10.Археи

10. Архебактерии.
Архебактерии – особая группа микроорганизмов, отличающаяся от Эубактерий и
Эукариот. Археи – обитатели многих экстремальных биотопов, согласно последним
данным распространены также и
в
обычных
биотопах.
Современное издание
«Руководства Берджи» разделяет Археев на 2 типа: Crenarchaeota и Euryarchaeota.
Среди Архебактерий обнаружено большое разнообразие морфологических форм,
окраска грамположительная и грамотрицательная, одиночные и нитчатые формы, размеры
варьируют от 0,1 мкм до 15 мкм в диаметре и до 100 мкм в линейных размерах.
Некоторыеметаболические пути не имеют аналогов среди Эубактерий, например,
уникальные ферментные системы встречаются у организмов-метаногенов.
Архебактерии – обитатели соленых и высокотемпературных биотопов. Также
большая численность Археев наблюдается в океанских глубинах, у побережья Антарктики
они составляют более 34% прокариотической биомассы. Симбионты в ЖКТ животных и
обитатели поверхностных вод в тропических и умеренных зонах Мирового Океана.
10.1. Особенности строения и генетика Архебактерий.
Клеточная стенка и мембраны Архебактерий.
Грам+ и грам- окраска Архебактерий не коррелируют с особенностями строения
клеточной стенки, которые не содержат пептидогликанов и отличаются большим
разнообразием.
Встречаются 2 основных типа строения клеточной стенки Археев.
1.
Толстая гомогенная оболочка, часто окрашиваются грамположительно. Многие
метаногены
(Methanobacterium)
имеют
клеточную
стенку,
содержащую
псевдомуреин – схожие с пептидогликаном по строению: L-аминокислоты вместо
D в поперечных сшивках, N-ацетилталозаминуроновая кислота вместо Nацетилмурамовой кислоты, в (1-3) гликозидная связь вместо в (1-4). У других –
комплексные полисахариды схожие с хондроитинсульфатами соединительной
ткани животных (Methanosarcina, Halococcus).
1
2.
Многие Археи окрашиваются грамотрицательно,
такие бактерии имеют слой гликопротеинов или
протеинов
снаружи
от
цитоплазматической
мембраны. Толщина слоя 20-40нм. Некоторые
метаногены
(Methanolobus),
(Halobacterium),
и
Thermoproteus,
галофилы
термофилы
(Sulfolobus,
Pyrodictium)
имеют
гликопротеиновые стенки. Другие метаногены
(Methanococcus,
Methanomicrobium,
Methanogenium)
и
экстремальные
термофилы
Desulfurococcus имеют протеиновые стенки.
Псевдомуреин.
Methanobacterium
(CW-клеточная стенка, SL-поверхностный слой, CM-мембрана
клетки, CPL-цитоплазма.)
Thermoproteus
(CW-клеточная стенка, SL-поверхностный слой, CM-мембрана
клетки, CPL-цитоплазма.)
2
Генетика Архебактерий.
Геном археев отличается малыми размерами в сравнении с Эубактериями. У
кренархеота Pyrobaculum aerophilum размер геном составляет 2,22 Мп.н., у эуриархеота
Methanobacterium thermoautotrophicum – 1,75 Мп.н. Содержание GC пар варьирует от 21%
до 68%. Обнаружено также несколько плазмид архей.
Около 30% генов Архей общие с Эукариотами, также значительная часть генов
метаболизма общая для Эубактерий и Археев, лишь небольшая группа генов встречается
во всех 3 группах. Репликация ДНК сочетает черты бактериальной и эукариотической
репликации.
Большая
часть
археев
имеет
кольцевую
ДНК
с
одной
точкой
двунаправленной репликации.
В геноме Археев точка ori фланкирована последовательностями, кодирующими
белок инициирующий репликацию, схожие с белком Эукариот. Позже были обнаружены
белки, аналогичные белкам бактерий и некоторые не имеющие аналогов архейные белки.
Бактериальные хромосомы некоторых археев снабжены гистоноподобными белками,
схожими с белками Эукариот.
Транскрипция Археев также имеет черты Эукариот и Эубактерий. Как и у
Эубактерий, иРНК Археев полицистронна и не проходит сплайсинга. Механизм
трансляции – уникален, особенности в строении тРНК, первая тРНК переносит метионин
подобно Эукариотам, рибосомы также отличабтся от бактериальных и эукариотных.
Метаболизм
Архебактерий.
Среди
Археев
встречаются
органотрофы
и
автотрофы, некоторые осуществляют родопсиновый фотосинтез. Многие метаногены
способны к фиксации атмосферного азота, другие Археи используют обращенный цикл
Эмбдена-Мейерхофа для синтеза глюкозы, а некоторые экстремальные термофилы
используют гликоген в качестве запасного питательного вещества. Фиксация СО2
3
осуществляется многими путями. Termoproteus и Sulfolobus используют ЦТК, метаногены
и экстремальные термофилы – используют восстановительный ацетилКоА путь.
