Липидный состав термофилов зависит от температуры среды, и сохранение физического состояния липидов в мембране при изменении температуры обусловлено изменениями ее липидного состава.
Большой интерес представляет термофильный ацидофил Thermoplasma acidophilum. Термофилия этого организма, растущего при температуре 59°С, связана с наличием длинных изопреновых цепей липидов. Большая часть содержащихся в мембране нейтральных липидов этерифицирована жирными кислотами, а основная масса глико- и фосфолипидов состоит из длинных цепей с простыми эфирными связями. Аминокислотный состав мембранного белка характеризуется относительно низким уровнем заряженных аминокислот и довольно высоким содержанием остатков цистеина. Высокое содержание кислых аминокислот, является обязательным условием для его роста в термофильных условиях.
Большое количество данных о свойствах мембран и их регуляции собрано при изучении используемой в качестве модельной системы Escherichia coli. Обнаружено, что мембраны клеток Е. coli во многих отношениях напоминают мембраны термофильных организмов. Об этом говорят следующие особенности мембран E.coli: 1) соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, накапливающихся в результате подавления биосинтеза липидов, сильно зависит от температуры; например, фракция свободных жирных кислот из клеток, выращенных при 15°С, содержит в 10 раз больше ненасыщенных жирных кислот, чем фракция, полученная из клеток, выращенных при 43°С; 2) при повышении температуры липиды мембраны Е. coli обнаруживают фазовый переход из упорядоченного в неупорядоченное состояние; синтез мембран, содержащих менее одной трети нормального количества таких липидов, приводит к гибели клетки.
Термофилы способны контролировать физические свойства цитоплазматической мембраны, изменяя ее состав в ответ на изменение температуры. Однако этот общий механизм, действует также и у мезофила Е. coli. Таким образом, температурные границы оптимального функционирования мембраны, от которых, несомненно, зависит величина кардинальных температур роста организма, определяются характером химических модификаций веществ, входящих в состав мембраны. Как и в случае термостабильных по своей природе белков, найденных у облигатных и кальдоактивных бактерий, тонкий механизм (или механизмы), участвующий в стабилизации мембраны, остается пока неизвестным. Молекулярная основа регуляции фазового перехода липидов относится к одной из наиболее важных, но еще слабоизученных сторон функционирования мембраны.
2.1.2 Термостабильность макромолекул
Выделенные из термофильных организмов макромолекулы обнаруживают большую термостабильность, чем их аналоги из мезофилов. Такая повышенная термостабильность, свойственна всем макромолекулам клетки, включая ферменты главных метаболических путей, ферредоксин, рибосомы и флагеллин.
Большинство белков, выделенных из термофилов, относится к ферментам, которые гораздо более стабильны, чем их аналоги из мезофилов. Классическим примером служит фермент миокиназа, которая сохраняет активность после нагревания при температуре 100°С. У тетрамера авидина в присутствии биотина температура перехода в денатурированное состояние составляет 132°С. У фосфофруктокиназ С. pasteurianum и Е. coli температурный переход происходит приблизительно при 70 и 60°С соответственно. Таким образом, основное различие между белками мезофилов и термофилов заключается в том, что все белки термофилов должны функционировать при температурах развития этих организмов.
Определение температуры максимальной активности ферментов также указывает на их повышенную термостабильность, а потеря всей или большей части активности в результате превышения этой температуры на 10--15°С согласуется с представлением о денатурации белка.
Физико-химическая характеристика белков термофильных микроорганизмов показывает, что они во многом гомологичны соответствующим белкам мезофилов: термофильные белки имеют такое же содержание участков с альфа-спиральной конфигурацией и бета-структурой и такое же число гидрофобных групп, как и аналоги из мезофильных организмов. Но в отличие от белков мезофилов, которые обычно денатурируются при температуре ниже 60°С, термофильные белки при повышении температуры от комнатной до 55 или 60° претерпевают, небольшие конформационные изменения, не сопровождаемые денатурацией.
Термофильные белки чаще всего содержат большое число неполярных боковых цепей, поэтому в результате стабилизации дополнительными гидрофобными взаимодействиями возникает повышенная термостабильность таких участков термофильных белков.
Термофильные белки более устойчивы к индуцируемой нагреванием агрегации, что следует из большей устойчивости к тепловой коагуляции цитоплазматических белков термофильных бактерий по сравнению с аналогичными белками мезофильных бактерий. Более низкая способность белков к агрегации связана с тенденцией к понижению изоэлектрических точек этих белков и повышению устойчивости их молекул к развертыванию, благодаря чему неполярные участки остаются скрытыми в глубине молекул
Термостабильность белков обусловлена также более низким содержанием цистеина и особенно вспомогательных сульфгидрильных групп, которые обычно располагаются на поверхности белка и поэтому легко подвергаются окислению.
