Экстремальные галофилы: общие свойства
Длительное время считали, что без участия хлорофилла фотосинтез невозможен. Способность некоторых экстремально галофильных архебактерии осуществлять фотосинтез бесхлорофилльного типа была обнаружена в начале 70-х гг. XX в. Д.Остерхельтом и В.Стокениусом (D.Oesterhelt, W.Stoeckenius), идентифицировавшими в ЦПМ Halobacterium salinarium (прежнее название - Halobacterium halobium) бактериородопсин - белок, ковалентно связанный с каротиноидом, и показавшими способность этого белка к светозависимому переносу протонов через мембрану, приводящему в конечном итоге к синтезу АТФ . Фотофосфорилирование , обнаруженное у этих архебактерии, - единственный пример превращения энергии света в химическую энергию АТФ без участия электронтранспортной цепи.
Галофильные архебактерии распространены там, где есть подходящие для этого условия с высоким содержанием NaCl и других необходимых ионов: в природных соленых водоемах, бассейнах для выпаривания соли, белковых материалах, консервируемых с помощью соли (рыба, мясо, шкуры). Могут расти в насыщенном растворе NaCl (30%). Нижний предел концентрации соли для роста большинства видов составляет 12-15% (2-2,5 М); оптимальное содержание - между 20 и 26% (3,5-4,5 М). Высоки потребности галобактерий и в других ионах: оптимальный уровень Mg2+ в среде - 0,1-0,5 М, К+ - примерно 0,025 М.
Влияние ионов на галобактерий достаточно специфично. Для поддержания клеточной стабильности в первую очередь требуется хлористый натрий. Ионы Na+ взаимодействуют с отрицательно заряженными молекулами клеточной стенки галобактерий и придают ей необходимую жесткость. Внутри клетки концентрация NaCl невысока. Основной внутриклеточный ион - К+, содержание которого может составлять от 30 до 40% сухого вещества клеток, а градиент между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями достигать 1:1000. Ионы К+ (наряду с другими) необходимы для поддержания ионного равновесия вне и внутри клетки, стабилизации ферментов, мембран и других клеточных структур.
В девятом издании Определителя бактерий Берги экстремально галофильные архебактерии объединены в порядок Halobacteriales семейство Halobacteriaceae и включает 6 родов и более 20 видов, различающихся формой клеток (палочки, кокки, квадраты), способностью к движению, отношением к кислотности среды, устойчивостью к NaCl и другими признаками.
В составе клеточных стенок не обнаружен пептидогликан. У представителей рода Halobacterium клеточная стенка толщиной 15-20 нм построена из регулярно расположенных гексагональных субъединиц, состоящих в основном из гликопротеинов. Клеточная стенка галобактерий рода Halococcus имеет толщину 50-60 нм и состоит из гетерополисахаридов.
ЦПМ содержит около 1/3 липидов и 2/3 разных белков, включая обычные для эубактериальных мембран наборы флавопротеинов и цитохромов . Основная масса липидов экстремальных галофилов отличается от характерных для эубактерий липидов тем, что в их молекуле глицерин связан не с остатками жирных кислот, а с С20-терпеноидным спиртом - фитанолом . Фосфолипидные и гликолипидные производные глицеринового диэфира могут в определенных условиях составлять до 80% общего содержания липидов в клетках. Помимо уникальных липидов клеточные мембраны экстремальных галофилов содержат много каротиноидных пигментов (основной - бактериоруберин ), обусловливающих окраску колоний от розового до красного цвета, что имеет для галофилов немаловажное значение как средство защиты против избыточной радиации, поскольку для их мест обитания характерна обычно высокая освещенность.
При недостатке в среде О2 в ЦПМ галобактерий индуцируется синтез хромопротеина - бактериородопсина , белка, соединенного ковалентной связью с С20-каротиноидом ретиналем ( рис. 104 , А). Свое название хромопротеин получил из-за сходства с родопсином - зрительным пигментом сетчатки позвоночных. Оба белка содержат в качестве хромофорной группы ретиналь, различаясь строением полипептидной цепи. Бактериородопсин откладывается в виде отдельных пурпурных областей (бляшек) на ЦПМ красного цвета, обусловленного высоким содержанием каротиноидов. При выращивании клеток на свету в условиях недостатка О2 пурпурные участки могут составлять до 50% поверхности мембраны. В них содержится от 20 до 25% липидов и только один белок - бактериородопсин. При удалении из среды солей клеточная стенка растворяется, а ЦПМ распадается на мелкие фрагменты, при этом участки мембраны красного цвета диссоциируют, а пурпурные бляшки сохраняются и могут быть получены в виде отдельной фракции.
