Лекция 4. Бактериальные сферопласты и протопласты: методы получения, свойства, применение; L-формы бактерий и их характеристика

Следует отметить, что клеточная стенка не является жизненно важной структурой, так как в определенных условиях она может быть удалена и бактериальные клетки при этом существуют в виде протопластов или сферопластов.

Протопластами называют клетки округлой формы, полностью лишенные остатков клеточной стенки и окруженные только цитоплазматической мембраной. Их образование характерно чаще для грамположительных бактерий.

Сферопласты отличаются от протопластов тем, что у них сохраняются остатки клеточной стенки, а образуются они преимущественно из клеток грамотрицательных бактерий.

Протопласты и сферопласты можно получить в лабораторных условиях, обрабатывая клетки бактерий ферментом лизоцимом, разрушающим муреин; антибиотиками пенициллинового ряда или с помощью других ферментов.

Свойства протопластов и сферопластов:

1) Стабильно сохраняются в гипертонических или изотонических условиях. Для создания гипертонических условий чаще всего используют сахарозу или маннит в концентрациях 0,1–1,0 М. В гипертонических или изотонических условиях они осуществляют обмен веществ, характерный для исходных клеток, т. е. сохраняют дыхательную активность, синтезируют необходимые биополимеры, образуют эндоспоры, если процесс споруляции уже был инициирован. В гипотонических условиях протопласты и сферопласты лопаются и образуют «тени».

2) Протопласты и сферопласты в 3–10 раз крупнее исходных клеток бактерий.

3) Можно наблюдать их рост, иногда и их деление.

4) В отличие от исходных клеток, из-за отсутствия клеточной стенки, на них не адсорбируются бактериофаги и бактериоцины.

5) У них отсутствуют мезосомы.

6) При снятии действующего на образование муреина фактора (например, пенициллина) протопласты, как правило, отмирают, реже регенерируют клеточную стенку и возвращаются в исходное состояние, но могут превращаться в L-формы. Сферопласты превращаются в нормальные бактериальные клетки либо превращаются в L-формы, либо отмирают.

L-формы – бактерии, частично или полностью лишенные клеточной стенки, но сохранившие способность к развитию в естественной среде.

Буква L – первая буква названия Листеровского института в Лондоне, где впервые обратили внимание на развитие морфологически весьма необычных клеток в культуре бактерий Streptococcus moniliformis, выделенной из жидкости уха крысы. Позже были описаны L-формы у самых разных видов бактерий.

Свойства L-форм:

1) Возникают спонтанно или индуцированно – под воздействием агентов, блокирующих синтез клеточной стенки (например, антибиотиков пенициллинового ряда, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей).

2) Образуются в результате несбалансированного роста нормальных бактериальных клеток в длину и толщину и поэтому плеоморфные (т.е. имеющие в культуре бактерий клетки различной формы и размеров). В культурах L-форм обнаруживаются клетки размером 0,2–50 мкм. Они шаровидные, нитевидные, присутствуют и бесструктурные массы.

3) Из-за отсутствия клеточной ригидной (жесткой) стенки проходят через бактериальные фильтры и легко разрушаются при механических воздействиях.

4) В отличие от протопластов и сферопластов, клетки L-форм имеют мезосомы (впячивания цитоплазматической мембраны вовнутрь клетки), а в отличие от нормальных клеток L-формы часто содержат крупные вакуоли.

5) Обладают пониженным уровнем метаболической активности по сравнению с исходными бактериями.

6) Они нечувствительны к любым агентам, действующим на клеточную стенку.

7) Культивировать L-формы можно только на специальных средах с высоким осмотическим давлением. L-формы лучше растут на плотной, чем в жидкой среде.

8) У L-форм не функционируют нормальные механизмы клеточного деления. В основном они делятся с образованием элементарных тел, которые отпочковываются от поверхности клетки или от мембраны вакуоли.

9) Различают стабильные и нестабильные L-формы. Нестабильные L -формы обладают элементами клеточной стенки и поэтому способны ревертировать (восстанавливаться) в нормальные бактериальные клетки после исключения действия фактора, вызвавшего их образование. Стабильные L-формы полностью лишены ригидной клеточной стенки, что сближает их с протопластами. Они крайне редко ревертируют в исходные бактериальные формы и существуют без изменений в различных условиях среды.

10) Переход в L-форму можно рассматривать как способ переживания бактериями неблагоприятных условий, особенно у патогенных микроорганизмов.

Исследования L-форм представляют существенный интерес для медицинской микробиологии, поскольку в таком состоянии в организме человека и животных могут сохраняться патогенные бактерии. При неправильном использовании антибиотиков, приводящем к образованию L-форм из бактерий, может наступить якобы улучшение состояния больного. Однако после прекращения приема лекарства происходит превращение L-форм в бактерии исходного вида с восстановлением их вирулентности, что приводит к рецидиву болезни. Именно по этой причине очень важно при лечении инфекционных и других заболеваний, вызванных действием патогенных микроорганизмов, принимать антибиотики по четкой схеме приема и необходимое количество дней.

Бактерии, у которых отсутствует клеточная стенка, существуют и в природе: это микоплазмы. Микоплазмы могут существовать как сапрофиты в естественных условиях, а также вызывать заболевания у человека (например, возбудители плевропневмонии) и у растений.