Восстановительный ацетилКоА путь фиксации СО2.
Синтез
ацетилКоА
бактериями
Metanobacterium
специфические ферменты метаногенов.
4
thermoautotrophicum,
участвуют
Таксономия Архебактерий.
Архебактерии делятся на 2 типа: Crenarchaeota и Euryarchaeota. Эуриархеоты
занимают многие экологические ниши и отличаются разнообразием метаболических
путей. Тип разделен на 8 классов: Methanobacteria, Methanococci, Halobacteria,
Thermoplasmata, Thermococci, Archaeglobi, Methanopyri, Methanomicrobia (9 отрядов, 16
семейств). Кренархеоты включают хорошо изученные группы экстремофилов и включает
1 класс Termoprotei (4 отряда и 6 семейств).
Положение Архебактерий в систематике прокариот.
10.2. Тип Кренархеи. (Crenarchaeota).
Большинство представителей экстремальные термофилы, многие ацидофилы и
зависимы от наличия серы. Сера используется для дыхания (акцептор в анаэробном
дыхании) и в качестве донора электронов (литотрофы). Многие из них – строгие
анаэробы. Многие кренархеи встречаются в горячих источниках и почвах вблизи
источников и около подводных вулканов (сольфатары). Один из наиболее экстремальных
представителей – род Pyrodictiaceae с оптимальной температурой роста 105С,
автоклавирование при 121Сº в течение часа не уничтожает эти бактерии. Строгий анаэроб,
использующий Fe3+ в качестве конечного акцептора электронов.
5
Классификация кренархей.
Бактерии рода Pyrodictiaceae используют
Fe3+ в качестве акцептора электронов.
Бактерии, автоклавированные в течении 10
часов при температуре 121 Сº включили
железо в свои клетки и притягиваются
магнитом.
Серные
«котлы»
в
Йелоустонском
национальном парке. Вода близка к
закипанию и содержит много серы. В таких
условиях развиваются бактерии Sulfolobus.
6
Гипертермофильные кренархеи, показана
клеточная оболочка (S)
и клеточная
мембрана (CM).
Наиболее хорошо изученные представители – рр. Sulfolobus и Termoproteus.
Sulfolobus – грамотрицательные, аэробные бактерии, имеющие форму сфер с долями
неправильной формы. Клеточная стенка содержит липопротеины и углеводы, литотрофы,
могут использовать кислород или железо в качестве акцептора электронов.
Termoproteus – длинные, вытянутые палочки, органотрофы, окисляют глюкозу, АК,
органические кислоты, используя серу в качестве акцептора электронов (анаэробное
дыхание). Могут расти хемолитотрофно, используя водород и серу, а также СО или СО2 в
качестве источника углерода.
Sulfolobus
brierleyi.
диаметре,
клетки
Около
окружены
1
мкм
в Sulfolobus на минерале молибдените (MoS2)
аморфным при 60°C. При pH 1,5–3, бактерии окисляют
слоем (AL), видна клеточная мембрана (М).
серу из состава минерала.
7
Thermoproteus tenax.
3 дополнительных Типа Археев.
•
Nanoarchaeota — единственный известный представителm Nanoarchaeum
equitans;
•
Korarchaeota — ДНК обнаружены в геотермальных источниках США,
Исландии, на рисовых полях Японии, культивируемые виды пока неизвестны.
•
Thaumarchaeota— в основном окислители аммония, как например, морской
аммоний-окислитель Nitrosopumilus maritimus и аммоний-окислитель преимущественно
почвенного происхождения Nitrososphaera gargensis.
Nanoarchaeum equitans на поверхности кренархей Ingicoccus.
8
10.3. Тип Эуриархеи. (Euryarchaeota).
Внутри домена Археев наблюдается большое разнообразие, по физиологическим и
морфологическим признакам Археев делят на 5 групп.
1.
Метаногены. Все метаногены – строгие анаэробы, они автотрофы –
используют СО2 в качестве источника углерода и окислителя. Донор электронов: водород,
формиат, ацетат или метилотрофные соединения).
3H2 + CO2 → CH4 + H2O
4HCOOH → CH4 + 3CO2 +2 H2O
4CO + 2H2O → CH4 + ЗCO2
CH3COO- + H+ → CH4 + CO2
4CH3OH → 3CH4 + CO2 + 2H2O
2CH3NH3+ + H2O → CH4 + CO2 + H2O
(CH3)2S + 2H2O → 2CH4 + CO2 + H2S
Метаногены:
(a) Methanobrevibacter smithii;
(b) Methanogenium marisnigri
(45,000);
(c) Methanosarcina mazei.
