Фиолетовые бактерии — Purple bacteria

Пурпурные бактерии — Purple bacteria

Пурпурные бактерии или пурпурные фотосинтезирующие бактерии — это протеобактерии , которые фототрофны , то есть способны производить свою собственную пищу посредством фотосинтеза . Они пигментированы бактериохлорофиллами a или b вместе с различными каротиноидами , которые придают им цвет от фиолетового, красного, коричневого и оранжевого. Их можно разделить на две группы — пурпурные серные бактерии ( частично Chromatiales ) и пурпурные несерные бактерии ( Rhodospirillaceae ). В течение 2018 года Frontiers в энергетических исследованиях [ де ] бумага, было высказано предположение , пурпурные бактерии можно использовать в качестве биохимического .

Содержание

  • 1 Метаболизм
    • 1.1 Расположение
    • 1.2 Механизм
    • 1.3 Доноры электронов для анаболизма
  • 2 История
  • 3 Эволюция
  • 4 Таксономия
  • 5 Ссылки

Метаболизм

Пурпурные бактерии в основном фотоавтотрофны , но также известны хемоавтотрофы и фотогетеротрофы . Это могут быть миксотрофы , способные к аэробному дыханию и ферментации .

Расположение

Фотосинтез происходит в реакционных центрах на клеточной мембране , где фотосинтетические пигменты (например, бактериохлорофилл , каротиноиды ) и связывающие пигменты белки инвагинируются с образованием мешочков везикул , канальцев или одинарных или уложенных друг на друга пластинчатых пластин. Это называется интрацитоплазматической мембраной (ICM), которая имеет увеличенную площадь поверхности для максимального поглощения света.

Механизм

Пурпурные бактерии используют циклический перенос электронов, управляемый серией окислительно-восстановительных реакций. Светособирающие комплексы, окружающие реакционный центр (RC), собирают фотоны в форме резонансной энергии, возбуждая пигменты хлорофилла P870 или P960, расположенные в RC. Возбужденные электроны циклически перемещаются от P870 к хинонам Q A и Q B , затем передаются цитохрому bc 1 , цитохрому c 2 и обратно к P870. Восстановленный хинон Q B притягивает два цитоплазматических протона и становится QH 2 , в конечном итоге окисляясь и высвобождая протоны, которые будут закачиваться в периплазму комплексом цитохрома bc 1 . В результате разделение зарядов между цитоплазмой и периплазмой генерирует движущую силу протона, используемую АТФ-синтазой для производства энергии АТФ .

Доноры электронов для анаболизма

Пурпурные бактерии также переносят электроны от внешних доноров электронов непосредственно на цитохром bc 1, чтобы генерировать НАДН или НАДФН, используемые для анаболизма . Они бескислородны, потому что не используют воду в качестве донора электронов для производства кислорода. Один тип пурпурных бактерий, называемых пурпурными серными бактериями (PSB), использует сульфид или серу в качестве доноров электронов. Другой тип, называемый пурпурными несерными бактериями, обычно использует водород в качестве донора электронов, но также может использовать сульфиды или органические соединения в более низких концентрациях по сравнению с PSB.

У пурпурных бактерий отсутствуют внешние переносчики электронов, чтобы спонтанно восстанавливать НАД (Ф) + до НАД (Ф) Н, поэтому они должны использовать восстановленные хиноны для эндергонического восстановления НАД (Ф) +. Этот процесс запускается движущей силой протона и называется обратным потоком электронов .

История

Пурпурные бактерии были первыми бактериями, способными фотосинтезировать без кислородного побочного продукта. Вместо этого их побочным продуктом является сера. Это было продемонстрировано первым путем установления реакций бактерий на различные концентрации кислорода. Было обнаружено, что бактерии быстро удалялись даже от малейшего следа кислорода. Затем брали чашку с бактериями, и свет фокусировали на одной части чашки, оставляя остальную темной. Поскольку бактерии не могут выжить без света, все бактерии переместились в круг света, и стало очень тесно. Если бы побочным продуктом бактерий был кислород, расстояния между людьми становились бы все больше и больше по мере производства большего количества кислорода. Но из-за поведения бактерий в сфокусированном свете был сделан вывод, что побочным продуктом фотосинтеза бактерий не может быть кислород.

