Лекция 3.2 Пурпурные, зеленые бактерии и гелиобактерии. Особенности фотосинтеза, пигментной системы. Распространение фототрофных эубактерий в природе.

План лекции:

26. Пурпурные бактерии

2. Зеленые эубактерии.

3. Гелиобактерии.

4. Распространение фототрофных эубактерий в природе.

Пурпурные бактерии

Группа пурпурных бактерий, насчитывающая более 50 видов, представлена одноклеточными организмами разной морфологии (рисунок 1). Длина их колеблется от 1 до 20 мкм, ширина — от 0,3 до 6 мкм. Некоторые виды образуют выросты. Среди пурпурных бак­терий есть неподвижные и подвижные формы. Движение осуще­ствляется с помощью одного или пучка жгутиков, расположен­ных обычно полярно. Большинство пурпурных бактерий размно­жаются бинарным делением, некоторые виды — почкованием. Клетки неподвижных форм, размножающихся поперечным деле­нием в разных плоскостях, имеют тенденцию формировать агре­гаты правильной геометрической формы.

Все пурпурные бактерии окрашиваются отрицательно по Граму. Для клеток характерна хорошо развитая система внутрицитоплазматических фотосинтетических мембран, являющихся производными ЦПМ. Мемб­раны имеют вид отдельных пузырьков, трубок или пластинок (ламелл), располагающихся по периферии клетки, и пред­ставляют вместе с ЦПМ единую систему. Некоторые виды пурпурных бактерий содержат газовые вакуоли. В качестве за­пасных веществ обнаружены углевод типа гликогена и поли-3-оксимасляная кислота. Группа пурпурных бактерий довольно гетерогенна в отношении нуклеотидного состава ДНК. Молярное содержание ГЦ-оснований колеблется от 45 до 73 %, хотя у боль­шинства представителей оно находится в пределах 61—73 %.

Все пурпурные бактерии характеризуются сходным строением и функционированием фотосинтетического аппарата. Они могут расти на свету в анаэробных условиях, осуществляя фотосинтез бескислородного типа. На основании ряда физиологических признаков группу подразделяют на пурпурные серные и несерные бактерии.

Рисунок 1. Основные морфологические типы пурпурных бактерий: А — несерные пурпурные бактерии: 1 — Rhodospirillum; 2 — Rhodomicrobium; 3 — Rhodobacter sphaeroides; 4 — Rhodocyclus; 5 — Rhodopseudomonas palustris; Б — пурпурные серобактерии: 6— Ectothiorhodospira; 7— Thiospirillum; 8— Chromati-um; 9 — Thiocystis; 10 — Thiodlctyon; 11 — Thiocapsa (по Горленко, Дубининой,

Кузнецову, 1977)

Для пурпурных серобактерий основной способ существова­ния- фотолитоавтотрофия. Все представители этой группы мо­гут расти при освещении в анаэробных условиях на среде с СО₂ в качестве единственного источника углерода, используя как донор электронов сульфид (H₂S). Многие виды могут использовать для этой цели молекулярную серу, сульфит, тиосульфат, молекулярный водород. Сульфид окисляется последова­тельно до молекулярной серы или сульфата. Ферменты, катализирующие окисление восстановленных соединений серы, локализованы в периплазма­тическом пространстве и на наружной поверхности ЦПМ.

Пурпурные серобактерии обнаруживают весьма ограниченную способность использовать органические соединения. В большин­стве случаев последние служат дополнительными источниками углерода и редко — донорами электронов. Все виды могут фотометаболизировать ацетат и пируват, только некоторые способны су­ществовать полностью фотоорганогетеротрофно.

Спектр отношения к молекулярному кислоро­ду в этой группе достаточно широк. В большинстве пурпурные се­робактерии высоко чувствительны к О₂, однако и среди них есть виды, растущие в темноте в аэробных условиях на минеральной среде или с использованием органических соединений. Хемолитоавтотрофный рост при низком содержании О₂ обнаружен у ряда пурпурных серобактерий, ассимилирующих СО₂ в восстановитель­ном пентозофосфатном цикле, а энергию получающих в процессе дыхания в результате окисления сульфида, тиосульфата, молеку­лярной серы или Н₂. Для некоторых представителей показан аэробный хемоорганогетеротрофный рост. Органические вещества в этом случае используются как источники углерода и энергии. Последняя запасается в процессе дыхания. Некоторые пурпурные серобактерии оказались также способными расти в темноте в анаэробных условиях (в атмосфере аргона или молекулярного водорода), сбраживая некоторые саха­ра или органические кислоты.

