5.2.3) не построен из белковых субъединиц.

Стеночные тейхоевые кислоты. Мы уже рассматривали «мембранные» тей-
хоевые кислоты (см. раздел 8.5.1.1), а в дальнейшем уделим внимание и «капсуль-
ным» тейхоевым кислотам (см. раздел 8.5.4.1).

Помимо двух этих типов тейхоевых кислот существуют также «стеночные» тей-
хоевые кислоты, или собственно тейхоевые кислоты (греч. teichos — стенка). Они
входят в состав клеточной стенки большинства грамположительных бактерий. Неко-
торые грамположительные бактерии их не содержат, а у грамотрицательных бакте-
рий они полностью отсутствуют.

Тейхоевые кислоты накапливаются в клеточной стенке в примерно равном или
даже в большем количестве, чем другие компоненты. На их долю приходятся 30-
70% массы муреино-тейхоатного саккулуса (75% у Listeria monocytogenes).

Тейхоевые кислоты весьма разнообразны, и даже отдельная бактерия может об-
разовывать несколько разных по составу и полидисперсных по длине тейхоевых
кислот.

Мономерами тейхоевых кислот являются рибитол-5-фосфат (рибитолтейхоевые
кислоты) или глицерол-3-фосфат (глицеролтейхоевые кислоты). Реже образуются
сополимеры двух этих полиолов. Иногда в состав основной цепи тейхоевой кислоты
внедряются остатки сахаров, например галактозы. Уникальные тейхоевые кисло-
ты некоторых актиномицетов содержат четырехатомный эритритол. Общая длина
тейхоевой кислоты составляет 7-40 полиольных остатков.

Через гидроксилы, не участвующие в образовании фосфодиэфирных связей, к
по л иол фосфатному скелету тейхоевой кислоты могут присоединяться моно-, ди-,
три и тетрасахариды из остатков галактозы, глюкозы, N-ацетилгалактозамина или
N-ацетилглюкозамина, связанных ос- и |3-гликозидными связями. Помимо глико-
зильных остатков среди заместителей встречаются остатки D- или L-аминокислот,
ацетила и сукцинила (рис. 48).

АманК AnnoN

тейхоат , , LU

Рис. 48. Стеночная тейхоевая кислота.

LU — линкер; ала — остаток аланина; АглюМ—остаток N-ацетилглюкозамина; AmbhN — остаток
N-ацетилманноэамина; und — ундекапренил; Ф — фосфатная группа.

Тейхоевые кислоты присоединяются к б-му атому углерода мурамовой кислоты
через линкерный участок (англ, linkage unit, LU), образованный тремя остатками
3-глицеролфосфата, остатком N-ацетил-маннозамина и остатком N-ацетилглюкоза-
мина (рис. 48).

Биосинтез тейхоевых кислот. Линкерный участок собирается на ундекапре-
нилфосфатном носителе из молекулы УДФ-ацетилманнозы, молекулы УДФ-М-аце-
тилглюкозамина и трех молекул ПДФ-З-глицерола. В этом процессе участвуют
несколько интермедиатов (липиды I—IV), и он избирательно подавляется антибио-
тиком туникамицином.

Отдельно от линкерного участка осуществляется поэтапная сборка полирибитол-
фосфата или полиглицеролфосфата. Для этого используется «липотейхоевая кис-
лота-переносчик» (англ, lipoteichoic acid carrier, LTC), структурно сходная с мем-
бранной тейхоевой кислотой. Сборка осуществляется при помощи мембраносвязан-
ной полимеразы. Донорами полиола служат ЦДФ-5-рибитол или ЦДФ-З-глицерол
(рис. 49). Готовая цепь переносится на линкерный участок, который через фосфо-
эфирную связь присоединяется к муреину.

Функции тейхоевых кислот. Подобно нуклеиновым кислотам, тейхоевые кисло-
ты имеют спиртофосфатный скелет и поэтому являются полианионами. Благодаря
разнообразию боковых заместителей они приобретают свойства «информационных»
молекул, которые участвуют во взаимном распознавании живых объектов, и в этом
Рис. 49. Транспортные формы многоатомных спиртов,
используемые при биосинтезе стеночных тейхоевых кислот.
А — цитидиндифосфат-рибитол; Б — цитидиндифосфат-3-глицерол;
Р —фосфатная группа.

отношении напоминают ЛПС. Как и большинство бактериальных биополимеров,
тейхоевые кислоты полифункциональны:

— в качестве компонента грамположительной клеточной стенки они участвуют в
ее обновлении, а также в клеточном росте и делении;

— они иммобилизуют катионы и служат ионным буфером для ферментов, свя-
занных с клеточной оболочкой;

— являются фактором (не)специфической адгезии бактерий к живым и мертвым
субстратам, что способствует образованию биопленок;

— служат рецепторами для некоторых бактериофагов;

— обладают антигенными свойствами и являются фактором патогенности; по
аналогии с ЛПС в малых дозах они стимулируют иммунную систему, а в больших
дозах вызывают септический шок.

Благодаря взаимному отталкиванию фосфатных групп муреин-тейхоатный сак-
кулус расправляется и приобретает пористую структуру. Эти же группы образуют
мостики с катионами Mg2+. При наличии гликозильных и других заместителей вто-
рая валентность магния используется для связывания отрицательно заряженных
молекул, например белковых адгезинов.

Тейхуроновые кислоты. При фосфорном голодании грамположительные бак-
терии синтезируют стеночные тейхуроновые кислоты, которые через неидентифи-
цированный линкерный участок присоединяются к мурамовой кислоте в составе
муреина. Моноблок тейхуроновой кислоты Micrococcus lysodeikticus представляет
собой дисахарид, состоящий из глюкозы и N-ацетил-маннозаминуроновой кислоты,
которые связаны al—>4 гликозидной связью. Неразветвленная цепь состоит из 10-40
моноблоков, соединенных (31—»б гликозидной связью (рис. 50).

Рис. 50. Тейхуроновая кислота.

LU — линкер; глю — остаток глюкозы; МанК — остаток N-ацетил-маннаминуроновой кислоты.

Полимер синтезируется из УДФ-глюкозы и УДФ-М-ацетил-маннозаминуроновой
кислоты. По аналогии с тейхоевой кислотой, линкерный участок собирается на ли-
пидном носителе, которым служит ундекапренилфосфат. На нем же происходит
сборка цепи тейхуроновой кислоты из дисахаридных блоков.

Относительно короткие тейхуроновые кислоты (п<100) встречаются только у
грамположительных бактерий, в то время как длинноцепочечные тейхуроновые кис-
лоты молекулярной массой ~500 кДа обнаружены и у некоторых грамотрицатель-
ных бактерий. Примером служит Е. coli, у которой они входят в состав капсулы (см.
раздел 8.5.4.1).

Функции стеночных тейхуроновых кислот более узкие, чем функции тейхоевых
кислот, поскольку из-за отсутствия гликозильных и иных заместителей их структура
однообразна.

8.5.2.2. Муреин-миколил-арабиногалактановый саккулус.

Особенности клеточной оболочки у бактерий группы «mycolata»

В сборную группу «mycolata» входят представители восьми родов из филы
BXIV Actinobacteria—Corynebacterium, Dietzia, Gordona, Mycobacterium, Nocardia,
Rhodococcus, Skermania и Tsukamurella. Среди них есть как сапрофиты, так и пато-
гены животных, поселяющиеся в макрофагах, в частности М. tuberculosis, которая
инфицирует ~30% населения Земли и ежегодно убивает ~3 млн людей. Микобакте-
рии не образуют токсинов, и вызываемые ими патологии связаны с неадекватным
иммунным ответом хозяина.

Традиционные возбудители туберкулеза и проказы (М. tuberculosis и М. leprae)
устойчивы к неблагоприятным физико-химическим условиям, а также к «обычным»
антибиотикам и химиотерапевтическим препаратам. Это касается и сапрофитных
форм, которые поражают лиц с нарушенной иммунной системой, особенно если они
инфицированы вирусом HIV (М. kansasii, М. chelonae и др.). В первую очередь это
объясняется очень слабой проницаемостью клеточной оболочки. Тем не менее, бак-
терий группы «mycolata» подавляет аминогликозидный антибиотик рифампицин и
химиопрепарат изониазид.

Генеральный план строения клеточной оболочки. Клеточная оболочка
«mycolata» уникальна.

К муреиновому саккулусу ковалентно присоединяется гетерополимер арабино-
галактан, этерифицированый «миколовыми» кислотами (англ, mycolic acid). В ре-
зультате этого возникает тройственный муреин-миколил-арабиногалактановый сак-
кулус.

Периферические углеводородные цепи миколовых кислот образуют липидный
монослой, на поверхности которого лежит второй монослой, состоящий из «сво-
бодных» липидов и гликолипидов со встроенными белками. Таким образом, у
«mycolata» есть билипидная мембрана, аналогичная ОМ. Такая квази-ОМ является
внешней границей квази-периплазматического компартмента (рис. 51).

Клеточная оболочка «mycolata» исключительно сложна и вариабельна, что свя-
зано с составом ее компонентов и их взаимодействием. Хотя она обогащена липида-
ми, ее наружная часть в основном содержит полисахариды и белки.

Надмембранный комплекс: липоманнаны и липоарабиноманнаны. Ли-
поманнаны и липоарабиноманнаны (англ, lipomannan, LM; lypoarabinomannan,
LAM)—еще один пример надмембранных комплексов, которые мы уже рассмат-
ривали в разделе 8.5.1.2.

Эти полимеры относятся к семейству фосфатидилглицерол-маннозидов. У них
имеется кор, состоящий из мембранного липида фосфатидилинозитола и двух остат-
ков маннозы (англ, phosphatydylinositol dimannoside, PIM2).

Основу липоманнана образует линейная полигликозидная цепь из остатков ман-
нопиранозы, которые соединены связями al—>6. В отдельных местах через связи
al—>2 к ней присоединяются боковые остатки маннозы (рис. 51).

В свою очередь, липоарабиноманнаны состоят из проксимальной маннановой ча-
сти и дистальной арабинановой части. Последняя содержит кэп из двух остатков
маннозы, который при фагоцитозе взаимодействует с маннозным рецептором.

Липоманнаны и липоарабиноманнаны являются функциональной альтернативой
тейхоевых кислот (см. раздел 8.5.2.1). Они тоже проявляют биологическую актив-
ность, в частности выступают в качестве иммуномодуляторов и ключевых лигандов
при фагоцитозе. Кроме того, они выполняют важную роль в вирулентности этих
бактерий.

Особенности муреина у бактерий группы «mycolata». Почти у всех
«mycolata», исключение составляет род Corynebacterium, мурамовая кислота со-
держит в N-положении не ацетил, а остаток гликолевой кислоты СН2(ОН)СООН.
Появление дополнительного гидроксила не может не сказаться на системе водо-
родных связей внутри саккулуса, хотя конкретный результат этой модификации
не ясен. Вторая особенность муреина «mycolata» — это то, что боковые пептидные
цепи могут быть соединены как через остатки ДАП и Пала, так и через остатки
ДАП.

Связанные липиды: миколил-арабиногалактан. Эти липиды называются
«связанными», поскольку они составляют неотъемлемую часть саккулуса, и их нель-
зя экстрагировать органическими растворителями. Арабиногалактановый домен со-
держит неразветвленную цепь из ~30 остатков галактофуранозы, поочередно соеди-
ненных связями al—>5 и al—*6. При помощи линкерной единицы, состоящей из рам-
квази-ОМ

квази-периплазматический
компартмент

СМ

О арабиноза
ф галактоза
О манноза
А трегалоза

Рис. 51. Строение клеточной оболочки у бактерий из группы «mycolata».

СМ — цитоплазматическая мембрана; квази-ОМ — квази-наружная мембрана; LM—липоманнан; LAM —
липоарабиноманнан; LU—линкер; рам — остаток рамнозы; АглюЫ— остаток N-ацетилглюкозамина; Р —
фосфатная группа; ТМНА — тетрамиколил-гексаарабинозид; CF — корд-фактор; SL — сульфолипид;

PGL — фенольный гликолипид; О-рам — остаток оксиметилрамнозы; фен — фенил; TAG —
триацилглицерол; LOS — липоолигосахарид; osc — олигосахаридная боковая цепь; GPL —
гликопептидолипид; PIM — фосфоинозитол-диманнозид.

нопиранозы и ацетилглюкозамина, галактановая цепь через фосфоэфирный мостик
присоединяется к 6-му атому углерода у 10-12% остатков мурамовой кислоты. К га-
лактановой цепи прикреплены разветвленные арабинановые цепи из 10-20 остатков
арабинофуранозы, соединенных связями al—*3 и al—*5 (рис. 51).
На концах арабинановых цепей расположены три липидных домена. Каж-
дый из них представляет собой тетрамиколил-гексаарабинозид (англ, tetramycolyl
hexoarabinoside, ТМНА). Его углеводный каркас состоит из остатков арабинофура-
нозы, соединенных связями al—>3, al—>5, (31—>2 и (31—>5. Четыре боковых остатка
гексаарабинозного блока этерифицированы в положении 5 остатками «миколовых»
кислот (рис. 52).

Миколовые кислоты — это (3-гидроксикислоты с двумя алкильными радикалами
(рис. 52). Более консервативный радикал из 20-25 атомов углерода занимает а-поло-
жение. Более вариабельный радикал из 50-65 атомов углерода, или «меромиколат»
(англ, meromycolate) занимает (3-положение. В нем имеются двойные связи, и он
содержит циклопропановые и эпокси-кольца, а также метильные, кето- и метокси-
группы.

Как правило, миколовые кислоты представляют собой не индивидуальные соеди-
нения, а набор гомологов (числом до 15). Биосинтез миколовых кислот, составляю-
щих 30-40% массы клеточной оболочки — серьезная нагрузка на метаболизм, особен-
но для медленно растущих форм, время генерации которых свыше 24 ч. Поэтому
эндосимбиотические микобактерии для образования липидов используют жирные
кислоты, которые они получают от макроорганизма. Биосинтез миколовых кислот
ингибируется изониазидом (англ, isoniazid, INH), который действует на меромико-
лат-синтазу и поэтому является сильным противотуберкулезным препаратом.

Свободные липиды. «Свободными» эти липиды называются потому, что не
образуют ковалентной связи с муреин-арабиногалактановым саккулусом. Их можно
экстрагировать органическими растворителями, и они подразделяются на поляр-
ные и неполярные. Как уже отмечалось, на основе свободных липидов, с внешней
стороны, и тетрамиколил-гексаарабинозида, с внутренней стороны, образуется би-
липидная мембрана (квази-ОМ).

Главные представители свободных полярных липидов содержат нередуцирующий дисахарид
трегалозу, которая состоит из двух остатков глюкозы, связанных связью al—>4. Их характерным
примером служит 6,6димикол ат трегалозы (англ, trehalose dimycolate, TDM), или «корд-фактор»
(англ, cord factor, CF). Смысл названия заключается в том, что димиколат трегалозы одно вре-
мя считали главным фактором вирулентости М. tuberculosis', его присутствием также объясняли
рост на поверхности жидкой питательной среды в виде «тяжей» (англ, cord — шнур). В дальней-
шем корд-фактор был найден как у сапрофитных микобактерий, так и у не образующих тяжей
патогенных микобактерий. Это вещество используется в качестве компонента «неполного», т. е. без
добавления авирулентных клеток М. tuberculosis, адъюванта Фрейнда (J. Freund), который действу-
ет как сильный иммуностимулятор. Помимо димиколата трегалозы существует еще и мономиколат
трегалозы (англ, trehalose monomycolate, ТММ), который является транспортной формой миколо-
вых кислот.

Еще одним примером свободных полярных липидов, в составе которых есть тре-
галоза, служит сульфолипид SL (от англ, sulfolipid). Наряду с остатками «обычной»
С1б-пальмитиновой кислоты он содержит три остатка уникальной микоцерозной
кислоты (англ, mycocerosic acid), гидрофобный «хвост» которой построен из изо-
пропильных блоков (рис. 53). В связи с этим напомним, что множественное внут-
реннее ветвление липидных «хвостов» не свойственно бактериям, зато характерно
для уникальных липидов архей (см. раздел 8.3.3.2).

Помимо тетраацил-сульфолипида SL, к числу гликолипидов на основе трегало-
зы принадлежат диацилтрегалоза DAT (от англ, diacyl trehalose), триацилтрегало-
за ТАТ (от англ, triacyl trehalose) и пентаацилтрегалоза РАТ (от англ pentaacyl
trehalose).
но

Рис. 52. Тетрамиколил-гексаарабинозид.
ара — остаток арабинозы.
Другим примером свободных полярных липидов служат фенольные гликолипи-
ды (англ, phenolic glycolipids, PGL). Их гликозидная часть представлена 0-метил-
рамнозой. Через фенильную группу она связана с липидным доменом, который со-
стоит из длинноцепочечного воскообразного спирта фтиоцерола (англ, phthiocerol).
Фтиоцерол относится к двухатомным спиртам, или гликолям. Обе его гидроксиль-
ные группы этерифицированы микоцерозной кислотой (рис. 53).

Рис. 53. Сульфолипид (SL) и фенольный гликолипид (PGL).
тре — остаток трегалозы; О-рам — остаток оксиметилрамнозы.

Неполярные свободные липиды, представленные триацилглицеридами (англ,
triacylglyceride, TAG), образуют минорную фракцию свободных липидов. В их со-
став входят жирные кислоты с алифатическими радикалами средней длины.

Ацилированные производные трегалозы (фтиоцерол-димикоцерозаты и три-
ацилглицериды) однообразны по структуре и не отвечают за специфическую фи-
зиономию клеточной поверхности бактерий из группы «mycolata». Этим они отли-
чаются от высоко специфичных липополисахаридов и гликопептидолипидов.

Липоолигосахариды (англ, lipooligosaccharide, LOS). Совместно со сво-
бодными липидами они образуют экзоплазматический полумембранный листок ква-
зи-ОМ. Представители данной группы гликолипидов состоят из трегалозы. Первый
глюкозный остаток этерифицирован двумя длинноцепочечными жирными кислота-
ми, а со вторым глюкозным остатком связана боковая олигосахаридная цепь (англ,
oligosaccharide side chain, OSC). Она состоит из мономеров глюкозы, к которым в
некоторых случаях присоединяются остатки пирувата.

Гликопептидолипиды (англ, glycopeptidolipide, GPL). Эти соединения
также входят в состав экзоплазматического полумембранного листка квази-ОМ.
Они являются одними из важнейших поверхностных антигенов бактерий из груп-
пы «mycolata». Тетрапептидный кор GPL состоит из остатков D-фенилаланина, D-
треонина и D-аланина, а также остатка аминоспирта D-аланинола, с которым связан
остаток О-диметил-Ь-рамнозы. К гидроксильному радикалу треонина присоединя-
ется олигосахаридная цепь. Она состоит из остатков L-рамнозы и дезокситалозы, а
аминогруппа фенилаланина несет остаток а-гидроксилированной жирной 028-кис-
лоты.

С накоплением GPL связывают способность патогенных микобактерий модули-
ровать иммунный ответ макроорганизма путем взаимодействия с поверхностью его
клеток, а также персистировать, т. е. устойчиво сохраняться внутри макрофагов.

Квази-наружная мембрана. Под электронным микроскопом в оболочке
«mycolata» видны чередующиеся зоны с высокой и низкой электронной плотностью,
что внешне напоминает оболочку грамотрицательных бактерий. Действительно, по-
мимо СМ клетка окружена вторым билипидным барьером —квази-ОМ.

Структурно-функциональное сходство между «mycolata» и грамотрицательны-
ми бактериями на самом деле существует, однако оно носит конвергентный харак-
тер, поскольку квази-ОМ не содержит «обычных» ЛПС, «обычных» поринов и ли-
попротеина Брауна. Кроме того, между СМ и квази-ОМ не образуются зоны адгезии
(контакты Байера). Подобно ОМ грамотрицательных бактерий, квази-ОМ ковалент-
но связана с муреином. Однако связь осуществляется не за счет полипептидной цепи
липопротеина Брауна, а с помощью полигликозидной цепи миколил-арабиногалак-
тана.

И все же квази-ОМ является самой настоящей унитарной мембраной. Углево-
дородные цепи миколовых кислот ориентируются перпендикулярно клеточной по-
верхности и благодаря своей плотной упаковке образуют цитоплазматический полу-
мембранный листок. Экзоплазматический полумембранный листок состоит из сво-
бодных липидов, LOS и GPL (см. рис. 51). Поскольку миколовые кислоты намного
превосходят по длине другие жирные кислоты, толщина квази-ОМ максимальна
для унитарной мембраны (9-10 нм).

Квази-ОМ обладает низкой текучестью. Температура ее плавления превышает
70°С, в отличие от мембран мезофилов, которые обычно плавятся при -10°С (см.
раздел 8.3.3.1). Латеральная диффузия молекул внутри квази-ОМ также ограни-
чена. Таким образом, квази-ОМ представляет собой прочный гидрофобный барьер,
который задерживает гидрофильные соединения. В то же время через него могут
диффундировать гидрофобные субстраты, в том числе гидрофобные антибиотики.

Квази-ОМ бедна белками, и их функции в большинстве случаев неизвестны. В
качестве примера можно привести VapA — минорный липопротеин Rhodococcus equi.
В отличие от обычных липопротеинов, он не имеет N-терминального цистеинового
мотива (см. раздел 8.4.1.2).

Проблема транспортировки гидрофильных соединений через квази-ОМ разре-
шается с помощью поринов.

Порины квази-наружной мембраны. В настоящее время описаны два белка,
образующие гидрофильные поры в квази-ОМ. Это низкоактивный канал OmpATb
и порин MspA.

Белок OmpATb гомологичен белку ОтрА грамотрицательных бактерий. С его
помощью эндосимбиотическая бактерия М. tuberculosis экспортирует гидрофильные
основания, в частности катион аммония, что позволяет ей бороться с высокой кис-
лотностью внутри фагосом у макрофагов.

Порин MspA (100 кДа), имеющийся у М. smegmatis, не гомологичен поринам гра-
мотрицательных бактерий. Он обладает бочковидной структурой и помимо антипа-
раллельных |3-цепей содержит 10% а-спиральных участков. Тетрамер этого белка
образует конусовидную пору длиной 10 нм, через которую проходят разнообраз-
ные гидрофильные молекулы, в том числе питательные субстраты. В квази-ОМ
М. tuberculosis и М. bovis содержатся, по крайней мере, два порина, не гомологич-
ные порину MspA.

Квази-периплазматический компартмент бактерий из группы «тусо-
lata». В этом компартменте (см. рис. 51) находятся надмембранный комплекс и сак-
кулус, а также квази-периплазма, содержащая растворимые белки, малые молекулы
и ионы. В отличие от периплазмы у грамотрицательных бактерий (см. раздел 8.4.2),
состав квази-периплазмы не детализирован. Однако ясно, что среди иммобилизован-
ных ферментов должны быть гликозилтрансферазы и транспептидазы, с помощью
которых синтезируется материал клеточной стенки.

8.5.2.3. Паракристаллический поверхностный слой

В экзоплазматическом компартменте бактерий из разных фил, обладающих как
грамотрицательным, так и грамположительным морфотипом, находится белковый
ригидный слой. Его называют «паракристаллическим поверхностным слоем», «по-
верхностным S-слоем», или просто «S-слоем» (от англ, surface — поверхность).

Хотя S-слой встречается довольно часто (он выявлен примерно у 350 штаммов,
относящихся к 100 родам), преобладающее большинство бактерий его не образу-
ет. Напротив, у архей это почти универсальный и часто единственный компонент
клеточной оболочки (см. раздел 8.5.3.1).

Следует подчеркнуть, что у бактерий S-слой очень редко является единственным
ригидным слоем. Обычно он сосуществует с муреиновым саккулусом, и поэтому одно
время его называли «A-слоем» (от англ, additional — вспомогательный). Как прави-
ло, он не выполняет формообразующей роли, и его присутствие или отсутствие не
сказывается на внешнем виде клетки. При росте в лабораторных условиях бактерии
часто теряют способность образовывать S-слой.

У грамотрицательных бактерий S-слой обычно существует наряду с пептидогли-
кановым саккулусом, а у грамположительных бактерий — с пептидогликан-тейхоат-
ным саккулусом или пептидогликан-арабиногалактан-миколатным саккулусом.

Строение S-слоя. По современным представлениям, S-слой — простейший тип
биологической мембраны, которая образуется путем самосборки из идентичных бел-
ковых субъединиц. Возможно, что именно такая мембрана была у прогенота — обще-
го предка клеточных организмов (см. раздел 5.3), и от нее произошли современные
S-слои, а также унитарные протеолипидные мембраны.

Субъединицы S-слоя, или протомеры секретируются в экзоплазматический ком-
партмент. Затем они спонтанно агрегируют за счет образования гидрофобных, элек-
тростатических и водородных связей. В результате образуется физически и химиче-
ски стабильная паракристаллическая структура с квадратной, гексагональной или
скошенно-трапециевидной симметрией. Толщина S-слоя составляет 5-15 нм. Он про-
низан регулярно расположенными одинаковыми порами диаметром 2-6 нм, которые
занимают 30-70% клеточной поверхности. В некоторых случаях у бактерий образу-
ется несколько S-слоев, которые расположены друг над другом. Они имеют иден-
тичный или разный состав и тип симметрии.

Протомеры S-слоя составляют значительную часть общего белка (до 15%) и син-
тезируются в большом числе копий (5-105), в результате чего укрывают всю поверх-
ность клетки. У разных бактерий протомеры S-слоя обнаруживают слабую взаим-
ную гомологию, или она отсутствует. У грамположительных бактерий они содер-
жат консервативный мотив, или «домен гомологии S-слоя» (англ. S-layer homology
domain, SLH), который взаимодействует с муреином. В ходе эволюции он включал-
ся в самые разные белки оболочки, например, у Thermotoga maritima он входит в
состав периплазматического спейсера мембранного белка Отрос.

На проксимальном конце S-белка грамотрицательных бактерий находится «ан-
керный» домен, с помощью которого он интегрируется в ОМ. Чаще всего это проис-
ходит путем образования кальциевых мостиков с ЛПС. В свою очередь, у бактерий
группы «mycolata» (см. раздел 8.5.2.2) протомеры S-слоя могут заякориваться и в
наружном гидрофобном слое клеточной стенки.

Молекулярная масса протомеров S-слоя составляет 40-200 кДа. Большинство из
них — кислые белки, содержащие относительно много гидрофобных и крайне мало
серусодержащих аминокислотных остатков (или их нет вообще). Как правило, S-
белки содержат большой фрагмент с апериодической структурой, 20-35% |3-цепей и
2-15% а-спиралей.