Эволюция

Исследователи предположили, что некоторые пурпурные бактерии связаны с митохондриями , симбиотическими бактериями в клетках растений и животных, которые сегодня действуют как органеллы. Сравнение их белковой структуры позволяет предположить, что у них был общий предок.

Читайте также:  Аторвастатин-OBL; инструкция по применению, описание

Таксономия

Пурпурные несерные бактерии встречаются среди альфа и бета подгрупп, в том числе:

Родоспириллы
Rhodospirillaceae например Rhodospirillum
Acetobacteraceae например Родопила
Ризобиальные
Bradyrhizobiaceae например, Rhodopseudomonas palustris
Hyphomicrobiaceae например, родомикробий
Rhodobiaceae например, родобий
Другие семьи
Rhodobacteraceae например Rhodobacter
Rhodocyclaceae например, Rhodocyclus
Comamonadaceae например Rhodoferax

Пурпурные серные бактерии входят в подгруппу гамма и составляют отряд Chromatiales . Сходство фотосинтетических механизмов в этих разных линиях указывает на то, что они имели общее происхождение, либо от какого-то общего предка, либо передавались латеральным путем.

Пурпурные бактерии

Пурпурные бактерии — это грамотрицательные микроорганизмы, входящие в классы Alpha-, Beta- и Gammaproteobacteria (рис. 7.42) и осуществляющие аноксигенный фотосинтез.

Рис. 7.42. Место пурпурных бактерий в филуме Proteobacteria

Фотосинтетический аппарат у них расположен по внутриклеточных выростах ЦПМ различной формы. По традиции очень разнородную группу пурпурных бактерий делят на серных, которые откладывают элементарную серу внутри и вне клеток, и несерных, никогда серу не откладывающих. Так, представители семейства Chromatiaceae откладывают элементарную серу внутри клеток и способны к автотрофии. Организмы семейства Ectothiorhodospiraceae также могут расти автотрофно, но элементарную серу откладывают вне клеток. Среди них много морских и алкалифильных видов. Порядки Rhodospirillales, Rhodobacterales, Rhodocyclales относятся к так называемым пурпурным несерным бактериям, которые не накапливают серу внутри клеток и преимущественно растут фотогетеротрофно. Пурпурные бактерии — одноклеточные организмы разной формы и размеров, часто образующие устойчивые сочетания клеток (диплококки, тетрады, сеточки, таблички и т.д.) (рис. 7.43, табл. 7.7). Среди них встречаются неподвижные, иногда содержащие газовые вакуоли формы, и клетки, имеющие жгутики. Подвижные виды обладают активным фототаксисом.

Рис. 7.43. Представители пурпурных бактерий:

аChromatium okenii; бThiopedia rosea; вThiocapsa roseopersicina; гEctothiorhodospira shaposhnikovir, dRhodospirillum rubrum; eRhodopseudomonas spheroides; жRhodomicrobium vannielii; зRhodocyclus purpureus

Краткая характеристика некоторых пурпурных бактерий

Пурпурные несерные бактерии

Спириллы с полярными жгутиками

Rhodospirillum

Филум Proteobacteria Класс

Л Iphaproteobacteria

Палочки с полярными жгутиками, размножаются почкованием

Rhodopseudomonas

Палочки, размножаются бинарным делением

Rhodobacter

Rhodovulvum

Овальные клетки с перитрихиальным жгутикованием, образуют гифы, размножаются почкованием

Rhodomicrobium

Большие сферические клетки, ацидо- филы (pH = 5,0)

Окончание табл. 7.7

Кольцеобразные изогнутые клетки

Rhodocyclus

Филум Proteobacteria Класс

Betaproteobacteria

Пурпурные серные бактерии:

