Защитные механизмы

Одним из универсальных механизмов адаптации к световому излучению высокой интенсивности и защиты от токсичных форм фотосенсибилизированного кислорода является синтез каротиноидных пигментов. Характерным примером может служить яркая окраска микроорганизмов, живущих в условиях высокой освещенности (в воздухе, на поверхности скал, обнажений горных пород, в высокогорье и т.д.) (Заварзин Г.А., 2001).

Ранние исследования радиационной резистентности были направлены в первую очередь на поиски внутриклеточных веществ, защищающих организм от повреждений. В настоящее время внимание исследователей концентрируется в основном на механизмах, тем или иным способом исправляющих повреждения в ДНК, индуцируемые облучением. Эти механизмы имеют важное значение. Тем не менее представляется вероятным, что определенную вспомогательную роль играют и защитные механизмы.

Для радиорезистентных организмов обычно характерна усиленная пигментация, что чаще всего является причиной резистентности. Пигменты действуют как «энергетические ловушки», препятствующие радиации или ее продуктам достигать ДНК или любых других жизненно важных мишеней.

Резистентность может быть обусловлена также присутствием определенных продуктов метаболизма (внутриклеточных радиопротекторов). Так, Е. coli более резистентна при облучении в присутствии экстрактов из М. radiodurans, чем при облучении в буферном растворе. Защитное действие экстрактов из М. rаdiodurans связано с уменьшением выхода радикалов при участии механизма, аналогичного тому, который действует в отношении известных химических веществ-протекторов.

Своеобразный метаболизм серосодержащих аминокислот у М. radiodurans позволяет думать, что эти аминокислоты выполняют роль сульфгидрильных веществ-протекторов. Зависимость радиорезистентности от концентрации экстракта имеет двухкомпонентный характер: в низких концентрациях он оказывает на тест-организм сенсибилизирующее действие, а в высоких концентрациях — защитное.

Радиорезистентность может определяться уровнем каталазной активности в. клетке. Было показано, что для некоторых бактерий с повышенной радиорезистентностью характерно высокое содержание каталазы.

С возрастанием радиорезистентности увеличивается длина клеток: значительная часть клеток наиболее резистентных штаммов была в 30—40 раз длиннее нормальных. У клеток этих штаммов наблюдалось также своеобразное явление почкования. У резистентных штаммов, упомянутых выше, удлинение клеток было устойчивым признаком, наблюдавшимся в течение трех лет.

К важным факторам, от которых зависит реакция той или иной клеточной системы на любой физический или химический агент, относится состав клеточной стенки. В случае химических мутагенов структура клеточной стенки может определять ее проницаемость, влияя, таким образом, на чувствительность клетки к данному агенту. Хотя структура клеточной стенки не оказывает влияния на проникающую способность ионизирующего излучения, она тем не менее может иметь значение для радиорезистентности микроба. Например, вполне вероятно, что какой-либо связанный с мембраной ферментный комплекс, освобождающийся или активируемый под действием радиации, играет определенную роль в системе (системах) репарации или обусловливает конечную инактивацию клетки. Ионизирующее излучение вызывает освобождение связанной с клеточной поверхностью экзонуклеазы у М. radiodurans. При облучении в дозе 400 крад, сублетальной для этого организма, в клетках остается только 10% фермента, причем степень освобождения фермента зависит от дозы облучения.

Микробы-сапрофиты более устойчивы у световому излучению в сравнении с патогенными. Это объясняется тем, что они чаще подвергаются действию прямых солнечных лучей, поэтому являются более адаптированными (Радчук Н.А., Дунаев Г.В., 1991).

Увеличение содержания ДНК в клетке служит одним из факторов ее радиорезистентности. Это может быть обусловлено либо увеличением числа нуклеоидов в клетке, либо ее полиплоидностью. Нитевидная форма резистентных клетокЕ. coli позволяет предполагать, что в них реализуется первый механизм. Но содержание ДНК в клетках этих штаммов практически не отличается от такового в клетках дикого типа.