Во многих случаях протомеры S-слоя гликозилированы, причем углеводный до-
мен по структуре напоминает О-антиген. Это линейная или разветвленная цепь,
повторяющиеся гликозидные звенья которой состоят из 2-6 моносахаридов, свя-
занных между собой а- и |3-гликозидными связями 1—>2, 1—>3, 1—>4 и 1—>6. Среди
мономеров встречаются обычные гексозы — галактоза, глюкоза, манноза и рамно-
за, а также редкие N-ацетилированные и О-метилированные сахара, дезоксисахара
и уроновые кислоты, которые могут дополнительно фосфорилироваться или суль-
фатироваться. Углеводная цепь содержит от нескольких до 150 моносахаридов и
связана с полипептидным доменом 0-гликозидной связью (через остаток Ser или
Туг) или уникальной N-гликозидной связью (через остаток Asn).

Благодаря гликозилированию протомеров S-слой приобретает термостабиль-
ность. Но, что еще важнее, это обеспечивает широкий спектр комплементарных вза-
имодействий с поверхностными структурами других живых объектов, от вирусов до
дифференцированных клеток высших позвоночных.

Биогенез S-слоя. Гены протомеров обычно представлены единственной копией.
Поскольку S-слой собирается со скоростью 500 субъединиц - с-1, они должны иметь
очень сильные промоторные участки. Как правило, протомеры экспортируются с
помощью генеральной Sec-системы, хотя известны случаи, когда их транспорт обес-
печивает ABC-транспортер (см. II том учебника). Интересно, что протомеры почти
не обновляются и редко сбрасываются в окружающую среду.

Как и в случае ЛПС, звенья углеводной цепи синтезируются из моносахаров,
активированных с помощью нуклеотидов, а затем передаются полиизопреноидно-
му носителю. В данном случае это не «бактериальный» ундекапренилфосфат, а
«эукариотный» долихолилфосфат. Полимеризация углеводной цепи, по-видимому,
происходит за пределами цитоплазматического компартмента и ингибируется анти-
биотиком бацитрацином. Полностью сформированная гликановая цепь передается
независимо экспортируемому протомерному белку.

Структурные перестройки S-слоя. Когда S-слой является единственным ри-
гидным слоем, от него —по аналогии с муреином — зависит структурная целост-
ность клетки. В то же время при росте и делении он должен раскрываться, чтобы
в него могли встраиваться новые субъединицы. Вероятно, это происходит путем
локального протеолиза, хотя конкретные сведения об этом отсутствуют.

Функции S-слоя. Ригидный S-слой дублирует муреиновый саккулус, но этим
его функции не ограничиваются. В частности, он может выполнять роль:

— механопротекторной и формообразующей структуры;

— фильтра для экзогенных молекул;

— ловушки для катионов и секретируемых ферментов;

— фактора адгезии к гомологичным и гетерологичным клеткам, а также мерт-
вым субстратам;

— рецептора для бактериофагов;

— матрикса, обеспечивающего прижизненную и постмортальную биоминерали-
зацию.

Благодаря тому, что S-слой содержит поры с большим эксклюзивным диаме-
ром (30-45 кДа), он может иммобилизовывать ферменты и, таким образом, играть
роль квази-периплазматического компартмента. У патогенных бактерий S-слой яв-
ляется фактором вирулентности. С одной стороны, он маскирует иммуногенные
эпитопы и защищает клетку от иммуноглобулинов и других белков иммунной си-
стемы. С другой стороны, он выполняет роль адгезина и обеспечивает прикрепле-
ние бактерий к макрофагам (примерами служат Aeromonas salmonicida — патоген
рыб, а также Campylobacter fetus — возбудитель сепсиса и менингита у новорожден-
ных) .

С помощью S-слоя многие виды бактерий механически защищаются от хищной
бактерии Bdellovibrio bacterovorus, а другие виды путем неспецифической адгезии
колонизируют мертвые субстраты.

Особо важны матричные свойства S-слоя цианобактерий. На нем формируют-
ся нерастворимые минералы кальция и магния, что на протяжении геологических
периодов приводило и продолжает приводить к формированию осадочных пород.

Высокая упорядоченность S-слоев делает их перспективным материалом для на-
нотехнологии. Они могут использоваться в качестве биосенсоров, матриц для иммо-
билизации ферментов и антигенов, а также ультрафильтров.

8.5.3. Экзоплазматические ригидные слои у архей

Все археи, за исключением представителей рода Thermoplasma, обладают ри-
гидной стенкой. Как правило, это паракристаллический поверхностный слой, или
белковый S-слой. В редких случаях с ним сочетаются (или его подменяют) ригидные
слои на гликозидной основе — псевдомуреин и кислый сульфатированный гетеропо-
лисахарид.

Археи могут окрашиваться по Граму как положительно, так и отрицательно,
что зависит от толщины их ригидного слоя. Отрицательное окрашивание дают ар-
хеи, образующие только S-слой. Положительное окрашивание дают палочковидные
метаногены, образующие толстый (15-25 нм) псевдомуреиновый саккулус, и экстре-
мально галофильные кокки со стенкой из сульфатированного гетерополисахарида.

8.5.3.1. Паракристаллический поверхностный слой

Археи чаще всего содержат единственный S-слой, хотя в некоторых случаях два
S-слоя расположены один поверх другого. Протомеры единственного или нижнего S-
слоя заякорены в CM. Halobacterium salinarium, например, с этой целью использует
гидрофобный С-концевой домен длиной в 21 аминокислоту.

Однако у нас нет оснований рассматривать S-слой у архей как надмембран-
ный комплекс (см. раздел 8.5.1). В отличие от последнего, это паракристалличе-
ская структура, которая высоко упорядочена и ригидна. У архей S-слой чаще всего
выполняет роль клеточной стенки, тогда как у бактерий это бывает довольно ред-
ко (см. раздел 8.5.2). Характерно, что под воздействием антибиотика бацитрацина,
ингибирующего гликозилирование белков S-слоя, клетки Halobacterium sp. теряют
палочковидную форму. В свою очередь, клетки Sulfolobus sp. содержат полуригид-
ный S-слой и поэтому плеоморфны.

S-слои у архей дополнительно выполняют функции:

— молекулярного сита;

— внешней границы квази-периплазматического компартмента (см. ниже);

— фактора адгезии к живым клеткам и (не)органическим субстратам;

— матрицы для биоминерализации в результате осаждения солей кальция и маг-
ния.

Субъединицы S-слоя у архей устроены сложнее, чем у бактерий. Обычно они
состоят из нескольких полипептидных доменов, часть которых имеет нитевидную
форму. Главная особенность S-слоя архей состоит в том, что при помощи спейсеров
между ним и СМ создается промежуток шириной 8-70 нм. Такие столбообразные до-
мены поддерживают пористый купол из взаимосвязанных дистальных доменов, ко-
торый образует наружную границу квази-периплазматического компартмента. Это
функциональный аналог периплазматического компартмента грамотрицательных
бактерий (см. раздел 8.4), квази-периплазматического компартмента бактерий из
группы «mycolata» (см. раздел 8.5.2.2) и квази-периплазматического компартмен-
та у бактерий, образующих пористый S-слой (см. раздел 8.5.2.3). Отверстия S-слоя
у архей имеют очень большой диаметр (до 12 нм), и поэтому внутри квази-пери-
плазматического компартмента удерживаются только белки молекулярной массой
> 35 кДа. К их числу относятся секретируемые протеазы, нуклеазы и гликозидазы.

Особенности состава и биогенез S-слоя. Характерная особенность S-слоя у
архей — это доминирование неполярных аминокислот над полярными, причем среди
последних преобладают аминокислоты с анионными радикалами.

Белки S-слоя у архей часто гликозилируются. Иногда гликановых цепей мно-
го, например, Н. salinarium содержит цепи трех типов, которые связаны с бел-
ком N-гликозидной связью через остатки Asn и Thr. Основу большой гликано-
вой цепи Н. salinarium образует линейный кор (10-15 субъединиц, состоящих из
N-ацетилглюкозамина, N-ацетилгалактозамина и алактуроновой кислоты), к кото-
рому добавляются остатки галактофуранозы, О-метил-галактуроновой кислоты и
до 50 сульфатных групп. Гликановая цепь среднего размера (10 копий) содержит
три сульфатированных остатка глюкуроновой кислоты и один остаток глюкозы.
Малая гликановая цепь (20 копий) состоит из нейтральных остатков галактозы
и глюкозы.

Гликановый домен S-белка Methanothermus fervidus устроен гораздо проще и со-
стоит из трисахарида маннозы, к которому присоединяются два остатка О-метил-
маннозы и остаток N-ацетил-галактозамина. Как и при биосинтезе других глика-
нов, остатки сахаров связываются с нуклеотидным переносчиком (УДФ), однако в
качестве следующего, липофильного носителя используется не «прокариотный» С55-
ундекапренилфосфат, а «эукариотный» Сбо-долихолилфосфат (см. раздел 8.4.1.1).
В отличие от эукариотов, гликановая цепь собирается из повторяющихся субъеди-
ниц на липофильном носителе в цитоплазме, а затем переносится на предварительно
экспортированный полипептид. В отдельных случаях процессинг гликана продол-

жается на гликопротеине.

Особенности структуры S-слоя. Степень упорядоченности S-слоя у архей
варьирует от вида к виду. Такие палочковидные формы, как Pyrobaculum sp.
и Thermoproteus sp. образуют почти идеальную паракристаллическую решетку.
У плеоморфного Sulfolobus sp. решетка имеет многочисленные дефекты, в то время
как у Desulf urococcus sp. упорядоченность практически отсутствует.

квази-периплазматический
компартмент

Рис. 54. Клеточная оболочка археота
Staphylothermus marinus.

CM — цитоплазматическая мембрана;
Р — протеаза.

Форма субъединиц S-слоя, а также их
доменный состав существенно различа-
ются. Примером наиболее сложно орга-
низованных субъединиц, из которых об-
разуется S-слой, служит «тетрабрахий»
(англ, tetrabrachion; греч. tetra —четы-
ре и brachion — рука; «четырехручник»),
имеющийся у Staphylothermus marinus.
По виду он напоминает парашютик оду-
ванчика и состоит из заякоренного в СМ
стебля длиной 70 нм и диаметром 5 нм.
Посередине к стеблю прикрепляются две
глобулярные частицы диаметром 10 нм, а
на конце — четыре «руки» длиной 24 нм
и диаметром 5 нм (рис. 54). Стебель со-
стоит из четырех параллельных а-спи-
ральных субъединиц общей молекуляр-
ной массой 150 кДа, а каждая рука — из
четырех антипараллельных |3-цепей об-
щей молекулярной массой 85 кДа. Глобу-
лярная частица (150 кДа) — это «серино-
вая» протеаза, которая не имеет отноше-
ния к поддержанию структуры тетрабра-

хия, а выполняет в квази-периплазмати-
ческом компартменте функцию пищева-
рительного фермента.

Устойчивость S-слоя в экстре-
мальных условиях. S-слои у архей, за-
нимающих экстремальные ниши, устой-
чивы при высоком содержании солей,

температуре около 100°С, низких значениях pH и высоком гидростатическом дав-
лении. Термостабильность белков S-слоя объясняется их посттрансляционной мо-
дификацией, прежде всего путем гликозилирования, а также образованием множе-
ственных гидрофобных связей и солевых мостиков.

8.5.3.2. Псевдомуреиновый саккулус

У мезофильных метаногенных архей из родов Methanobacterium, Methanobrevi-
bacter и Methanosphaera клеточной стенкой служит псевдомуреиновый сакку-
лус. Экстремально термофильные археи Methanopyrus kandleri и Methanothermus
fervidus в дополнение к нему содержат паракристаллический поверхностный слой.

Псевдомуреин (англ, pseudomurein) — это археотный вариант пептидогликана.
Подобно бактериальному муреину, он состоит из полигликозидных цепей, к которым
присоединяются связанные друг с другом боковые олигопептидные цепи (рис. 55).
Однако псевдомуреин в отличие от муреина не содержит мурамовой кислоты, D-
аминокислот и D,L-ди аминопим ел иновой кислоты.

AtjuoN

ТалК

СОСН3

Ьглу
IY
Ьала

|е

Близ — NH
I

(Ьглу)

Y
(Борн)— Ьглу — СО

(Ьглу) —Близ
|е

Ьала

IY
Ьглу

I
СО

Агл K)N—ТалК— АглюМ—ТалК—АглюМ—ТалК --АглюМ—ТалК

-*п

Рис. 55. Строение псевдомуреина.

АглюМ — остаток N-ацетилглюкозамина; ТалК — остаток N-ацетилталозаминуроновой кислоты; глу, ала,
лиз и ори — остатки глутаминовой кислоты, аланина, лизина и орнитина.

Гликановая часть псевдомуреина является сополимером N-ацетилглюкозамина
и N-ацетил-талозаминуроновой кислоты (<х-Ь-2-М-ацетиламино-2-дезокси-талуроно-
вой), которые соединены связями 01—>3. Боковыми цепями служат три- или тетра-
пептиды. Они характеризуются тем, что:
— в них входят только L-аминокислоты (L-глутаминовая, L-аланин, L-лизин);

— они содержат «необычные» пептидные связи (за счет у-карбоксильной группы
L-глутаминовой кислоты и £-аминогруппы L-лизина).

Как и в случае муреина, встречаются разные варианты строения псевдомуреина.
Например, N-ацетилглюкозамин в главной гликановой цепи может быть частично
или полностью заменен N-ацетилгалактозамином. В боковой пептидной цепи ме-
сто проксимальной глутаминовой кислоты может занять аспарагиновая кислота,
а место аланина — треонин или серин; а-карбоксильная группа концевых остатков
глутаминовой кислоты может связывать 6-аминогруппу орнитина, а а-аминогруппа
лизина — у-карбоксильную группу глутаминовой кислоты.

УДФ — АгалМ

УДФ — АглюН

УДФ — Ьглу
Ьала-J

▼ У

УДФ — Ьглу — Ьала

УДФ — АглюМ—Тал К

РР — АглюМ—Тал К

I
— AejiioN — Тал К —

— ArnroN—ТалК—

Рис. 56. Биосинтез блока-мономера и его встраивание
в псевдомуреиновый саккулус.

УДФ — уридиндифосфат; У МФ — уридинмонофосфат; ArvnoN — остаток N-ацетилглюкозамина; ТалК —
остаток N-ацетилталозаминуроновой кислоты; глу, ала и лиз — остатки глутаминовой кислоты, аланина
и лизина; Р — фосфатная группа; 1 — эпимераза; 2 — транспептидаза.

Гребенкой обозначен ундекапренил.

Путь биосинтеза псевдомуреина кардинально отличается от пути биосинтеза му-
реина (см. раздел 8.4.3.1). Это касается, прежде всего, биосинтеза дисахаридно-
го блока. Для его образования используется УДФ-активированная форма N-аце-
тилглюкозамина, а не обоих мономеров, как в случае муреина. Второй мономер,
N-ацетилталозаминуроновая кислота образуется окислительным путем на уровне
УДФ-активированного дисахарида, состоящего из N-ацетилглюкозамина и продук-
та его эпимеризации — N-ацетилгалактозамина.

В свою очередь, боковая пептидная цепь собирается уникальным способом
(рис. 56). В качестве носителя используется не УДФ-активированное производное
глюкозы (N-ацетил-мурамовая кислота), а активированная аминокислота (глутами-
новая), которая через свою а-аминогруппу присоединяется к УДФ. После образо-
вания ди-, три-, тетра- и пентапептида он переносится на УДФ-активированный
блок, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилталозаминуроновой
кислоты. На следующей стадии УДФ заменяется липофильным переносчиком. Его
роль, как и при биосинтезе муреина, выполняет ундекапренилфосфат (см. рис. 35).
В такой форме дисахарид-пентапептид транслоцируется на наружную поверхность
СМ, где встраивается в псевдомуреиновый саккулус. По аналогии со сборкой муреи-
на, источником энергии для транспептидазной реакции служит гидролиз пептидной
связи между концевым L-аланином и L-лизином, а для трансгликозил азной реакции
используется энергия расщепления пирофосфатной связи.

Псевдомуреин более устойчив к биологическим воздействиям по сравнению с
муреином. Поскольку он не содержит концевой последовательности Пала-Пала, его
биосинтез не ингибируется П-циклосерином и такими антибиотиками, как пеницил-
лин и ванкомицин (см. раздел 8.4.3.1). А так как боковые пептидные цепи содержат
у- и е-связи, он защищен и от действия пептидаз.

Несмотря на внешнее сходство с муреином, он не мог произойти от него в ре-
зультате серии мутаций. Эти пептидогликаны имеют конвергентное происхождение,
т. е. археи независимо от бактерий «изобрели» свой саккулус.

8.5.3.3. Гетерополисахаридный ригидный слой

Клеточная стенка экстремально галофильного археота Halococcus morrhuae име-
ет толщину 50-60 нм и состоит из гетерополисахарида. Этот полимер уникален: в
числе прочих, он содержит два «необычных» мономера — N-ацетилгулозаминуроно-
вую кислоту и N-глицил-глюкозамин. Все остатки уроновых кислот и часть остатков
нейтральных сахаров сульфатированы.

Субъединица гетерополисахарида Н. morrhuae состоит из трех доменов, из кото-
рых первый и второй соединяются глициновым мостиком (рис. 57). Неясно, можно
ли рассматривать такой гетерополисахарид как саккулус, или он состоит из некова-
лентно связанных субъединиц. Ведь для образования саккулуса необходимо, чтобы
кроме интердоменных глициновых мостиков еще существовали мостики между от-
дельными субъединицами.

Ригидный слой других галококков (например, алкалифила Natronococcus
occultus} состоит из уроновых кислот, N-ацетилглюкозамина и глутаминовой кис-
лоты, однако его первичная структура еще не реконструирована.

8.5.4. Специализированные компартменты

В данную группу входят микрокомпартменты, которые сильно различаются по
строению и функциям; Их часто называют придаточными структурами клетки
(англ, cell appendage), чем подчеркивается их поверхностная локализация.
so3

so3

Домен I

O3S — уроновая кислота — АгалИ — уроновая кислота — глк^
I ГЧЮ

май — глю — глю

O3S — уроновая кислота

гли

/ so,

/ I

Домен II глю — глюК — гал —AnuoN —

so3

гал — уроновая кислота — ГулК

глю — глюп

май — глю.

O3S — уроновая кислота

Домен I1

O3S — АгалИ

so3

уроновая кислота

so3

май — уроновая кислота - - гал — - уроновая кислота - - глю

2-3

СООН

ГулК

Рис. 57. Гетеро полисахарид клеточной стенки археота Halococcus morrhuae.

ArsuiN — остаток N-ацетилгалактозамина; глю, гал, гли и май — остатки глюкозы, галактозы, глицина и
маннозы; ГулК —остаток N-ацетилгулозаминуроновой кислоты; AnnioN — остаток
N-ацетилглюкозамина.

Придаточные структуры клетки можно разбить на две основные группы:

1. Покровы (англ, outermost investment);

2. Поверхностные органеллы (англ, surface organelle).

Как любой специализированный микрокомпартмент, покровы и поверхностные
органеллы вносят вклад в дела «домашнего хозяйства». Однако для вегетативной,
т. е. растущей и размножающейся клетки они не обязательны, и обладание ими лишь
создает адаптационные преимущества.

Покровы и поверхностные органеллы имеют существенное значение для симбио-
тических бактерий, в особенности для патогенов, у которых капсула является одним
из факторов вирулентности.
Покровы (общие сведения). Как вытекает из названия, эти придаточные
структуры служат «верхней одеждой» прокариотной клетки. Покров может обра-
зовывать:

— отдельная клетка;

— неупорядоченный (гроздь) или упорядоченный (цепочка или кубический па-
кет) клеточный агрегат, а также система из клеточных агрегатов;

— трихом или группа трихомов.

Материалом для покрова обычно служат полисахариды, реже это белки. В ис-
ключительных случаях покровы состоят из полипептидов (капсулу В. anthracis об-
разует поли-В-глутаминовая кислота) или других полимеров (полифосфатная кап-
сула Neisseria meningitidis), а также могут иметь липидную природу («ламинарный»
слой гетероциты цианобактерий).

Покровы различаются по морфологии, толщине и консистенции. Их традиционно
подразделяют на капсулы, слизи и чехлы, хотя далеко не всегда между ними удается
провести четкую грань.

Капсула (лат. capsula — коробочка) представляет собой слизистый слой, непо-
средственно прилегающий к клеточной поверхности. Ее внешняя граница хорошо
видна при фазово-контрастном микроскопировании. Классическим путем выявле-
ния капсулы служит прижизненное негативное контрастирование тушью, частицы
которой в нее не проникают. На электронно-микроскопическом уровне порой вы-
является слабая структурированность капсулы — тонкие фибриллы или слои, что
может быть методическим артефактом. Гидрофильный материал капсулы непроч-
но связан с клеточной поверхностью и легко переходит в раствор.

Чехол (англ, sheath) виден под световым микроскопом безо всякого контрасти-
рования. Его толщина может быть различной, хотя обычно она меньше, чем у
капсулы. Чехол имеет плотную консистенцию. На электронно-микроскопическом
уровне в нем иногда выявляются отдельные слои. Внешняя граница чехла резко
очерчена, а между ним и клеточной оболочкой существует зазор. Хотя покров та-
кого типа чаще всего состоит из гидрофильных полимеров, они слабо растворяются
в воде.

Как правило, чехол обладает упорядоченной структурой, и на нем еще в прижиз-
ненном состоянии кристаллизуются минеральные соли, что происходит при образо-
вании микробных матов (см. разделы 1.8 и 7.3.5). Поэтому если клетка покидает
чехол или умирает в нем, он сохраняется еще очень долго.

Слизь (англ, slime) по составу идентична капсуле. Однако она не повторяет кон-
туров клетки и может далеко распространяться за ее пределы. Таким образом, осо-
бенность слизи только в ее неопределенной морфологии и отсутствии тесной связи
с клеточной оболочкой.

Поверхностные органеллы (общие сведения). Это множественные белко-
вые структуры, имеющие округлую или продолговатую форму и в отдельных участ-
ках прикрепленные к оболочке клетки. Они сильно различаются по строению и
функциям.

Конкретными примерами поверхностных органелл служат целлюлосомы
(англ, cellulosome), шипы (лат. spina) и экстрацеллюлярные газовые баллоны (англ,
extracellular gas bag).
8.5.4.1. Капсулы

Капсулы у прокариотов встречаются гораздо чаще, чем чехлы. Они широко
и незакономерно представлены в домене Bacteria. Напротив, в домене Archaea
они довольно редки —в качестве примера можно привести рода Methanosacrina и
Staphylothermus. В большинстве случаев капсула состоит из экзополисахаридов.

Экзополисахаридные структуры (англ, exopolysaccharide structures, EPS) служат внешней гра-
ницей между бактериальной клеткой и ее непосредственным окружением. Они очень важны в
экстремальных условиях, поскольку защищают клетку от стресса и физико-химических повре-
ждений.

Функции EPS. Их можно разбить на три основные группы — аккумулирующие, защитные и
адгезионные.

Аккумулирующие функции состоят в концентрации неорганических ионов и низкомолекуляр-
ных органических субстратов вблизи клеточной поверхности.

Защитные функции состоят в предохранении клетки:

— от высыхания;

— от антибактериальных агентов (кислот, щелочей, катионов тяжелых металлов, поверхностно-
активных веществ, антибиотиков, бактериоцинов, гидролитических ферментов и т.д.);

— от компонентов иммунной системы макроорганизма (комплемента, антител, макрофагов);

— от бактериофагов;

— от хищных бактерий и фаготрофных протистов.

Адгезионные функции состоят в том, что EPS служат одним из факторов клеточной адгезии,
а также цементирующим веществом и обеспечивают:

— взаимную агрегацию бактерий данного вида и их агрегацию с другими членами микробиоты;

— прикрепление бактерий к субстрату.

В результате адгезии образуются гомологичные или гетерологичные ассоциации прокариотов
и ядерных микроорганизмов — многоклеточные агрегаты, микроколонии, хлопья и биопленки.

Строение EPS. В состав EPS входят больше десяти мономеров, к которым относятся гексо-
зы (галактоза, глюкоза, манноза), пентозы (арабиноза, ксилоза, рибоза), дезоксигексозы (рамноза,
фукоза) и гексуроновые кислоты (глюкуроновая, маннуроновая), а также их производные, содер-
жащие в качестве заместителей амино-, ацетильную, метильную и сульфатную группы, остаток
пирувата или олигопептидную группировку. Благодаря присутствию уроновых мономеров и кис-
лотных заместителей большинство EPS имеет анионную природу.

Молекула EPS представляет собой гомополисахарид или гетерополисахарид. В первом случае
она состоит из одинаковых моносахаров. Во втором случае она содержит регулярно повторяющиеся
субъединицы из моносахаров 2-5 типов, объединенных в блок по 2-8. Дадим наиболее интересные
примеры.

Альгинаты. Название этих бактериальных EPS происходит от аналогичного продукта, извле-
каемого из морских водорослей. Они представляют собой линейные сополимеры D-маннуроновой
кислоты и ее эпимера L-гулуроновой кислоты, которые соединены (31—+4 связями. Участки по-
ли-Б-маннуроновой кислоты и участки поли-Ь-гулуроновой кислоты разделяются спейсерами из
чередующихся мономеров и иногда содержат ацетильные заместители. Среди бактерий, образую-
щих альгинаты, следует в первую очередь назвать Azotobacter vinelandii и Р. aeruginosa (класс
« Gammaproteobacteria*).

Декстран. Название этого EPS связано с тем, что он состоит из правовращающей глюкозы,
или декстрозы (лат. dexter — правый). Он представляет собой нейтральный разветвленный гомо-
полимер D-глюкозы со связями al—+2, al—>3 и al—>6. Его продуцентом, в частности, является
Leuconostoc mesentheroides (фила ВХШ Firmicutes).

Ксантан. Название этого EPS происходит от родового имени продуцента, фитопатогенной бак-
терии Xanthomonas campestris (класс «Gammaproteobacteria»). Его основную цепь образует линей-
ный 01—>4 полимер D-глюкозы. Боковой субъединицей является ацетилированный трисахарид из
остатков маннозы и глюкозы с присоединенным остатком пирувата.

Леван. Название этого EPS связано с тем, что он состоит из левовращающей фруктозы, или
левулозы (лат. laevus — левый). Это нейтральный разветвленный гомополисахарид, который состо-
ит из остатков фруктозы, соединенных 01—>2 и 02—>6 гликозидными связями. Его, в частности,
образует Gluconobacter oxy dans (класс «Alphaproteobacteria») при росте на сахарозе.

Целлюлоза. Особое место среди нейтральных EPS занимает бактериальная целлюлоза. По со-
временным данным, ее могут синтезировать некоторые штаммы из родов Aerobacter, Acetobacter,
Achromobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Azotobacter, Pseudomonas, Sarcina и Rhizobium (фила
ВХП Proteobacteria), а также многие цианобактерии.