А. Откладывают серу снаружи

Спириллы с полярными жгутиками

Ectothiorhodospira

Спириллы, экстремальные галофилы

Halorhodospira

Б. Откладывают серу внутри клетки

Овальные палочки с полярными жгутиками и без газовых вакуолей

Диплококки и тетрады без газовых вакуолей, неподвижны

Сферические или овальные клетки без газовых вакуолей с полярными жгутиками

Крупные спириллы без газовых вакуолей с полярными жгутиками

Thiospirillum

Мелкие изогнутые клетки без газовых вакуолей

Thiorhodovibrio

Филум Proteobacteria

Крупные палочки-веретенца без газовых вакуолей

(1,5—1,7 мкм х 16—32 мкм)’

Rhabdochromatium

Gammaproteobacteria

Неправильные сферические или овальные клетки с газовыми вакуолями, неподвижны

Amoebobacter

Палочки с газовыми вакуолями и полярными жгутиками

Lamprobacter

Сферические или овальные клетки с газовыми вакуолями и полярными жгутиками

Lamprocystis

Неподвижные палочки с газовыми вакуолями, образующие сетку

Thiodiction

Неподвижные сферические клетки с газовыми вакуолями в плоских тетрадах

Пурпурные бактерии размножаются бинарным делением или почкованием. Некоторые виды могут образовывать цисты и экзоспоры. Клеточная стенка пурпурных бактерий грамотрицательного типа покрыта слизистым слоем или капсулой, у некоторых представителей имеется S-слой из гексагонально расположенных белков. В качестве запасных веществ у них обнаружены пол и — р-гид роке иал каноат ы и гликоген.

Данные бактерии формируют только ФС I, содержащую Бхл а, b и каротиноиды. Синтез бактериохлорофиллов подавляется кислородом, но может идти в темноте. Из переносчиков у пурпурных бактерий обнаружены цитохромы, FeS-белки и тиоредоксины, убихиноны и менахиноны. При циклическом фотофосфорилировании Бхл а реакционного центра возбуждается и передает электрон на бактериофеофитин (рис. 7.44). Электрон проходит через хинон и ряд переносчиков назад к Р870, восстанавливая его. При этом на уровне цитохромов образуется АТФ.

Читайте также:  Антисептическое средство Фармстандарт-Биолек Лорект спрей - «Средство гигиеническое-профилактическое

Рис. 7.44. Схема фотосинтеза у пурпурных несерных бактерий:

пунктирная линия — обратный перенос электронов; Р870 — бактериохлорофилл а;

Бфео — бактериофеофитин; Q — хинон

Из-за отсутствия ФС II эти микроорганизмы не могут использовать воду как донор электронов в нециклическом электронном транспорте и поэтому не выделяют кислород при фотосинтезе. Пурпурные бактерии не образуют НАДН непосредственно в световых реакциях фотосинтеза. Чтобы синтезировать восстановительные эквиваленты, им необходимо либо использовать в качестве донора электронов молекулярный водород, который может напрямую восстановить НАД + , либо осуществить обратный перенос электронов с затратой энергии. В этом случае электрон, потраченный на восстановление пиридиннуклеотида, может быть получен от доноров электронов с более отрицательным потенциалом, чем вода, и, таким образом, легче окисляемых. Для этих целей пурпурные бактерии обычно используют H2S, S° и другие восстановленные соединения серы, а также простые органические вещества.