Известные
источники
поступления Наиболее
Размах оценок
метана
вероятная оценка
Заболоченные земли
145
92-237
Рисовые поля
60
40-100
Жвачные животные
93
80-115
9
Термиты
20
20-20
Сжигание биомассы
52
23-55
Производство энергии
95
75-110
Свалки
50
35-73
Океан
10
10-15
Гидраты
5
5-10
Сумма по известным источникам
530
500-600
Известные места «срасхода» метана
Наиболее
Размах оценок
вероятная оценка
Окисление в тропосфере
507
450-510
Потери в стратосфере
40
40-46
Метанотрофные бактерии в почве и в 30
10-44
водоемах
Сумма по известным «стокам»
577
460-580
Разность источники-«стоки»
- 47
- 80 до + 140
2.
Галобактерии
(Halobacterium,
Halococcus,
Haloarcula,
Natrococcus,
Natrobacterium). Живут в средах с высоким содержанием солей, в том числе в Мёртвом
море, где концентрация соли достигает 26—27 %, на кристаллах соли в прибрежной
полосе, в солончаках, на солёной рыбе, на засолённых шкурах животных, на рассольных
сырах, в капустных и огуречных рассолах. Галобактерии — кокковидные или
палочковидные,
подвижные
или
неподвижные
аспорогенные
микроорганизмы.
Большинство окрашиваются грамположительно. Преимущественно аэробы, сапрофиты.
При недостатке кислорода и ярком освещении в оболочке клеток синтезируется
бактериородопсин.
Галобактерии — одни из древнейших обитателей нашей планеты. Человечеству
они известны довольно давно по красноватому налёту на продуктах, консервируемых с
использованием больших количеств поваренной соли. Впервые галобактерии были
выделены в начале прошлого столетия из микрофлоры лиманной грязи, однако их
10
систематическое изучение началось только в конце второго десятилетия двадцатого века.
У них практически нет врагов или конкурентов, способных жить в таких же условиях, и
поэтому галобактерии свободно эволюционировали на протяжении всей истории жизни на
Земле. Очевидно, что внутренняя среда человека непригодна для жизнедеятельности
галобактерий, поэтому среди них нет ни одного патогена.
Мембрана галобактерий построена из изопрениловых диэфиров фосфоглицерина,
с очень большим содержанием белков. В мембране – участки пурпурного и краснооранжевого цветов. В пурпурной мембране 75 % массы приходится на бактериородопсин.
В мембране содержится два сенсорных родопсина, которые обеспечивают положительный
и отрицательный фототаксис, основанный на различии длин волн.
Halobacterium
Haloquadratum walsbyi
11
Термоплазмы. Thermoplasma acidophila, был выделен в 1970 году в
3.
саморазогревающихся месторождениях каменного угля. Границы роста - 45 и 62°,
оптимум — 59°, оптимальный pH — 2,0. Морфологически и цитологически организм был
сходен с микоплазмой и по аналогии получил название «термоплазма». Термоплазмы
характерны необычайно высокой стабильностью мембраны по отношению к воздействию
высоких температур, кислотности, литических ферментов, детергентов, осмотического
шока.
Все термоплазмы являются ацидофилами, обитающими в кислой среде с
оптимальным pH<2,0. Наиболее ацидлофильными организмами этого класса считаются
Picrophilus, отмеченные в средах с pH=0,06. Большинство организмов не имеют клеточной
стенки, хотя есть и исключения из этого правила (Picrophilus).
Один из представителей класса — термоплазма Thermoplasma acidophilum обладает
одним
из
наименьших
известных
геномов
(для
свободноживущих
прокариот).
Термоплазму рассматривают как одного из вероятных симбионтов, сформировавших ядра
первых эукариотических клеток.
Thermoplasma
12
4.
Термококки. Класс Thermococci. Оптимальная температура развития около
80 °С. Наиболее частые места обитания — подводные гидротермальные источники.
Представители рода Thermococcus обнаружены также в наземных гидротермах Новой
Зеландии.
Класс Thermococci состоит из единственного семейства Thermococcaceae (3 рода,
более 30 известных видов), которое является самым многочисленная семейством в домене
архей. Вероятно, изучена лишь небольшая часть существующих в природе видов этого
класса.
5.
Archaeoglobi.
Сульфатредуцирующие
бактерии,
грамотрицательные
кокковидные клетки неправильной формы. В качестве донора электронов могут
использовать разные субстраты: водород, лактат, глюкозу). Восстанавливают сульфаты,
сульфиты и тиосульфаты до сульфидов. Экстремальные термофилы (оптимум роста
Archaeoglobus 83Сº), выделены из подводных термальных источников.
13