Значение пилей в жизни бактерий

Наряду со жгутиками прокариоты могут обладать и другими внеклеточными образованиями. В середине ХХ века было установлено, что бактерии способны формировать специфическую группу поверхностных образований. Их называли ворсинками, ресничками, фимбриями. Сегодня их называют пилями бактерий.

Внешний вид фимбрий

Внешне пили, или фимбрии, как их называли до 1956 г., выглядят как микроскопические волоски, покрывающие клетку бактерии. На 1 клетку прокариота может приходиться от нескольких единиц до тысяч ворсинок.

Хотя они, как и жгутики, являются поверхностными образованиями, однако между собой имеют больше различий, чем сходств.

По размеру пили намного меньше жгутиков, в среднем в 3 раза тоньше (не более 10 нм), и длиной не превышают 1,5 мкм.

По строению, несмотря на то, что как пили, так и жгутики состоят из белковых клеток, они также различаются:

• пили, или фимбрии, представляют собой легкую цепочку проводящих белков цилиндрической формы, отходящую от поверхностного слоя клетки;
• жгутики являются более громоздкими по строению, с наличием сложных структур (стержень, базальное тело, кольца и другое).

Столь явное различие в строении поверхностных образований прокариотов связано с совершенно разными задачами, которые они решают в процессе жизнедеятельности бактериальной клетки.

Для чего прокариотам пили

К примеру, если жгутики бактерий обеспечивают возможность передвигаться, то фимбрии не имеют никакого отношения к перемещению в пространстве и присутствуют как у движущихся, так и у неподвижных бактерий.

Неподтвержденным исключением можно считать участие пилей 4 типа в скользящем движении прокариотов всей колонией, характерном для многих протеобактерий (и миксобактерий), скользящих бактерий, циано-, несерных бактерий и других.

В отличие от жгутиков функции пилей бактерий изучены достаточно слабо, но совершенно очевидно, что одной из них является способность обеспечить прикрепление клетки бактерии к питательному субстрату.

Разные типы ворсинок

Пили не являются однородными образованиями, их различают как минимум 4 типа, каждый из которых выполняет свои функции, причем одна клетка может являться носителем несколько разных типов фимбрий.

Пили 1 типа

Фимбрии бактерий 1 типа образуются из пилина (белок) и отличаются крайне прочной связью с прокариотом. Чтобы отделить такую фимбрию от бактериальной клетки, требуются усилия, многократно превышающие необходимое воздействие для отделения половых пилей или жгутиков.

Для пилей 1 типа характерно расположение перитрихиально – по всей поверхности бактерии.

Исследования методами выявления свойств показали, что пили 1 типа являются химически устойчивыми образованиями – они инертны к растворам щелочей, мочевине и трипсину (фермент, расщепляющий белки).

Разрушаются пили 1 типа при кипячении в растворах с высокой кислотностью, при этом методе воздействия происходит необратимое разрушение (денатурация) белка, образующего фимбрию.

Характерной особенностью пилей 1 типа является:

• способность образовывать пленки и придавать бактериям гидрофобные свойства;
• способность вызывать агглютинацию эритроцитов (выпадение в осадок в результате склеивания) под действием агглютининов.

Органоиды бактерий

Основными функциями являются:

• адгезивная – прикрепление бактерий к субстратам;
• защитная – объединение клеток прокариотов, получивших гидрофобные свойства, в группы;
• участие в процессах метаболизма клетки – увеличение всасывающей поверхности.

Ворсинки 2 типа

Эта группа имеет очень много общего с предыдущей, однако не обладает характерными особенностями 1 типа – пили не участвуют в формировании пленок и не приклеиваются к эритроцитам (агглютинация), провоцируя выпадение их в осадок.

Столь близкое сходство позволяет предположить, что пили 2 типа являются мутантной формой 1 типа.

Половые фимбрии (3 тип)

Современные методы выявления позволили определить, что при горизонтальном переносе генетического материала (конъюгации) ключевую роль играют половые пили.

Возможность непосредственного контакта двух бактериальных клеток с последующей конъюгацией была выявлена в 50-х годах прошлого века в результате исследований двух американских биохимиков – Д.Ледербейга и Э.Тейтема. Данный процесс имеет большое практическое значение, так как позволяет производить обмен наследственными признаками организмам, размножающимся только прямым делением.

Половые фимбрии, их называют F-пили, присутствуют только у бактериальных штаммов, обладающих фактором трансмиссивности – это может быть автономный репликон или его часть.

F-пили представляют собой цилиндрические белковые образования большего диаметра, чем пили 1 или 2 типа, расположенные перпендикулярно к поверхности.

Формирование пиля осуществляется на поверхности цитоплазматической мембраны в точках контакта ее с вешней оболочкой. Сформированная трубочка проходит сквозь слои муреина и внешнюю мембрану.

В случае потери F-пили восстанавливаются – в течение 30 секунд пиль достигает половины своей величины. Для формирования полноценной трубочки необходимо от 4 до 5 минут.

Современные методы выявления позволили определить, что на поверхности бактерии  F-пили сохраняются в течение 5 минут, после чего сбрасываются, и процесс повторяется.

F-пили значительно отличаются от ворсинок 1 и 2 типа как по строению, так и по свойствам.

В отличие от последних F-пили легко отделяются от бактериальной клетки даже при незначительном встряхивании.

Методами физико-химического анализа было определено, что в составе F-пили отсутствует целый ряд α-аминокислот, характерных для белка пилей 1 типа, но через ковалентную связь присоединены остаток D-глюкозы и две фосфатные группы.

В связи с иной химической структурой на F-пили не адсорбируются обычные фаги, а только специфичные для них, называемые мужскими фагами.

Участие F-пили в процессе передачи информации

Процесс передачи части генетической информации подразумевает наличие пары клетка-донор и клетка-реципиент.

1. Первоначально клетка-донор формирует F-пиль.
2. F-пиль донора фиксируется на клетке-реципиенте.
3. В F-плазмиде донорной клетки осуществляется разрыв одной нити ДНК, которая передается реципиенту.
4. Обе бактерии достраивают вторую цепочку ДНК и восстанавливают F- плазмиду. Клетка-реципиент превращается в донора.

Микроскопические методы исследований позволили определить, что образование F-пилей характерно только для растущих и активных клеток, при переходе в стационарную фазу роста бактерии теряют свою способность образовывать половые пили и становятся плохими донорами.

Специфическая направленность фимбрий 4 типа

Пили 4 типа принимают участие в обеспечении  разновидности скользящего движения бактерий всей колонией.

Сам процесс скольжения с участием пилей 4 группы предполагает наличие 2 систем движения:

• А-система —  секретирует слизь на полюсе направления движения микроорганизма.
• S-система – роение; обеспечивается последовательным сокращением и удлинением пилей 4 типа, подобное подтягиванию.

Механизм данного вида бактериального движения на сегодняшний день находится в процессе изучения, и большинство выводов носят предположительный характер.