Пурпурные бактерии предпочитают расти на свету в анаэробных условиях. Некоторые представители пурпурных нессрных бактерий способны к росту в темноте, в том числе в микроаэрофильных и аэробных условиях. Для большинства видов необходима высокая интенсивность света (« 500 люкс), только род Amoebobacter требует низкой освещенности (50—100 люкс) при пониженных температурах роста. Большинство пурпурных бактерий мезофилы, к психроактивным организмам относятся члены родов Amoebobacter и Lamprocystis, а термофильные виды входят в роды Halorhodospira, Rhodocista, Thermochromatium. Экстремальных термофилов среди пурпурных бактерий не обнаружено. В основном, это ней- трофильные микроорганизмы (pH 6—8), но есть кислото- (Rhodobacter acidophila) и щелочелюбивые (Ectothiorhodospira, Halospira). Эти же роды содержат экстремально галофильных представителей, синтезирующих осмопротекторы (глицин-бетаин, эктоин, трегалозу). Источниками углерода для пурпурных бактерий могут быть углекислый газ и органические вещества (в том числе (^-соединения). При автотрофном росте С02 фиксируется в цикле Кальвина, активность которого подавляется добавлением органики. В отсутствие света роль органических веществ как источника энергии увеличивается, происходят брожения разного типа. Сахара используются пурпурными бактериями через гликолиз или КДФГ-путь. У большинства из них имеется полный или незамкнутый ЦТК и глиокси- латный шунт. У ряда пурпурных несерных бактерий без глиоксилатного шунта (Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides) обнаружен цитра- малатный цикл, в котором ацетил-КоА превращается в глиоксилат в цепи реакций: ацетил-КоА + пируват —> цитрамалил-КоА —» цитрамалат —» меза- конат —> мезаконил-КоА —> 3-метилмалил-КоА —> глиоксилат + пропио- нил-КоА. Далее глиоксилат включается в ЦТК при участии малатсинтазы, а пируват регенерирует из проиионил-КоА через карбоксилазную реакцию: пропионил-КоА —> метилмалонил-КоА —» сукцинил-КоА —» сукцинат —> —> фумарат —> малат —> оксалоацетат —> ФЕП —> пируват. Некоторые пурпурные бактерии способны к анаэробному дыханию с сульфатом, нитратом, серой, Fe 3+ , СО или органическими соединениями в качестве акцепторов электронов. Для бактерий родов Thiocapsa и Chromatium показан хемоли- тоавтотрофный рост с молекулярным водородом и сульфидом в качестве доноров электронов. Пурпурные бактерии используют широкий спектр соединений азота, многие из них способны к азотфиксации. Представители несерной группы нуждаются в витаминах.

Пурпурные бактерии — это, в основном, водные микроорганизмы, обычно живущие в бескислородных водах с сероводородом. Они развиваются на глубинах, куда проникает свет, в редких случаях обнаруживаются на больших глубинах. Бактерии несерной группы предпочитают богатые органикой пресные водоемы, болотистые почвы и прибрежные морские воды, при этом они редко образуют скопления, придающие воде окраску. Пурпурные серные бактерии, наоборот, образуют видимые скопления в прозрачных водоемах на границе анаэробной зоны. Такие слои лучше формируются в меромиктических (с более высокой придонной соленостью) или в голомиктических (с сезонной стратификацией) водоемах и но берегам морей в лиманных областях. В прибрежных зонах морей пурпурные бактерии ответственны за «красные приливы». Представители рода Ectothiorhodospira тяготеют к соленым и щелочным местообитаниям, морским эстуариям. В глобальном круговороте серы пурпурные бактерии функционально тесно связаны с сульфатредукторами. Характерно сосуществование аналогичных видов пурпурных бактерий в одном и том же слое водоема за счет «разобщения» их активностей во времени. Так, Chromatium okenii и С. vinosum различаются по константе сродства и скорости окисления сульфида. В периодической лабораторной культуре второй организм вытесняет первый, а в природе они сменяют друг друга в течение суток: утром, когда сульфида много, С. okenii быстро окисляет сероводород, концентрация которого снижается в течение дня, и вечером С. vinosum начинает медленно окислять оставшееся малое количество H2S, а первый микроорганизм рост прекращает. Пурпурные бактерии обнаружены также в почве, но там их роль невелика.

Читайте также:  Как избавиться от синяка под глазом

Цветные бактерии помогут «вырастить» нетоксичные краски

Колония флавобактерий диаметром два сантиметра, выращенная в питательной среде и модифицированная для изменения цвета.
Фото University of Cambridge.