Пурпурные несерные бактерии имеют склонность к фотоор-ганогетеротрофному образу жизни, предпочитая в качестве доно­ров электронов и источников углерода в процессе фотосинтеза простые органические соединения: жирные кислоты, спирты, сахара, аминокислоты. Многие виды способны расти фотолитоавтотрофно, используя молекулярный водород в качестве донора электронов для восстановления СО₂.

Некоторые типичные несерные пурпурные бактерии растут при освещении на минеральной среде, используя в качестве донора электронов H₂S, тиосульфат или молекулярную серу. В большин­стве случаев сульфид окисляется только до молекулярной серы, никогда не откладывающейся в клетке.

В группе несерных бактерий обнаружено большое разнообразие метаболических путей, связанных с получением энергии. Многие представители этой группы способны расти в темноте в микроаэ­робных или аэробных условиях, получая энергию в процессе дыха­ния.

Представители рода Rhodobacter способны к хемоавтотрофии. Они растут на минеральной среде в темноте при пониженной концентрации О₂, используя энергию, получаемую при окисле­нии молекулярного водорода, для ассимиляции СО₂.

У несерных пурпурных бактерий развиты контакты с молеку­лярным кислородом. У них имеются ферментные системы защиты от О₂. Все несерные пурпурные бактерии способны расти хемотрофно в микроаэробных условиях, хотя не все из них могут пере­носить атмосферное содержание О₂. При концентрации О₂ от 0,5 до 5 % фотосинтез и окислительный метаболизм могут функцио­нировать одновременно. Молекулярный кислород у несерных пур­пурных бактерий (как и у всех эубактерий, осуществляющих бес­кислородный фотосинтез) выступает как мощный фактор, регу­лирующий их метаболизм. Уже в достаточно низких концентрациях О₂ ингибирует синтез бактериохлорофиллов, внутрицитоплазматических мембран и рибулозодифосфаткарбоксилазы. В то же вре­мя в присутствии О₂ наблюдается увеличение активности фер­ментов ЦТК.

Среди представителей рода Rhodobacter обнаруженаспособность расти в анаэробных условиях за счет окисления органических со­единений, сопряженного с транспортом электронов на нитраты (анаэробное дыхание). Наконец, в последние годы для ряда не­серных пурпурных бактерий показана способность расти анаэроб­но в темноте, осуществляя сбраживание органических субстра­тов, таких как сахара, пируват.

Таким образом, в этой группе обнаружены разные биосинте­тические способности, сочетающиеся с разнообразными спосо­бами получения энергии. Источниками углерода могут быть СО₂ или органические соединения, а источниками энергии — фото­синтез, аэробное и анаэробное дыхание, брожение.

Основные физиолого-биохимические различия между серны­ми и несерными пурпурными бактериями представлены в таблице 1.

Недавно обнаружены эубактерий, выделенные в новый род Erythrobacter, образующие подобно многим пурпурным бактериям бактериохлорофилл а, но растущие только в аэробных условиях.

Таблица 1. Основные физиолого-биохимические различия между серными и несерными пурпурными бактериями

Признак	Пурпурные бактерии
несерные	серные
Доноры электронов при фотосинтезе: H2S S° Н2 Органические соединения	±* ± + ++	++ + + ±
Источники углерода: СО2 Органические соединения	+ ++	++ ++**
Рост в темноте на органических сре­дах за счет: аэробного дыхания анаэробного дыхания брожения	+ ± ±	± - ±
Способность к хемоавтотрофии	±	+
Отношение к О2 воздуха	Факультатив­ные анаэробы	В большинстве — строгие анаэро­бы; отдельные виды — факуль­тативные ана­эробы
Способность к азотфиксации	±	+

* Признак обнаружен у всех (++), большинства (+), некоторых (±) предста­вителей группы; (-) признак отсутствует.

** Количество фотоассимилируемых органических соединений и степень их использования невелики.

В отличие от пурпурных бактерий представи­тели рода Erythrobacter — облигатно аэробные хемоорганогетеротрофы: не могут расти анаэробно ни на свету, ни в темноте; не растут на свету в аэробных условиях за счет неорганических субстратов, но хорошо рас­тут в тех же условиях в присутствии разнообразных органических соеди­нений (сахаров, органических кислот, некоторых одноуглеродных со­единений). Многие штаммы нуждаются в витаминах.

В то же время получены экспериментальные доказательства исполь­зования эритробактерами энергии света: установлено обратимое фото­окисление бактериохлорофилла а реакционного центра, показано светозависимое включение СО₂ и повышение уровня АТФ в клетке; уста­новлена способность мембранных препаратов к фотофосфорилированию. Однако фотосинтетическая активность у эритробактера может иметь значение только для поддержания жизнеспособности клеток в от­сутствие в среде субстратов, обеспечивающих рост.