Также известно, что ионы кальция могут стабилизировать ферменты не только у термофильных, но и у мезофильных организмов, и абсолютно необходимы для термостабильности. Образование дополнительных центров связывания кальция в случае термолизина и альфа-амилазы, очевидно, имеет отношение к повышенной термостабильности этих белков. Так, термостабильность термолизина при температурах приблизительно от 50 до 80°С повышается в результате стабилизации одного или двух участков ионами Са2+.
Степень стабильности белков также определяется специфическим положением в полипептидной цепи определенных аминокислот, поэтому огромное влияние на термостабильность молекулы белка может оказать замена в ней всего лишь одной аминокислоты в процессе различных мутаций генетического материала бактерии (Логинова Л.Г., 1977).
2.1.3 Небелковые стабилизирующие факторы
Некоторые ферменты, выделенные из термофилов, неустойчивы при оптимальной температуре роста данного организма. Это говорит о присутствии в клетках термофилов дополнительных стабилизирующих факторов. Такими факторами могут служить обычные клеточные компоненты, такие, как кофакторы, субстраты, мембраны и внутриклеточная среда, содержащая сильно заряженные макромолекулы, которые обеспечивают необходимую дополнительную стабилизацию ферментов.
Одним из самых наглядных примеров стабилизации фермента субстратом и модификаторами служит глутаминсинтетаза из В. stearothermophilus Этот фермент быстро теряет активность при 65°С, если в среде отсутствуют глутамат и ионы аммония. Глутаминсинтетаза стабилизируется также модификаторами, действующими по принципу обратной связи, особенно аланином, гистидином и ЦТФ. Для стабилизации внеклеточных гидролаз, например альфа-амилазы и термолизина требуется присутствие кальция. Для термостабильности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы В. coagulans необходимо наличие сильно заряженной окружающей среды.
2.1.4 Высокозаряженные макромолекулы внутри клеток
Термофильные бактерии синтезируют белки, которые обладают присущей им самим термостабильностью. Как отмечалось выше, многие ферменты, выделенные из облигатных или кальдоактивных бактерий, не являются стабильными при оптимальных и (или) максимальных температурах роста, хотя, несомненно, они более термостабильны, чем их мезофильные аналоги. Однако при изучении клеточных стенок факультативного термофила В. coagulans было показано, что отдельные гликолитические ферменты в неочищенных экстрактах этого организма, выращенного при 37 и 55°С, так же лабильны, как и ферменты из мезофильных организмов. Функциональным механизмом термофилии у факультативного термофила В. coagulans служит заряд внутриклеточных макромолекул, что подтверждается наличием у этого организма термолабильной глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы.
Заряженная внутриклеточная среда также имеет важное значение для выживания облигатных и кальдоактивных термофилов благодаря тому, что она может стабилизировать некоторые ферменты, обнаруживающие более низкую термостабильность при оптимальной или максимальной температуре роста.
