Морфологіно-диференційовані клітини прокаріот

1. Вегетативні клітини багатьох бактерій у певних умовах дають початок структурам, морфологічно відмінним від початкових. Ними можуть бути вегетативні клітини, але зміненої форми, клітинні структури з чітко вираженою функціональною спеціалізацією, різні багатоклітинні утворення. В переважній більшості всі відомі прояви морфологічної диференціації еубактерій спрямовані на підвищення їх виживання. Це виражається у формуванні спеціальних клітин:

• що володіють підвищеною стійкістю до перенесення несприятливих умов (ендоспори, цисти Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, актиноміцети Methylosinus, Rhodomicrobium, міксобактерії, ковзаючі бактерії, Azotobacter, Bdellovibrio);

• що забезпечують ефективне розмноження виду (гормогонії та баєоцити ціанобактерій),

• що забезпечують фіксацію молекулярного азоту атмосфери (гетероцисти ціанобактерій, бактероїди бульбочкових бактерій).

В основі морфологічної диференціації лежать певні біохімічні процеси, які у свою чергу є виявом відповідної генетичної інформації..

Цисти зустрічаються в різних груп еубактерій: азотобактера, спірохет, міксобактерій, рикетсій. У більшості міксобактерій утворення цист, названих міксоспорами, – закономірна стадія їх життєвого циклу. Після закінчення стадії активного розмноження клітини міксобактерій збираються разом і утворюють так звані плодові тіла (маса слизу, в який занурені клітини або диференційовані структури, що підіймаються над поверхнею субстрату). Усередині плодових тіл клітини переходять у стан спокою. У одних видів цисти можуть морфологічно не відрізнятися від вегетативних клітин, в інших відбувається потовщення стінки вегетативної клітини, внаслідок чого формуються оптично щільні, оточені капсулою вкорочені палички або сферичні форми. Утворення міксоспор супроводжується синтезом білка, так що сформована міксоспора містить близько 1/3 новосинтезованого білка. ДНК не синтезується, а переходить із початкових вегетативних клітин.

Поява плодових тіл мікрококів зумовлена нестачею поживних речовин. Представники різних родів формують плодові тіла різною форми, що здіймаються над субстратом на висоту до 0,2 мм і складаються з 105 клітин. Етапи утворення плодових тіл:

1. агрегація протягом 4 год – рух гребнеподібних нагромаджень;

2. поява округлої чи еліптичної опуклості;

3. диференціація деяких клітин у мікроспори та лізис інших. При цьому відбувається синтез більше 30 нових білків, і на клітинній поверхні з’являються нові антигени.

У азотобактера утворення цист супроводжується зміною морфології клітини, втратою джгутиків і накопиченням у цитоплазмі у великих кількостях гранул полі-β-оксимасляної кислоти; одночасно відбувається синтез додаткових клітинних покривів.

Клітини стану спокою деяких ціанобактерій, що володіють підвищеною стійкістю до ряду несприятливих чинників (висушування, зниження температури), – акінети. Вони, як правило, більші за вегетативні клітини, мають довгасту або сферичну форму, гранульований вміст і товсту оболонку. Утворення акінет відбувається в період уповільнення росту і починається зі збільшення клітинних розмірів, при цьому в цитоплазмі відбувається накопичення гранул запасаючих речовин (глікогенових, поліфосфатних і ціанофіцинових), а також карбоксисом. Одночасно відбувається потовщення пептидогліканового шару клітинної стінки й ущільнення слизистого чохла за рахунок відкладення в ньому електронно-щільного фібрилярного матеріалу полісахаридної природи. У цитоплазмі під час формування акінет відбувається збільшення змісту ДНК, рибосом, але зменшення кількості хлорофілу, фікобілінових пігментів, води. Проростання акінет відбувається або з утворенням пори, через яку виходить проросток, або ж у результаті розриву оболонки акінети.

Утворення екзоспор характерне для стрептоміцетів – грам-позитивних актиноміцетів із високим вмістом ГЦ-пар, типових мешканців ґрунтів і активних продуцентів антибіотиків. В оптимальних умовах мікроорганізми ростуть у вигляді субстратного вегетативного міцелію, а в умовах нестачі поживних речовин – у вигляді повітряного міцелію. На кінцях повітряних гіф утворюються ланцюжки спор (50 і більше). Причому спочатку утворюються регулярно розміщені компартменти, що містять по одній копії геному. Вони диференціюються зі зміною форми та товщини клітинної стінки, перетворюючись у зрілі спори з рельєфною гідрофобною поверхнею. Екзоспори стійкі до висушування, але чутливі до високих температур. Запуск споруляції зумовлений, ймовірно, зміною рівня ГТФ і ГДФ, ауторегуляторними ендогенними факторами – індукторами синтезу повітряного міцелію.