Бактерии рода Erythrobacter интересны тем, что необходимую для роста энергию получают в результате аэробного дыхания, но не утратили при этом бактериохлорофилла а и других компонентов фотосинтетического аппарата.

Зеленые эубактерии

Представляет группу эубактерий, осуществляющих фотосинтез бескислородного типа, разделена на две подгруппы. Зеленые серобактерии — строгие анаэробы и облигатные фототрофы, способные расти на среде с H₂S или молекулярной серой в качестве единственного донора электронов; при окислении суль­фида до молекулярной серы последняя всегда откладывается вне клетки.

В другую подгруппу выделены нитчатые, передвигающиеся скольжением формы, факультативные анаэробы, предпочитаю­щие использовать органические соединения при фототрофном метаболизме.

Рисунок 2. Основные морфологические формы зеленых бактерий: Л — зеленые серобактерии: 1 — Chlorobium limicola; 2 — Chlorobuim vibrioforme; 3 — Prosthecochloris aestuarii; 4 — Pelodictyon luteolum; 5 — Pelodictyon clathratifome; 6 — Clathrochloris suifurica; 7 — Ancalochloris perftlievii; Б — зеленые скользящие бактерии: 8— Chloroflexus aurantiacus; 9— Chloronema giganteum; 10— Oscillochloris chrysea (по Горленко, Дубининой, Кузнецову, 1977)

Почти все зеленые серобактерии — грамотрицательные одно­клеточные неподвижные формы (рисунок 2, А). Клетки палочковидные, яйцеобразные или слегка изогнутые. При выращивании в чистой культуре часто образуют цепочки, клубки или сетчатые структуры. Размножаются бинарным делением. В качестве запасно­го вещества накапливают гликогеноподобный полисахарид. Груп­па достаточно однородна по нуклеотидному составу ДНК: моляр­ное содержание ГЦ-оснований колеблется от 48 до 58 %.

Зеленые нитчатые бактерии состоят из множества палочковидных клеток (рисунок 2, Б), размеры которых зависят от вида (0,5 — 5,5) х (2—6) мкм. Длина трихомов достигает 100—300 мкм. У неко­торых видов трихомы окружены слизистым чехлом. Все описанные представители этой подгруппы имеют типичную грамотрицательную клеточную стенку, но не ригидную, а гибкую, обеспечиваю­щую скользящее движение. Клетки внутри трихома размножаются поперечным бинарным делением. Кроме того, как и все нитчатые формы, зеленые скользящие бактерии размножаются путем отде­ления небольшой части трихома. Первая зеленая нитчатая бакте­рия Chloroflexus aurantiacus была выделена из термального серного источника. Позднее были выделены мезофильные варианты этого вида.

Все зеленые серобактерии — облигатные фотолитоавтотрофы и строгие анаэробы (гораздо более строгие, чем пурпурные серобак­терии). В присутствии О₂ они не растут. Основной источник угле­рода — углекислота. Как доноры электронов могут использовать только неорганические соединения: H₂S, S°, Na₂S₂O₃, H₂. Окис­ление сульфида, происходящее в периплазматическом простран­стве, на первом этапе приводит к образованию молекулярной серы, откладывающейся вне клетки. После исчерпания H₂S из среды S° поглощается клетками и в периплазматическом пространстве про­исходит ее последующее окисление до сульфата.

Способность использования зелеными серобактериями орга­нических соединений ограничена несколькими сахарами, ами­нокислотами и органическими кислотами. Добавление этих со­единений в среду приводит к некоторому стимулированию роста культуры и сводится к тому, что они в ограниченной степени используются как дополнительные источники углерода. Их использование возможно только при наличии в среде H₂S и СО₂. Включение орга­нических соединений в метаболизм зеленых серобактерий проис­ходит по путям, сходным для большинства эубактерий. Опреде­ленная роль отводится обнаруженному в этой группе организмов «разорванному» ЦТК, функционирующему в системе конструк­тивного метаболизма. Для большинства зеленых серобактерий показана способность к фиксации N₂.

Физиолого-биохимическая характеристика зеленых нитчатых бактерий основана главным образом на данных, полученных для разных штаммов Chloroflexus aurantiacus, обнаруживших значитель­ное метаболическое разнообразие. С. aurantiacus может быть оха­рактеризован как факультативный анаэроб и фототроф. На свету он растет в аэробных и анаэробных условиях в присутствии разно­образных органических соединений: Сахаров, спиртов, органиче­ских кислот и аминокислот. Некоторые штаммы этого вида спо­собны к анаэробному фотоавтотрофному росту, используя Н₂ или H₂S в качестве донора электронов. Окисление H₂S приводит к образованию молекулярной серы и отложению ее в среде в виде аморфной массы. Молекулярная сера в очень незначительной сте­пени затем окисляется до сульфата.