Биосинтез и экспорт EPS. Известны четыре основных механизма биосинтеза EPS.

В первом случае этот процесс происходит снаружи клетки и катализируется гликозилтранс-
феразой. Характерным примером служит образование декстрана с помощью декстрансахаразы:
п х сахароза —» (глюкоза) п + п х фруктоза.

Во втором случае полимер образуется в периплазматическом компартменте из нуклеотид-ак-
тивированных мономеров. В качестве примера можно привести биосинтез целлюлозы. С биохи-
мической точки зрения это очень простой процесс - УДФ-глюкоза транспортируется в периплаз-
матический компартмент, где синтаза надстраивает линейную затравку: УДФ-глюкоза 4- (|31—>4-
глюкоза)п —► УДФ + (pi—*4-глюкоза)n^i. Готовый полимер выделяется наружу через особые поры
(см. раздел 8.4.3.1).

В третьем случае в цитоплазматическом компартменте синтезируется повторяющийся блок
полимера, по аналогии с образованием предшественников ЛПС и муреина (см. разделы 8.4.1.1 и
8.4.3.1). Для его экспорта в периплазматический компартмент используется липидный перенос-
чик— ундекапренилфосфат (см. рис. 35). Примером служит биосинтез ксантана или капсульных
EPS. Как и в случае олигосахаридных субъединиц ЛПС, для переноса повторяющегося блока EPS в
периплазматический компартмент используется Wzy-транслоказный комплекс (см. раздел 8.4.1.1).
Сборка полимера осуществляется на наружной поверхности СМ, и он выделяется через контакты
Байера (см. раздел 8.4.1.4).

В четвертом случае полисахарид синтезируется в цитоплазматическом компартменте, а за-
тем секретируется через СМ и ОМ. Типичным примером служит капсульный К5-антиген Е. coli.
В его биосинтезе и экспорте участвуют продукты генов kfiA-D (полимеризация) и kpsC,M,S,T
(транслокация через СМ). Секреция происходит с помощью мультиполипептидного комплекса мо-
лекулярной массой >600 кДа, состоящего из >10 субъединиц (см. раздел 8.6.1). Проксимальный
конец связан с СМ и содержит субъединицу, гомологичную ABC-транспортерам. Дистальный ко-
нец находится в ОМ и представлен секретином Wza, который имеет (3-спиральную бочковидную
структуру и образует выходное отверстие канала диаметром ~8 нм.

Судьба EPS. После биосинтеза и экспорта (если таковой имел место) EPS могут сохранять
связь с клеточной оболочкой и тогда они образуют материал капсулы. В результате гипертрофии
капсулы (с потерей формы, повторяющей контур бактерии, и ослаблением связи с клеткой по мере
удаления от ее поверхности) образуется слизь. Наконец, полный разрыв EPS с клеткой приводит
к появлению в окружающей среде сбрасываемых полисахаридов (см. ниже).

Практическое значение EPS. Ценность EPS, особенно альгинатов и ксантана определя-
ется их реологическими (греч. rheo — течь) свойствами, т. е. способностью повышать вязкость и
пластичность различных материалов.

Они широко применяются как уплотнители (в текстильной промышленности), пластификато-
ры (для производства дорогих сортов бумаги), гелеобразователи (в кондитерской промышленно-
сти) и наполнители (в фармацевтике). Кроме того, они используются в строительстве (для улучше-
ния качества дорожных покрытий), в нефтедобывающей отрасли (препятствуют примешиванию
подземной воды к выкачиваемой нефти), а также в целях ремедиации (адсорбируют катионы тя-
желых металлов и радионуклиды).

Не растворимые в воде декстран и целлюлоза применяются как молекулярные сита и защитные
покрытия медицинского назначения, а в сухом виде — как мембраны для аудиотехники.

Капсулы непатогенных бактерий. В одних случаях капсулы ненамного тол-
ще клеточной оболочки; в других они довольно массивны (больше диаметра клетки).

Как уже указывалось, структурной основой капсулы служат линейные или раз-
ветвленные полигликаны и полипептиды, состоящие из одинаковых или разных
мономеров. Гибкие фибриллы капсульных полимеров ориентируются перпендику-
лярно поверхности клетки и сильно гидратированы — до 99% капсулы составляет
вода.

Обводненность капсулы делает проблематичным сохранение этой структуры на
электронно-микроскопических препаратах. Если полимер капсулы имеет кислот-
ную природу (например, за счет карбоксильных групп), его цепи взаимодейству-
ют друг с другом через электростатические мостики с помощью катионов Са2+
или Mg2+. Этим свойством широко пользуются морфологи, вводя в состав фик-
саторов катионные красители, образующие межмолекулярные сшивки (например,
рутений красный и альциан синий), а также диамины, лектины и антикапсульные
антитела.

Основной функцией капсулы у непатогенных бактерий служит предохранение
клетки от водного стресса на засушливых территориях или в водоемах с повышен-
ной соленостью. В частности, у цианобактерий рода Nostoc устойчивость к высуши-
ванию определяется капсулой, которая создает водный «буфер» между клетками и
атмосферой и позволяет им расти в пустынях в виде корочек, смачиваемых только
утренней росой.

Образование капсул у непатогенных бактерий индуцируется в стрессовых усло-
виях, в частности при фосфорном голодании.

Сбрасываемые полисахариды непатогенных бактерий. Известно много
случаев, когда обводненные капсульные полимеры теряют связь с клеточной обо-
лочкой, в особенности когда происходит их гиперпродукция. Тогда они выделяются
в окружающую среду и начинают хаотически плавать в ней до тех пор, пока они не
вступят в контакт с каким-нибудь (а)биотическим материалом.

Такие обводненные капсульные полимеры называются «внешней» слизью
(анл. external slime), или «сбрасываемыми» полисахаридами (англ, released
polysaccharides, RPS).

Капсулы патогенных бактерий. У зоопатогенных бактерий, особенно пато-
генов высших животных, капсула имеет важное значение для вирулентности и па-
тогенности, поскольку они сталкиваются с иммунной системой в органах и тканях,
которые в норме стерильны.

Капсулы оказывают комплексное защитное действие:

— они позволяют бактерии уклониться от фагоцитирования, поскольку EPS при-
дают ее поверхности гидрофильность, упругость и электрический заряд;

— они служат барьером для проникновения к поверхности бактерии компонентов
комплемента и бактерицидных белков, например дефензинов;

— они препятствуют взаимодействию бактерии с антителами (бактерии не агглю-
тинируются О-антисывороткой, поскольку «соматический» О-антиген маскируется
«капсульным» К-антигеном (от нем. Кapsel —капсула);

— они сами не активируют комплемент и маскируют активирующие его компо-
ненты клеточной оболочки, что препятствует неспецифической опсонизации бакте-
рий полиморфноядерными лейкоцитами;

— они слабоиммуногенны, что препятствует специфической опсонизации (т. е.
связыванию компонентов комплемента и антител с поверхностью бактерии, которое
облегчает их поглощение макрофагами); тем не менее, они используются в качестве
вакцин, и к ним вырабатываются специфические антитела;

— они избегают иммунного ответа, поскольку в отдельных случаях мимикри-
руют под молекулярные компоненты хозяина; примерами служат капсульный К1-
антиген Е. coli, который содержит сиаловую кислоту и мимикрирует под компонент
гликокаликса в разных типах хозяйских клеток. Капсульный К 5-антиген этой же
бактерии представляет собой гетерополимер глюкозамина и N-ацетилглюкозамина
и мимикрирует под гепарин в составе аморфного вещества хряща.

(Липо)полисахаридная капсула энтеробактерий. Капсульные EPS имеются как
у грамположительных (род Streptococcus), так и у грамотрицательных (Е. coli\ ро-
да Haemophilus, Klebsiella, Neisseria и др.) бактерий. Лучше всего они изучены на
примере Е, coli, у которой выявлено >80 типов К-антигена.
При классификации капсульных полисахаридов используются такие критерии,
как природа кислотного компонента, величина электрического заряда, наличие ли-
пидного домена на редуцирующем конце, температурный контроль биосинтеза и
совместная экспрессия с ЛПС.

Различают две основные группы капсульных полисахаридов.

К I группе относятся менее крупные (<50 кДа) полисахариды, состоящие из
остатков гексуроновых кислот. Фактически это специализированные липополисаха-
риды, поскольку на редуцирующем конце они содержат липид А (см. раздел 8.4.1.1).
Они встречаются у относительно немногих О-серотипов, синтезируются при темпе-
ратуре <30°С и не играют роли в патогенезе, а лишь способствуют выживанию
бактерии вне хозяина. Примером такого полисахарида служат колановые кислоты
(англ, colanic acid), которые образует Е. coli.

Ко II группе относятся более крупные (>50 кДа) полисахариды, состоящие из
остатков гексуроновых кислот, сиаловой кислоты и КДО. Фактически это тоже спе-
циализированые липополисахариды, поскольку на редуцирующем конце содержат
фосфатидную кислоту. Они имеются у большинства О-серотипов и не образуются
при температуре <20°С. Они важны для патогенеза, и их примерами являются К1-
и К5-антигены Е. coli.

Гены для биосинтеза К-антигенов II группы расположены на хромосоме в районе
локусов his и trp, а гены для их экспорта —в районе локуса serA. Соответствующий
участок хромосомы подразделяется на центральный район 2 (/c/i-гены), отвечающий
за полимеризацию, и фланкирующие его районы 1 и 3 (fcps-гены), отвечающие за
экспорт.

Гены для биосинтеза и экспорта К-антигенов I группы еще слабо изучены.

Полипептидная капсула Bacillus anthracis. Патогенная бактерия В. antrhracis
вызывает сибирскую язву у рогатого скота и смертельно опасна для человека. В дан-
ном случае важным фактором вирулентности является поли-П-глутаматная капсу-
ла. За ее синтез отвечают плазмидные гены cap АВ С. Капсула несет высокий отрица-
тельный заряд, что не позволяет макрофагам фагоцитировать вегетативные клетки
бактерий. Если эндоспора прорастает в присутствии СО2, то вокруг нее скапли-
вается капсульный материал, обволакивающий вегетативную клетку при ее выхо-
де из спорангия. Белок Dep (его ген идет следом за кластером cap АВС} кодирует
деполимеразу, которая расщепляет поли-П-глутамат на фрагменты, блокирующие
иммунную систему макроорганизма.

Полифосфатная капсула Neisseria meningitidis. Одним из основных компонентов
капсулы N. meningitidis является конденсированный неорганический фосфат, кото-
рый составляет ~50% запасов этого вещества (см. раздел 8.3.11.4). Возможно, что
благодаря своим сильно выраженным полианионным свойствам капсула позволя-
ет N. meningitidis избежать фагоцитирования макрофагами точно так же, как это
удается В. anthracis. Во всяком случае, при мутации по гену полифосфаткиназы
ррк опасный патоген теряет устойчивость к сывороточным белкам, и эту мутацию
можно комплементировать при помощи плазмиды, несущей ген дикого типа.

Капсулы бактерий, ассоциированных с растениями. В данном случае со-
став и функции капсул могут существенно различаться.

У фитопатогенных бактерий капсула специальной роли не выполняет. Напри-
мер, у возбудителей вилта и некроза (см. ниже) выживание в окружающей среде
обеспечивается за счет таких свойств капсулы, как гигроскопичность, вязкость и
электростатический заряд. При попадании внутрь растения она облегчает распро-
странение инфекционного агента по тканям, защищает бактерии при размножении
в межклетниках и предохраняет их от иммунных систем хозяина.

У симбионтов роль капсулы высокоспецифична и связана с сигналингом. На-
пример, у клубеньковых бактерий капсула участвует в прикреплении к корневому
волоску и запуске регуляторного каскада, что приводит к внедрению бактерий в
ткани и подавлению иммунных систем хозяина.

Примером EPS у фитопатогенных бактерий является амиловоран. Его образу-
ет Erwinia amylovora — возбудитель вилта, или увядания томатов и других ценных
сельскохозяйственных культур. В состав этого крупного гетерополимера (50-150
мДа) входят остатки галактозы, глюкуроновой кислоты и пирувата. В качестве
других примеров можно назвать альгинаты Р. syringae, ксантан X. campestris и
сложный набор гетерополисахаридов Р. solanacearum. Перечисленные бактерии вы-
зывают у растений разнообразные некрозы.

Примером EPS у симбионтов является сукциногликан, который образуется мно-
гими штаммами рода Rhizobium. Он сильно варьирует по составу и представляет
собой линейную цепь (в которой остатки глюкозы, глюкуроновой кислоты и галак-
тозы соединяются связями (31—>4) с боковыми цепями, образоваными 1-4 остатками
глюкозы и галактозы. В главной и боковой цепях встречаются заместители — остат-
ки ацетата, гидроксибутирата, пирувата и сукцината.

8.5.4.2. Чехлы

По широте распространения чехлы значительно уступают капсулам. Их могут об-
разовывать как вегетативные клетки, так и разные варианты дифференцированных
клеток (цисты, эндоспоры, гетероцисты и «везикулы» актинобактерий). В данном
случае мы будем говорить только о чехлах вегетативных клеток. Чехлы покоящих-
ся клеток (цист и эндоспор), гликолипидные чехлы метаболически специализиро-
ванных клеток цианобактерий (гетероцист), а также гопаноидные чехлы «везикул»
актинобактерий мы рассмотрим в III томе учебника.

Чехлы у хламидобактерий. Хламидобактериями называют членов кластера
«Leptothrix-Sphaerotilus» (класс «Betaproteobacteria»), образующих трубчатый че-
хол. Обычно в нем помещается цепочка клеток, реже — продольный тяж из 2-3
цепочек. В ходе жизненного цикла клетки приобретают полярный жгутик, с по-
мощью которого плавают, находят новую нишу и оседают на твердый субстрат. Для
адгезии на полюсе, противоположном жгутику, выделяется клейкое вещество. Оно
затвердевает, образуя «прикрепительный диск» (англ, holdfast). В этом месте за-
кладывается чехол, обволакивающий цепочку делящихся клеток. Так происходит
у L. lopholea и S. natans\ остальные хламидобактерии специального прикрепитель-
ного диска не образуют и вступают в адгезию с твердым субстратом при помощи
полисахаридного чехла, содержащего оксиды и гидроксиды железа и марганца. Ка-
тионы Fe2+ связываются кислыми полисахаридами, а затем окисляются абиогенно
или ферментативным путем. Катионы Мп2+ вначале также связываются с чехлом,
но их окисление происходит только при помощи ферментов.

Чехол хламидобактерий состоит из одного или нескольких слоев. Внутренний
слой чехла L. discophora представляет собой матрицу из белковых фибрилл диамет-
ром 6,5 нм, которые стабилизированы сульфгидрильными связями и дисульфидны-
ми мостиками. Чехол образует анастомозы с ОМ и утолщается в этих участках. Над
внутренним фибриллярным слоем расположен диффузный слой, образованный от-
рицательно заряженными полисахаридами, в состав которых входят уроновые кис-
лоты и глюкозамин. Диффузный слой чехла S. natans содержит галактозу, глюкозу
и фукозу, а также глюкуроновую кислоту.

Важнейшими функциями чехла у хламидобактерий являются:

— адгезионная, поскольку с его помощью происходит прикрепление к твердым
поверхностям, что позволяет адаптивно заселять мелкие водные артерии;

— защитная, поскольку он непроницаем для фаготрофных протистов и хищных
бактерий (например, Bdellovibrio bacteriovorus).

Чехол у хламидобактерий участвует в процессах биоминерализации, что приво-
дит к образованию залежей железных и марганцевых руд.

Чехлы у цианобактерий. Чехлы образуются как у одноклеточных, так и три-
хомных цианобактерий и обычно имеют хорошо выраженную фибриллярную или
паракристаллическую структуру.

У одноклеточной диазотрофной цианобактерии Gloeothece sp. растяжимый чехол
подразделяется на внутренний и внешний. Первый плотно прилегает к ОМ одиноч-
ной клетки, а второй окружает группу из 4-16 клеток. Основу обоих чехлов состав-
ляет гетерополисахарид, состоящий из нейтральных сахаров — галактозы, глюкозы,
маннозы, 0-метилксилозы и ксилозы, а также из галактуроновой, глюкуроновой и
маннуроновой кислот. Наружный чехол менее гидратирован и слабее сульфатиро-
ван, чем внутренний. Предполагается, что чехол Gloeothece sp. выполняет барьерную
функцию и защищает нитрогеназу от экзогенного кислорода.

Особую роль играет чехол трихомной цианобактерии Scytonema sp. Он содержит
сцитонемин - продукт конденсации фенольных и индольных (бензопиррольных)
групп. Это индуцибельное соединение сильно поглощает «ближнее» (320-400 нм,
UV-А), «среднее» (280-320 нм, UV-В) и «дальнее» (190-280 нм, UV-С) ультрафио-
летовое излучение. Оно синтезируется на ярком солнечном свету и на 80-90% защи-
щает клетки от облучения. Сцитонемин выявлен у многих одноклеточных и трихом-
ных морских, пресноводных и почвенных штаммов разного географического проис-
хождения. Скорее всего, это молекулярный реликт, который в Докембрии способ-
ствовал широкому расселению цианобактерий в отсутствии атмосферного озонового
слоя.

Функцию ультрафиолетового экрана может выполнять и микрофибриллярная
целлюлоза. Она обнаружена на периферии очень толстого, до 1 мкм, чехла у
некоторых штаммов одноклеточных (Gloeocapsa sp.) и трихомных (Anabaena sp.,
Phormidium sp., Nostoc sp. и Scytonema sp.) цианобактерий. По-видимому, этот био-
полимер секретируется через комплексы контактных пор (см. раздел 8.4.3.1).

Чехлы у архей. В отличие от бактерий, у архей чехлы бывают крайне редко,
и они имеют особое строение.

Первый пример связан с метаногенами Methanosaeta thermophila и Methanospi-
rillum hungatei, которые растут в виде неразветвленной цепочки из палочковидных
клеток. Полуригидная стенка представлена S-слоем из негликозилированных бел-
ковых протомеров молекулярной массой ~100 кДа. Между соседними клетками на-
ходятся дискоидные белковые спейсеры (англ, spacer plug). Все это одето открытым
на концах цилиндрическим чехлом, внешний диаметр которого составляет ~1 мкм,
а длина ~150 мкм. Чехол образован системой колец или туго скрученной спиралью
из димерных белковых субъединиц молекулярной массой около 50 кДа. Он исклю-
чительно устойчив к химическим реагентам, а также гидролитическим ферментам.
Стенка у таких архей довольно гибкая, и форму клетки определяет не она, а эк-
зоскелет— чехол и фланкирующие спейсеры. Деление осуществляется уникальным
способом. Материнская клетка перетягивается наружным «кольцом деления» (ан-
гл. division annulus), которое закладывается в промежутке между S-слоем и чехлом
и закрывается, как ирисовая диафрагма, превращаясь в спейсер. Кольцо деления
имеет вид спиральной ленты и состоит из белка.

Второй пример связан с представителями рода Methanosarcina, клеточную стен-
ку которых образует ригидный S-слой. Каждая клетка окружена толстым (до
200 нм) слоистым чехлом, состоящим из гетерополимера «метанохондроитина».
Клетки после деления не расходятся, а образуют округлые пакеты, окруженные
общим фибриллярным чехлом. Подобно внутреннему чехлу, он содержит метано-
хондроитин.

Строительный блок метанохондроитина состоит из двух остатков N-ацетилгалак-
тозамина и остатка глюкуроновой или галактуроновой кислоты, которые соединены
связями 01—>3 и 01 —>4. Метанохондроитин синтезируется из активированных пред-
шественников: УД Ф-М-ацети л галактозамина и УДФ-глюку роновой кислоты. После
образования УДФ-активированного трисахарида он переносится на ундекапренил-
фосфат (см. рис. 35), транслоцируется в экзоплазматический компартмент и там
присоединяется к затравке полимера.

Интересно, что по строению, а также способу биосинтеза метанохондроитин на-
поминает стеночную тейхуроновую кислоту (см. раздел 8.5.2.1). И в то же время он
сходен с хондроитинсульфатом — одним из компонентов аморфного матрикса соеди-
нительной ткани, хотя отличается от него тем, что не сульфатирован и содержит не
одну, а две молекулы N-ацетилгалактозамина на молекулу глюкуроновой кислоты.

8.5.4.3. Шипы и экстрацеллюлярные газовые баллоны

К группе поверхностных органелл относятся два типа специализированных ком-
партментов — шипы и экстрацеллюлярные газовые баллоны.

Шипы. В отечественной литературе для обозначения этих поверхностных орга-
нелл также используется термин «спин» (лат. spina — шип). Они встречаются у гра-
мотрицательных бактерий (в частности, у псевдомонад, метилотрофов и цианобак-
терий), но совершенно неизвестны у архей.

Шипы представляют собой жесткие полые конические или конусообразно-цилин-
дрические сруктуры. Среднее число шипов на клетку равно десяти, своим основани-
ем они прикреплены к ОМ, ориентированы перпендикулярно клеточной поверхности
и расположены нерегулярно. Шипы варьируют по размеру (диаметр 50-100 нм, дли-
на 0,5-3 мкм). Стенка шипа имеет толщину ~7 нм и образована 2,5-105 спирально
уложенными субъединицами белка спинина (~42 кДа), молекула которого состоит
из двух антипараллельных 0-цепей.

Шипы образуются путем самосборки с дистального конца. Изнутри они полые;
конусообразно-цилиндрические шипы имеют открытый конец, а конические шипы
запечатаны.

В лабораторных условиях образование шипов индуцируется при повышении тем-
пературы и pH или при снижении ионной силы среды. Физиологическая роль шипов
в природе неясна, особенно если учесть, что на их построение уходит очень много
белка. Скорее всего, они мультифункциональны и обеспечивают повышенную пла-
вучесть, образование микроколоний, прикрепление к (а)биотическим субстратам и
защиту от фаготрофных протистов.

Экстрацеллюлярные газовые баллоны. Этот редко встречающийся тип спе-
циализированных компартментов впервые описал в 1985 г. В. И. Дуда на приме-
ре бактерии Bacillus vesiculiferous, живущей при дефиците кислорода в кишечнике
«сигнального» рачка Pacifastacus leniunsculus. Экстрацеллюлярные газовые балло-
ны представляют собой крупные газонакопительные структуры, прикрепленные к
наружной поверхности клетки. Они имеют вид сферических, цилиндрических или
игольчатых везикул величиной от нескольких десятков нанометров до нескольких
десятков микрометров. Стенка экстрацеллюлярного газового баллона образована
неунитарной мембраной толщиной ~2 нм.

Функцией экстрацеллюлярных газовых баллонов, по-видимому, служит запаса-
ние О2, который необходим бактерии для энергетического и конструктивного мета-
болизма. В этом плане они аналогичны кислородным вакуолям Веддга/оа-подобных
бактерий (см. раздел 8.3.11.1), но отличаются от них локализацией и природой мем-
бранной границы.

Механизм образования и эволюционное происхождение экстрацеллюлярных га-
зовых баллонов неизвестны. Ясно, что это не блебинг-везикулы S-слоя, поскольку
сквозь его поры легко проходят гидрофильные молекулы. Заманчиво предположить,
что мембрана экстрацеллюлярных газовых баллонов состоит из белка, аналогично-
го или гомологичного полипетиду газовой везикулы (см. раздел 8.3.11.2). В связи с
этим встал бы вопрос о его секреции и доставке на наружную поверхность клетки
(см. раздел 8.6.1).

8.5.4.4. Целлюлосомы

Целлюлоза, главный структурный компонент клеточной стенки растений, еже-
годно синтезируется в количестве ~4-1011 т. Не растворимая в воде целлюлоза явля-
ется одним из наиболее рекальцитрантных обновляемых субстратов. Тем не менее, в
природе она постоянно разрушается с помощью грибных и бактериальных фермен-
тов, что является очень ответственным звеном в глобальном цикле углерода. Кроме
того, целлюлолитические бактерии служат перспективными поставщиками гексоз
и пентоз, используемых в качестве стартового сырья при бродильном производстве
этанола.

В природе целлюлоза разрушается как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Аэробный процесс, приводящий к полному окислению целлюлозы до СО2 и
Н2О, может осуществляться отдельным видом грибов, например белой плесенью
Phanerochaete chrysosporium или отдельным видом бактерий, например Cellulomonas
cellulosolvens и Thermomonospora curvata (фила BXIV Actinobacteria), а также
Cellvibrio vulgaris (класс «Gammaproteobacteria»).

Анаэробный процесс заканчивается образованием СО2 и СЩ. Его осуществляет
уже не отдельный вид, а целое микробное сообщество:

— бактерии, гидролизующие целлюлозу до целлодекстринов и глюкозы;

— бактерии, сбраживающие глюкозу до Н2/СО2, спиртов и органических кислот;

— автотрофные и гетеротрофные бактерии, синтезирующие из этих субстратов
ацетат;

— автотрофные археи, образующие СЩ из СО2/Щ;

— гетеротрофные археи, образующие СЩ из ацетата.
Молекула целлюлозы состоит из 5-102-1,5-104 остатков глюкозы (протомеров), связанных
Р1—>4 гликозидными связями. Поскольку каждый протомер развернут по отношению к своему
соседу на 180°, повторяющейся единицей молекулы целлюлозы является дисахарид целлобиоза.
С помощью водородных связей и сил Ван дер Ваальса, действующих между пиранозными кольца-
ми, молекулы целлюлозы ориентируются параллельно друг другу, образуя не растворимые в воде
кристаллические микрофибриллы, которые содержат 10-40% аморфных участков. Микрофибрил-
лы целлюлозы объединяются в макроскопические образования — волокна.

Целлюлоза редко встречается в чистом виде (например, во вторичной стенке волосков на
семенах хлопка). Обычно ее фибриллы погружены в аморфный матрикс, состоящий из геми-
целлюлоз, лигнина и пектинов, что делает этот полимер малодоступным для гидролитических
ферментов.

Гемицеллюлозы (ксиланы и маннаны) по валовому накоплению являются вторым в природе
полимером после целлюлозы. Линейная цепь ксиланов образована остатками ксилозы. Боковыми
заместителями являются арабиноза, уксусная кислота и (метил)глюкуроновая кислота, а также
ароматические кислоты — р-кумаровая и феруловая. Лигнин состоит из модифицированных остат-
ков ароматических спиртов («монолигнолов») — кониферилового, р-кумарилового и синапилово-
го. Он связан с боковыми цепями гемицелюллоз через остатки р-кумаровой и феруловой кислот.
Пектины являются линейными гомополимерами галактуроновой кислоты, карбоксильные группы
которой этерифицированы метанолом.

