Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
При отсутствии в среде связанного азота некоторые вегетативные клетки (обычно 5—10%) нитчатых цианобактерий, принадлежащих к IV и V группам, превращаются в гетероцисты, образование которых происходит в течение 24 ч параллельно с развитием нитрогеиазной активности и может быть разделено на два этапа. Прогетероцисты, формирующиеся на первом этапе, характеризуются неспособностью обеспечить защиту нитрогеназы от инактивирующего действия O2, а также тем, что процесс дифференцировки на этой стадии обратим: при внесении в среду аммонийного азота прогетероцисты дедифференциру-ются и превращаются в вегетативные клетки, способные к делению. На втором этапе процесс дифференцировки становится необратимым. Сформированные гетероцисты не способны к делению и не могут превращаться в вегетативные клетки.
Формирование гетероцист из вегетативных клеток сопровождается глубокими ультраструктуриыми и функциональными перестройками (рис. 93, А). Зрелые гетероцисты окружены тремя дополнительными слоями, внешними по отношению к клеточной стенке: контактирующим с окружающей средой фибриллярным слоем неизвестной химической природы, срединным гомогенным слоем, состоящим из полисахаридов, и внутренним пластинчатым слоем, построенным из гликолипи-дов, специфических только для гетероцист. Предполагается, что пластинчатый слой непроницаем для воды, ионов, нейтральных веществ гидрофильной природы, и, возможно, для растворенных газов. Дополнительные слои, окружающие гетероциету, в местах ее контакта с вегетативной клеткой прерываются. Перегородка, отделяющая гетероциету от вегетативной клетки, пронизана множеством мелких каналов (микроплазмодесм) не менее 40 нм длиной и около 5 нм диаметром, соединяющих цитоплазмы обеих клеток и обеспечивающих обмен клеточными метаболитами 10.
B цитоплазме гетероцист в зонах контакта с вегетативными клетками располагаются светпреломляющие полярные гранулы. Терминальные гетероцисты содержат одну, а интеркалярные — две полярные гранулы. Они имеют гомогенное строение и, по последним данным, содержат запасной полипептид цианофицин.
10 Так как предполагают, что гетероциста непроницаема для газов, молекулы N2 и Oz поступают в нее через микроплазмодесмы.
281
Фрагмент гетера- Вегетатидной.
аисты 5 5 4 метки
Вегетативная клыка Гетероциста
Рис. 93. Схема строения гетероцисты (A) и обмена углеродными и азотными соединениями между гетероцистой и вегетативной клеткой (Б):
J — клеточная стенка; 2 — ЦПМ; 3 — фибриллярный слой, 4 — гомогенный слой, 5 — пластинчатый слой оболочки гетероцисты; 6 — микроплазмодесмы; 7 — полярная гранула; 8 — тилакои-ды; 9 — фикобилисомы
Значительную реорганизацию претерпевает в гетероцистах система фотосинтетических мембран: они укорачиваются, теряют расположение, характерное для вегетативных клеток; как правило, отмечается скопление тилакоидов вблизи полюсов гетероцисты. Морфологические изменения тилакоидов сочетаются с важными перестройками фотосинтетического аппарата на функциональном уровне. В гетероцистах не работает II фотосистема, с активностью которой связано разложение воды, сопровождающееся выделением O2- Следовательно, внутриклеточный О2 в них не образуется. Потеря активности II фотосистемы коррелирует со следующими биохимическими особенностями гетероцист: 1) отсутствием основных светсобирающих пигментов: II фотосистемы — фикобилипротеидов и содержащих их структур — фикобилисом; 2) резко пониженным содержанием ионов марганца, необходимого компонента системы разложения воды; 3) потерей гетеро-цистами способности фиксировать CO2, связанной с отсутствием ри~ булозодифосфаткарбоксилазы в растворимой форме или в виде кар-боксисом. Деградация II фотосистемы сопровождается сохранением активности I фотосистемы, что находит отражение в поддержании значительного уровня основного светсобирающего пигмента (хлоро
282
филла а) и увеличении числа реакционных центров (хлорофилл П70о) этой фотосистемы.
В процессе формирования гетероцист наблюдается исчезновение различных цитоплазматических включений, характерных для вегетативных клеток цианобактерии: гликогеновых, полифосфатных, циано-фициновых гранул. Нерешенным остается вопрос о наличии в зрелых гетероцистах нуклеоида. Отсутствие способности к размножению и дедифференцировке ставит вопрос о содержании в зрелых гетероцистах генетического аппарата и соответственно возможности у них процессов транскрипции и трансляции. Если генетический материал в зрелых гетероцистах претерпевает глубокую деструкцию, именно с этим может быть связан относительно короткий период их жизни, определяемый скоростью распада имеющегося набора ферментов. До сих пор удалось показать, что содержание ДНК в гетероцистах значительно меньше, чем в вегетативных клетках.
Для фиксации N2 необходим восстановитель в виде молекул восстановленного ферредоксина (иногда НАДФ •H2) и химическая энергия в форме АТФ. Из-за отсутствия в гетероцистах нециклического транспорта электронов они не могут обеспечивать процесс азотфикса-ции фотохимически образованным восстановителем и зависят в этом отношении от межклеточного переноса метаболитов (рис. 93, Б). Восстановитель может или непосредственно транспортироваться из соседних вегетативных клеток в готовом виде, или же генерироваться в гетероцистах в тем новых ферментативных процессах из исходного транспортируемого субстрата. В последнем случае таким субстратом •служит дисахарид мальтоза — продукт цикла Кальвина. Ее катабо-лизирование, осуществляемое по активно функционирующему в гетероцистах окислительному пентозофосфатному пути, приводит к образованию молекул НАДФ •H2, с которых водород может передаваться на ферредоксин в реакции, катализируемой ферредоксин: НАДФ-окси-доредуктазой. Источником АТФ в гетероцистах на свету служит зависимое от I фотосистемы циклическое фотофосфорилирование, в темноте — окислительное фосфорилирование.
