Жизнь микробов в экстремальных условиях - Кашнер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Организмы, обладающие способностью расти и размножаться при низких или. высоких значениях pH, имеют определенные преимущества, обеспечивающие их выживание. Несомненно, в таких условиях резко ограничивается конкуренция других организмов. Например, ацидофпл Thiobacillus thiooxidans может использовать в кислой среде ионы двухвалентного железа, которые при pH выше 5 самоокисляются, вследствие чего этот производящий энергию субстрат становится недоступным для данного организма (Lundgren et al., 1972). При высоких значениях pH алкало-фил Bacillus pasteurii специфически нуждается в аммиаке (NH3) для транспорта и окисления таких субстратов, как глутаминовая кислота, изолейцин, треонин, а также промежуточных продуктов цикла трикарбоиовых кислот—ацетата, а-кетоглутарата и ма-лата (Wiley, Stokes, 1963). В этом случае преимущество существования В. pasteurii при высоких значениях pH заключается, по-видимому, в том, что щелочная среда обеспечивает доступность NH3 для организма.
Изменения pH 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 дезамииаз аминокислот, что приводит к снижению pH (Gale, 1943). Как было показано в предыдущем разделе, большинство активно ме-таболизирующих щелочеустойчивых организмов имеет склонность к снижению pH среды в процессе роста. Кашиер (Kushner, 1964) предположил, что такая реакция скорее всего является вторичным механизмом устойчивости микробных клеток к щелочной среде. Пока неизвестно, каков первичный механизм (ы), обеспечивающий стабильность клеток и их рост при высоких значениях pH. Большинство облигатных ацидофилов не использует такого вторичного механизма устойчивости, поскольку их активный рост не приводит к повышению pH. В тех случаях, когда рост ацидофилов начинается в среде, близкой к нейтральной, величина рЦ быстро снижается. Экстремальные ацидофилы не просто переносят низкие значения pH, но действительно нуждаются в ионах водорода для своего роста и стабильности. Примером подобных микроорганизмов служит Т. acidophilum, которая лизируется при pH выше 5 (Smith et al., 1973). Следовательно, устойчивость клеток к высокой кислотности или щелочности, вероятно, объясняется их структурными или метаболическими особенностями.
Б. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ pH
Все организмы, растущие при экстремальных значениях pH,, располагают, по-видимому, какими-то механизмами для поддержания внутриклеточного pH на уровне, близком к нормальным' физиологическим величинам. Такие кислотолабильные молекулы, как АТР и ДНК, вряд ли могли бы существовать, если бы внутриклеточная концентрация водородных ионов была такой же, как и во внешней среде. Однако по отношению к внутриклеточной среде трудно применить классическую концепцию pH. Согласно этой концепции, pH является применяемым на практике показателем концентрации или активности ионов водорода в-водном растворе, между тем как внутриклеточное содержимое представляет собой коллоидный, а не истинный водный раствор. Как отметили Батлер и др. (Butler et al., 1966), измерение величины внутриклеточного pH не дает информации относительно' недиссоциироваиных протонов, связанных с донорными молекулами. Указанная концепция и пригодность классического определения pH и концентрации ионов водорода в отношении внутриклеточных систем были рассмотрены рядом авторов (Butler et al., 1966; Siesjo, Ponten, 1966; Waddell, Bates, 1969). Представление о внутриклеточном pH как о запутанной в теоретическом отношении проблеме наилучшим образом изложено Сисьё и: Понтеном (Siesjo, Ponten, 1966):
«Создается впечатление, что такое понятие, как «внутриклеточный pH», имеет свое собственное, присущее только ему значение; вероятно, это обусловлено наличием связи между pH системы и ферментативной кинетикой. Однако предполагается, что> многие ферментативные реакции происходят внутри ограниченных мембранами участков протоплазмы очень малого объема, а в таких системах термин «pH» имеет весьма сомнительный, смысл...».
«Более того, в подобных системах возникает дополнительное-осложнение, связанное с поверхностными зарядами и внутренним доннановским равновесием, так как многие изучаемые реакции, вероятно, протекают на поверхностях, где активность ионов: отличается от их активности в основной части жидкой среды».
Поэтому любые измерения внутриклеточного pH дают средние величины pH для всего содержимого клетки, отражающие среднюю степень ионизации заряженных групп. Концепция внутриклеточного pH становится еще более неясной, если учесть, что при нормальных физиологических значениях pH концентрация свободных ионов водорода, по-видимому, слишком низка, чтобы играть существенную роль в биологических процессах. Например, Тиманн (Thimann, 1964) вычислил, что клетка объемом
6,1 • 10~14 мл должна содержать 3,6 свободных иона водорода при?