Гидролиз целлюлозы служит примером гетерофазной реакции и аналогичен гидролизу липи-
дов с помощью липаз. Он осуществляется набором внеклеточных целлюлаз, атакующих внутрен-
ние гликозидные связи цепи целлюлозы с образованием целлодекстринов (эндоглюканазы). Кроме
того, целлюлазы отщепляют концевой дисахарид целлобиозу (экзоглюканазы, или целлобиогид-
ролазы), а также гидролизуют низкомолекулярные целлодекстрины и целлобиозу до мономерной
глюкозы (0-глюкозидазы).

Гемицеллюлозы разрушаются грибными и бактериальными ксиланазами и манназами, гид-
ролизующими линейные цепи, а также вспомогательными ферментами (арабинофуранозидазами,
ацетилксилан-эстеразами, глюкуронидазами и ферулатэстеразами), которые атакуют боковые це-
пи. Рекальцитрантный лигнин разрушается с помощью грибного лигнолитического комплекса, со-
стоящего из лакказ (медьсодержащих оксидаз) и пероксидаз.

Пектиназы (деполимеразы и эстеразы) действуют на линейную цепь полимера, а также отщеп-
ляют от нее боковые метильные группы.

Бактерии, разрушающие целлюлозу одновременно с гемицеллюлозами и пектинами, синтези-
руют комплекс соответствующих гидролитических ферментов. Продукты распада целлюлозы —
целлодекстрины, целлобиоза и глюкоза — используются в качестве субстратов для роста аэробных
и анаэробных микроорганизмов. Основная часть этих субстратов (90-95%) разлагается в аэробных
условиях с образованием Н2О и окисленного конечного продукта, СОг- Остальные 5-10% разлага-
ются в анаэробных условиях с образованием Нг О и восстановленного конечного продукта, СН4. В
обоих случаях происходит минерализация глюкозы — процесс, который является важным звеном
в глобальном круговороте углерода.

Для ферментативного разрушения целлюлозы микроорганизмы используют три стратегии:

— выделение в окружающую среду набора целлюлаз;

— выделение в окружающую среду одного фермента с комплексной целлюлолитической акти-
востью;

— компартментализации целлюлаз в целлюлосоме, расположенной в экзоплазматическом ком-
партменте.

Целлюлосомы были впервые описаны в 1983 г. израильскими биохимиками Ла-
медом (R. Lamed) и Байером (Е. А. Bayer) у анаэробной термофильной бактерии
Clostridium thermocellum. В настоящее время эти надмолекулярные комплексы об-
наружены только у бактерий из филы ВХШ Firmicutes (Acetivibrio cellolyticus,
Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium acetobutylicum,C. cellobioparum, C. cellulolyticum,
C. cellulovorans, C.josui, C. papyrosolvens, C. thermocellum и Ruminococcus albus), a
также у бактерий из филы ВХХ Bacteroidetes (Bacteroides cellulosolvens). Нишами
для этих бактерий служат почва, компостные кучи, сточные воды деревообрабаты-
вающих и бумажных фабрик, а также рубец жвачных животных.

Роль целлюлосомы при биодеградации целлюлозы заключается в том, что этот
микрокомпартмент обеспечивает адгезию бактерий к субстрату, оптимальное взаи-
модействие целлюлаз и канализированное поступление продуктов гидролиза к по-
верхности клетки.

Целлюлосома — самый крупный из внеклеточных ферментных комплексов.
В изолированном виде она представляет собой сферическую частицу диаметром
~20 нм. На поверхности клетки целлюлосомы образуют протуберанцы длиной 50-
100 нм.

Целлюлосома имеет сложный полипептидный состав (14-26 компонентов мо-
лекулярной массой 20-200 кДа) и очень большую молекулярную массу (2-103 -
6,5-103 кДа). Это исключительно стабильная структура, не диссоциирующая в рас-
творе с высокой ионной силой и под действием детергентов.

После первичного контакта с фибриллами целлюлозы целлюлосомы агрегиру-
ют в полицеллюлосомы, которые служат коридорами для диффузии растворимых
продуктов гидролиза. Полицеллюлосома имеет молекулярную массу 5-104—105 кДа
и состоит из тех же самых субъединиц, что и целлюлосома.

Целлюлазные субъединицы одномоментно производят множественные разрезы
внутри молекулы субстрата. Целлюлосома гидролизует как аморфную, так и кри-
сталлическую целлюлозу в основном до целлобиозы, т. е. она проявляет и эндоглю-
каназную, и экзоглюканазную активность.

В некоторых случаях (примером служит С. cellulolyticum) целлюлосомы вместе с
целлюлазами содержат гемицеллюлазы и пектиназы. Для таких гетероферментных
компартментов предложено название «целлволдазы» (от англ, cell wall — клеточная
стенка). Кроме того, в состав целлюлосом могут дополнительно входить хитина-
зы, что позволяет использовать хитин (структурный аналог целлюлозы, в котором
гидроксильные группы в положении 2 замещены аминогруппами).

каталитический
домен

докерин I --

когезин I --

CipC

целлюлозо-
связывающий
домен
(СВМ)

докерин II

когезин II --

sdbA ООООЭОООООО S

------------м

______________см

Рис. 58. Целлюлосома.

СМ — цитоплазматическая мембрана; М — муреиновый саккулус; S — поверхностный белковый слой;
CipC — скефолдин; SdbA — скефолдинсвязываклций белок.

Структурную основу целлюлосомы составляет большой гликопротеин CipC
(от англ, cellulosome integrating protein; 210-250 кДа). У него есть второе на-
звание—«скефолдин» (англ, scaffold — каркас). Наиболее изученный скефолдин
С. thermocellum содержит функционально специализированные домены, разде-
ленные спейсерными участками (рис. 58). Известны три основных типа таких
доменов.

Во-первых, это восемь копий гидрофобного «когезина» Cohj (англ, cohesion —
сцепление). Отдельный когезин состоит из 138 аминокислотных остатков и служит
для связывания целлюлазной субъединицы через «докерины» (англ, dock — состы-
ковывать) Doci. Для этого у нее существуют продублированные последовательности
размером в 22 аминокислоты. Когезины разных бактерий взаимно гомологичны, и
их число равно 5-9.

Во-вторых, это «докерин» Docn, фиксирующий целлюлосому на теле клетки.
Его партнером является «когезин» Coh// — дистальный домен белка SdbA (от англ,
scaffoldin dockerin binding). Благодаря тому, что на С-конце белка SdbA содержатся
домены, гомологичные доменам S-слоя (англ. S-layer homology domains, SLH), он
интегрирован в клеточную стенку. Помимо белка SdbA на поверхности бактерии
расположены белки О1рА/В. У них имеются собственные когезины обоих типов, и
они также участвуют в связывании скефолдина и целлюлаз.

В третьих, это одиночный домен СВМ (от англ, carbohydrate binding module). С
его помощью целлюлосома прикрепляется к фибриллам целлюлозы преимуществен-
но в кристаллических участках. В некоторых случаях, например у мезофильной цел-
люлолитической бактерии R. albus, для прикрепления к целлюлозе дополнительно
используются адгезионные фимбрии (см. раздел 8.6.3), состоящие из пилина СЬрС
(от англ, cellulose binding protein).

Гены, кодирующие компоненты целлюлосомы, образуют кластер размером
~26 т.п.н., либо рассеяны по всему геному.

8.5.4.5. Экзоплазматические микрокристаллы

У некоторых цианобактерий в экзоплазматическом компартменте образуются
микрокристаллы минералов, в частности кальцита СаСОз. Матрицей для нача-
ла кристаллизации служат узлы паракристаллической решетки S-слоя (см. раздел
8.5.2.3), либо регулярно расположенные полисахаридные или белковые фибриллы
чехла (см. раздел 8.5.4.2). Прижизненная или постмортальная минерализация спо-
собствует формированию микробных матов, на основе которых возникают ископае-
мые строматолиты (см. разделы 1.8 и 7.3.5).

Опосредованная цианобактериями кристаллизация минералов существенно вли-
яет на глобальные циклы биогенных элементов. В морских микробных матах на три-
хомах цианобактерий повсеместно происходит отложение гипса СаЗО^ЩО, фос-
фата кальция Саз(РО4)г и галита NaCl. Кальцифицированные трихомы образуют и
аэрофитные (растущие на увлажняемых наземных субстратах, а не в водной толще)
цианобактерии, например штаммы Scytonema sp.

Формирование экзоплазматических микрокристаллов не сводится к просто-
му физико-химическому процессу, а зависит от состава и структуры чехла, а
также от способности цианобактерий повышать pH экзоплазматического ком-
партмента в результате ассимиляции «растворенного неорганического углерода»
(CO2/HCO3-/CO32-).
8.6. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ КОМПАРТМЕНТЫ
СО СМЕШАННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ

В этом разделе мы рассмотрим микрокомпартменты, расположенные не в каком-
нибудь одном, а сразу в двух или даже трех генеральных компартментах.

Характеризуя ОМ и муреиновый саккулус, мы уже останавливались на ком-
партментах этого типа. Речь шла о контактах Байера (см. раздел 8.4.1.4), а также
о микроплазмодесмах и «комплексах контактной поры» (см. раздел 8.4.3.1).

Теперь же мы обратимся к примерам тех компартментов со смешанной локали-
зацией, которые выполняют широкий спектр экспортных функций. Они представ-
ляют собой раскрывающиеся каналы в клеточной оболочке, через которые экспор-
тируются белки (исключением служит импорт чужеродной ДНК, обеспечивающий
генетическую трансформацию).

У грамположительных бактерий и архей белок транслоцируется только через од-
ну мембрану — СМ. У грамотрицательных бактерий при экспорте белка возможны
две ситуации. Если таргетинг предусматривает взаимодействие белка с наружной
поверхностью СМ или секрецию в периплазматическое пространство, экспорт про-
исходит без участия ОМ. Однако, если таргетинг предусматривает ассоциацию с
внешней поверхностью клетки или секрецию во внешнюю среду, белок необходимо
дополнительно транслоцировать через ОМ.

Во всех случаях для прохождения белка через клеточную оболочку требуется
канал (секреторная пора). В связи с этим перед нами встают три взаимосвязанных
вопроса:

— на основе каких молекулярных структур формируется секреторная пора;

— какая из форм энергии, ассимилированной клеткой, используется для работы
по транслокации белка;

— в каком конформационном состоянии белок проходит через секреторную пору.

При ответе на эти вопросы мы будем говорить не только о системах секреции
белка, но и о системах подвижности прокариотной клетки. Казалось бы, между ними
не должно быть ничего общего. Однако теперь стало известно, что системы секреции
белка и жгутиковый аппарат содержат взаимно гомологичные субъединицы, а это
указывает на их общее эволюционное происхождение.

8.6.1. Системы секреции белка

Белки синтезируются на цитоплазматических рибосомах и в ходе секреции транс-
лоцируются через СМ.

Белки, которые транслоцируются через СМ, как правило, содержат N-концевой сигнальный
пептид, или сигнальную последовательность. Она распознается специфическими рецепторами экс-
портного комплекса. В ходе транслокации белка или при попадании на наружную поверхность
СМ сигнальный пептид удаляется сигнальной пептидазой (англ, signal peptidase, Sep). У бакте-
рий, архей и эукариотов сигнальные пептиды взаимно гомологичны. Они состоят из 20-30 ами-
нокислотных остатков и содержат три домена — N-концевой гидрофильный домен, центральный
гидрофобный домен и С-концевой домен, заканчивающийся сайтом для расщепления сигнальной
пептидазой.

У бактерий белки экспортируются в основном посттрансляционно, т. е. после завершения био-
синтеза. Предназначенный для транслокации белок может иметь альтернативную конформацию —
свернутую или развернутую.

В первом случае белок приобретает третичную структуру еще в цитоплазме (хотя на внешней
стороне СМ от него отрезается сигнальный пептид). Ясно, что для экспорта такого белка необхо-
дима крупная пора.
Во втором случае белок поддерживается в развернутой конформации молекулярным шаперо-
ном (см. раздел 8.3.10.2), «продевается» N-концом вперед через транспортер и только на выходе
приобретает свернутую конформацию.

У прокариотов известен ряд систем для секреции белка. В соответствии со зна-
чением для жизнедеятельности и широтой распространения, эти системы можно
разбить на две основные группы — генеральные и специализированные. Конкрет-
ные варианты специализированных систем обозначают цифрами I-IV.

Генеральных систем две — Tat-система и Sec-система. Первая из них секретирует
белок в свернутой конформации, вторая в развернутой.

Генеральная секреторная Tat-система. У белков, которые транспортируют-
ся с помощью этой системы, сигнальный пептид содержит между N-концевым доме-
ном и гидрофобным доменом консервативный мотив с двумя соседними остатками
Arg. Отсюда ее название, Tat-система (от англ, twin-arginine translocation, «транс-
локация спаренных аргининовых остатков»).

Генеральная Tat-система (рис. 59) была впервые обнаружена в хлоропластах.
К настоящему времени известно, что она имеется у многих представителей фил
ВХ Cyanobacteria, ВХП Proteobacteria, ВХШ Firmicutes и BXIV Actinobacteria, а
также у ряда представителей фил AI Crenarchaeota и АП Euryarchaeota. Наряду с
этим есть филы, где она вообще не встречается (например, фила BXVI Chlamydiae).

Особенность генеральной Tat-системы заключается в том, что она:

— секретирует белки в свернутой конформации;

— сигнальный пептид содержит консервативный мотив Ser(Thr)-Arg—Arg-X-
Phe-Leu-Lys;

— белок транслоцируется за счет протондвижущей силы (Pmf).

Сначала считали, что субстратами для Tat-системы служат только субъединицы
электрон-транспортных цепей, связанные с наружной поверхностью СМ и содержа-
щие редокс-активные центры (белки Риске, гидрогеназы, нитритредуктаза, фор-
миатдегидрогеназа). Кофакторы этих белков —ФАД, НАДФ, гемы, железо-серные
центры, ионы металлов переходной валентности, молибдоптерины и т. д. (см. II том
учебника) очень лабильны и связываются с апопротеинами только в цитоплазме.
Для этого апопротеины должны предварительно приобрести третичную структуру,
а в некоторых случаях из нескольких субьединиц должен образоваться мультимер-
ный комплекс.

Теперь установлено, что функции Tat-системы в секреции белка этим не ограни-
чиваются. Например, с ее помощью могут экспортироваться фосфолипаза С, щелоч-
ная фосфатаза PhoD, N-ацетилмурамил-Ь-аланин-амидаза, а также факторы виру-
лентности некоторых патогенных бактерий, например Р. aeruginosa.

Генеральная Tat-система образуется конститутивно. Ее кодируют tat-оперон, в
состав которого входят гены tatABCD, и моноцистронный оперон tatE. Взаимно
гомологичные белки TatA, TatB и TatE состоят из двух а-спиральных доменов —
трансмембранного и амфипатического; интегральный белок TatC содержит шесть
а-спиральных доменов. Все субъединицы Tat-системы представлены несколькими
копиями.

Как именно работает Tat-система, точно еще неизвестно. Возможно, что субъ-
единицы TatB и TatC служат ее каркасом, а также рецептором, тогда как субъ-
единицы TatA образуют раскрывающуюся гидрофильную пору диаметром до 70А,
через которую и проходит секретируемый белок. Необходимо еще раз подчеркнуть,
что источником энергии для Tat-системы служит Pmf, а не гидролиз нуклеозидтри-
фосфатов (АТФ и/или ГТФ).

Некоторые бактерии секретируют с помощью Tat-системы до 20% белков, а ар-
хеот Halobacterium sp. NRC-1 (фила АП Euryarchaeota) — большинство белков.

Поскольку археи синтезируют уникальные мембранные липиды (см. раздел
8.3.3.2) и часто занимают экстремальные ниши (см. главы 3 и 7), неудивительно,
что их секреторные системы во многом отличаются от бактериальных. Например,
субъединица TatC2 у Halobacterium sp. NRC-1 имеет аномальное строение (состо-
ит из 14 доменов и, видимо, является продуктом слияния двух субъединиц TatC
с двухдоменным линкером), тогда как у экстремально термофильного метаногена
Methanopyrus kandleri эта субъединица вообще отсутствует.

Генеральная секреторная Sec-система. Второе название этой системы —
«транслоказа» (рис. 59).

Секретируемый белок презентируется Sec-системе в развернутой форме. Для это-
го используется цитоплазматический шаперон SecB — тетрамер субъединиц молеку-
лярной массой 15 кДа.

Основу транслоказы, изученной на примере Е. coli, составляет проводящий ка-
нал, или «транслокон». Он образован трансмембранными субъединицами SecY
(49 кДа; 10 трансмембранных а-спиралей), SecE (14 кДа; три трансмембранные
спирали) и SecG (11,5 кДа; две трансмембранные спирали). Четыре тримера субъ-
единиц SecYEG образуют кольцо с внутренним каналом диаметром 1,5-5 нм.

Секретируемый белок проталкивается через транслокон димером амфипатиче-
ских субъединиц SecA (молекулярная масса 102 кДа), которые выполняют рецеп-
торную роль и обладают АТФазной активностью.

На периплазматической стороне транслоказы находятся вспомогательные субъ-
единицы SecD и SecF. Вместе с субъединицами YajC и YidC они стабилизируют
интегральные субъединицы SecA и способствуют транслокации.

При работе транслоказы Sec используются сразу два источника энергии — АТФ
и Pmf.

Sec-система грамположительных бактерий сходна по составу и механизму дей-
ствия с Sec-системой грамотрицательных бактерий, но они используют негомоло-
гичные молекулярные шапероны.

Кроме того, хотя у грамположительных бактерий нет ОМ, секреция не заканчи-
вается после выхода белка на наружную поверхность СМ. Формирование третичной
структуры белка и его выход во внешнюю среду зависят от интактного состояния
клеточной стенки (в частности, от накопления в ней катионов Са2+). Поскольку
грамположительные бактерии находят широкое применение в биотехнологии при
производстве ферментов и гетерологичных белков, этот аспект их секреции важен
в практическом отношении.

Субъединцы SecY, SecE и SecG транслоказы архей гомологичны бактериальным.
Однако в археотной транслоказе отсутствует субъединица SecA, роль которой пере-
дается субъединицам SecD и SecF. Кроме того, у архей отсутствует «таргетинговый»
шаперон SecB. В то же время у них выявлены компоненты SRP-пути (см. ниже),
т. е. в очередной раз проявляется их сходство с эукариотами.

SRP-вариант генеральной секреторной Sec-системы. Как мы уже от-
мечали, у бактерий большинство секретируемых белков доставляется к трансло-
кону шапероном SecB. Однако некоторые секретируемые белки высокогидрофоб-
ны и служат интегральными компонентами СМ. В данном случае для их презен-
Генеральная Tat-система

Генеральная Sec-система
и специализированные “two-step” системы

Специализированные “one-step” системы

Н1уА

YopA

Рис. 59. Системы секреции белка.

СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана; Pmf — протондвижущая сила; SRP —
«сигналраспознающая» частица; R—рибосома.
тации Sec-системе используется не шаперон, а так называемый «SRP-комплекс»
(рис. 59).

Его роль заключается в том, чтобы не позволить гидрофобным белкам прежде-
временно агрегировать в цитоплазме. Эукариотный гомолог этого комплекса, SRP54
обеспечивает мембранный таргетинг белков и их котрансляционную интеграцию в
эндоплазматический ретикулум.

SRP (от англ, signal recognition particle; «сигналраспознающая» частица) пред-
ставляет собой растворимый рибонуклеопротеиновый комплекс. Его каркас образует
молекула 4,5S РНК, с которой связан полипептид Р48 молекулярной массой 48 кДа,
или Ffh (от англ, fifty-four homolog, «гомолог эукариотного SRP-белка молекулярной
массой 54 кДа»). Полипептид Р48 распознает сигнал, определяющий мембранный
таргетинг секретируемого белка — высокогидрофобную сигнальную последователь-
ность в незавершенной полипептидной цепи. В результате взаимодействия полипеп-
тида Р48 с рибосомой процесс элонгации приостанавливается (см. раздел 8.3.8).

Цикл работы SRP48 состоит из нескольких стадий. Вначале образуется бинарный
комплекс, состоящий из рибосомы и SRP48. Затем к нему подключается раствори-
мый белок FtsY, обладающий ГТФазной активностью (рис. 59). Такой тройствен-
ный комплекс с помощью белка FtsY фиксируется на СМ. Связанная с рибосомой
полипептидная цепь (англ, ribosome-bound nascent polypeptide chain, RNC) высво-
бождается в канал транслокона SecYEG. После этого за счет энергии гидролиза
ГТФ комплекс, состоящий из рибосомы, частицы SRP48 и белка FtsY, покидает
мембрану, и цикл вновь повторяется.

Транслокация белка может осуществляться до или после терминации трансля-
ции. В первом случае рибосома за счет энергии гидролиза ГТФ проталкивает по-
липептидную цепь через мембрану. Во втором случае это делает субъединица SecA,
которая использует энергию гидролиза АТФ. Расходуется ли в обоих случаях Pmf —
неизвестно.

Специализированная Sec-зависимая секреторная система II. Грамотри-
цательные бактерии могут использовать две специализированные секреторные си-
стемы, которые называются «Sec-зависимыми» — это система II и система IV.

Они действуют в два этапа (англ, two-step). На первом этапе белок при помощи
генеральной Sec-системы транслоцируется на наружную поверхность СМ. При этом
удаляется сигнальная последовательность, он освобождается в периплазматический
компартмент, где шапероны поддерживают его в развернутой конформации. На вто-
ром этапе белок транслоцируется через ОМ и приобретает свернутую конформацию
на ее наружной поверхности.

«Two-step» секреторная система II очень широко распространена у грамотри-
цательных бактерий. Самым известным результатом ее работы является экспорт
пуллуланазы PulA — фермента, отрезающего боковые ветви от разветвленного ами-
лопектина (который наряду с линейной амилозой входит в состав крахмала).

У Klebsiella oxytoca (сем. Enterobacteriaceae) в состав данного экспортера входят
восемь основных субъединиц (PulCDF, PulK-O), которые кодируются /ш/-опероном.

Субъединица PulD, или «секретин» образует гидрофильную пору в ОМ. Субъ-
единицы PulCF и PulK-O также расположены в СМ. Парадокс секреторной системы
II заключается в том, что белок транслоцируется в периплазматический компарт-
мент при помощи генеральной Sec-системы в развернутой форме, но где и как проис-
ходит его фолдинг, непонятно. Неизвестна также роль вспомогательных субъединиц
(PulS и PulG-J), образующих мостик между двумя мембранами, хотя существует
предположение, что по нему от СМ передается энергия, которую необходимо затра-
тить для выхода белка через секретиновую пору.

Секретины относятся к суперсемейству белков, формирующих мультимерные поры в ОМ. Че-
рез них экспортируются разнообразные субстраты — экзоферменты и токсины. Кроме того, через
них из клетки выходят зрелые частицы нитчатых бактериофагов.

Все секретины образуют высокостабильные 12-субъединичные комплексы в виде кольца с цен-
тральным отверстием диаметром ~9,5 нм.

Между секретинами системы II (например, секретином PulD Klebsiella oxytoca и секретином
XcpQ Р. aeruginosa) и системы III (например, секретином SctC Shigella lexneri и сектерином YscC
Yersinia pestis) существует взаимная гомология. Это свидетельствует об общем эволюционном про-
исхождении периферических доменов в двух секреторных системах, различающихся по механизму
действия.

После выделения секретируемого белка в периплазматический компартмент он приобретает
свернутую конформацию, близкую к нативной. В этом совместно участвуют периплазматические
молекулярные шапероны, периплазматические тиол:дисульфидредуктазы Dsb-типа (см. раздел
8.4.2) и внутримолекулярные шаперонные домены секретируемого белка. По-видимому, третичная
и даже четвертичная структура субстратного белка несет сигнал для прохождения через очень
крупную пору секретина (в частности, через секретин EpsD экспортируется мультимерный токсин
Vibrio cholerae).

Другие примеры секреторной системы II — это продукты out-оперона фитопа-
тогенных бактерий рода Erwinia (секреция пектиназ и целлюлаз), ггср-оперона
Р. aeruginosa (секреция аминопептидазы, эластазы и экзотоксина А) и трс-оперо-
на Xanthomonas campestris (секреция пектиназы). Таким образом, с помощью дан-
ной системы грамотрицательные бактерии секретируют разнообразные гидролити-
ческие ферменты.

Специализированная Sec-зависимая секреторная система IV. Эта систе-
ма была впервые обнаружена у патогенной бактерии Neisseria gonorhhoeae, которая
секретирует протеазу IgА1. Позднее оказалось, что с ее помощью секретируются и
другие факторы патогенности, в том числе адгезины (рис. 59).

Секреторную систему IV называют «автотранспортером» (англ, autotransporter),
поскольку белок транслоцируется через ОМ самостоятельно, без помощи перенос-
чиков. Дело в том, что С-концевой домен секретируемого белка сходен по структуре
с поринами (см. раздел 8.4.1.2). Благодаря этому он спонтанно встраивается в ОМ
и образует в ней бочковидную пору из 10-14 антипараллельных |3-цепей, через ко-
торую «продевается» секретируемый домен той же самой белковой молекулы. Так
как пора имеет небольшой диаметр, секретируемый домен должен находиться в
развернутой конформации, за что отвечает молекулярный шаперон (его роль мо-
жет выполнять периплазматический шаперон или один из собственных внутренних
доменов секретируемого белка). После выхода через пориновый домен на наружную
поверхность клетки а-спиральный домен «вытягивает» его за собой и либо сохра-
няет с ним ковалентную связь, либо отрезается протеазой OmpT-типа (см. раздел
8.4.1.2).

Специализированная секреторная система I. У грамотрицательных бак-
терий известны две специализированные секреторные системы, которые называют
«Sec-независимыми» — это система I и система III.

В данном случае понадобится уточнение. Независимость от генеральной Sec-си-
стемы выражается в том, что она не участвует в секреции субстратного белка, од-
нако с ее помощью экспортируются субъединицы специализированой секреторной
системы I, и в этом смысле зависимость сохраняется.

Специализированные Sec-независимые секреторные системы действуют одно-
этапно (англ, one-step), и белок транслоцируется в развернутой конформации. Ис-
точником энергии для секреции служит гидролиз АТФ.

Особенность специализированной системы I заключается в том, что белок сек-
ретируется непосредственно в окружающую среду, без промежуточного высвобож-
дения в периплазматический компартмент. По механизму действия секреторная си-
стема I напоминает мост, соединяющий цитоплазматический компартмент с экзо-
плазматическим .

Примером специализированной секреторной системы I служит экспортер гемо-
лизина HlyA Е. coli. Данная система относительно проста и состоит из субъединиц
трех типов —Н1у В, HlyD и То1С.