Концепция стабилизации белков in vivo посредством заряженных макромолекул принята в качестве правдоподобного объяснения механизма термофилии у В. coagulans по следующим причинам:
1) в неочищенных экстрактах клеток, выращенных при любой из двух указанных температур, присутствуют заряженные макромолекулы, которые, однако, из-за разбавления в условиях in vitro не могут полностью проявить своего защитного действия на ферменты. Тем не менее имитация существующей в условиях in vivo заряженной среды путем добавления к клеточным экстрактам (NH4)2S04 или NaCl приводит к полному предохранению фермента от инактивации;
2) в случае очищенной до кристаллического состояния ГФДГ, т. е. в условиях, когда отсутствует взаимодействие фермента с другими макромолекулами, заряд сам по себе стабилизирует фермент;
3) микробная клетка представляет собой высокоорганизованную систему, содержащую лишь незначительное количество свободной внутриклеточной воды, таким образом высокозаряженные макромолекулы играют важную роль в механизме термостабилизации белков в интактной клетке. В условиях in vivo заряд макромолекул достаточен для стабилизации относительно термолабильных ферментов облигатных и кальдоактивных бактерий (Кашнер Д.,1981)
3. МЕХАНИЗМЫ ВЫЖИВАНИЯ БАКТЕРИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ РН
Давно установлено, что концентрация водородных ионов играет роль фактора, определяющего границы существования живой матери, и является одним из важнейших факторов, влияющих на рост и размножение микроорганизмов. Концентрация водородных ионов воздействует на ионное состояние, а следовательно, и на доступность для организма многих метаболитов и неорганических ионов: с одной стороны, концентрация ионов водорода непосредственно влияет на клетку, ее электрический заряд, состояние мембраны, возможность протекания окислительно-восстановительных реакций, с другой стороны, -- косвенно, определяя ионное состояние металлов, кислот, их доступность и токсичность. Невозможно переоценить ее влияние на стабильность и функции макромолекул в биологических процессах. Значения реакции среды различных природных вод и растворов, где развиваются микроорганизмы (от рН 1 -- 2 в кислых источниках и рудничных стоках до рН 10 в содовых озерах), покрывают почти весь теоретически возможный диапазон значений рН (0-- 14). Большая часть организмов наилучшим образом развивается при концентрации ионов водорода, близкой к рН=7, что характерно для многих природных сред. Очень высокие (кислая реакция) или очень низкие (щелочная реакция) концентрации водородных ионов обычно токсичны для большинства организмов. В общем, предельные концентрации ионов водорода, выше и ниже которых известные в настоящее время организмы прекращают рост и размножение, приблизительно равны рН=1, что отмечено лишь для немногих бактерий и грибов, и рН=11, что наблюдается в случае некоторых водорослей, грибов и бактерий. Большинство организмов живет при рН от 4 до 9, причем их оптимальный рост наблюдается в среде, близкой к нейтральной.
Каждому микроорганизму свойствен определенный интервал кислотности или щелочности среды, в котором возможен его активный рост. В зависимости от положения оптимального рН развития различают ацидофильные, нейтрофильные и алкалифильные микроорганизмы. Большинство естественных местообитаний имеет нейтральный или близкий к нему (слабокислый или слабощелочной) рН. Так, если рН пресной воды равен 7,0, то реакция морской воды скорее слабощелочная (рН 7,5 -- 8,0).
В почве рН может быть достаточно низким, до 4,0. В таких местообитаниях развиваются организмы, называемые алкали - или ацидотолерантными и умеренными алкали- или ацидофилами. Тем не менее встречаются как природные, так и антропогенные местообитания, которые можно отнести к экстремальным: экстремально кислые с рН < 4,0 и экстремально щелочные с рН >10,0. Развивающиеся там микробные сообщества представлены соответствующими экстремофильными микроорганизмами. Примером ацидофилов служат молочнокислые, уксуснокислые бактерии, многие грибы (Бухарин О.В., 2005).
Меньше примеров алкалифильных организмов, требующих для своего роста значений рН до 10 и выше (уробактерии и многие цианобактерии). Среди бактерий обнаружено несколько видов, устойчивых к щелочной среде (рН 8,5 и выше). Сюда следует отнести Bacillus pasteurii -- бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при реакции среды, близкой к рН 11. В. alcalophilus, выделенная из сточной воды, способна расти в диапазоне рН 9--11,5. Выделены и другие бациллы, очень устойчивые к щелочной среде. Цианобактерии могут развиваться в природной среде с рН 7,5--10, некоторые из этих бактерий имеют оптимум рН 10 (Покровский В.И., 1999).
Природные среды, имеющие рН, близкий к обычному нижнему пределу (3--4), встречаются довольно часто. Однако среды с рН более низким, чем 3--4, чрезвычайно редки. Примерами среднекислых сред обитания служат многие озера, некоторые истощенные почвы и кислые болота. Такие естественные среды обеспечивают развитие многих эукариотических водорослей, бактерий, растительных и животных форм. Из этих сред было выделено множество малоизвестных бактерий: Bactoderma, Caulobacter, Microcyclus, Planctomyces и Thiovobium, обнаруженных в сфагновых болотах с рН от 3 до 5. Представители уксуснокислых бактерий растут в пределах рН от 3 до 5. Интересным примером является Acetobacter acidophilum prov. sp., у которого оптимум роста находился при рН 3, нижний предел роста при рН=2,8, а верхний--при рН=4,3.
3.1 Основные механизмы выживания
Концентрация водородных ионов в окружающей среде оказывает целый ряд прямых и косвенных воздействий на метаболизм и стабильность клетки. себе Ионы водорода (Н+) обладают уникальными свойствами, отличающими их от других катионов. Они представляют собой протоны, лишенные электронов. В водных растворах они быстро гидратируются и образуют ион гидроксония Н30+. В кислой среде преобладают ионы гидроксония, которые реально существуют в форме гидратированных ионов, причем степень гидратации зависит от концентрации ионов гидроксония и температуры.