2. Ендоспори формуються ендогенно, тобто всередині цитоплазми Гр+ „материнської клітини” (спорангія), і володіють специфічними структурами (багатошаровими білковими покривами, зовнішньою і внутрішньою мембранами, кортексом) і стійкістю до високих температур, доз радіації, летальних у нормі для вегетативних клітин.

До спороутворюючих належить велика кількість еубактерій приблизно з 15 родів (Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus, Sulfobacillus, Sporosarcina, Thermoactinomyces, Actinobifida, Sporospirillum, Oscillospira, Fusosporus). Вперше утворення спор дослідив К.Еренберг у 1838 році, докладніше вивчив Л.Пастер.

Найкраще процес спороутворення вивчений у представників родів Bacillus і Clostridium, хоча наявні дані дозволяють зробити висновок про принципову однотипність цього процесу у всіх видів. У кожній бактеріальній клітині, як правило, формується одна ендоспора. Найчастіше спороутворення спричиняється нестачею поживних речовин, нагромадженням у середовищі шкідливих продуктів обміну, несприятливою температурою, зміною рН. Процес може тривати від кількох годин до доби і відбувається в кілька фаз:

1. Нуклеоїд вегетативної клітини набуває форми видовженого тяжа, що проходить вздовж довгої осі клітини. На цій стадії припиняється реплікація ДНК, відбувається перебудова білків. Вона зворотнаю, оскільки в разі перенесення клітини у сприятливі умови процес поділу відновлюється.

2. З осьового тяжа відокремлюються 2 частини: мала – нуклеоїд майбутньої спори і велика – нуклеоїд клітини, в якій утворюється ця спора. Малий нуклеоїд локалізується на полюсі клітини. Цей поділ супроводжується появою перегородки внаслідок інвагінації цитоплазматичної мембрани.

3. Мембрана більшої клітини разом із цитоплазмою оточують меншу клітину – утворюється овальна проспора, оточена двома мембранами, зовнішньою і внутрішньою. Проспора віддаляється від мембрани материнської клітини.

4. Утворення специфічної оболонки спори – кортекса.

5. Формуються покриви спори, що складаються з кількох шарів різної товщини й будови в різних видів бактерій і надають стійкості до дії ферментів, отрут, поверхнево-активних речовин. Спорові покриви, в основному, складаються з білків і невеликої кількості ліпідів і гліколіпідів. Доведено, що спори мутантів, позбавлені покривів, проростають відразу після виходу з материнської клітини, навіть за несприятливих умов.

6. Завершується дозрівання спор, яке супроводжується синтезом дипіколінової кислоти та іншими хімічними змінами. Спори набувають специфічних властивостей (витримують кип’ятіння протягом 2 год, 20 хв залишаться живими в концентрованій HCl). Спороутворення супроводжується активним синтезом білка. Білки ендоспор багаті цистеїном і гідрофобними амінокислотами, з чим пов'язують стійкість спор до дії несприятливих чинників. Генетичний матеріал поступає в спору у вигляді повністю реплікованих молекул ДНК. Спори деяких видів містять по 2 або 3 копії хромосоми. Вміст РНК у спорах нижчий, ніж у вегетативних клітинах, і РНК, значною мірою, синтезується наново. Характерна особливість ендоспор – нагромадження в них дипіколінової кислоти й іонів кальцію в еквімолярних кількостях, що утворюють комплекс у серцевині спори. Крім Са2+, в ендоспорах збільшується вміст інших катіонів (Mg2+, Mn2+, K+), з якими пов’язують перебування спор у стані спокою та їхню термостійкість.

Спори різних бактерій розрізняються за формою, розміром, характером поверхні та локалізацією у клітині. Розрізняють спори розміщені: бацилярно (в центрі), клостридіально (ексцентрально, веретеноподібні), плектридіально (на кінцях – як тенісна ракетка).

Клітини еубактерій у стані спокою характеризуються низькими рівнями метаболічної активності (насамперед дихання). Існує кілька гіпотез механізмів, які відповідають за підтримання спеціалізованих клітин у стані спокою:

- у клітинах містяться ферменти, які інгібують, і отже, блокують метаболізм;

- серцевина спор знаходиться у зневодненому стані;

- ферменти ендоспор перебувають в особливому стані. Зміна їхньої конфігурації призводить до активації та виводить клітину зі стану спокою.

Можливо, що стан спокою – результат сумісної дії всіх описаних вище механізмів.

Проростання ендоспор відбувається у сприятливих умовах і супроводжується складними фізіологічними і біохімічними змінами. Починається він з інтенсивного поглинання спорою води і набухання. На першому етапі проростання відбувається активація ферментів (і в першу чергу літичних), різко зростає дихання, тобто мобілізується енергія, відбуваються зміни в хімічному складі (зі спор видаляється дипіколінова кислота), активно синтезуються білки і РНК. Реплікація ДНК починається не відразу, а через 1–2 год після початку проростання спори. Перш за все відбуваються процеси репарації пошкоджень ДНК, що трапилися в період спокою спори. За час проростання спори втрачають до 1/3 первинної маси. Подальші етапи полягають у руйнуванні кортекса, розриві спорових покривів, виході ростової трубочки, побудові клітинної стінки і поділі сформованої вегетативної клітини.