Интегральный белок Н1уВ присутствует в СМ в димерной форме. Он содержит
мотив, характерный для представителей суперсемейства «транспортных» АТФаз
ABC-типа (от англ. ATP-binding cassette), и обладает АТФазной активностью. Пе-
риферический белок HlyD, или «адгезионный» белок (англ, fusion protein) образует
проводящий канал между СМ и ОМ. Установлено, что он димеризуется in situ. Инте-
гральный белок То1С, или «выделительный» порин (см. раздел 8.4.1.2) состоит из |3-
спиральных цепей. Его тример образует гидрофильную пору внутри ОМ и частично
выступает в периплазматический компартмент, где контактирует с «адгезионным»
белком. Канал, проходящий через все три домена секреторной системы I, раскры-
вается только после связывания субстратного белка с субъединицами HlyBD. После
завершения секреции канал опять закрывается.

Сигналом для мембранного таргетинга служит неудаляемый С-концевой участок
полипептидной цепи, причем в роли рецептора выступает субъединица Н1уВ.

С помощью разных вариантов специализированной секреторной системы I, пред-
назначенных для отдельных групп субстратов, могут экспортироваться:

— экзоферменты (например, аденилатциклаза у возбудителя коклюша Bordetella
pertussis, а также экзопротеазы у зоопатогенной бактерии Р. aeruginosa и фитопа-
тогенной бактерии Erwinia chrysanthemi)-,

— токсины (в частности, лейкотоксин у Pasteurella haemolytica)',

— субъединицы поверхностного S-слоя;

— липоолигосахаридные Nod-факторы у симбиотических клубеньковых бактерий
из сем. Rhizobiaceae.

Специализированная секреторная система III. Данная система играет цен-
тральную роль в патогенности многих грамотрицательных бактерий.

Ее важнейшая особенность состоит в том, что секретируемый белок доставля-
ется непосредственно в цитоплазматический компартмент эукариотного хозяина —
без промежуточного высвобождения в периплазматический компартмент бактерии и
выхода в межклеточное пространство. Секретируемый белок одноэтапно транслоци-
руется через СМ, периплазматический компартмент, ОМ и СМ эукариотной клетки.
Таким образом, по механизму действия секреторная система III напоминает шприц
с иглой, и поэтому ее образно называют «инъектосомой» (англ, injectosome).

Субстратами для секреторной системы III служат «эффекторы» и «транслока-
торы». Те и другие содержат уникальные неудаляемые сигнальные последователь-
ности, расположенные в разных участках полипептидной цепи.

Эффекторы, хотя и сильно различаются по структуре и вызываемому ими кле-
точному ответу, обязательно имеют гомологичные участки с эукариотными белками.
Оказавшись в цитоплазматическом компартменте эукариотной клетки, эффектор,
примером которого служит белок возбудителя чумы YopA (от англ. Yersinia outer
protein), модифицирует регуляторные каскады, разрушает цитоскелет и вызывает
апоптоз.

Транслокаторы играют вспомогательную роль и образуют пору в СМ эукариот-
ной клетки, через которую эффекторы проходят в ее цитоплазматический компарт-
мент.

Секреторная система III имеет сложное строение и содержит до 25 типов субъ-
единиц. Биосинтез и сборка ее компонентов, а также секреция белка контролиру-
ются внешней средой. В частности, условием секреции эффектора YopA является
низкое содержание катионов Са2+ и температура выше 37°С. Кроме того, условием
ее запуска является контакт с клеткой-мишенью, а для этого требуются специальные
адгезины.

Для активации транскрипции компонентов секреторной системы III использу-
ются регуляторные белки семейства AraC/XylS. В свою очередь, в регуляции тран-
скрипции секретируемых белков участвуют мультифункциональные молекулярные
шапероны из семейства TTS (от англ, type three secretion; 15 кДа). Кроме того, они
поддерживают секретируемый белок в развернутой конформации, а также выпол-
няют роль стабилизирующих факторов.

Секреторная система III состоит из трех основных частей — базального тела,
«иглы» и транслокаторного домена (рис. 59). Она охарактеризована на примере
Salmonella enterica серотип Typhimurium, Shigella flexneri, Yersinia enterocolitica,
Y. pestis и Y. paratruberculosis, а также энтеропатогенных штаммов E. coli.

Базальное тело интегрировано в клеточную оболочку и включает в себя:

— проксимальный домен, который находится в СМ (два кольца диаметром 40 нм,
образованные субъединицами SctR и SctT); на его внутренней стороне находится
экспортный аппарат, состоящий из субъединиц InvA и SpaP-S, а также из субъеди-
ницы SctN, относящейся с суперсемейству «транспортных» АВС-АТФаз;

— осевой цилиндр, который пересекает периплазматический компартмент; внут-
ри него проходит канал диаметром 2 нм (субъединицы SetJ);

— дистальный домен, или секретин, который пронизывает муреиновый саккулус
и встроен в ОМ (два кольца диаметром 20 нм, образованные субъединицами SctC).

Девять генов, кодирующих субъединицы базального тела и его сборку, высоко-
консервативны, причем восемь из них гомологичны генам, участвующим в биогенезе
жгутика (см. ниже).

Игла служит продолжением базального тела и состоит из белка EspA. Эта труб-
чатая структура имеет диаметр ~8 нм и длину до 80 нм. Она выполняет роль адге-
зионного мостика между бактерией и клеткой-мишенью. Кроме того, она является
наружной частью канала, по которому передаются транслокаторы и эффекторы.

Транслокаторный домен расположен на конце иглы. Он представляет собой
мультимерный комплекс, образованный двумя белками (1рА и 1рС у Sh. flexneri,
YopB и YopD у Y. enterocolitica и т. д.).

Помимо патогенов человека и животных, секреторная система III имеется у неко-
торых фитопатогенных бактерий, которые также доставляют белковые факторы ви-
рулентности непосредственно в клетку хозяина. В данном случае инъектосоме при-
ходится преодолевать клеточную стенку, которая по толщине (>100 нм) значительно
превышает клеточную оболочку млекопитающих. Поэтому конец иглы наращивает-
ся за счет присоединения к нему фимбрии Нгр-типа (см. раздел 8.6.3).

Секреторная система III типа служит не только для экспорта белковых факторов
вирулентности. Она используется в аппарате Mrf (от англ, mating pair formation),
который формирует партнерские пары при конъюгации. Наконец, при генети-
ческой трансформации патогенных бактерий родов Campylobacter и Helicobacter
она может захватывать «голую» ДНК, происходящую из клетки гетерологичной
бактерии.

Специализированная секреторная система III как гомолог и функци-
ональный аналог базального тела бактериального жгутика. В конце 1990-х
годов выяснилось, что специализированная секреторная система III проявляет сход-
ство с широко распространенной локомоторной системой — бактериальным жгути-
ком, точнее, его базальным телом (см. раздел 8.6.2).

Доказано не только то, что эти системы имеют внешне сходное строение, но и то, что их субъ-
единицы кодируются гомологичными генами. В настоящее время обе структуры рассматриваются
как варианты специализированного компартмента — секреторной системы III.

Обеспечивающая вирулентность секреторная система III и входящая в жгутиковый аппа-
рат секреторная система III не исключают друг друга. В частности, патогенные протеобактерии
Bordetella sp. (сем. Alcaligenaceae) и Р. aeruginosa (сем. Pseudomonadaceae), а также виды родов
Escherichia, Salmonella, Shigella и Yersinia (сем. Enterobacteriaceae) обладают генами обеих систем.

В то же время известны случаи, когда у патогенных бактерий имеется только «вирулент-
ная» секреторная система III. Примером служат облигатные внутриклеточные паразиты из рода
Chlamydia. У них на поверхности клетки расположены в гексагональном порядке 13-30 «рожек»
(англ, projections) длиной 70-90 нм и диаметром 5-10 нм. Эти структуры морфологически сходны с
секреторной системой III. В геноме хламидий обнаружены гомологи генов, кодирующих большин-
ство ее субъединиц. Предполагается, что «рожки» служат каналами для транспорта метаболитов
из клетки хозяина в клетку паразита и, возможно, каналами для взаимного сигналинга.

У некоторых грамотрицательных патогенов, например Helicobacter sp. (сем. «Helicobac-
teraceaeV) и Vibrio sp. (Vibrionaceae), а также у всех грамположительных патогенов секреторная
система III представлена только «жгутиковым» вариантом. Для экспорта факторов вирулентности
они используют другие секреторные системы.

Наконец, жгутиковый аппарат Y. enterocolitica обладает уникальной способностью секретиро-
вать в среду фактор вирулентности — липопротеин YlpA.

В отличие от жгутиковых генов, которые кодируются хромосомой, гены «вирулентной» секре-
торной системы III в большинстве случаев находятся на плазмидах в островках патогенности (см.
раздел 8.6.3.3) и могут «горизонтальным» путем передаваться от одной бактерии к другой.

При совместном кодировании обеих систем они обычно имеют противоположные векторы регу-
ляции и одновременно не экспрессируются. Как правило, на инвазивной стадии инфекции бактерии
образуют только «жгутиковую» секреторную систему III. Логика этого явления состоит в том, что
необходимость в «вирулентной» системе III возникает только когда патоген вступает в прямой кон-
такт с клеткой хозяина. Регуляторным сигналом, оказывающим негативное влияние на экспрессию
системы подвижности, служит повышение температуры до 37° С.

8.6.2. Жгутики

Прокариотный жгутик, или «флагелла» (лат. flagellum — бич) представляет со-
бой многофункциональный специализированый компартмент со смешанной локали-
зацией. Однако его главная задача —быть локомоторной органеллой.

В любой нише мы встречаем как пространственные, так и темпоральные гра-
диенты физических и химических параметров среды. Многие, хотя далеко не все,
прокариоты обладают подвижностью, что позволяет им изменять свое положение в
окружающей среде и попадать в более благоприятные условия. Помимо этого актив-
ная подвижность дает возможность ряду бактерий скапливаться в многоклеточные
агрегаты, внутри которых образуются покоящиеся клетки, что позволяет переносить
неблагоприятные, а иногда и экстремальные условия окружающей среды.
8.6.2.1. Типы подвижности у прокариотов

Между подвижностью бактерий и архей имеется большая разница. В частности,
у бактерий больше способов подвижности. При этом самый распространенный ло-
комоторный аппарат, жгутик, имеет разное происхождение у бактерий и архей. При
внешнем сходстве с бактериальным, жгутик архей устроен иначе; различия также
касаются механизма биогенеза и кинематики. Короче, перед нами еще один пример
того, как археи мимикрируют под бактерий.

Для описания типов подвижности у прокариотов нам потребуется специальная
терминология.

Термином «подвижность» (англ, motility) обозначают изменение пространствен-
ного расположения отдельной клетки или трихома, а также группы клеток, сопри-
касающихся друг с другом.

Клеточная подвижность обеспечивается внутренними органеллами клетки или
взаимодействием поверхностных структур с окружающей средой. Подвижность не
означает любое перемещение в окружающей среде, которое, в частности, может про-
исходить за счет броунова движения, конвекции или водного потока.

Общая схема типов подвижности у прокариотов приводится на рис. 60.

Активная и пассивная подвижность. При активной подвижности клетка
совершает работу по собственному перемещению, на что расходуются внутренние
запасы энергии.

Пассивная подвижность не требует от клетки энергетических затрат. Она мо-
жет осуществляться в результате спонтанной разборки или сборки филаментозных
структур, соединяющих клетку с субстратом, а также в результате изменения пла-
вучести клетки.

Подвижность в жидкой фазе и на границе раздела жидкой и твердой
фаз. Насколько успешно тот или иной тип подвижности может быть использован
бактерией, зависит от структуры внешней среды.

В случае, когда клетка перемещается в жидкой среде и локомоторными орга-
неллами служат экзоплазматические жгутики, периплазматические жгутики или
мембранные структуры, мы говорим о «плавании» (англ, swimming).

В случае, когда клетка или трихом перемещается по границе раздела жидкой и
твердой фаз, речь идет о «скольжении» (англ, gliding).

Индивидуальная и коллективная подвижность. При индивидуальной по-
движности (англ, adventurous motility; «авантюристическая подвижность») особь
плавает в жидкой фазе, перемещается рывком или скользит, находясь в контакте с
твердой фазой.

При коллективной подвижности (англ, social motility) колония клеток движется
по увлажненной поверхности твердого субстрата. Если такое перемещение осуществ-
ляется с помощью жгутиков, оно называется «роением» (англ, swarming), а если с
помощью фимбрий IV типа или с помощью мембранных структур — коллективным
скольжением (англ, social gliding).

Подвижность с помощью жгутиков (активная). Плавание при помощи
экзоплазматических жгутиков широко распространено у бактерий и архей, тогда
как роение наблюдается только у бактерий. Плавание благодаря периплазмати-
ческим жгутикам является уникальным свойством представителей филы BXVII
Spirochaetes.
Роение

Плавание

Скольжение

Твитчинг

Рис. 60. Классификация типов подвижности у прокариотов.

Строение и биогенез жгутиков, а также обеспечиваемые ими типы подвижности
мы подробно рассмотрим в разделах 8.6.2.2 и 8.6.2.3.

Подвижность с помощью мембранных структур (активная). Данный тип
подвижности основан на усилии, которое передается от ОМ и/или СМ на жидкий
или твердый субстрат.

В случае жидкого субстрата это означает плавание без участия жгутиков. Такой
тип подвижности встречается крайне редко. Впервые он был описан в 1985 г. у од-
ноклеточной цианобактерии рода Synechococcus, входящей в состав пикопланктона
тропической зоны Мирового океана. При отсутствии морфологически выраженных
локомоторных органелл эти бактерии перемещаются со скоростью ~10 мкм-с-1, что
соответствует скорости скольжения, однако в несколько раз ниже скорости плава-
ния. Во второй половине 1990-х годов было показано, что данный тип подвижности
обеспечивается поверхностным белком SwmA, который содержит характерный мо-
тив в виде Са2+-связывающего нонапептида. Интересно, что многочисленные повто-
ры Са2+-связывающего нонапептида имеются и в молекуле осциллина (см. ниже).
Роль белка SwmA в квази-плавании Synechococcus sp. остается загадкой, посколь-
ку мутанты, у которых он отсутствует, лишаются способности к перемещению, но
могут вращаться.

Другой пример плавания без участия жгутиков относится к спирально извитым
бактериям из рода Spiroplasma (фила ВХШ Firmicutes, класс «Mollicutes»}, у кото-
рых нет ни ОМ, ни ригидного слоя. В невязкой жидкости эти бактерии вращаются,
а в гелеобразной среде совершают поступательные движения. Механизм подвижно-
сти, в которой участвуют ундулирующая (лат. unda — волна) ОМ или ундулирую-
щая СМ, точно неизвестен, хотя предполагается, что он связан с поверхностными
фибриллами, конформационное изменение которых передается на СМ.

По поверхности твердого субстрата подвижность происходит благодаря комплек-
су СМ/ОМ. Примером служат «авантюристически» скользящие клетки Myxococcus
xanthus (класс «Deltaproteobacteria»}. Хотя механизм такой подвижности точно не
известен, предполагается, что в нем участвует «Ton-зависимая» система, которая
изменяет конформацию ОМ за счет энергии Pmf (см. II том учебника). Показано,
что за подвижность отвечает ген aglU1, его продукт входит в состав ОМ и на 35%
гомологичен белку TolC Е. coli — компоненту специализированной секреторной си-
стемы I типа. Напомним, что эта система образует мост между СМ и ОМ, и за счет
энергии гидролиза АТФ белок выходит через отверстие порина (см. раздел 8.6.1).

В конце 1990-х годов была предложена модель для объяснения механизма «аван-
тюристического» скольжения бактерий из родов Cytophaga и Flavobacteium (фила
ВХХ Bacteroidetes}. Согласно этой модели, в составе ОМ есть белки, обеспечива-
ющие адгезию к твердому субстрату. В свою очередь, белки СМ используют энер-
гию Pmf для того, чтобы сместить ОМ вдоль специальных локусов муреинового
саккулуса. Это напоминает машину на гусеничном ходу. Естественно, что для эф-
фективного скольжения необходима координация работы «гусеничных катков», или
отдельных систем, преобразующих хемиосмотическую энергию в механическую.

Подвижность с помощью эндоскелета (активная). Данный тип подвиж-
ности представляет собой один из вариантов скольжения и связан с механическим
взаимодействием эндоскелета с твердым субстратом, например поверхностью эпи-
телиальной ткани. Он описан у микоплазм, в частности — Mycoplasma pneumoniae,
и пока мало изучен.

Подвижность с помощью эндоскелета осуществляет «терминальная органелла».
Это вырост СМ, внутри которого находится цитоскелет, состоящий из HMW-белка
и вспомогательных белков (см. раздел 8.3.9.1).

Подвижность с помощью реактивной струи (активная). Данный тип по-
движности был впервые изучен в конце 1980-х годов у осциллаториевой цианобак-
терии «Phormidium uncinatum». Путем выброса реактивной струи трихомы могут
скользить со скоростью до 10 мкм-с-1.

Механизм этого типа выглядит следующим образом. Через «комплекс контакт-
ной поры» (см. раздел 8.4.3.1) из цитоплазматического компартмента со скоростью
1,2-104—4-104 кДа-с-1на поверхность клетки выдавливается, по мере ее биосинтеза,
слизь, состоящая из экзополисахарида (см. раздел 8.5.4.1).

Поверх ОМ и S-слоя по оси трихома пролегают спиральные каналы, образован-
ные фибриллами гликопротеина осциллина (англ, oscillin, 66 кДа). В области перего-
родки между соседними клетками находятся два кольца выходных отверстий «ком-
плекса контактной поры». Отверстия одного кольца направлены в сторону услов-
ного переднего конца трихома, а отверстия второго кольца в сторону условного
заднего конца трихома. Отверстия открываются в осциллиновые каналы, борта ко-
торых используются как резьба винта, а слизь выполняет роль реактивной струи.
Направление перемещения трихома зависит от того, через какую серию отверстий
выдавливается слизь.

Подвижность за счет полимеризации актина (пассивная). В дан-
ном случае патогенная бактерия, проникшая в эукариотную клетку, индуциру-
ет полимеризацию хозяйского актина (рис. 61). Данный тип подвижности явля-

Рис. 61. Система для полимеризации хозяйского актина, используемая в целях подвижности
факультативным внутриклеточным паразитом Listeria monocytogenes.

N и С — терминальные домены поверхностного бактериального белка ActA; VASP —
профилинсвязывающий хозяйский белок; Агр2 и АгрЗ — вспомогательные хозяйские белки; Р и В —
«заостренный» и «зазубренный» концы актиновой нити.

ется важнейшим фактором вирулентности факультативных внутриклеточных па-
разитов Listeria monocytogenes (фила ВХШ Firmicutes) и Shigella flexneri (класс
«Gammaproteobacteria»), а также облигатных внутриклеточных паразитов из рода
Rickettsia. Способностью полимеризовать актин обладают даже некоторые вирусы.

Внутриклеточные паразитические бактерии подразделяются на тех, которые размножаются
в вакуолях хозяина (рода Chlamydia, Coxiella, Legionella, Mycobacterium, Salmonella и др.), и тех,
которые размножаются в его цитоплазме (рода Listeria, Shigella, Rickettsia и др.). Кроме того, внут-
риклеточные паразиты могут поселяться в фагоцитирующих или в нефагоцитирующих клетках.
В первом случае они остаются в фагосоме или разрушают ее мембрану и переходят в цитоплазму.

Некоторые патогенные бактерии, в частности Listeria и Shigella способны проникать в нефа-
гоцитирующие клетки. Для этого у них существуют особые приспособления, которые влияют на
цитоскелет хозяина и индуцируют эндоцитоз. В частности, L. monocytogenes образует белок интер-
налин IntA (от англ, internalin), который связывается с поверхностью энтероцитов. Роль рецептора
интерналина играет Са2+-зависимый белок Е-кадгерин (англ, cadherin). В норме он входит в состав
опоясывающих десмосом (гомотипическая адгезия), которые обеспечивают поляризацию эпители-
альных клеток и общую архитектонику ткани.
После эндоцитоза паразит с помощью очень активных фосфолипаз разрушает мембрану фа-
голизосомы и переходит в цитоплазму хозяина, где он размножается и полимеризует вокруг себя
хозяйский актин. Затем оболочка из актиновых нитей превращается в «хвост кометы» длиной 10-
40 мкм, на котором бактерия, как на лифте, продвигается по хозяйской цитоплазме со скоростью
6-60 мкм мин-1, а затем внутрь соседней клетки проникает протуберанец длиной до 25 мкм. Его
окончание вместе с находящейся в нем бактерией превращается в вакуоль, окруженную двумя кон-
центрическими мембранами. Мембраны разрушаются под воздействием фосфолипаз и т. д. Таким
образом, бактерия колонизирует ткани, не покидая цитоплазму хозяина, что позволяет избежать
действия его защитных систем.

Актин представляет собой глобулярный белок, или G-актин (от англ, globular) с молекулярной
массой 43 кДа, способный полимеризоваться в длинные нити F-актина (от англ, filamentous). Ак-
тиновая нить анизотропна — ее сборка блокируется на «заостренном» конце (англ, pointed end) и
происходит на «зазубренном» конце (англ, barbed end).

Полимеризация хозяйского актина зависит от поверхностных белков Act А (у L. monocytogenes)
или IcsA (у S. flexneri), которые накапливаются на одном из полюсов клетки.

N-концевой домен белка Act А содержит актин-связывающие сайты (рис. 61). В его центральном
домене имеются повторы Pro-Glu, которые узнают хозяйский белок VASP (от англ, vasodilator-
stimulated phosphoprotein; ~50 кДа). В свою очередь, комплекс ActA/VASP связывает хозяйский
белок профилин (англ, profilin; 16 кДа). Роль профилина, по-видимому, заключается в том, что
он поставляет G-актин на «зазубренный» конец F-актиновой нити при условии, что последний не
экранируется кэп-белком. Во взаимодействии белка ActA с мономерным актином, по-видимому,
участвуют хозяйские белки Агр2/АгрЗ (от англ, actin-related protein). Смысл его заключается не в
том, что ActA непосредственно полимеризует актин, а в том, что этот белок служит площадкой для
вспомогательных белков (VASP, профилина и Агр2/АгрЗ), а также декэппирует конец актиновой
нити, т. е. поддерживает ее в «зазубренном» состоянии.

После завершения полимеризации F-актин кэппируется, между отдельными нитями с помощью
а-актинина образуются поперечные сшивки, и из них образуется «хвост кометы».

Подвижность в результате изменения плавучести (пассивная). Данный
тип подвижности позволяет клеткам перемещаться вертикально в толще водной
среды. В результате они попадают в горизонт, наиболее подходящий для жизнедея-
тельности.

Известны следующие альтернативные типы подвижности за счет изменения пла-
вучести — флотация и погружение. В первом случае прокариотная клетка образует
газовые везикулы, становится легче воды и всплывает (см. раздел 8.3.11.2). Во вто-
ром она накапливает полиглюкозидные гранулы, становится тяжелее воды и погру-
жается (см. раздел 8.3.11.4).

Миграции в противоположных направлениях происходят с помощью регулятор-
ной петли обратной связи в результате уменьшения количества этих органелл.

Подвижность, осуществляемая за счет втягивающихся фимбрий IV ти-
па (пассивная). Строение и биогенез фимбрий IV типа, а также обеспечиваемые
ими типы подвижности будут рассмотрены в разделе 8.6.3.

8.6.2.2. Жгутики бактерий

Используя жгутики, бактерии индивидуально плавают в жидком субстрате или
переходят к коллективному роению по увлажненной поверхности твердого субстра-
та.

Подсчитано, что жгутики образуют до 80% известных видов бактерий. Это ука-
зывает на высокую биологическую целесообразность данных структур. Прежде все-
го, передвигаясь с их помощью, бактерии могут проникнуть в область с более благо-
приятными условиями существования. Наряду с фимбриями жгутики способствуют
образованию биопленок (см. ниже). Благодаря жгутикам Geobacter metallireducens
вступает в контакт с илом или минеральными частицами, где содержатся слабо рас-
творимые катионы Fe3+, используемые в качестве акцептора электронов при анаэ-
робном дыхании. Жгутики облегчают колонизацию хозяина симбиотическими бак-
териями (примером служат клубеньковые бактерии из рода Rhizobium). Для инва-
зивных патогенов жгутики являются одним из факторов вирулентности, поскольку
позволяют проникнуть в тело хозяина, перемещаться в вязком межклеточном ве-
ществе соединительной ткани и проходить через щели между клетками эндотелия.

Обладание жгутиками имеет и негативную сторону. Они состоят из разных субъ-
единиц, на биосинтез которых уходит много строительного материала, а для сборки
и вращения жгутиков требуется много энергии. Неслучайно при отсутствии конку-
рентного давления бактерии теряют подвижность и/или перестают образовывать
жгутики. Неслучайно также, что у патогенных бактерий сигналом к прекращению
биогенеза жгутиков служит повышение наружной температуры: «Замри — ты нахо-
дишься внутри макроорганизма». Кроме того, жгутики высоко иммуногенны, что
ставит бактерию под удар защитных сил макроорганизма. Жгутики — это ахилле-
сова пята бактериальной клетки. Этим пользуются на практике при активной им-
мунизации с помощью препаратов жгутиков, а также при пассивной иммунизации
антижгутиковыми антисыворотками или антителами. В последнее время с помощью
генноинженерных методов создают гибридные жгутиковые вакцины, когда в моле-
кулу флагеллина вводят эпитопы других инфекционных агентов, в частности слабо
имммуногенного вируса гриппа.

Жгутик как специализированный компартмент со смешанной лока-
лизацией; устройство и работа жгутика. Хорошо известно, что эукариотный
жгутик, или «ундулиподия» производит биения, посылает бегущую волну или опи-
сывает телесный угол, используя энергию гидролиза АТФ. В структурном плане он
представляет собой вырост клетки с цитоскелетом внутри.

В отличие от него, прокариотный жгутик вмонтирован в клеточную оболочку и
свободно вращается в ней за счет энергии трансмембранного градиента катионов Н+
или Na+. Такие биокинематические системы типа «колеса», состоящие из двух неза-
висимых частей, статора и ротора, известны только в мире прокариотов (другими
примерами являются FoFi-АТФаза и, возможно, фимбрия IV типа).

Жгутик попеременно вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Частота вращения постоянна для конкретного объекта и находится в пределах 250-
1700 Гц (1,5-104—105 оборотов-мин-1). С помощью жгутиков Е. coli и многие другие
бактерии плавают со скоростью около 50 мкм-с-1 и, следовательно, за секунду пре-
одолевают расстояние, равное 20 длинам их тела. Такую же относительную скорость
(20 м-с-1) развивает только тунец Tunnus albacus. Для того, чтобы сравниться по
относительной скорости с самыми быстрыми вибрионами, плавающими со скоро-
стью до 200 мкм-с-1, человеку пришлось бы перемещаться со скоростью самолета
(600 км-ч-1).

