Маслянокислые бактерии

Род Clostridium - это один из самых крупных родов среди бактерий. Принадлежность к роду определяется на основании трех признаков: 1) спо­собности образовывать эндоспоры; 2) облигатно анаэробного характера энер­гетического метаболизма; 3) неспособности осуществлять диссимиляционное восстановление сульфата.

Большинство видов грамположительные, подвижные. Движение осу­ществляется с помощью перитрихиально расположенных жгутиков. По мере старения в процессе развития клетки теряют подвижность, накапливают гра- нулезу (запасное вещество типа крахмала) и переходят к спорообразованию. Образующиеся споры овальной или сферической формы. Диаметр их, как правило, превышает диаметр вегетативной клетки, поэтому, если форми­рующаяся спора расположена в центре клетки, последние меняют форму, становясь веретеновидными (рис. 52, 2); если же споры образуются у одного из клеточных концов, клетки приобретают форму барабанных палочек.

Рис. 52. Клостридии:

1 - Clostridium difficile ( электронная микроскопия),

2 - Clostridium pasteurianum ( световая микроскопия)

За исключением C. coccoides, вегетативные клетки бактерий из рода Clostridium имеют форму прямых или слегка изогнутых палочек (0,3-2,0 х 1,5-20 мкм) с закругленными концами.

Клостридии - облигатные анаэробы. Они лишены цитохромов и ката­лазы, в значительном количестве содержат флавиновые ферменты. Однако спектр их чувствительности к молекулярному кислороду достаточно широк, что связано с обнаружением в клетках большинства клостридиев суперок- сиддисмутазы и с другими приспособлениями на уровне клеточных популя­ций, помогающими нейтрализовать токсические эффекты O2 и его производ­ных. Именно при работе с клостридиями Л. Пастер в 1861 г. открыл форму жизни без кислорода.

Описано более 60 видов бактерий рода Clostridium.

1. Сахаролитические клостридии, использующие в качестве субстратов брожения вещества углеводной природы - моносахара, крахмал, клетчатка;

(C. butyricum, С. acetobutylicum, C. pasteurianum).

2. Протеолитические клостридии, субстратами брожения которых яв­ляются белки, пептиды, аминокислоты (С. histolyticum, С. sporogenes, С.

tetani, С. botulinum).

3. Пуринолитические клостридии, специфически приспособленные к сбраживанию гетероциклических соединений - пуринов и пиримидинов (С. acidi-urici, C. cylindrosporum). Относящиеся к этой группе виды часто узко­специализированы в отношении пищевых субстратов.

Таким образом, типы брожений, осуществляемых клостридиями, не­обычайно разнообразны в отношении как используемых субстратов, так и синтезируемых конечных продуктов, и виды, осуществляющие сбраживание углеводов по гликолитическому пути с накоплением масляной кислоты в ка­честве одного из основных продуктов, являются только одной из групп орга­низмов, относимых к роду Clostridium.

Потребности клостридиев в питательных веществах отличаются боль­шим разнообразием. Как правило, клостридии могут расти только на слож­ных, богатых органическими соединениями средах. Многие клостридии вы­деляют экзоферменты, расщепляющие макромолекулы (углеводы, белки) на составляющие их мономеры. До сих пор только небольшое число видов уда­лось культивировать в лаборатории на синтетической среде. Для них выявле­на потребность в витаминах (главным образом группы В) и наборе амино­кислот. Оптимальная температура для роста составляет от 10 до 60 °С.

Пути включения CO2 в клеточный метаболизм клостридиев различны. Углекислота может использоваться ими в качестве конечного акцептора электронов, что приводит к прямому восстановлению CO2 до формиата. До­норами электронов в этой реакции служат восстановленный ферредоксин или НАД-Н₂. Образовавшийся в результате восстановления CO₂ формиат может подвергаться дальнейшему восстановлению и служить источником метиль- ных групп, используемых для клеточных биосинтезов.

Для разных видов клостридиев показана активная фиксация CO2 на C2- и С₃-соединениях, таких как ацетил-КоА, пропионил-КоА, пируват, в реакци­ях восстановительного карбоксилирования.

Дальнейший шаг вперед по пути независимости от среды связан с рас­пространением у этой группы эубактерий способности фиксировать атмо­сферный азот. Первый анаэробный азотфиксатор был выделен из почвы C. Н. Виноградским и назван им в честь Л. Пастера C. pasteurianum.

Клостридии широко распространены в природе и имеют большое прак­тическое значение. Большинство бактерий рода Clostridium - сапротрофы, обитатели почвы. Некоторые виды живут в кишечнике человека и животных. С жизнедеятельностью клостридиев связаны различные процессы: разложе­ние (гниение) азотсодержащих соединений (белков, нуклеиновых кислот) в анаэробных условиях; анаэробное разложение растительных материалов, та­ких как клетчатка, хитин. Некоторые сахаролитические клостридии могут использовать в качестве субстрата брожения пектиновые вещества, состав­ляющие покровы растительных клеток. Этот вид играет важную роль в про­цессе мацерации волокон при мочке льна.

Еще в конце XIX века было обнаружено, что некоторые клостридии па­тогенны, т. е. вызывают заболевания человека и животных. Они могут вызы­вать такие заболевания, как газовая гангрена и столбняк (раневые инфекции). Возбудителями газовой гангрены служат C. perfrigens, С. histolyticum, С. septicum, C. bifermantas. Возбудитель столбняка - C. tetani. Эти заболевания очень опасны, протекают быстро и часто с фатальным исходом.

В основе патогенности клостридиев лежит их способность синтезиро­вать и выделять из клетки токсины, являющиеся сильными биологическими ядами. C. botulinum - продуцент ботулина - экзотоксина, одного из самых сильных биологических ядов; C. tetani образует в организме человека столб­нячный токсин. По химической природе это белки. В одних случаях они вы­ступают как ингибиторы нервных функций (симптомы ботулизма и столбня­ка), в других - это ферменты, разрушающие ткани.

Бактерии группы Clostridium находят и практическое применение. Их используют в производстве масляной кислоты. Ацетоно-бутиловое броже­ние, осуществляемое некоторыми видами клостридиев, используют для по­лучения в промышленном масштабе ацетона и бутанола. Расширяется ис­пользование клостридий для получения ряда важнейших ферментов: пекти- наз, целлюлаз, протеаз, липаз, амилаз, декарбоксилазы, гиалуронидазы и др. В некоторых странах анаэробные бактерии используют для трансформации стероидных гормонов. Показано, что споры некоторых видов анаэробных бактерий при внутривенном введении животным проявляют онколитическую активность, наблюдается разрушение злокачественных образований. Споры анаэробов обладают также радиопротекторной активностью и при внутри­венном введении способны повышать выживаемость и среднюю продолжи­тельность жизни животных, облученных смертельной дозой радиации.