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

Лекция 1. Основные принципы действия регуляторных механизмов растительной клетки; компартментация каталитических систем и метаболических фондов протопласта как один из механизмов регуляции клеточного метаболизма

Клетка – это мельчайшая единица жизни, характеризующаяся определенным типом обмена веществ, самостоятельным энергетическим циклом и способностью к саморегуляции и саморазвитию на основе взаимодействия различных своих компо-нентов и взаимодействия с внешними условиями. В живой клетке нет изолированных процессов. Основой этого взаимодействия служит непрерывный обмен продуктами реакций, образующимися в органоидах определенного вида и поступающими в цитоплазму и другие органоиды.

Сложное строение растительной клетки, дифференцированной на большое количество специализированных органоидов и структур в соответствии с выполняемыми ее функциями, требует и совершенных систем регуляции. Регуляция обеспечивает целостность и гомеостаз организма, т. е. сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создает условия для его развития (эпигенеза).

В ходе эволюции сначала возникли внутриклеточные системы регуляции. К ним относятся регуляция на уровне ферментов, генетическая и мембранная регуляции. Все эти системы регуляции тесно связаны между собой. Принципы действия регуляторных механизмов клетки:

– рецепторно-конформационный принцип;

– принцип компартментации;

– принцип взаимодействия компонентов цитоплазмы.

В основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый первичный принцип – рецепторно-конформационный принцип. Белковая молекула – фермент, рецептор или регуляторный белок — «узнает» специфический для нее фактор и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурацию. В мультикомпонентных комплексах ферментов, генов и мембран конформационные изменения молекул-рецепторов кооперативно передаются на весь комплекс, влияя на его функциональную активность.

Важнейшими в регуляторных механизмах клетки является принцип компар-тментации, обуславливающий высокую степень временной и пространственной ор-ганизованности метаболизма, и взаимодействия компонентов цитоплазмы. Взаимо-действие обеспечивается наличием гиалоплазмы и эндоплазматической сети.

Компартменты – дифференцированные, специализированные участки, или отсеки в протоплазме, различаю­щиеся по степени активности содержащихся в них химических сое­динений и систем, регулирующих их превращения. Явление компартментации обуславливают клеточные мембраны, которые выполняют функцию расчленения биохимических процессов, разделения их между различ­ными компонентами протоплазмы и пространственного размещения в объеме клетки фондов метаболитов и ферментов.

В растительной клетке имеется три основных компартмента: сво­бодное пространство (СП), цитоплазма и вакуоль. Компартментальны отдельные участки клетки и органелл, отдельные участки мембран, отдельные фонды метаболитов, ферментов и всех других морфологических и химических компонентов протопласта.

Характерная особенность компартментированных метаболитов и ферментов — их подвижность, что достигается включением мета­болитов в везикулы и мелкие вакуоли и концентрацией их в трубоч­ках эндоплазматического ретикулума и других трубчатых структурах. Это способствует, например, отводу ассимилятов из хлоропластов без их соприкос­новения со стромой цитоплазмы. Эф­фективность действия механизмов фотофосфорилирования в хлоропластах определяется компартментами, обеспечивающими образование протонного градиента. Компартментальны в данном случае мембранные диски гран хлоропластов. Практиче­ски все основные пути метаболизма углеводов прочно ассоциирова­ны с определенными участками плазматических мембран. В клетке существуют компартменты, содержащие системы гликолиза, цикла Кребса и пентозофосфатного шунта. Так все участки цикла Кребса локализованы в матриксе или во внутренней мембране мито­хондрий. Аналогичные закономерности установлены для процессов биосинтеза и превращения аминокислот, по­глощения и выделения минеральных веществ, воды, регуляции действия имеющихся в клетке ферментов и т. п.

С появлением многоклеточных организмов развиваются и совершенствуются межклеточные системы регуляции. Они включают в себя по крайней мере трофическую, гормональную и электрофизиологическую системы. Такие взаимодействия сразу обнаруживаются при культивировании частей и органов растений в изолированном виде. Для поддержания жизни изолированных частей в инкубационную среду необходимо добавлять трофические и гормональные факторы, в норме поступающие из других органов целого растения.

Важным также является взаимная координация процессов, реакций, координация накопления и выделения веществ и энергии клеткой. Так, нуклеиновые кислоты играют роль хранителя и передатчика наследственной информации (ДНК) и посредника ее реализации (РНК). Белки несут функции рабочих механизмов – это ферменты, которые входят в состав клеточных структур и многих активных соединений. Основной механизм регуляции внутриклеточных процессов связан с влиянием на ферменты разнообразных факторов. Это может осуществляться на генетическом уровне, если определяется состав ферментов или количество того или иного фермента в клетке. Второй тип регуляции – влияние на сам фермент, в результате чего активность его может стимулироваться или ингибироваться. Может иметь место также структурный уровень регуляции – влияние на образование и сборку клеточных структур (мембран, хлоропластов, рибосом, митохондрий и т. д.). Конкретными регуляторами внутриклеточных процессов могут быть фитогормоны, которые вырабатываются клетками или окружающими их другими клетками, или продукты реакций по принципу обратной связи (аллостерический эффект). Регуляция может осуществляться также путем транспортировки в клетку продуктов метаболизма и их предшественников, ионов, изменения формы регулируемого фермента (конформаций).