У многих бактерий репутация, мягко говоря, не самая хорошая. Однако современные методы позволяют учёным «вербовать» даже самые вредные микроорганизмы, чтобы те приносили пользу человечеству. Так, бактерии могут очищать воду, помогать людям в обнаружении мин или вырабатывать электричество.

Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) совместно с голландской биотехнологической компанией Hoekmine BV нашли бактериям ещё одно интересное применение. По мнению команды, микроорганизмы помогут в создании нового класса красок и покрытий.

В пресс-релизе авторы поясняют, что использовали флавобактерии (Flavobacterium), колонии которых, как правило, окрашены в яркие цвета с металлическим отливом.

Однако эту яркость обеспечивает не пигмент, а уникальная внутренняя структура колоний, которые отражают волны света определённой длины. Тот же процесс определяет красивые переливы крыльев бабочек и перьев павлинов. Однако до сих пор исследователи не могли понять, как именно эти структуры «спроектированы».

Для этого пришлось взломать генетический код бактерий. Ведущий автор работы Виллас Эгеде Йохансен (Villads Egede Johansen) поясняет: зная, какие гены отвечают за окраску, можно будет воссоздать наноструктуры, созданные природой, и затем использовать их в производстве.

«Это первое систематическое исследование генов, лежащих в основе структурных цветов – не только в бактериальной, но и в любой живой системе», — поясняет исследователь.

Чтобы определить нужные гены, команда создавала флавобактерии с разного рода мутациями, а затем сравнивала оптические свойства и анатомические особенности колоний с контрольной группой.

В итоге одна из модификаций привела к желаемому результату: исследователи изменили способность микроорганизмов двигаться, что повлияло на «геометрию» колонии. В результате поменялся и цвет: вместо исходного, металлического зелёного, колония смогла принимать любой цвет из видимого спектра, от синего до красного.

Также учёным удалось модифицировать бактерии таким образом, чтобы их цвет потускнел или даже полностью исчез.

«С прикладной точки зрения эта бактериальная система позволяет нам создавать настраиваемые живые фотонные структуры, которые можно воспроизводить в изобилии, избегая традиционных методов нанообработки», — отмечает соавтор работы Сильвия Виньолини (Silvia Vignolini).

По её словам, подобные бактериальные колонии можно настраивать таким образом, чтобы они изменяли цвет под действием внешних раздражителей, а также взаимодействовали с другими живыми тканями, адаптируя их к различным средам.

Основная сфера применения таких цветных колоний – это, как уже говорилось, создание биоразлагаемых органических и нетоксичных красок, который будут просто «расти» и приобретать нужный цвет, заключают авторы.

Более подробно о своей работе авторы рассказывают в статье, опубликованной в журнале PNAS.

Кстати, о необычных цветах: ранее учёные выяснили, что уникальные клеточные структуры обеспечивают удивительное радужное сияние африканской ягоды.

Напомним также, что исследователи раскрыли «блестящий» секрет жуков скарабеев и изучили самых белых в мире жуков. А вот синий окрас пауков-птицеедов наука объяснить по-прежнему не может.

Ссылка на основную публикацию
Фимоз — лечение без операции в домашних условиях у взрослых мужчин
Фимоз Автор материала Описание Фимозом называется патологическое сужение крайней плоти, которое делает невозможным полное обнажение головки полового члена. В развитии...
Фестал Н; инструкция по применению, описание
Фестал: способ применения и дозы В современном мире лекарства играют большую роль в жизни человека. В каждой семье есть своя...
Фетишизм что это такое, причины и примеры, нужно ли бороться
Что такое фетиш - самые распространенные виды фетишей В современном мире любовь к вещам для многих вполне нормальное явление. Однако...
Фимоз у мальчиков лечение, операция, симптомы и причины возникновения
Фимоз!? Просто у вас растет мальчик Физиологический фимоз у мальчиков и другие аномалии развития полового члена Олег Староверов врач детский...
Adblock detector