Проте процеси утворення морфологічно відмінних форм до сьогодні залишають відкритими багато питань, а саме: які події на рівні експресії генів ініціюють процеси клітинної диференціації у відповідь на стрес, яким чином клітини спілкуються одна з одною для формування багатоклітинної структури, як забезпечується диференційована експресія генів для утворення з однієї материнської клітини дочірних з різними детермінантами.

Процес утворення ендоспори включає події, що відбувається у 2-х різних клітинних компартментах. В одному з них, майбутній спорі, експресується набір генів специфічних для проспори – ssp-гени низькомолекулярних кислоторозчинних білків, що зв’язуються з хромосомною ДНК спори. У материнському – експресуються гени cot, які кодують білки спорових покривів. Однак вплив деяких генів, експресія яких специфічна для проспори чи материнської клітини, не обмежується одним компартментом. Існують гени, які здійснюють регуляторну функцію через межі між компартментами.

Фактори виникнення сигналів, що запускають споруляцію:

1. виснаження в середовищі поживних речовин, насамперед легкодоступних джерел вуглецю й азоту. Найімовірніший сигнал – зниження рівня ГТФ (вважають, що гуанілювання білків, зокрема ферменту EІ і білка НРr фосфотрансферазної системи властиве лише для стаціонарної фази). Передача сигналів здійснюється завдяки почерговому фосфорилюванню білків протеїнкіназами;

2. висока щільність клітинної популяції – наявність позаклітинних білкових факторів – ефект «кворум-сенсинг»;

3. синтез ДНК.

3. У еубактерій можна відстежити різні рівні клітинної організації. Переважна більшість їх – одноклітинні організми. Для вільноживучих форм це означає здатність здійснювати всі функції, властиві організму, незалежно від сусідніх кліток. Водночас для багатьох еубактерій характерна тенденція існувати не у вигляді поодиноких клітин, а формувати клітинні агрегати. Для нерухомих клітин останні – результат ряду послідовних поділів, що призводять до появи колоній. Проте утворення агрегатів клітин спостерігається і в рухомих форм. Часто клітини в агрегатах утримуються за допомогою слизу. Міцність і довговічність існування таких агрегатів залежать від властивостей слизу й умов зовнішнього середовища.

Відомі, проте, випадки, коли така тимчасова агрегація одноклітинних організмів пов’язана зі здійсненням певної функції (утворення плодових тіл міксобактеріями, яке робить можливим дозрівання цист, на що не здатні за звичайних умов поодинокі клітини) – гомологічні асоціації, що виникають у результаті неповного розходження з утворення скупчень чи багатоклітинних ниток (на противагу гетерологічних асоціацій, що формуються при залученні інших видів прокаріот, еукаріот). В аеробних умовах спостерігається утворення (строго анаеробними бактеріями з роду Clostridium) колоній, що нагадують плодові тіла міксобактерій, в яких клітини й ендоспори розташовані всередині і захищені від кисню щільним шаром слизу.

Тенденція еубактерій до механічного об’єднання клітин в агрегати і диференціювання окремих клітин – необхідні передумови для виникнення простих варіантів істинної багатоклітинності. Згідно з існуючими уявленнями, багатоклітинність починається з появи структурно-функціональних відмінностей у початково однорідної групи клітин. Для формування найпростішого типу багатоклітинного організму необхідні три умови: 1) агрегація клітин; 2) розподіл функцій між ними в агрегаті; 3) наявність між агрегованими клітинами стійких і специфічних контактів. Наслідком такого типу клітинної організації має бути підвищення життєздатності багатоклітинного комплексу, в порівнянні з поодинокою клітиною того ж виду в тих самих умовах.

Багатоклітинні організми зустрічаються в різних групах еубактерій, але найбільш високоорганізована багатоклітинність властива двом групам: актиноміцетам і ціанобактеріям. Для одноклітинних ціанобактерій, що належать до родів Gloeobacter, Gloeotheсе або Gloeocapsa, клітини після поділу залишаються з’єднаними за допомогою оточуючих їх чохлів. Усередині слизистого матеріалу чохла можуть формуватися досить великі клітинні агрегати. В цьому випадку між клітинами немає безпосереднього контакту.

Серед нитчастих ціанобактерій простежуються різні безпосередні контакти між сусідніми клітинами, що утворюють трихом. У представників роду Pseudoanabaena клітини у трихомі розділені глибокими перетяжками, а у Oscillatoria поділ, що відбувається шляхом формування поперечної перегородки, приводить до збереження щільних контактів між клітинами на великих ділянках клітинної поверхні. Часто клітини у трихомі оточені загальним чохлом, який може розглядатися як додатковий чинник, що утримує їх у певному порядку.