Несмотря на то, что в клетках С. aurantiacus обнаружены ферменты гликолитического пути, ЦТК и глиоксилатного шунта. В то же время у С. aurantiacus не найдено ни восстановительного ЦТК, ни восстановительного пентозофосфатного цикла и механизм, по которому осуществляется автотрофная фиксация СО₂, пока не ясен.

Хотя Chloroflexus растет в присутствии молекулярного кисло­рода, последний репрессирует синтез бактериохлорофиллов и образование хлоросом. В природных условиях популяции этих бак­терий часто имеют оранжевый цвет из-за высокого содержания каротиноидов и низкого содержания бактериохлорофиллов в клетке. Поэтому первоначально Chloroflexus принимали за гетеротрофный организм. Только в фотолитоавтотрофных условиях при высоком содержании сульфида в среде и низких интенсивностях света популяции Chloroflexus име­ют зеленый цвет, обусловленный высоким содержанием бактериохлорофилла с. Данные, сравнивающие по некоторым признакам обе подгруппы зеленых бактерий, суммированы в таблице 2.

Таблица 2. Основные физиолого-биохимические различия между зелеными нитчатыми и серными бактериями

Признак	Зеленые бактерии
серные	нитчатые*
Организация	одноклеточная	многоклеточная
Подвижность	неподвижные, за исключением предста­вителей рода Chloroherpeton	подвижные (скольже­ние)
Газовые вакуоли	+**	+
Запасное вещество	гликогеноподобный полисахарид	поли-β-оксимасляная кислота
Молярное содержание ГЦ-оснований в ДНК, %	48-58	53-55
Отношение к темпера­туре	мезофилы	мезофилы и термофи­лы
Доноры электронов при фотосинтезе	H2S, S°, Na2S203, H2	H2S, H2, органиче­ские соединения
Механизм ассимиляции СО2 при фотосинтезе	восстановительный ЦТК	не известен
Источники углерода	СО2, органические соединения	органические соеди­нения, СО2
Рост в темноте на орга­нических средах за счет: аэробного дыхания анаэробного дыхания брожения	- - -	++ ± ?
Цикл трикарбоновых кислот	«разорван»	«замкнут»
Способность к хемоавтотрофии	—	—
Отношение к О2	облигатные анаэробы	факультативные ана­эробы
Способность к азотфиксации	+	?

* Физиолого-биохимические свойства изучены в основном у разных штам­мов Chloroflexus aurantiacus.

** — данных нет; остальные обозначения см. в таблице 1.

Гелиобактерии

Недавно обнаружены строго анаэробные фототрофные бакте­рии, содержащие единственный бактериохлорофилл g, отсутству­ющий в других группах фотосинтезирующих эубактерий с бескис­лородным типом фотосинтеза. Описаны два вида, различающиеся морфологически: Heliobacterium chlorum — одиночные длинные палочки (1x7—10 мкм), способные передвигаться скольжением, и Heliobacillus mobilis — короткие палочковидные формы с перитрихиально расположенными жгутиками. Клеточная стенка грамотрицательного типа, но по нуклеотидной последовательности 16S рРНК и составу пептидогликана данные гелиобактерии близки к грамположительным эубактериям Bacillus subtilis.

В клетках помимо необычного бактериохлорофилла g обнару­жено небольшое количество каротиноидов. Пигменты локализо­ваны в ЦПМ, развитой системы внутрицитоплазматических мем­бран и хлоросом нет. Способ существования — облигатная фототрофия. Рост возможен только на свету в анаэробных условиях. Источниками углерода могут служить некоторые органические кислоты: уксусная, молочная, пировиноградная, масляная. По­казана также возможность функционирования путей автотрофной фиксации СО₂ (модифицированный и неполный восстано­вительный ЦТК). Дыхатель­ный метаболизм отсутствует. Обнаруженные виды — активные азотфиксаторы.

Большой интерес к гелиобактериям связан с предположени­ем, что они являются наиболее древними из существующих в на­стоящее время фотосинтезирующих эубактерий. Кроме того, на основании сходства между бактериохлорофиллом g и хлорофил­лом с высказывается предположение о том, что гелиобактерии— предки пластид, содержащих хлорофилл с, имеющихся в группах бурых, диатомовых, золотистых и других водорослей.