Определение содержания GC-nap в ДНК восьми видов бактерий показало, что существует обратная зависимость между GC-содержанием и резистентностью клеток к рентгеновским лучам. В то же время между GC-содержанием и резистентностью к УФ-облучению наблюдается прямая зависимость. Такая корреляция утрачивает какой бы то ни было смысл в случае М. radiodurans, резистентного к обоим типам излучения; однако она может иметь некоторое значение при отсутствии у бактерий эффективных систем репарации. Действительно, ДНК М. radiodurans характеризуется тем же нуклеотидным составом, что и ДНК штаммов Pseudomonas, исключительно чувствительных к ионизирующей радиации (Покровский В.И., 1999).

Химический состав прокариотной клетки. Пищевые потребности прокариот. Источники углерода. Автотрофы и гетеротрофы. Сапрофиты и паразиты. Олиготрофы и копиотрофы. Источники азота, серы, фосфора. Необходимость ионов металлов. Потребности в факторах роста. Ауксотрфы и прототрофы. Гидролитики, группы гидролитиков. Диссиптрофы. Газотрофы.

Химический состав клеток в принципе одинаков у всех организмов. Клетки прокариот содержат от 70 до 90% воды. Основную массу сухих веществ, на долю которых приходятся остальные 10-30%, составляют белки , нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды . Несколько процентов сухого вещества клеток приходится на низкомолекулярные органические вещества и соли ( табл. 9 ).

Макромолекулы, составляющие основную массу сухих веществ клетки, - полимеры, построенные из мономерных единиц. Исключением служат липиды, не являющиеся полимерами, так как молекулы в них не соединены между собой ковалентными связями. Углеводные полимеры построены на основе повторяющихся единиц одного, двух или более типов, например, запасной полисахарид гликоген , построенный из остатков глюкозы, или пептидогликан клеточной стенки, образованный чередованием N-ацетилглюкозамина и N- ацетилмурамовой кислоты. В клетке углеводные полимеры представлены часто одним видом молекулы ( табл. 9 ).

Полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются на матрице, которая и определяет последовательность составляющих их мономеров. Возможности для синтеза разнообразных по функциям и структуре клеточных метаболитов реализуются на стадии сборки полимеров путем различных сочетаний исходных строительных блоков. В основе огромного числа видо-и функционально специфических белков лежат комбинации из 20 аминокислот , а чтобы зашифровать весь объем генетической информации одной клетки или многоклеточного организма оказалось достаточным комбинации из 4 нуклеотидов . Прокариотная клетка в норме содержит примерно 2000-2500 различных белков, каждый из которых представлен 400-1000 молекулами. Количество молекул нуклеиновых кислот каждого вида определяется их функциональным назначением: ДНК - одного вида и представлена одной или несколькими копиями; количество разных молекул РНК в клетке колеблется на несколько порядков.

Автотрофы - это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию.

К ним относятся растения ( только растения). Они синтезируют из СО , Н О (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии - глюкозу (органические молекулы) и О . Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на 1 трофическом уровне.

Гетсротрофы - это организмы, которые не могут строить собственное тело из неорганических соединений, а вынуждены использовать созданное автотрофами,употребляя их в пищу.

К ним относятся консументы и детритофаги. И находятся на II и выше трофическом уровне. Человек тоже гетеротроф.

Вернадскому принадлежит идея, что возможно превращение человеческого общества из гетеротрофного и автотрофное.

В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофности, но общество в целом способно осуществить автотрофный способ производства пищи, т.е. замена природных соединений (белки, жиры, углеводы) на органические соединения, синтезированные из неорганических молекул или атомов.

САПРОФИТЫ— микроорганизмы, использующие в качестве источников питания вещества из неживых объектов, в противоположность микробам-паразитам, способным жить за счет продуктов обмена в тканях живых организмов. Сапрофиты широко распространены в природе, встречаются в почве, воде, воздухе, в организме человека и животных.

Паразитыпоселяются на живых организмах и питаются за их счет (болезнетворные бактерии) сапрофиты питаются мертвой органикой (бактерии гниения).