Основная информация о строении и работе бактериального жгутика получена на
примере Е. coli и Salmonella enterica серотип Typhimurium. «Плавательные» гены у
этих бактерий традиционно относят к трем основным группам:

—Да-гены (от англ, flagellum — жгутик), кодирующие субъединицы и биогенез
жгутика; в настоящее время по последовательному положению на генной карте их
обозначают как flg-гены, flh-, fli- и Ду-гены;

—mot-гены (от англ, motility— подвижность), отвечающие за вращение мотора
жгутика;
— с/ге-гены (от англ, chemotaxis —хемотаксис), обеспечивающие плавание как
адаптивную реакцию.

Наибольшее число генов (около 50) входит в группу fla. Из них около полови-
ны кодируют субъединицы жгутика. Гены flgM, flhCD и fliA регулируют биогенез
жгутика.

Грамотрицательные бактерии чаще всего имеют один или несколько «экзоплаз-
матических» жгутиков (англ, exoplasmic flagella). Легко заметить, что этот термин
неточно отражает локализацию жгутиков, поскольку они расположены одновремен-
но в цитоплазматическом, периплазматическом и экзоплазматическом компартмен-
тах.

Грамотрицательные бактерии из филы BXVII Spirochaetes обладают «периплаз-
матическими» жгутиками (англ, periplasmic flagella). И этот термин неточен, по-
скольку такие жгутики располагаются одновременно в цитоплазматическом и пери-
плазматическом компартментах. Особым вариантом периплазматических жгутиков
являются «зачехленные» жгутики (англ, sheathed flagellum) вибриоидных бактерий
Bdellovibrio bacterioviorus, Vibrio cholerae, V. parachaemolyticus и Helicobacter sp. Они
покрыты выростом ОМ, отличающимся по составу от ее остальных участков.

Наконец, экзоплазматические жгутики грамположительных бактерий располо-
жены одновременно в цитоплазматическом и экзоплазматическом компартментах.

Бактериальный жгутик, строение которого мы рассмотрим на примере жгутика
грамотрицательных бактерий, состоит из трех частей (рис. 62,А-В):

— «нити», или жесткой филаментозной стуктуры длиной до 15 мкм и диамет-
ром ~20 нм, которая расположена за пределами цитоплазматического компартмента
(рис. 62,А);

— базального тела, которое встроено в СМ и имеет дополнительную опору; ее
роль у грамотрицательных бактерий играет муреиновый саккулус совместно с ОМ,
а у грамположительных бактерий только муреин-тейхоатный саккулус (рис. 60,В);

— «крюка» длиной ~55 нм и диаметром ~30 нм, или гибкого сочленения между
нитью и базальным телом (рис. 60,Б).

В состав базального тела, в числе прочего, входит секреторная система. Она отно-
сится к специализированным секреторным системам III (см. раздел 8.6.1) и при сбор-
ке жгутика экспортирует субъединицы базального тела, крюка и нити (рис. 62,Г).

Клетка, имеющая жгутик(и), получает двигательный импульс в результате кру-
тящего взаимодействия нити с субстратом — напрямую в случае экзоплазматиче-
ских жгутиков или через ОМ в случае периплазматических жгутиков. Хотя нить
многократно превышает по размеру все остальные части жгутика, она не служит
источником двигательного импульса, который исходит от работающего молекуляр-
ного мотора.

Мотор жгутика включен в состав базального тела, которое погружено в кле-
точную оболочку и частично выдается в цитоплазматический компартмент. Ротор
мотора вращается за счет энергии протонного градиента (Pmf) или, в случае мор-
ской бактерии Vibrio alginolyticus и алкалифильных штаммов Bacillus sp., за счет
энергии градиента катионов Na+ (Smf). Энергия АТФ вообще не используется для
работы жгутика. Тем не менее, она необходима для систем его сборки, а также для
систем, регулирующих направление его вращения попеременно по часовой стрелке
или против часовой стрелки.

Нить. Рабочей частью жгутика является жесткая нить (англ, filament). Она име-
ет вид спирализованного цилиндра с внутренним каналом диаметром ~3 нм. Нить
Рис. 62. Строение бактериального жгутика.

А — нить; Б — крюк; В—базальное тело; Г — секреторный аппарат; СМ — цитоплазматическая
мембрана; ОМ — наружная мембрана; М — муреиновый саккулус.
состоит из ~2-104 идентичных субъединиц флагеллина (FliC; ~50 кДа). В очень
редких случаях она образована сразу несколькими типами флагеллина — например,
у Helicobacter pylori (два флагеллина, расположенные на противоположных концах
нити), Caulobacter crescentus и Rhizobium meliloti (два флагеллина, расположенные
на противоположных концах нити), а также у Campylobacter coli (два флагеллина,
расположены поочередно).

Недавно выяснилось, что у ряда бактерий (Aeromonas caviae, Campylobacter
jejuni, C. crescentus, H. pylori и P. aeruginosa) флагеллины гликозилированы.

В результате рентген-кристаллографического исследования при уровне разрешения 2А, прове-
денного в начале 2000-х годов, было показано, что субъединицы флагеллина по форме напоминают
бумеранг. Одно плечо образует внутреннюю выстилку, а другое — стенку канала нити. Флагеллины
бактерий взаимно гомологичны, причем наиболее консервативным участком является центральный
домен молекулы.

Флагеллиновые субъединицы имеют спиральную укладку, по 11 субъединиц на оборот спи-
рали. Нить свернута в суперспираль, диаметр и длина волны которой зависят от природы объ-
екта. Флагеллиновые субъединицы образуют 11 параллельных протофиламентов, проходящих под
небольшим уклоном к оси нити. Флагеллин упаковал двумя способами — в виде «коротких» R-npo-
тофиламентов (от англ, right — правый) и «длинных» L-протофиламентов (от англ, left — левый), в
результате чего нить приобретает закрученную форму, причем «короткие» протофиламенты идут
по внутренней стороне большой спирали.

Форма нити определяется аминокислотной последовательностью флагеллина, ионной силой и
pH раствора. Кроме того, она зависит от скручивающего усилия, приложенного к нити со стороны
мотора. При вращении мотора против часовой стрелки нить принимает форму левозакрученной
спирали. Когда мотор переключается на вращение по часовой стрелке, нить изменяет свою кон-
формацию и превращается в правозакрученную спираль. Именно этим определяются два типа
движения политрихиальных бактерий в жидкой среде — «плавание» и «кувыркание», поскольку
левозакрученные спирали при вращении против часовой стрелки сплетаются в жгут и работают
согласованно, а правозакрученные спирали при вращении по часовой стрелке расплетаются и тянут
клетку в разные строны.

Канал нити очень узкий, и молекулы флагеллина проходят через него по очереди. При этом
они находятся в частично развернутой конформации. На дистальном конце нити расположен кэп
(рис. 62,А; вставка). Он имеет форму диска и состоит из пяти субъединиц FliD (50 кДа). Ди-
стальный домен пентамера имеет вид плоской пятиугольной площадки, а проксимальный домен —
пяти гибких ножек. Благодаря этому в кэпе образуется пять окошек, через которые субъединицы
флагеллина выходят наружу. Кэп придает им свернутую конформацию. Таким образом, кэп иг-
рает уникальную роль — вращающегося экзоплазматического шаперонина. За счет освобожденной
энергии кэп «переступает» вверх по спирали нити, пропускает следующую молекулу флагеллина
и т. д.

Крюк. Нить соединяется с базальным телом при помощи крюка (англ, hook),
состоящего из субъединиц FlgE, вспомогательных белков FlgKL, а также кэппиру-
ющего белка FlgD. По завершении сборки крюка кэп удаляется. В отличие от нити,
протофиламенты крюка при его вращении непрерывно меняют конформацию, пере-
ходя от «длинной» упаковки к «короткой». Крюк играет роль гибкого сочленения,
что позволяет жесткой нити изменять свое положение по отношению к поверхности
клетки. Благодаря этому отдельные жгутики могут сплетаться в жгут.

Базальное тело. Базальное тело (англ, basal body) встроено в клеточную обо-
лочку. В случае экзоплазматических жгутиков грамотрицательных бактерий основ-
ными частями базального тела являются (рис. 62):

— «ось» (англ, rod; субъединицы FlgBCFG и FliE), которая в своей дистальной
части связана с крюком и нитью, а в проксимальной части с MS-кольцом;

— «L-кольцо» (от англ, lipopolysaccharide; субъединицы FlgH), которое интегри-
ровано в ОМ и выполняет роль поддерживающей втулки для вращающейся оси,
— «P-кольцо» (от англ, peptidoglycan; субъединицы Figi), которое интегрирова-
но в муреиновый саккулус и также выполняет роль поддерживающей втулки для
вращающейся оси,

— «MS-кольцо» (от англ, membrane stator; 26 субъединиц FliF), на котором смон-
тированы проксимальные субъединицы оси (FliE), субъединицы ротора (FliG), пе-
реключатель направления вращения (37 субъединиц FliM и 110 субъединиц FliN),
а также экспортный аппарат;

— «ротор» (англ, rotor; 44 субъединицы FliG), расположенный в основании SM-
кольца;

— «С-кольцо» (от англ, cytoplasmic; субъединицы FliMN), которое связано с ро-
тором и играет роль переключателя направления вращения.

Экзоплазматические жгутики грамположительных бактерий не имеют L- и Р-
колец. Роль поддерживающей втулки для вращающегося стержня у них выполняет
мощный муреин-тейхоатный саккулус.

Заметим, что название «MS-кольцо» не отражает роли данной структуры в ра-
боте мотора, поскольку в действительности статором сужит комплекс мембранных
белков Mot АВ.

Субъединицы MotAB уложены по кругу внутри СМ и образуют 10-16 «полюсов». В молекуле
белка MotB имеются четыре интегральные а-спирали и большой периферический С-концевой до-
мен, нековалентно связанный с муреиновым саккулусом; благодаря ему белок Mot А заякоривается
в ригидном слое клеточной стенки.

Статорные субъединицы MotAB приводят во вращение ротор FliG, используя энергию Pmf.
Предполагается, что скручивающее усилие возникает следующим образом.

Когда протоны движутся в цитоплазму по хемиосмотическому градиенту, они нейтрализуют
отрицательный заряд карбоксильных групп Asp32 в димере субъединиц MotB. Вследствие этого
изменяется конформация полипептидных цепей в тетрамере субъединиц MotA. В свою очередь,
это влияет на электростатическое взаимодействие между субъединицами MotA и С-концевыми до-
менами роторных субъединиц FliG, которые связаны с проксимальной частью MS-кольца (рис. 62).

По аналогии с электромотором, «гладкое» вращение ротора жгутика складывается из отдель-
ных шагов, причем каждый раз комплекс MotAB взаимодействует с противостоящей ему субъеди-
ницей FliG. На каждом шагу в цитоплазму переносятся два протона, а за полный оборот жгутика
в цитоплазматический компартмент переходят ~1,2103 протонов.

У морской бактерии V. alginolyticus, использующей для вращения жгутика Smf, роль статор-
ных субъединиц выполняют гомологи MotAB — белки РотАВ.

С-кольцо состоит из субъединиц FliMN. Фосфорилированный регулятор ответа CheY-P связы-
вается с субъединицей FliM, и жгутик переходит от вращения против часовой стрелки к вращению
по часовой стрелке.

Регуляция биосинтеза и сценарий сборки бактериального жгутика.
Биогенез жгутика «дорого обходится» бактерии и поэтому находится под контро-
лем регуляторных систем, реагирующих на условия окружающей среды. Жгути-
ковые гены локализуются в хромосоме и объединяются в опероны, 15 из которых
отвечают за биосинтез, а 17 —за функционирование жгутика.

Биосинтез жгутикового аппарата контролируется регуляторным каскадом, который охаркте-
ризован у Е. coli и Salmonella enterica серовар Typhimurium. Он состоит из трех классов генов.

К генам I класса принадлежит мастер-оперон flhDC. Его продукт, белок ПЬВгСг активирует
транскрипцию /Zi-генов более низкой иерархической ступени.

Ген II класса fliA кодирует белок RpoF (<т28), активирующий транскрипцию жгутиковых генов.

Гены III класса, или собственно жгутиковые гены позитивно регулируются сигма-фактором
ст28 и негативно регулируются антисигма-фактором FlgM.

Белок FlgM сохраняется до конца сборки базального тела и крюка, а перед встраиванием субъ-
единиц FlgLK удаляется из клетки. Это позволяет сигма-фактору ст28 активировать транскрипцию
генов III класса, которые кодируют флагеллин, кэп и белки, отвечающие за хемотаксис.
Для экспорта субъединиц жгутика и белков, регулирующих их сборку, используются сразу две
системы экспорта белка — генеральная Sec-система и «жгутиковая» секреторная система III.

Первая из них экспортирует те субъединицы, которые являются интегральными компонентами
СМ, а также субъединицы периплазматических частей жгутика.

Остальные субъединицы экспортируются с помощью секреторной системы III типа по каналу,
проходящему через MS-кольцо, крюк и нить.

Сборка жгутика проходит в 12 этапов.

1. На первом этапе с помощью генеральной Sec-системы экспортируются субъединицы MS-
кольца (FliF).

2. На втором этапе с ее же участием переносятся субъединицы экспортного аппарата жгутика
(FlhAB, FliOPQR и FliHIJ). В обоих случаях сигнальный пептид удаляется сигнальной пептидазой.

3. На третьем этапе путем самосборки в базальное тело встраиваются субъединицы статор-
роторной системы (FliG, MotAB) и переключателя направления вращения (FliMN).

4. На четвертом этапе собирается ось, и здесь к экспорту впервые подключается секреторная
система III. Сборка оси (субъединицы FliE, FlgBC, FlgF и FlgG) происходит от проксимального
конца к дистальному. Вспомогательная субъединица FlgJ играет роль мурамидазы и проделывает
в муреиновом саккулусе сквозное отверстие для растущей осн.

5. На пятом этапе собирается P-кольцо, субъединицы которого (Figi) экспортируются гене-
ральной Sec-системой, а затем подвергаются дополнительному процессингу с помощью периплаз-
матического шаперона FlgA и тиол:дисульфид-оксидоредуктазы Dsb-типа (см. раздел 8.4.2).

6. На шестом этапе собирается L-кольцо, субъединицы которого также экспортируются гене-
ральной Sec-системой.

7. На седьмом этапе образуется незрелый крюк — из субъединиц FlgE и кэпа FlgD, которые
экспортируются секреторной системой II, действующей и на последующих этапах.

8. На восьмом этапе образуется зрелый крюк, длину которого с точностью до 10% контролирует
цитоплазматический белок FliK. В его отсутствии бактерии образуют гипертрофированные крюки,
или «поликрюки» (англ polyhook).

9. На девятом этапе кэп отторгается, после чего на дистальном конце крюка из субъединиц
FlgKL формируется соединительная зона.

10. На десятом этапе к крюку присоединяется кэп нити, состоящий из пентамера офубе субъ-
единиц FliD.

11. На одиннадцатом этапе из субъединиц FliC собирается незрелая нить.

12. На последнем, двенадцатом этапе образуется зрелая нить, состоящая из 2104 флагеллино-
вых субъединиц. Длина ее строго не контролируется.

Сборка жгутика происходит за несколько секунд со скоростью 2104 кДа-c-1, и лимитируется
только темпом трансляции. Неясно, каким образом флагеллин проталкивается по каналу враща-
ющейся нити — возможно, в этом участвуют центробежные силы.

Экспортный аппарат жгутика. Состоит из субъединиц FlhAB, FliOPQR,
FliHIJ (рис. 62), выступает в цитоплазму, проходит через центральное отверстие ро-
тора и частично погружен в MS-кольцо.

В состав экспортного аппарата входят интегральные, амфипатические и перифе-
рические субъединицы. Связь с MS-кольцом обеспечивает димер амфипатических
субъединиц (75 кДа), каждая из которых состоит из восьми трансмембранных ос-
спиралей и периферических доменов, находящихся на цитоплазматической поверх-
ности СМ. Димер амфипатических субъединиц FlhB (42 кДа), каждая из которых
содержит четыре трансмембранных а-спирали, выполняет роль сигнальной пепти-
дазы, а также контролирует прохождение субстратных белков через секреторную
пору. Функция малых интегральных субъединиц FliOPQR (10-30 кДа), состоящих
из 1-6 трансмембранных а-спиралей, не выяснена. В число периферических субъ-
единиц входит АТФаза Flil и ее негативный регулятор FliH, а также молекулярный
шаперон FliJ.

Как мы уже отмечали, субъединицы экспортного аппарата жгутика (в первую
очередь, Flil) взаимно гомологичны субъединицам секреторной системы III, кото-
рая экспортирует факторы вирулентности Salmonella, Shilgella и Yersinia. По-ви-
димому, жгутиковый секреторный аппарат был эволюционным предшественником
секреторной системы III этих патогенов млекопитающих, а не наоборот (поскольку
он имеется у более архаичных бактерий).

Интересно, что С-конец субъединицы Flil гомологичен каталитической (3-субъ-
единице FoFi-АТФазы.

Плавание с помощью экзоплазматических жгутиков. Если бактерия, име-
ющая жгутики, находится в жидкой изотропной среде, плавание не носит целесо-
образного характера. Клетка плывет в случайном направлении и на доли секунды
«выключает» жгутиковый мотор, а затем вращение возобновляется в прежнем или
в противоположном направлении.

Если среда анизотропна, движение приобретает адаптивный смысл. Оно контро-
лируется сенсорными системами, влияющими на продолжительность заплывов и,
соответственно, на частоту остановок.

Располагаются жгутики как по одному, так и пучками, при этом они могут на-
ходиться на полюсах, на боку или по всей поверхности клетки. Чаще всего клетка
образует жгутики только одного типа, и они имеют постоянное расположение. Од-
нако бывают исключения, например Vibrio parahaemolyticus при плавании образует
зачехленный полярный жгутик, работающий за счет энергии Smf. При переходе к
роению вместо него появляются латеральные незачехленные жгутики, вращающи-
еся за счет Pmf (см. ниже).

У клетки с одним жгутиком, или монотриха (греч. monos — единственный и
trichoma — волосы) при проплыве жгутик вращается по часовой стрелке или про-
тив часовой стрелки. При этом он соответственно толкает клетку вперед или тянет
ее за собой (примером служит Pseudomonas aeruginosa}. Иногда жгутик вращает-
ся только по часовой стрелке (примером служит Rhodobacter sphaeroides, у кото-
рой нить жгутика имеет редкую для бактерий форму правозакрученной спирали).
В обоих случаях при выключении мотора клетка перестает двигаться самостоя-
тельно и за счет броунова движения непредсказуемо изменяет направление своего
движения.

У клетки со многими жгутиками, или политриха (греч. poly — множественный
и trichoma — волосы) при заплыве жгутики объединяются в жгут, вращающийся
против часовой стрелки. При вращении по часовой стрелке жгут расплетается.
В результате независимого вращения отдельных жгутиков клетка начинает «ку-
выркаться» и непредсказуемо изменяет свою ориентацию.

Движение прокариотов в анизотропной среде всегда носит поисковый характер. Если сенсорные
системы оценивают направление движения как физиологически более выгодное, то продолжитель-
ность заплыва увеличивается. В частности, в случае хемотаксиса более выгодно оказаться в среде
с более высокой концентрацией привлекающих веществ, или аттрактантов (лат. attracto — прика-
саться). Поэтому клетка «растягивает удвольствие», продвигаясь вверх по градиенту аттрактанта,
и реже кувыркается. Точно так же более выгодно оказаться в среде с меньшей концентрацией от-
пугивающих веществ, или репеллентов (лат. ге-ре11о — отталкивать). Поэтому клетка «уходит от
неприятности» и, продвигаясь вниз по градиенту репеллента, реже кувыркается. В свою очередь,
клетка чаще кувыркается, удаляясь от области с более высокой концентрацией аттрактанта или
приближаясь к области с более высокой концентрацией репеллента. «Заплывы» обязательно пере-
межаются с реориентацией путем кувыркания. В целом движение носит вероятностный характер
и состоит из целесообразных заплывов, остановок и нецелесообразных заплывов.

Вероятность вращения жгутика против часовой стрелки повышается с помощью регулятора
ответа (англ, response regulator) — цитоплазматического белка CheY, который входит в состав двух-
компонентной «фосфорелейной» сигнальной системы хемотаксиса (см. III том учебника). Ее вто-
рым компонентом является цитоплазматическая сенсорная киназа CheA, которая получает внеш-
ний сигнал от хеморецепторов, расположенных в СМ (см. раздел 8.4.2). В фосфорилированном
состоянии белок CheY связывается с переключателем мотора FliM, входящим в состав базального
тела.

В итоге, плывя зигзагами, клетка постепенно смещается в благоприятную для себя сторону.
Такая стратегия движения называется «клинокинезом» (лат. clinatus — склоненный).

Роение. Плавание с помощью жгутиков можно рассматривать как типичный
пример индивидуальной, или «авантюристической» подвижности.

В свою очередь, роение, или «плавание по твердой поверхности» — это типичный
пример коллективной подвижности. В отличие от плавания роение происходит в
двух координатах, и бактерии движутся только вперед или назад.

В природной среде роение жгутиконосных бактерий распространено очень широ-
ко. Оно является важным, но не единственным способом колонизации увлажненных
твердых субстратов, поскольку с этой целью можно использовать и коллективное
скольжение (см. раздел 8.6.3.3).

В лабораторных условиях наблюдать роение на быстро подсыхающем плот-
ном 1-2%-ном агаре довольно трудно. Роящиеся клетки, или «швермеры» (нем.
schwarmen— роиться) перемещаются только по мягкому агару или в присутствии
поверхностно-активных веществ.

Наиболее подвижны клетки на периферии колонии, однако в целом они движутся
со скоростью 2-10 мкм-с-1, что значительно меньше скорости плавания.

Роение связано с клеточной дифференциацией. Прежде всего, для него требуется
больше жгутиков, поскольку швермерам приходится преодолевать силы поверхност-
ного натяжения и продвигаться в слизи, которую сами же они и образуют. Кроме
того, бактерия изменяет характер распределения жгутиков по поверхности свое-
го тела, и/или вместо жгутиков одного типа образуются жгутики альтернативного
типа. Примером первого варианта дифференциации является Proteus mirabilis, у ко-
торой роение было впервые описано еще в 1885 г. Эта бактерия плавает с помощью
6-10 равномерно распределенных по ее клеточной поверхности, или «перитрихаль-
ных» (греч. peri — вокруг и trichoma — волосы) жгутиков. На увлажненной твердой
поверхности клетка сильно удлиняется и гиперфлагеллируется, хотя строение жгу-
тиков остается прежним. Примером второго варианта дифференциации является
Vibrio parahaemolyticus. Эта бактерия плавает при помощи единственного зачехлен-
ного жгутика типа Fla (от англ, flagella). На увлажненном твердом субстрате она
образует перитрихальные незачехленные жгутики типа Laf (от англ, lateral flagella).

Важную роль в роении играет внутрипопуляционная коммуникация, или «чув-
ство кворума» (англ, quorum sensing).

Чувство кворума — это способ химической коммуникации между бактериями. Оно связано с
биосинтезом растворимых сигнальных молекул — автоиндукторов, или феромонов (греч. pherein —
переносить и hormon — возбуждать). В качестве феромонов грамотрицательные бактерии исполь-
зуют главным образом лактоны N-ацилгомосерина (англ, acylhomoserine lactone, AHL), а грампо-
ложительные бактерии — специфические пептиды, подвергающиеся посттрансляционной модифи-
кации.

С помощью поверхностных рецепторов бактерия оценивает наружную концентрацию феромо-
нов, которые она же и выделяет, что позволяет косвенно судить о локальной плотности собствен-
ной популяции. После того, как бактерии получают сигнал о наличии кворума, они приступают к
адаптивным действиям. Обычно это требует больших метаболических затрат, которые поодиночке
нецелесообразны. В определенной степени это напоминает структурно-функциональную стратегию
многоклеточного организма.

Примерами коллективных действий, основанных на чувстве кворума, являются биолюминес-
ценция, биосинтез антибиотиков, приобретение состояния компетентности для генетической транс-
формации, дифференциация эндоспор, конъюгативный перенос плазмид, образование и секреция
факторов патогенности, а также роение с целью коллективной секреции экзоферментов или для
образования плодовых тел.

При роении биосинтез жгутикового аппарата контролируется тем же регуля-
торным каскадом, что и при плавании. Поскольку центральная роль принадлежит
мастер-оперону flhDC, экспрессия его генов под действием позитивных регулято-
ров возрастает на порядок, что и определяет дифференциацию швермеров у таких
роящихся бактерий, как Р. mirabilis.

Направление движения при роении контролируется фосфорелейной системой хе-
мотаксиса, хотя сама она в дифференциации швермеров не участвует.

Плавание с помощью периплазматических жгутиков. Данный тип по-
движности уникален для спирохет (филы BXVII Spirochaetes). Большинство спиро-
хет имеет форму спирализованного цилиндра, что не вполне соответствует названию
типового рода (лат. spira — спираль и греч. chaite — грива; «бактерия со спиральным
гребнем»). В редких случаях спирохеты действительно образуют спиральный гре-
бень и даже принимают форму уплощенной синусоиды.

Хотя спирохеты обладают грамотрицательным морфотипом, базальное тело жгу-
тика заякорено в СМ, кольца C/MS/P/L отсутствуют, а спиральная нить не покида-
ет пределов периплазматического компартмента. Жгутики расположены субтерми-
нально, поодиночке или пучками, на одном или двух концах «протоплазматического
цилиндра» (англ, protoplasmic cell cylinder). Они направлены к противоположному
полюсу клетки и либо доходят до него, либо заканчиваются до или после эквато-
ра. В том случае, когда одиночные встречные жгутики или пучки до 100 жгутиков
перекрываются, они образуют «аксиальную нить» (англ axial filament). Поскольку
спирохеты имеют гибкую оболочку, протоплазматический цилиндр вместе с муре-
иновым саккулусом и ОМ повторяют жесткую суперспиральную форму жгутиков,
которые, таким образом, играют роль экзоскелета (см. раздел 8.3.9.1).

С помощью периплазматических жгутиков спирохеты лучше плавают в более
вязкой среде, где их скорость достигает 20 мкм-с-1: «Штопор ввинчивается в пробку,
а не в воду». Поскольку многие спирохеты являются симбионтами или патогенами
животных, особенность их плавания способствует инвазии и диссеминации. Кроме
того, поскольку периплазматические жгутики не выходят на наружную поверхность
клетки, спирохеты защищены ои антижгутиковых антигенов.