Микроорганизмы, обладающие способностью расти и размножаться при низких или высоких значениях рН, имеют определенные механизмы, обеспечивающие их выживание. Преимуществом данных микроорганизмов является то, что при таких условиях резко ограничивается конкуренция других организмов. Например, ацидофил Thiobacillus thiooxidans может использовать в кислой среде ионы двухвалентного железа, которые при рН выше 5 самоокисляются, вследствие чего этот производящий энергию субстрат становится недоступным для данного организма. При высоких значениях рН алкалофил Bacillus pasteurii специфически нуждается в аммиаке для транспорта и окисления таких субстратов, как глутаминовая кислота, изолейцин, треонин, а также промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот -- ацетата, а-кетоглутарата и малата. В этом случае преимущество существования В. pasteurii при высоких значениях рН заключается в том, что щелочная среда обеспечивает доступность NH3 для организма.
Изменения рН окружающей среды могут вызывать у многих микроорганизмов компенсаторные ферментативные сдвиги. Например, Escherichia coli реагирует на повышение кислотности среды синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в результате амины приводят к снижению кислотности среды. Повышение щелочности среды стимулирует образование дезаминаз аминокислот, что приводит к снижению рН. Большинство активно метаболизирующих щелочеустойчивых организмов имеет склонность к снижению рН среды в процессе роста. Такая реакция является вторичным механизмом устойчивости микробных клеток к щелочной среде. Пока неизвестно, каков первичный механизм, обеспечивающий стабильность клеток и их рост при высоких значениях рН. Большинство облигатных ацидофилов не использует такого вторичного механизма устойчивости, поскольку их активный рост не приводит к повышению рН. В тех случаях, когда рост ацидофилов начинается в среде, близкой к нейтральной, величина рН быстро снижается. Экстремальные ацидофилы не просто переносят низкие значения рН, но действительно нуждаются в ионах водорода для своего роста и стабильности. Примером подобных микроорганизмов служит Т. acidophilum, которая лизируется при рН выше 5. Следовательно, устойчивость клеток к высокой кислотности или щелочности, вероятно, объясняется их структурными или метаболическими особенностями (Кашнер Д., 1981).
Внутриклеточный рН экстремальных ацидофилов обычно не ниже 4,5. Транспорт ионов и синтез АТФ управляются протонной помпой. Внеклеточные белки экстремальных ацидофилов отличаются высокой стабильностью по отношению к кислотам, в то время как внутриклеточные имеют нейтральный или слабокислый оптимум активности. Вместе с тем нейтральный рН часто бывает токсичным для клеток экстремальных ацидофилов. Возможно, это связано с нарушением целостности цитоплазматической мембраны, для стабильности которой требуются высокие концентрации ионов водорода.
Внутриклеточный рН экстремальных алкалифилов также достаточно высок, однако не превышает 9,5. Белки экстремальных алкалифилов обладают большой алкалистабильностью, а также имеют оптимум активности при щелочных значениях рН. Благодаря этому протеазы, липазы и целлюлазы из алкалифильных микроорганизмов широко используют при производстве детергентов. Транспортные процессы в клетках алкалофилов и движение клеток основаны на градиенте Na+, однако синтез АТФ происходит за счет функционирования протонной помпы.
У облигатных алкалофилов в поддержании цитоплазматического рН, более низкого по сравнению с наружным, ведущая роль принадлежит Na+/Н+- антипортеру, катализирующему движение внутрь клетки протонов в обмен на ионы натрия, в которых эти бактерии нуждаются. В любом случае основными барьерами, обеспечивающими необходимый рН у облигатных ацидо - и алкалофилов, служат клеточная стенка и ЦПМ (Бухарин О.В., 2005).
Жизнедеятельность микроорганизмов часто может приводить к изменению рН среды. Так, к подкислению среды ведут окисление сульфидов до серной кислоты тионовыми бактериями, процессы нитрификации, многие брожения. В некоторых случаях бактерии могут регулировать рН среды за счет изменения метаболизма. Наиболее известным примером является двухфазность брожений, подробно изученная в 30-х годах XX в. В. Н. Шапошниковым на примере ацетонобутилового брожения (Clostridium acetobutilicum). При снижении рН до критического уровня в результате выделения масляной кислоты бактерия переключается на образование нейтральных продуктов, ацетона и бутанола.