АУКСОТРОФЫ (от греч. auxo - выращиваю - увеличиваю и trophe - пища, питание),микроорганизмы, утратившие способность синтезировать одно из веществ, необходимых для ихроста (аминокислоту, витамин или др.). Без добавления в питательную среду этого вещества ауксотрофы не растут. Ср. Прототрофы.

Прототрофы микроорганизмы дикого типа, способные развиваться на простых средах без добавления сложных органических соединений; микроорганизмы, питательные потребности и синтетическая активность к-рых не превышают таковые типового штамма.

Типы энергетического и конструктивного метаболизма прокариот. Фототрофия и хемотрофия. Литотрофия и органотрофия. Автотрофия и гетеротрофия. Способы существования прокариот (8 типов). Облигатный и факультативный тип метаболизма.

Образ жизни прокариот состоит в постоянном воспроизводстве своей биомассы. Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы, называется обменом веществ, или метаболизмом.

Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций, имеющих разную направленность: энергетического метаболизма и конструктивного метаболизма .

Энергетический метаболизм - это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую ( дельта мю H+ ) или химическую (АТФ ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах.

Конструктивный метаболизм (биосинтезы) - поток реакций, в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.

В микробиологической литературе для обозначения энергетических и конструктивных процессов пользуются также терминами " катаболизм " и " анаболизм ", имеющими отношение к распаду или синтезу органических молекул, происходящему соответственно с выделением или потреблением свободной энергии. Следует иметь в виду, что термин "катаболизм" применим для обозначения не всех типов энергетического обмена прокариот. Существуют группы прокариотных организмов, энергетический метаболизм которых не связан с превращениями органических соединений (прокариоты с фотолитотрофным и хемолитотрофным типом энергетического обмена). По отношению к такого рода энергетическим процессам термин "катаболизм". неприменим. У этих организмов функционирует только один поток превращений органических соединений углерода - анаболический.

Метаболические пути конструктивной и энергетической направленности состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на три этапа.

На начальном - воздействию подвергаются молекулы, служащие исходными субстратами. Иногда эту часть метаболического пути называют периферическим метаболизмом , а ферменты, катализирующие первые этапы превращения субстрата, - периферическими. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к образованию промежуточных продуктов, или метаболитов, а сама цепь превращений объединяется под названием промежуточного метаболизма . Образующиеся на последних этапах конечные продукты конструктивных путей используются для построения вещества клеток, а энергетических - выделяются в окружающую среду.

Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. У большинства прокариот они тесно связаны между собой. Однако у некоторых прокариотных организмов можно выделить последовательности реакций, служащих только для получения энергии или только для биосинтеза.

Связь между конструктивными и энергетическими процессами прокариот осуществляется по нескольким каналам. Основной из них - энергетический. Определенные реакции поставляют энергию, необходимую для биосинтезов и других клеточных энергозависимых функций. Биосинтетические реакции кроме энергии нуждаются часто в поступлении извне восстановителя в виде водорода (электронов), источником которого служат также реакции энергетического метаболизма. И наконец, тесная связь между энергетическими и конструктивными процессами проявляется в том, что определенные промежуточные этапы или метаболиты обоих путей могут быть одинаковыми (хотя направленность потоков реакций, относящихся к каждому из путей, различна). Это создает возможности для использования общих промежуточных продуктов в каждом из метаболических путей. Промежуточные соединения такой природы предложено называть амфиболитами , а промежуточные реакции, одинаковые для обоих потоков, - амфиболическими.

Метаболизм прокариот, как энергетический, так и конструктивный, отличается чрезвычайным разнообразием, которое есть результат способности этих форм жизни использовать в качестве источников энергии и исходных субстратов для построения веществ тела самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных периферических ферментов , воздействующих на исходные субстраты и видоизменяющих их молекулы в направлении, позволяющем им далее метаболизироваться по каналам промежуточного метаболизма . В отличие от периферического промежуточный метаболизм прокариот не отличается существенным разнообразием, хотя сравнительно с таковым эукариотныхорганизмов он состоит из большего числа вариантов.