Периплазматические жгутики спирохет отличаются от экзоплазматических жгу-
тиков других бактерий. В частности, они имеют более толстую нить (~25 нм), ко-
торая состоит из флагеллинов (FlaBl-З), распределенных в разных участках нити,
и белка чехла (FlaA). Как у других бактерий, жгутик спирохет имеет крюк и ба-
зальное тело. Структура их еще не выяснена.

По аналогии с другими бактериями, флагеллин спирохет экспортируется с по-
мощью секреторной системы III. Препротеин чехла к суперсемейству флагеллинов
не относится. Он содержит сигнальный пептид и транспортируется при помощи ге-
неральной Sec-системы. Предполагается, что за счет чехла нить стабилизируется в
левозакрученной конфигурации.

Подвижность спирохет имеет адаптивное значение. Она контролируется систе-
мой хемотаксиса и, видимо, вискозитаксиса (когда внешним сигналом служит гради-
ент вязкости). Однако сам механизм плавания спирохет более сложен, чем плавание
с помощью экзоплазматических жгутиков. У них существуют четыре основных ва-
рианта подвижности:
— заплыв «вперед», жгутики вращаются в противоположных направлениях (про-
тив часовой стрелки на переднем и по часовой стрелке на заднем конце клетки);

— заплыв «назад», жгутики вращаются в противоположных направлениях (по
часовой стрелке на переднем и против часовой стрелки на заднем конце клетки);

— остановка «первого типа», жгутики вращаются в одном направлении (против
часовой стрелки на переднем и заднем концах клетки);

— остановка «второго типа», жгутики вращаются в одном направлении (по часо-
вой стрелке на переднем и заднем концах клетки).

Таким образом, направление движения изменяется, если оба пучка жгутиков
(или два антиподных жгутика) одновременно изменяют направление вращения. Ес-
ли оно изменяется только на одном конце клетки, происходит остановка.

Две «остановочные» формы морфологически не различаются, хотя иногда
клетка изменяет свою форму и перегибается посередине. У представителей рода
Leptospira при вращении жгутиков против часовой стрелки концы клетки имеют
спиралевидную форму, а при вращении по часовой стрелке загибаются крючком.

Такие же четыре варианта подвижности существуют у представителей рода
Spirillum (класс «Betaproteobacteria») и других спирилл, однако эти бактерии об-
разуют антиподные пучки экзоплазматических жгутиков, а их жесткий саккулус
при движении не деформируется.

8.6.2.3. Жгутики архей

Подобно бактериям, большинство архей образует жгутики. Они имеются у пред-
ставителей всех основных цитофизиологических групп домена Archaea — экстре-
мальных галофилов, метаногенов, термоплазм и серазависимых гипертермофилов.
Широкое распространение жгутиков у архей-экстремофилов свидетельствует об ис-
ключительно высокой стабильности этих структур.

Жгутик архей — аналог бактериального жгутика. Хотя внешне жгутики
архей напоминают бактериальные и так же вращаются, они не гомологичны им и от-
личаются по способу сборки и устройству мотора. Нить жгутика архей представляет
собой не левозакрученную, а правозакрученную спираль. У перитрихальных архей
жгут, собранный из отдельных жгутиков, вращается по часовой стрелке и толкает
клетку вперед. При изменении направления вращения он не расплетается и тянет
клетку за собой. Плавают археи относительно медленно —их скорость составляет
< 10% бактериальной (2-3 мкм-с-1), роение у них не описано.

В геномах архей не обнаружены гомологи генов, кодирующих не только флагел-
лины бактериального типа, но и субъединицы оси, субъединицы крюка со вспомо-
гательными белками, а также субъединицы колец, статорных белков и переключа-
телей направления вращения. В то же время ряд вспомогательных «жгутиковых»
генов архей (flaC-J) у бактерий не встречается.

В отличие от субъединиц бактериального жгутика, которые экспортируются дву-
мя секреторными системами, транспорт субъединиц археотного жгутика происхо-
дит только с помощью генеральной Sec-системы. Способ крепления жгутика в теле
археотной клетки неизвестен, базальное тело не выявлено, а строение и механизм
вращения мотора не установлены (см. ниже).

Нить жгутика и археотные флагеллины. Нить жгутика архей тоньше, чем
у бактерий (10-15 нм против ~20 нм). Под электронным микроскопом она выгля-
дит как квази-кристаллическая структура из спирально упакованных субъединиц
и продольно уложенных протофиламентов. Центральный канал в нити археотного
жгутика не выявлен. Возможно, он вообще отсутствует.

В отличие от бактерий, обычно имеющих единственный флагеллин, жгутики
архей в большинстве случаев построены из 2-5 флагеллинов молекулярной мас-
сой 20-100 кДа. Они расположены в разных частях нити (исключением служит
единственный флагеллин Т. volcanium). Флагеллины архей входят в суперсемей-
ство взаимно гомологичных белков, не проявляющих гомологии с членами супер-
семейства бактериальных флагеллинов. Кроме того, они синтезируются в виде
препротеина с сигнальным пептидом, который удаляется при секреции. Наконец,
флагеллины архей обычно гликозилированы, что у бактерий встречается довольно
редко.

Крюк. В отличие от бактериального крюка, размер которого составляет ~50 нм,
у архей гибкое сочленение жгутика сильно варьирует по длине (70-300 нм).

«Базальное тело». Археи лишены ОМ, и ригидные слои клеточной стенки
у них не гомологичны бактериальным. Структуры, напоминающие кольца, равно
как и другие, заякоривающие жгутик в клеточной оболочке, у них не обнаружены.
Поскольку в большинстве случаев ригидные слои у архей тоньше и механически
«слабее» бактериальных или вообще отсутствуют (примером служат представители
р. Thermoplasma), роль базального тела возлагают на себя интрацитоплазматиче-
ские структуры — полярные мембраноподобные органеллы (см. раздел 8.3.11.3).

Регуляция биосинтеза и сценарий сборки археотного жгутика. Так же,
как у бактерий, жгутики архей имеют адаптивное значение, и их биогенез контроли-
руется внешней средой. Например, у Methanospirillum hungatei жгутики образуются
только в зоне широкого температурного оптимума (30-37°С), но не экспрессируют-
ся при 25 или 40°С. У другого метаногена, М. jannashii, биосинтез флагеллинов
FlaB2, FlaB3, FlaD и FlaE стимулируется при снижении парциального давления
водорода. Археи имеют «бактериальный» набор генов регуляторного каскада хе-
мотаксиса (cheAB, cheY и cheRW), и их движение осуществляется по принципу
клинокинеза.

Флагеллины архей, по-видимому, экспортируются с помощью генеральной Sec-
системы (SecDEFY). Префлагеллин подвергается посттрансляционному процессин-
гу под действием сигнальной пептидазы. Гликозилирование археотного флагеллина
осуществляется не в цитоплазме, а на наружной поверхности СМ.

Предполагается, что сборка нити археотного жгутика происходит в ее основании,
что напоминает механизм сборки нити бактериальной фимбрии, но приципиально
отличается от механизма сборки нити бактериального жгутика.

Сходство жгутиков архей с фимбриями IV типа. Установлено, что фла-
геллин гомологичен пилину — субъединице фимбрии IV типа. В обоих случаях пре-
протеины служат субстратами для сигнальной пептидазы. Один из жгутиковых
белков архей (Flal) гомологичен консервативной субъединице фимбрий IV типа
Neisseria gonorrhoeae и Р. aeruginosa — АТФазе PilT. Согласно общепринятой мо-
дели, фимбрии IV типа втягиваются внутрь клетки, на чем основано движение
рывком, или «твитчинг» (см. ниже). Предполагается, что фимбрии IV типа способ-
ны вращаться. Таким образом, структурное сходство жгутиков архей с фимбриями
IV типа может означать, что они обладают одинаковыми кинематическими свой-
ствами.
8.6.3. Фимбрии

Наряду со жгутиками, примером специализированного компартмента со смешан-
ной локализацией служат фимбрии IV типа.

В настоящем разделе мы рассмотрим не только этот, но и другие типы фимбрий,
а также затронем более широкую тему, касающуюся адгезинов.

В отличие от жгутиков, которые в первую очередь выполняют роль локомотор-
ных органелл и в основном используются для плавания в жидкой среде, фимбрии
обеспечивают контактные взаимодействия трех типов:

— между гомологичными или гетерологичными бактериями;

— между бактериями и другими живыми организмами;

— между бактериями и (не)органическими субстратами.

Такие контакты определяются различными нековалентными взаимодействиями
(ионными, водородными, гидрофобными и силами ван дер Ваальса). В общем случае
они называются адгезией и осуществляются с помощью адгезинов.

Адгезины. Для поверхностной адгезии, т. е. для прикрепления к органиче-
ским или неорганическим телам прокариоты могут использовать разнообразные
адгезины.

В самой общей форме адгезины прокариотов можно определить как факторы иммобилизации
клеток. Они позволяют установить относительно долговременные анизотропные взаимодействия,
которые приносят биологическую пользу отдельной клетке, популяции, а также локальному эко-
ценозу.

С помощью адгезинов прокариоты, использующие неорганические субстраты в качестве донора
или акцептора электронов, прикрепляются к твердым минеральным частицам.

Взаимная адгезия позволяет прокариотам, особенно бактериям образовывать микроколонии,
пленки на поверхности жидкой среды, а также биопленки на твердых субстратах.

Так как субстраты и бактерии чаще всего одноименно (отрицательно) заряжены, выгодно осу-
ществлять дистанционную адгезию и размещать адгезины в дистальной части протяженной при-
даточной структуры — жгутика, фимбрии или шипа.

Адгезины играют особо важную роль у симбиотических бактерий (например, у цианобактерий
родов АпаЬаепа и Nostoc, вступающих в эктосимбиоз с высшими растениями).

Для патогенных бактерий адгезины служат одним из факторов, позволяющих им коло-
низировать макроорганизм. При помощи адгезинов патогенные бактерии распознают поверх-
ностные рецепторы на хозяйских клетках. Специфика этого взаимодействия определяет тар-
гетинг бактерии по отношению к определенному хозяину, а также тому или иному типу хо-
зяйских тканей. Кроме того, адгезины позволяют бактерии зафиксироваться на поверхности
ткани в начальной фазе инфекции, что очень важно в проточной среде (например, благода-
ря адгезинам энтеропатогенные бактерии не удаляются из кишечника в результате перисталь-
тики).

Среди адгезинов, находящихся в «эпицентре» контактного взаимодействия бактерий с эукари-
отными клетками, выделяют сборную группу лектинов (лат. lectio — собирание в группу). Лектины
содержат эпитопы, распознающие олигосахаридные цепи гликопротеинов, которые расположены
на поверхности животной или растительной клетки.

Функции адгезинов могут выполнять:

— индивидуальные поверхностные белки;

— поверхностные белковые кластеры;

— придаточные структуры.

Адгезины первой и второй групп называются «не-фимбриевыми» адгезинами (англ, поп-
fimbrial adhesins, NFA).

Примерами мономолекулярных адгезинов являются липопротеины стрептококков (см. раздел
8.5.1.3) или спирохет (см. 8.4.1.2).

Примерами адгезинов, образующих поверхностные белковые кластеры, являются инвазии и
интимин. Первый из них образует Y. paratuberculosis', второй имеется у энтеропатогенной бактерии
Е. coli штамм ЕРС. В обоих случаях на поверхность клетки выходит пучок столбчатых доменов
адгезина, дистальные концы которых выполняют роль лектина.
Важнейшими адгезинами третьей группы являются филаментозные придаточные структуры —
фимбрии.

8.6.3.1. Фимбрии бактерий

Бактериальные фимбрии (лат. fimbria —нитка), или «пилусы» (лат. pilus —во-
лос) представляют собой длинные и тонкие нитевидные придаточные структуры,
состоящие из белковых субъединиц.

Способностью образовывать фимбрии обладают многие патогенные и непато-
генные грамотрицательные бактерии. Значительно реже фимбрии встречаются у
грамположительных бактерий. У архей аналогичные структуры образуются только
в исключительных случаях.

Фимбрии состоят из субъединиц (протомеров) белка пилина и представляют со-
бой прямые и жесткие, реже, гибкие полые цилиндры длиной до 2 мкм и диаметром
3-10 нм. Фимбрии различаются по размеру, морфологии и локализации, а также по
числу копий на клетку (1-500).

Классификация фимбрий. Современная классификация фимбрий непоследо-
вательна и запутана, и поэтому мы приводим ее в упрощенном виде. Ее исходный
вариант был разработан в начале 1970-х годов применительно к энтеропатогенным
и уропатогенным представителям сем. Enterobacteriaceae, в частности Е. coli. Фим-
брии подразделяют на четыре типа, прежде всего в соответствии с их антигенными
свойствами. Помимо этого учитываются морфология и ультраструктура фимбрий,
а также молекулярный состав их субъединиц.

К I типу относятся «маннозо-чувствительные» фимбрии (вызываемая ими агглютинация эрит-
роцитов курицы или морской свинки ингибируется маннозой или гликозидами со сходной струк-
турой).

Ко II типу относятся «маннозо-нечувствительные» фимбрии, а также фимбрии, не вызываю-
щие гемагглютинацию.

К III типу относятся фимбрии, которые агглютинируют эритроциты человека, обработанные
танниновой кислотой.

К IV типу относятся так называемые «половые» фимбрии, участвующие в бактериальной конъ-
югации.

Однако такая классификация не универсальна хотя бы потому, что гемагглюти-
нацию вызывают не все варианты фимбрий.

Более конструктивна классификация фимбрий на два типа — главный и альтер-
нативный. Будучи результатом конвергентной эволюции, эти фимбрии имеют раз-
ную локализацию и разные механизмы биогенеза (рис. 63).

Фимбрии главного типа. Эти фимбрии относятся к типам I—III по традицион-
ной классификации. Они имеют жесткую структуру, образуются в большом числе и
расположены перитрихально. У них нет базального тела, и поэтому нить непосред-
ственно прикрепляется к наружной поверхности клетки (рис. 63, А). Субъединицы
нити транслоцируются через СМ при помощи генеральной Sec-системы. Поскольку
транслоцированный пилин находится в развернутой конформации, периплазматиче-
ские молекулярные шапероны, в частности FimC, предохраняют его от преждевре-
менной агрегации. Комплекс пилин/шаперон презентируется «белку-привратнику»
(англ, usher), который входит в состав ОМ. Привратник FimD образует проводящий
канал и пропускает через ОМ отдельные субъединицы фимбрии. Однако он слиш-
ком узок для мультимерной нити, которая полимеризуется только в экзоплазмати-
ческом компартменте. Возможно, что белок-привратник не только образует пору,
но и выполняет активную роль в транслокации пилина, действуя в качестве флип-
пазы (см. раздел 8.4.1.1). Кроме того, привратник служит докинг-площадкой для
полимеризации нити в основании и обеспечивает ее прикрепление к ОМ.

Фимбрии главного типа выполняют только адгезионные функции, и поэтому их
иногда называют фимбриями «общего назначения», или «адгезионными» фимбри-
ями.

Рис. 63. Строение бактериальных фимбрий.

А — фимбрия главного типа; Б — фимбрия альтернативного типа;
СМ — цитоплазматическая мембрана; ОМ — наружная мембрана; М — муреиновый саккулус.

Фимбрии альтернативного типа. Эти фимбрии относятся к IV типу по тради-
ционной классификации. Они могут иметь жесткую или гибкую структуру, обра-
зуются в количестве 1-2 на клетку и расположены на одном из ее полюсов. Для
них характерно присутствие базального тела, субъединицы которого гомологичны
субъединицам базального тела жгутика (рис. 63, Б). Основание нити упирается в
СМ, и она проходит через секретиновую пору, расположенную в ОМ (см. раздел
8.6.1). Субъединицы пилина транслоцируются с помощью секреторной системы III
через канал, проходящий внутри базального тела. Затем нить полимеризуется путем
встраивания новых субъединиц в ее основание.

Фимбрии альтернативного типа обладают не только адгезионными свойствами.
Они способны быстро «сокращаться» благодаря разборке основания на отдельные
субъединицы, которые образуют особый пул в СМ. Однако дистальный конец нити
по-прежнему прикреплен к организму-партнеру или к субстрату. Поэтому клетка
подтягивается к ним, и между ними устанавливается тесный контакт. Благодаря
такому свойству фимбрии альтернативного типа участвуют в твитчинге, или по-
движности «рывком», а также в образовании партнерских пар при конъюгации (см.
ниже).

8.6.3.2. Фимбрии главного типа

В состав этих фимбрий входят главные субъединицы, минорные субъединицы,
регуляторные белки, периплазматический молекулярный шаперон и привратник.
Они кодируются хромосомными или плазмидными оперонами.

Периплазматический молекулярный шаперон молекулярной массой ~25 кДа вза-
имодействует с субъединицами фимбрии в соотношении 1:1. Он содержит два боч-
кообразных домена, каждый из семи антипараллельных |3-цепей. Белок-привратник
(82 кДа) состоит из 24 антипараллельных интегральных |3-цепей и двух протяжен-
ных цитоплазматических доменов — N-концевого и С-концевого.

Фимбрии главного типа исключительно устойчивы — на них практически не дей-
ствуют такие реагенты, как додецилсульфат или мочевина, хотя при обработке на-
сыщенным гуанидином или горячей кислотой они диссоциируют на отдельные субъ-
единицы.

В популяции энтеробактерий биогенез фимбрий главного типа периодически то
прекращается, то возобновляется. Такое явление называется «фазовой» изменчи-
востью. Переключение из состояния «фимбрия образуется» (англ, phase on) в со-
стояние «фимбрия не образуется» (англ, phase off) происходит в результате хромо-
сомной инверсии или на уровне инициации транскрипции. Частота переключений
регулируется условиями окружающей среды (значением температуры, присутстви-
ем определенного источника углерода и т. д.).

Фазовая изменчивость в случае фимбрий носит адаптивный характер. Они по-
лезны для адгезии к эпителиальным клеткам, однако их биогенез является «до-
рогостоящим» процессом. Кроме того, прикрепившаяся бактерия более уязвима к
действию иммунных систем макроорганизма. Поскольку бактерия, с одной сторо-
ны, не может прогнозировать успешность инвазии, но, с другой стороны, должна
к этому подготовиться, она «на всякий случай» диверсифицирует свою популяцию,
одновременно образуя клетки с фимбриями и без них.

Наиболее известными представителями фимбрий главного типа являются Fim-
и Рар-фимбрии.

Fim-фимбрии. Такие фимбрии («маннозо-чувствительный» I тип по тради-
ционной классификации) образуются примерно у 80% штаммов бактерий из сем.
Enterobacteriaceae, в том числе у энтеротоксигенных штаммов Е. coli.

Нить Fim-фимбрии представляет собой полый цилиндр длиной до 2-10 мкм и
диаметром 5-10 нм. Ширина внутреннего отверстия составляет 1,5 нм. Стенки ци-
линдра образованы 103 протомерами пилина FimA (17 кДа), которые укладывают-
ся в плотную правозакрученную спираль, на один оборот которой приходятся ~3,2
протомера.

Гены, кодирующие Fim-фимбрию, объединены в хромосомный /гт-оперон. В чис-
ло продуктов его экспрессии, помимо пилина FimA и лектина FimH входят белки
FimC (периплазматический шаперон), FimD (привратник), FimFG (регуляторы ро-
ста нити в длину) и FimEB (регуляторы фазовой изменчивости).
Субъединицы лектина FimH (29 кДа) содержат пилиновый домен, с помощью
которого они встраиваются в нить фимбрии, и N-концевой лектиновый домен, содер-
жащий «D-маннозный» эпитоп. Между ними расположен короткий интердоменный
линкер. Лектин FimH обеспечивает презентацию фимбрии гликопротеинам хозяй-
ской клетки, которые содержат N-замещенные олигоманнозные цепи.

Рар-фимбрии. Эти фимбрии («маннозо-нечувствительный» II тип по традици-
онной классификации) образуют клетки уропатогенных штаммов энтеробактерий.

Гены, кодирующие Рар-фимбрию (от англ, pyelonephritis), объединены в хро-
мосомный рар-оперон. В число продуктов его экспрессии, наряду с пилином РарА
(20 кДа), лектином PapG, периплазматическим шапероном PapD и привратником
РарС, входят регуляторы фазовой изменчивости PapIB. Субъединица РарН, распо-
ложенная между привратником и основанием нити, регулирует рост нити в длину
(аналогичную роль играет субъединица FimF в составе Fim-фимбрии).

Лектин PapG обеспечивает презентацию фимбрии гликолипидным рецепторам
эритроцитов человека, содержащим «не маннозный» эпитоп из двух остатков галак-
тозы, соединенных связью al—>4. Лектин PapG расположен не в дистальной части
нити диаметром 7 нм, как у Fim-фимбрии, а на конце ее филаментозного придатка
диаметром 2 нм, состоящего из цепочки субъединиц белка РарЕ.

Как уже указывалось, у грамположительных бактерий фимбрии встречаются
реже, чем у грамотрицательных бактерий.

В качестве примеров можно назвать гемагглютинирующие маннозо-нечувстви-
тельные фимбрии Acinomyces naeslundii и Corynebacterium diphtheriae (фила BXIV
Actinobacteria). В обоих случаях пилин имеет молекулярную массу ~60 кДа, что
втрое превышает молекулярную масу пилина грамотрицательных бактерий.

8.6.3.3. Фимбрии альтернативного типа

Как мы уже отмечали, фимбрии альтернативного типа принципиально отлича-
ются от фимбрий главного типа по морфологии, числу копий, локализации, меха-
низму биогенеза и выполняемым функциям.

Как любая фимбрия, они обладают адгезионными свойствами. Однако, в отличие
от фимбрий главного типа, их функции и шире, и специфичнее «простой» адгезии.
В частности, они могут быть связаны:

— с клеточной подвижностью;

— с образованием биопленок;

— с секрецией факторов вирулентности и токсинов;

— с транспортом ДНК входе «горизонтального» переноса генов (при конъюгации
или при генетической трансформации) или с восприятием от бактериофага инфек-
ционной ДНК.

Фимбрии IV типа и подвижность с их помощью. При помощи фимбрий IV
типа осуществляется особый тип подвижности. Он известен под двумя названиями
- «движение благодаря втягиванию фимбрий» (англ, retractile mobility) и «рывок»,
или «твитчинг» (англ, twitching).

Твитчинг был открыт в начале 1970-х годов у «оппортунистического» па-
тогена Acinetobacter calcoaceticus —представителя нормальной микробиоты ко-
жи человека, который проявляет патогенные свойства при ослаблении иммуни-
тета и/или на фоне интенсивного лечения антибиотиками. Позднее этот тип по-
движности обнаружили у «госпитального» патогена (англ, nosocomial pathogen)
Pseudomonas aeruginosa, а также у патогенных штаммов Е. coli, Neisseria gonorrhoeae
и многих других грамотрицательных бактерий. Тогда же твитчинг определи-
ли как скачкообразное движение отдельной клетки по увлажненной поверхно-
сти твердого субстрата со скоростью в несколько десятых долей микрометра
в секунду.

Вскоре выяснилось, что в результате суммирования твитчинга у индивидуальных
клеток бактериальные колонии могут распространяться в радиальном направлении
со скоростью до 0,3 мкм • с-1 (примером служит Myxococcus xanthus). Это приводит
к образованию визуально наблюдаемых зон дисперсии, которые имеют форму кон-
центрических кругов или протуберанцев. В обоих случаях бактерии располагаются
параллельно друг другу. Перед смещением соседние клетки сначала выстраиваются
«в затылок» друг другу, а затем резко принимают продольное положение. Твитчинг
по своей природе социален, хотя при контакте с твердой поверхностью субстрата его
могут осуществлять и отдельные клетки.

Таким образом, твитчинг является одним из механизмов коллективного сколь-
жения. Благодаря ему происходит распространение колоний по поверхности богатой
среды и образование биопленок. С помощью твитчинга М. xanthus образует на бед-
ной среде плодовые тела.

Твитчинг вызывается втягиванием фимбрий IV типа, которые имеют диаметр
б нм, достигают в длину 5 мкм и расположены поодиночке либо группами. У па-
лочковидных бактерий они находятся на одном или обоих полюсах клетки.

Биогенез фимбрий IV типа у М. xanthus и Р. aeruginosa контролируется соответ-
ственно системами хемотаксиса frz и chp. За этот метаболический процесс, а также
за сам твитчинг отвечают не менее 35 генов. В частности, ген pilA кодирует субъ-
единицы фимбрии, а ген pilD их процессинг. Субъединица PilB и АТФаза PilT,
расположенные на внутренней поверхности СМ, обеспечивают сборку фимбрии и
контролируют ее длину, а белок PilQ выполняет роль секретина. Как уже отмеча-
лось, аппарат сборки фимбрии IV типа содержит элементы, гомологичные элемен-
там секреторной системы III. Выяснено, что минорные белки, или «псевдопилины»
(англ, pseudopilin) участвуют в сборке нити и функционировании фимбрии. Их кон-
кретные функции пока еще не установлены.

Втягивание фимбрии IV типа происходит со скоростью мкм -с-1, и создается
физическое усилие ~1О~10 Н. Этот процесс осуществляется спонтанно, без затраты
энергии. Нижний конец фимбрии как бы «расплавляется», и субъединицы пилина
вливаются в пул, расположенный в СМ. Из-за уменьшения длины фимбрии клетка
резко подтягивается к субстрату. Это и есть собственно твитчинг.

Фимбриям IV типа принадлежит важная роль в образовании биопленок (см.
раздел 7.3.5).

Нгр-фимбрии. Фимбрии IV типа участвуют не только в подвижности, но и в
секреции факторов вирулентности и токсинов.

Примером служат Нгр-фимбрии (от англ, hypersensitive response and pathogeni-
city) . Кодирующий их оперон является одним из представителей высоко консерватив-
ных Лгс-оперонов (от англ, hypersensitive response conserved). Продукты экспрессии
/zrc-оперонов вызывают стресс у инфицированного макроорганизма, а также оказы-
вают патологическое воздействие на его клеточные структуры и физиологические
процессы. Такие опероны входят в состав «островков патогенности» у зоопатоген-
ных или фитопатогенных бактерий.
В инфраструктурном плане геном бактерий состоит из двух неравных частей. Основу гено-
ма составляет ядро, или кор (англ, core) в виде ансамбля генов, детерминирующих важнейшие
структурно-функциональные свойства клетки; эти гены сходны по содержанию ГЦ-пар, набору
используемых кодонов и слабо мутируют. Меньшая часть генома (~15%) —это «геномные остров-
ки» (англ, genome island), или участки генома, отличающиеся от кора по содержанию ГЦ-пар, а
также набору используемых кодонов.

