Классификация прокариот, основанная на кислотности среды
В зависимости от отношения к кислотности среды прокариоты могут быть разделены на несколько групп ( рис. 37 ). Оптимальный рН для роста подавляющего большинства прокариот, называемых нейтрофилами , - область, близкая к нейтральной, а рост возможен, как правило, в диапазоне от 4 до 9, считающемся нормальным. Типичными нейтрофилами являются разные штаммы Escherichia coli , Bacillus megaterium , Streptococcus faecalis .
Предельные обнаруженные границы рН для роста представителей мира прокариот приблизительно от 1 до 12. Хотя многие способны расти или выживать при значениях рН, лежащих за пределами нормального диапазона, оптимум их роста обычно находится внутри этого диапазона. Такие прокариоты считаются кислото- или щелочеустойчивыми (толерантными). К кислотоустойчивым относятся многие бактерии, продуцирующие органические кислоты, например уксуснокислые, молочнокислые и др. Щелочетолерантны многие из энтеробактерий, устойчивые к значениям рН, близким к 9-10.
У некоторых видов адаптация к кислотности среды привела к тому, что оптимум рН для роста переместился в кислую (рН 4 и ниже) или щелочную (рН от 9 и выше) зону. Такие прокариоты названы ацидофильными или алкалофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно. Среди обеих групп выделяют облигатные формы, потерявшие способность расти в нейтральной области, и факультативные, сохранившие эту способность. Типичными представителями облигатных ацидофилов служат бактерии рода Thiobacillus . Из алкалофилов к облигатным можно отнести некоторых представителей рода Bacillus .
Естественно, что способность к росту при низких или высоких значениях рН обеспечивает организму определенные преимущества, так как в этих условиях резко ограничена конкуренция со стороны других организмов. Механизм (или механизмы), обеспечивающий стабильность клеток и возможность их активного размножения при высоких и низких значениях кислотности, неизвестен. Естественно, что наиболее совершенными такие механизмы должны быть у облигатных ацидофилов и алкалофилов. Для первых показано, что они не просто переносят высокие концентрации Н+, но нуждаются в них для роста и стабильности. Например, Thermoplasma acidophilum лизируется при рН выше 5. В то же время все измерения внутриклеточного рН, проведенные у представителей групп облигатных ацидо- и алкалофилов, не оставляют сомнений в том, что он не соответствует рН внешней среды. У всех известных ацидофилов значение внутриклеточного рН поддерживается около 6,5, у нейтрофилов - 7,5, у алкалофилов - не выше 9,5.
Прокариоты, растущие при экстремальных значениях рН, выработали разные механизмы для поддержания стабильного внутриклеточного рН. Облигатно ацидофильная Т. acidophilum, например, поддерживает градиент рН, составляющий 4,5 единицы, вероятно, пассивно, за счет непроницаемости ЦПМ для ионов Н+ (клеточная стенка у этого организма полностью отсутствует). У других прокариот дополнительно к ЦПМ таким барьером служит клеточная стенка. У ряда ацидофилов дельта рН поддерживается благодаря активным метаболическим процессам, в основе которых лежат связанные с мембраной механизмы энергозависимого выталкивания ионов водорода (протонные помпы). У облигатных алкалофилов в поддержании цитоплазматического рН, более низкого по сравнению с наружным, ведущая роль принадлежит Na+/H+-aнтипортеру, катализирующему движение внутрь клетки протонов в обмен на ионы натрия, в которых эти бактерии нуждаются ( рис. 26 , Б).
В любом случае основными барьерами, обеспечивающими необходимый дельта рН у облигатных ацидо- и алкалофилов, служат клеточная стенка и ЦПМ. Поиски особенностей строения этих клеточных структур не привели пока к расшифровке конкретных механизмов их устойчивости к высоким концентрациям Н+ и ОН-. Неизвестно также, почему облигатные ацидофилы и алкалофилы потеряли способность расти в нейтральной среде, т.е. почему высокие концентрации этих ионов стали для них совершенно необходимыми.
Среди облигатных ацидофилов четко выделяются две физиологические группы. К первой относятся организмы, растущие в кислой среде при умеренных температурах ( мезофильные ацидофилы); в эту группу входят представители рода Thiobacillus . Вторую группу образуют термофильные ацидофилы, например, Bacillus acidocaldarius , Sulfolobus acidocaldarius , Thermoplasma acidophilum . Изучение структуры и химического состава клеточной стенки и мембран тиобацилл показало, что они имеют строение, типичное для грамотрицательных эубактерий . У тиобацилл не обнаружено каких-либо определенных структур или химических компонентов, ответственных за ацидофилию.
Среди термофильных ацидофилов наблюдается значительное разнообразие в строении и химическом составе клеточной стенки и мембран. Например, у эубактерий В.acidocaldarius клеточная стенка построена из типичного пептидогликана, а у архебактерии S.acidocaldarius состоит из регулярно расположенных на клеточной поверхности белковых субъединиц, прочно связанных с ЦПМ; пептидогликана в составе клеточной стенки не обнаружено. У микоплазмоподобной архебактерии Т.acidophilum вообще нет клеточной стенки.
В мембранах термофильных ацидофилов обнаружены липиды необычного химического строения. У В.acidocaldarius компонентом липидов служат жирные кислоты, содержащие циклические группировки; у S.acidocaldarius и Т.acidophilum - липиды, в состав которых входят длинные углеводородные цепи (С40). Исключительный интерес в этом плане представляет Т.acidophilum, ЦПМ которой, непосредственно контактирующая с внешней средой (горячей и кислой), отличается необычайной прочностью: не разрушается при нагревании почти до 100 градусов по С, обработке неионными детергентами, некоторыми ферментами, ультразвуком. Считается, что мембрана Т.acidophilum наиболее жесткая из всех известных клеточных мембран. В мембранных белках этой архебактерии не найдено необычных аминокислот. Отмечено только резко сниженное количество полярных групп, обусловливающее гидрофобную природу ЦПМ.
Обнаруженные у термофильных ацидофилов особенности химического строения мембран нельзя, однако, прямо связать со свойством ацидофильности этих организмов, так как они одновременно находятся под двойным стрессовым воздействием (температуры и кислотности среды), тем более что их мезофильные аналоги (представители рода Thiobacillus ) имеют довольно типичный химический состав клеточной стенки и мембран.
У облигатных алкалофилов пока также не обнаружено каких-либо особенностей в строении и химическом составе их клеточных стенок и ЦПМ . Алкалофилы представляют большой интерес с точки зрения их энергетики, так как при культивировании в оптимальных условиях (рН 9,0-10,5) концентрация Н+ во внешней среде, как правило, ниже, чем в клеточной цитоплазме (рН 8-9) и, следовательно, создание протонного градиента в соответствии с хемиосмотической теорией П.Митчелла встречает определенные трудности ( рис. 25 ). Было показано, что алкалотолерантные и алкалофильные бактерии при работе дыхательной электронтранспортной цепи откачивают во внешнюю среду не протоны, а ионы натрия. Получено доказательство существования в мембране, генерирующей натриевый потенциал, Na+-зависимой АТФ-синтазы, способной синтезировать АТФ за счет дельта мю Na+. Все ли алкалофильные и алкалотолерантные бактерии могут таким путем получать энергию, не известно. Однако есть данные о том, что облигатные алкалофилы сохранили способность синтезировать АТФ с участием Н+-АТФ-синтазы. Поскольку дельта рН у них имеет противоположную направленность, движущей силой служит электрический компонент - дельта Пси, значение которого может достигать 150-180 мВ.