Геномные островки происходят от интегрированных в геном мобильных генетических элемен-
тов (плазмид, транспозонов и бактериофагов). Они содержат гены для специализированного ме-
таболизма, устойчивости к антибиотикам и гены для адаптации к абиотическим факторам среды,
а также гены для симбиоза и вирулентости. В последнем случае говорят об «островках патогенно-
сти» (англ, pathogenicity island).

Размер геномных островков 10-200 т.п.н. Они устроены по общему принципу и включают в
себя прямые повторы, мобильные элементы, структурные и регуляторные гены. Концы геномного
островка, как правило, фланкированы прямыми повторами (англ, direct repeat), приобретенными в
результате интеграции в хромосому мобильного генетического элемента. Основу геномного остров-
ка составляют структурные гены. Как правило, речь идет о полном наборе генов, необходимом для
реализации какого-либо признака, что делает возможным и целесообразным его «горизонтальный»
перенос.

Примерами /irc-оперонов служат ?/ор-оперон чумной бактерии Yersinia pestis,
а также /irp-оперон фитопатогенов Agrobacterium tumefaciens, Erwinia amylowora,
Pseudomonas syringae, Ralstonia solanacearum и Xanthomonas campestris.

Нгр-фимбрии достигают в длину 2 мкм, что позволяет бактерии пробуравить
клеточную стенку хозяина и доставить в его цитоплазму разные факторы патоген-
ности. Среди них можно назвать оказывающие регуляторный эффект HrpZ-бел-
ки, или «гарпины» (англ, harpin, от аббревиатуры Игр) и AvrB-белки (от англ.
Agrobacterium-virulence), а также токсины, которые ингибируют хозяйские фермен-
ты, например глутаминсинтетазу.

Пилин Игр А имеет небольшой размер (6-11 кДа). Его структура очень вари-
абельна; взаимная гомология этого белка у разных бактерий не превышает 30%.
Биогенез Нгр-фимбрии тесно связан с работой секреторной системы III - базальная
часть насаживается на иглу, а затем наращивается за счет протомеров, выходящих
через дистальный конец нити. Такой способ сборки характерен для бактериальных
жгутиков, но для фимбрий он уникален.

Половые фимбрии. Еще одной, очень важной функцией фимбрий IV типа
является контактная передача ДНК от одной бактерии к другой.

Этот процесс называется конъюгацией, и в нем участвуют «половые» фим-
брии (англ, sex pilus). В отличие от Нгр-фимбрий, они не используются для сек-
реции белка, а участвуют только в конъюгации или крайне редко становятся ка-
налом для выхода во внешнюю среду трансформирующей ДНК (примером служит
N. gonorrhoeae).

Среди половых фимбрий наиболее известны F-фимбрии Е. coli, которые закоди-
рованы в конъюгативных F-плазмидах. Клетки, несущие F-фимбрии (F+), называ-
ются донорными, или «мужскими», а клетки без F-фимбрий (F-) акцепторными,
или «женскими». Донор-акцепторная пара участвует в процессе конъюгации — наи-
более распространенном у бактерий способе горизонтального переноса генетической
информации.

Конъюгация представляет собой контактный процесс, который индуцируется физико-химиче-
скими факторами внешней среды или определяется межклеточным сигналингом на определенной
фазе развития популяции. Конъюгация способствует генетической рекомбинации и естественно-
му отбору, в частности она позволяет распространить в популяции патогенных бактерий гены
устойчивости к антибиотикам. Конъюгация возможна у близкородственных или эволюционно ди-
станцированных бактерий и иногда происходит даже на интердоменном уровне (см. ниже).

В состав аппарата для конъюгации у грамотрицательных бактерий входят:

— половая фимбрия, обеспечивающая взаимную адгезию партнеров;

— гомолог секреторной системы III, образующий конъюгативную пору, или проводящий канет
в клеточной оболочке донора, по которому транспортируется одноцепочечная Т-ДНК (от англ,
transfer — перенос).

Конъюгация у грамположительных бактерий еще слабо изучена. Она происходит без участия
половых фимбрий.

Роль F-фимбрии при конъюгации заключается в том, чтобы распознать рецептор на женской
клетке и прикрепиться к ней, а затем сократиться. Благодаря этому устанавливается тесный кон-
такт между оболочками клеток-партнеров (англ, conjugational junction).

Информация о контакте (англ, mating signal) поступает на «релаксосому» — комплекс F-плаз-
миды с белком IHF (от англ, integration host factor), релаксазой TrwA и геликазой TrwC. Одно-
цепочечная Т-ДНК с помощью гетерогексамера белка TrwB передается периферической АТФазе
NBS (от англ, nucleotide binding site). Последняя играет роль помпы и проталкивает Т-ДНК через
пору в клеточной оболочке, или «транслокон».

Существуют два варианта конъюгативных фимбрий. Первый из них представлен
длинными и гибкими F-фимбриями, а второй — короткими и жесткими Р-фимбри-
ями.

F-фимбрия имеет длину 2-20 мкм, ее диаметр составляет ~8 нм, а ширина внут-
реннего канала — 2 нм. Стенки F-фимбрии образованы плотно уложенным F-пили-
ном, по пять субъединиц на один оборот спирали. Нить F-фимбрии служит рецеп-
тором для нитчатых «мужских» бактериофагов, которые адсорбируются по всей ее
длине (фаги f2, MS2, R17 и Q(3) или только на ее конце (фаги fl, fd и М13).

За образование F-пилина отвечают три гена. Структурный ген traA кодирует
«препилин» молекулярной массой ~13 кДа. Продукт гена traQ участвует в процес-
синге препилина с помощью сигнальной пептидазы LepB, которая расположена на
внутренней поверхности СМ и отрезает от него макропептид, состоящий из 51 ами-
нокислоты. Продукт гена traX путем N-ацетилирования образует из оставшегося
фрагмента препилина зрелый пилин (7 кДа).

Хотя F-фимбрия состоит только из одного типа субъединиц, в их секреции и
сборке задействованы не менее 17 генов, кодирующих структурные и регуляторные
белки (рис. 63, Б).

Субъединица ТгаК образует секретиновую пору в ОМ, через которую фимбрия
«прорастает» на поверхность клетки. С помощью субъединиц TraV секретиновое
кольцо прочнее фиксируется в ОМ. Субъединицы ТгаВ прикрепляют секретиновое
кольцо к СМ и совместно со вспомогательным белком TraD образуют в оболочке
сквозную пору диаметром 22А. Субъединицы TraEL участвуют в сборке фимбрии
с помощью «сопрягающей» АТФазы ТгаС и регулируют рост фимбрии в длину, а
субъединицы TraF выполняют роль периплазматических шаперонов.

Вспомогательные субъединцы TraGN стабилизируют взаимодействие половых
партнеров, а субъединицы TraHUW и ТгЬС принимают участие в образовании поры
и «сокращении» фимбрии.

После адгезии F-фимбрии к поверхность™ рецепторам женской клетки (роль ко-
торых, в частности, играют порины) или после адсорбции «мужского» бактериофага
на F-фимбрии она «сокращается» путем разборки на проксимальном конце, причем
это происходит спонтанно, без затраты энергии. В результате этого женская клетка
или адсорбированный бактериофаг доставляются к поверхности мужской клетки, и
между ними векторно переносится ДНК.
Т-фимбрии. Особым примером конъюгативных фимбрий служит Т-фимбрия.

В данном случае ДНК передается не от бактерии к бактерии, а от бактерии к
растительной клетке. В результате такого «интердоменного» переноса Т-ДНК ин-
тегрируется в эукариотный геном.

Т-фимбрия кодируется wr-опероном, входящим в состав Ti-плазмиды (от англ,
tumor inducing) фитопатогенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, которая вызы-
вает неопластический рост стеблей — «коронарные галлы» (англ, crown gall disease).
Результатом интеграции Т-ДНК в растительную хромосому является не только ано-
мальный рост хозяина, но и индуцированный синтез специфических азотсодержа-
щих субстратов, которые поддерживают рост паразитических бактерий в ткани ко-
ронарного галла — опинов (англ. opin). Название «опин» происходит от октопина —
карбоиминного соединения, состоящего из пирувата и аргинина, которое было впер-
вые обнаружено у осьминога из рода Octopus.

В состав Ti-плазмиды входят генные локусы для биосинтеза и катаболизма опи-
нов, генные локусы для образования фитогормонов (ауксинов и цитокининов), а
также генный локус для конъюгативного переноса virD и генный локус для виру-
лентности иггВ. Локус virB состоит из 11 генов, которые кодируют особый вариант
конъюгативной системы — транс локон и Т-фимбрию (по аналогии с аппаратом меж-
бактериальной» конъюгации).

Конъюгативная Т-фимбрия относится к группе коротких и жестких Р-фимбрий.
Ее субъединицы сходны с таковыми у F-фимбрии. Биогенез этих фимбрий проте-
кает сходным образом (см. рис. 63). В качестве секретина используется белок Vir7
(аналог субъединицы ТгаК), сквозную пору образуют субъединицы Vir9, VirlO и
Vir4 (аналоги субъединиц TraBDV), а роль «сопрягающей» АТФазы играет белок
Virll (аналог субъединицы ТгаС). Сборку Т-фимбрии регулируют субъединицы Vir
6 и Vir8 (аналог субъединицы TraEL).

Молекулярное строение Т-фимбрии, а также механизм секреции Т-ДНК обла-
дают интересными особенностями. Прежде всего при процессинге пропилина ТгЬС
в цитоплазме бактерии происходит довольно редкое явление — циклизация белка с
помощью пептидазы TraF, которая образует ковалентную связь между N- и С-кон-
цами одной и той же полипептидной цепи. В свою очередь, релаксаза VirD2 образует
ковалентную связь с 5'-концом одной из цепей ДНК. Белок VirE2, который секрети-
руется независимо от гибрида Т-ДНК с «пилотной» релаксазой, связывает Т-ДНК
в цитоплазме хозяина и обеспечивает ее таргетинг в ядро.

8.6.3.4. Фимбрии архей

Убедительных доказательств того, что у архей есть фимбрии, не получе-
но, хотя у некоторых видов родов Aeropyrum, Hyperthermus, Sulf ophobococcus,
Sulfurococcus и Thermodiscus (фила AI Crenarchaeota), а также у некоторых ви-
дов родов Methanobacterium, Methanobrevibacter и Methanothermobacter (фила АП
Euryarchaeota) описаны похожие на фимбрии филаментозные придаточные струк-
туры диаметром ~10 нм и длиной до 15 мкм.

Уникальным признаком экстремально термофильных архей рода Pyrodictium
occultum (фила AI Crenarchaeota) служит образование «каннул» (лат. cannula —тро-
стинка).

Эти трубчатые структуры располагаются по отдельности или в пучках и обра-
зуют трехмерный сетчатый матрикс, внутри которого покоятся клетки дискоидной
формы. Каннула представляет собой полый цилиндр длиной до 150 мкм и диа-
метром 25 нм. Стенка имеет толщину 2-3 нм и образована спирально уложенными
гликопротеиновыми субъединицами, которые не диссоциируют даже при жесткой
обработке додецил сульфатом. Хотя генетические детерминанты, состав и биогенез
каннул не изучены, бросается в глаза их морфологическое, а, может быть, и функ-
циональное сходство с фимбриями.

Таким образом, микрокомпартменты типа фимбрий встречаются у представите-
лей обоих прокариотных доменов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Завершая на этом первый том учебника, мы одновременно заканчиваем цитоло-
гическое описание прокариотов.

Знакомство с общими принципами и деталями структурной организации бакте-
рий и архей свидетельствует о высокой интегрированности, мультифункционально-
сти и вариабельности (над)молекулярных систем, органелл и компартментов про-
кариотной клетки.

Читатель смог убедиться в том, что по уровню организации прокариоты не усту-
пают эукариотам, а по рациональности строения и по способности к внутренней
перестройке во многом их превосходят.

Некоторые прокариотные структуры уникальны, и знакомство с ними расширяет
цитологический кругозор.

Однако в первом томе учебника лишь в самых общих чертах говорилось, за счет
каких источников энергии и строительного материала прокариоты осуществляют
биосинтез, сборку и обновление своих клеточных структур.

Ответы на эти вопросы дает второй том учебника, посвященный метаболизму
прокариотов.
предметный указатель

Автолизины 256, 266, 270

Автотрофия 71

Автохтонные бактерии 24

Агар-агар 39

Адгезины 337

Аденозиндифосфат-глюкоза (АДФ-глюко-
за) 231

Актинобактерии 119-123

Алкалифильные бактерии 26

Алкилфосфоглицериды (у бактерий) 174,
223

Аллохтонные бактерии 24

Альгинаты 301

Анабиоз 26

Анаммоксосома 123, 223-224

Анаэробы 30

Аноксигенная фототрофия 114

Антибиотики 22, 204, 249, 269

Археи 14, 49-58, 90-98

Археолы 178

Археотный морфотип 150

Аттенуация 22

Ацидокальцисома 236

Ацидофильные бактерии 25

Аэробные фототрофные бактерии 114. См.
такмсе Квази-фототрофия

Аэробы 30

Бактериальные маты 138-139

Бактериальные морфотипы 143-149

Бактерии 14, 16-35, 49-50, 98-130

Барофильные археи 55

Барофильные бактерии 24

Бацилла 209

Белковый саккулус 273

Бета-лактамаза (0-лактамаза) 256. См. так-
же Пенициллин

Биомембрана 163-169

— модели строения 164-165

— унитарная 165

— неунитарная 167

Биопленки 133, 138

Биотехнология (определение) 154

Блебинг 256. См. такмсе Везикулы наруж-
ной мембраны

Брожение 19

Вакуоль 156-157, 222. См. такмсе Анам-
моксосома

— керитомическая 236

— кислородная 157, 223

— нитратная 157, 222

Вакуом 66

Везикулы наружной мембраны 256. См.
такмсе Блебинг

Вид (у прокариотов) 86

Включения 161, 227

«Вторая биосфера» 131, 136-137

Газовая везикула 224-227

Галофильные бактерии 25

Гелиобактерии 31, 117

Генеральная секреторная Sec-система 314
— SRP-вариант 315-316

Генеральная секреторная Tat-система 313

Генеральные компартменты 143-144, 160-
161

Геномные островки 343. См. такмсе Остров-
ки патогенности

Гетерополисахаридный ригидный слой 298
«Гигантские» прокариоты 154-157
Гиперструктура 160

Гипертермофильные археи 55, 90-93

Гипотеза самозарождения 38-39
Гистоноподобные белки 196-197
Гистоны 195, 198

Гликопептидолипиды 290

Глобальное древо 48

Глобальные ниши 131

Глюкозамин 244

Гниение 20

Гомеовязкостная адаптация 173, 180

Гопаноиды 175-177
«Горизонтальный» перенос генов 70
Грамотрицательный морфотип 144-146

Грамположительный морфотип 147

Гранулоза 231

Деградосома 214

Декстран 301

Диазотрофия 71, 78
Диазотрофные археи 52, 78, 94

Диазотрофные бактерии 33, 78

Диаминопимелиновая кислота (ДАП) 264

Дивискелет 213

Дифтерийный токсин 207

ДНК-гираза 196. См. также Обратная ги-
раза, Топоизомеразы

ДНК-связывающие белки 195-199

— архей 198-199

— бактерий 196-197

Долихолилфосфат 292, 295

Жгутик 320-336

—архей 335-336

— бактерий 325-334

— биогенез 330-331

— механизм действия 330

— строение 326-330

— особенности у спирохет 334-335

Жирные кислоты 172

Зеленые бактерии 30, 103, 110-112

Интрацитоплазматические мембраны (ICM)
147-148, 182-192

— биогенез 189-191

— морфология 187-188

— распространение 185-186

— функции 188-189

Информационные гены 57

Кальдархеолы 178

Кальдитол 178

Каннулы 345

К-антиген 303

Капсула 301-305

— бактерий, ассоциированных с растениями
304-305

— непатогенных бактерий 302-303

— патогенных бактерий 303-304

Карбоксисома 236

«Карликовые» прокариоты 157-160. См.
также Ультрамикробактерии, Ультра-
микроархеи

Квази-наружная мембрана (квази-ОМ) 290

Квази-периплазматический компартмент
291

Квази-фототрофия 31, 95, 114, 190

Квази-эукариотизм 199

Кетодезоксиоктоновая кислота (КДО) 243

Клеточная оболочка 143

— особенности у бактерий группы
«mycolata» 284-291

Клеточная стенка 143

Клинокинез 333

Клон 86

Кокки 14, 209

Колановые кислоты 304

Компартментализация 160-161

Комплекс контактной поры 272

Комплементарная хроматическая адаптация
190

Консорциумы 63

Контакты Байера 147, 257

Конъюгация 343

Корд-фактор 287

Кресцентин 211

Криоскалывание 166

Криптические прокариоты 81

Ксантан 301

Ксенобиотики 30

Культивируемые прокариоты 81

Культура 87

— аксеничная 87

— неаксеничная 87

Леван 301

Ледераны 223

Лизоцим 270

Липид А 243

Липоарабиноманнаны 285

Липогликаны 279

Липоманнаны 285

Липополисахариды (ЛПС). См. также На-
ружная мембрана

— архей 278

— бактерий 241—250, 279

Липопротеин Брауна 251. См. также На-
ружная мембрана

Липопротеины грамположительных бакте-
рий 279

Липопротеины спирохет 252

Литотрофия 71

Магнитная ориентация 234

Магнитосома 233-236

Мезосомы 184, 186

Мембранные липиды 170-181

— архей 177-180

— бактерий 170-177

Мембранный континуум 148, 191-192

Метаболизм 71

Метаногенез 53-54, 77

Метанохондроитин 307

Метилотрофные бактерии 32

Миколовые кислоты 287

Микоплазмы 149, 208, 263

Микрокомпартменты 160-162

Микроплазмодесмы 149, 272

Микроскопы 18

Мицелий (актинобактерий) 120

Многофакторная таксономия 42, 86

Молекулярные ископаемые 34, 181

Монады 63-64

Монотрихи 332

«Морской снег» 134

Мортмасса 137

Морфоскелет 208-212

мРНК 203, 214

— деградация 214—215

— участие в трансляции 203—204

Мурамилпептиды 256, 266

Муреин 264-273
— биосинтез 266—269

— лизис 270—271

— рудименты 273

— сквозные отверстия 272-273

— строение 264-266

— структурные перестройки 271-272

Муреиновый саккулус 263

Надмембранные комплексы 276

Наружная мембрана (ОМ) 143, 240-257

— белки 250-255

— липополисахариды 241-250

— липопротеины 251-252

— общие свойства 240-241

Некультивируемые прокариоты (VBNC) 35,
81

Несопряженный рост 228

Нить мицелиальная 209

Нуклеоид 193, 198

Нуклеосома 195, 198

Нумерический метод 40

О-антиген 247

«Обратная» гираза 199

Окислительный стресс 78

Окрашивание по Граму 39, 145-146

Оксигенная фототрофия 107

Олиготрофные бактерии 25

Операционные гены 57

Опины 345

Определитель Берги 41

Осмопротекторы 210

Островки патогенности 343

Осциллин 323

Палочки 209

Панспермия 26

«Парадоксальность» таксономической си-
стемы прокариотов 84-85

Параспоральные микрокристаллы 233

Пенициллин 269

Пенициллинсвязывающие белки 269

Пептидогликан 143. См. также Муреин,
Псевдомуреин

Первичная продукция 77

«Первично амитохондриальные» протисты
67, 70

Периплазма 257-262

— белки 258-260

— олигосахариды 260-262

Периплазматические микрокристаллы 275

Периплазматический компартмент 143, 239-
275

Перитрихи 333

Пермиссивные ниши 76

Пикопланктон 77, 134

Плавание 331-332

Плазмалогены 174

Плазмиды 28, 194-195, 198

Планктомицеты 123-124

Плеоморфизм 38-39

Поверхностный S-слой 291
— архей 294-295
— бактерий 291-293
Подвижность 320-321
— типы 321-325

Покровы 299

Полигидроксиалканоатные гранулы 238

Полиглюкозидные гранулы 230-231

Полимеразная цепная реакция (PCR) 35, 48

Политрихи 332

Полифосфатные гранулы 228

Полифосфаты 228-230

— биосинтез 229

— функции 215, 229, 230

Полярная органелла 227

Порины 253-255

-«выделительные» 254

— высокоаффинные 255

— общего назначения 254

— специализированные 254
«Природная» ДНК 49, 81, 130
Прогенот 67

Прокариоты 8-15, 44, 66

Простеки 209

«Простые» пластиды 65

Протеасома 218

— архей 221

— бактерий 220

Протеобактерий 112-115

Протоклетка 67-68

Протопласты 143

Псевдомуреин 296-298

— биосинтез 297-298

— строение 296-298

Психрофильные археи 90

Психрофильные бактерии 24, 135-136

Пурпурные бактерии 30, 114-115

рДНК 48

Рекальцитрантные биомолекулы 34

Рибосома 67, 202

— архей 206

— бактерий 205

— механизм трансляции 203-204

Рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксиге-
наза (RuBisCO) 237

Ригидные слои клеточной стенки 143, 149-
150, 262-263, 273-274, 280-298. См. так-
же Экзоскелет

Ризоплана 139

Ризосфера 139

Риккетсии 159

Род (у прокариотов) 87

Роение 333-334

рРНК 48, 202-203

Руководство Берги по систематике бактерий
41-42

Саккулус 143

— белковый 273-274
— муреин-миколил-арабиногалактановый
284-287. См. также Особенности кле-
точной оболочки у бактерий группы
«mycolata»

— муреиновый 263-264

— муреин-тейхоатный 281-284

— псевдомуреиновый 296-298

Секретины 316-317

Секреция белка 312-320

Семантиды 47

Серная глобула 274-275

Симбиогенез 46

Сквален 177

Скольжение 323

Слизь 300

Сопряженный рост 228

Специализированная секреторная система I
типа 317-318

Специализированная секреторная система
III типа 318-319

Специализированная Sec-зависимая секре-
торная система II типа 316-317

Специализированная Sec-зависимая секре-
торная система IV типа 317

Специализированные компартменты 161

— в периплазматическомком партменте 274-
275

— в цитоплазматическом компартменте 222-
239

— в экзоплазматическом компартменте 298-
311

— со смешанной локализацией 312-345

Спириллы 209

Спирохеты 212, 334

Стероиды 175

Строматолиты 33, 138

Сульфолипиды 287

Сферопласты 143

Сцитонемин 306

Твитчинг 341-342

Терминальная органелла (у микоплазм) 211—
212

Термосома 218

Термофильные бактерии 25

Тейхоевые кислоты 276-278

— мембранные 276-278

— стеночные 281-283

Тейхуроновые кислоты 283-284

R-тела 169

Теломеры 195

Тетрабрахий 295

Тилакоидные центры 148, 188, 191

Тилакоиды 188, 191

Тиол:дисульфид-изомеразы 258

Тиол:дисульфид-оксидоредуктазы 258

Тиоредоксины 258

Топоизомеразы 197

«Третья биосфера» 131, 133

Трансмембранный электрохимический по-
тенциал (Ртп/) 71, 166, 313, 327

Трегалоза 287

Триада Коха 21

Трихом 148-149

Ультрамикроархеи 159-160

Ультрамикробактерии 158-159

У ндекап ренил фосфат 247, 298, 302

У ридиндифосфат-глюкоза (УДФ-глюкоза)
245

Фазовая изменчивость 247, 340

Фантомные прокариоты 35, 49, 82

Фенольные гликолипиды 289

Феромоны 333. См. также Чувство квору-
ма

Филлосфера 139

Филогенетические домены 48-49

Филы (прокариотные) 49

Фимбрии 337-346

— архей 345

— бактерий 337-345

— альтернативного типа 341-345

— главного типа 340-341

Фитанол 178

Флагеллины 327-329, 335-336

—архей 335-336

— бактерий 327-329

Флиппазы 173, 246-248, 269

Форма прокариотов 208-212. См. также
Морфоскелет

L-Формы 273

Фосфатиды 174

Фотоакклиматизация 190

Фотосинтез 30, 77

Фототрофия 71

Фтиоцерол 289

Хемоклин 135, 156

«Хеморецепторные» белки 259-260

Хеморецепторы 260

Хемосинтез 77, 136-137

Хемосинтезирующие археи 91-94

Хемосинтезирующие бактерии 32

Хемотаксис 332

Химеры 64-65

Хламидии 124, 273

Хламидобактерий 305

Хроматофоры 187

Хромосома 193-199

—архей 198-199

—бактерий 193-197

— уровни компактизации 197

Целлюлоза 308-309

Целлюлосома 308-311

Цианобактерии 31, 106-110

Цианофицин 231

Цианофициновая гранула 231

Цитоплазматическая мембрана (СМ)

143,181-182
Цитоплазматические микрокристаллы 156,
232

Цитоплазматический компартмент 143, 162-
239

Цитоскелет 207

«Черные курильщики» 90

Чехол 305-307

—архей 306-307

— бактерий 305-306

Числа Рейнольдса 152-153

Чувство кворума 333

Шаперонины 216

—архей 217

— бактерий 217

Шапероны (молекулярные) 216

Швермеры 333

Шипы 307

Штамм 87

Экзоплазматические микрокристаллы 311

Экзоплазматический компартмент 143, 275-
311

Экзополисахариды 301-302

Экзоскелет 212

— у спирохет 212

— экзоплазматический 212

Экстрацеллюлярные газовые баллоны 307-
308

Экстремально галофильные археи 94

Экстремально галофильные бактерии 25

Элективные условия 23

«Элементарные тела» хламидий 124, 273

Эндемичные прокариоты 106-107, 130

Эндолитические бактерии 26

Эндоскелет 211

Эндоспора 26, 35, 116, 119, 266

Эндотоксины 241, 250. См. также Липопо-

лисахариды

Эндоцитобиоз 140

Энзоскелет 213

Энтеросома 237

Эукариоты 12, 45, 66

Эуфотическая зона 133

Ядерная клетка 69

Ядро 43-45

— поиски у бактерий 43— 45

— эукариотной клетки 43
Учебное издание

Александр Васильевич Пиневич

МИКРОБИОЛОГИЯ

БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ

Учебник

Том I

Редактор Т. Н. Пескова

Верстка Е. М. Воронковой

Лицензия ИД №05679 от 24.08.2001

Подписано в печать 12.07.2006. Формат 70xl001/i6-

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 28,38. Заказ №339
Издательство СПбГУ.

199004, С.-Петербург, В.О., 6-я линия, 11/21

Тел. (812) 328-96-17; факс (812) 328-44-22

E-mail: editor@unipress.ru
www.unipress.ru

По вопросам реализации обращаться по адресу:
С.-Петербург, В. О., 6-я линия, д. 11/21, к. 21
Телефоны: 328-77-63, 325-31-76
E-mail: post@unipress.ru

Типография Издательства СПбГУ.

199061, С.-Петербург, Средний пр., 41