E. coli з перитрихиально розташованими численними пілямі
Пили. фимбрии або ворсинки - поверхневі структури, присутні у багатьох бактеріальних клітин і які становлять прямі білкові циліндри довжиною 1-1,5 мкм і діаметром 7-10 нм. Розрізняються по будівлі і призначенням, причому в однієї бактерії можуть бути присутні кілька їх типів. У багатьох випадках функції пілей не до кінця встановлено, але завжди вони так чи інакше беруть участь в прикріпленні бактеріальної клітини до субстрату.
Найбільша кількість відомостей про дані структурах зібрано для пілей кишкових бактерій, перш за все Escherichia coli.
Пили типу 1
Пили типу 1 міцно пов'язані з кліткою, і для того, щоб від'єднати їх від неї, потрібні значні зусилля, великі, ніж для видалення джгутиків або статевих пілей. Пили даного типу також стійкі і до хімічних впливів - зберігаються в 6 М сечовини. 1 N NаОН. стійкі до додецилсульфату натрію і трипсину. Ці пили руйнуються тільки при кип'ятінні в розчині з низьким значенням pH. що викликає необоротну денатурацію білка. Білок, який утворює пили загального типу 1, має молекулярну масу 17 кДа.
Пили типу 1 розташовуються перитрихиально, тобто по всій поверхні бактерії. У однієї клітини може бути 50-400 пілей довжиною до 1,5 мкм. Діаметр цих пілей близько 7 нм, а отвори -2,0-2,5 нм. Формування пілей загального типу 1 визначається генами. покладеними в хромосомі. Їх активність схильна до фазовим варіацій, тобто ген може бути активний чи ні. Зазвичай в культурі присутні як клітини, що мають багато пілей загального типу 1, так і позбавлені їх. Клітини, що знаходяться в тій чи іншій фазі, можуть бути легко виведені. Розмноженню клітин, позбавлених пілей, сприяє вирощування культури на агарі. тоді як клітини з пілямі отримують перевагу при вирощуванні культури в рідкому середовищі без аерації. При цьому вони утворюють плівку. Пили типу 1 надають бактеріям гидрофобность. знижують їх електрофоретичної рухливість. Вони викликають аглютинацію еритроцитів за рахунок того, що такі бактерії приклеюються до еритроцитів (так само, як до інших клітин тварин), а також до клітин рослин і грибів. до неорганічних частинок. У присутності манози порушується гемагглютинация і прикріплення бактерій до тварин клітин взагалі, оскільки пили типу 1 прикріплюються до поверхневих рецепторів. що містить манозу. У присутності манози відповідні ділянки пілей зайняті її молекулами. Адгезивність пілей залежить також від гідрофобності утворює їх білка пилина. З маннознимі рецепторами реагують ділянки пілей, розташовані по всій їх поверхні, тоді як за гідрофобні взаємодії відповідальні закінчення пілей.
Пили типу 2
Пили типу 2 схожі з пілямі 1-го типу, але не викликають аглютинації еритроцитів, не сприяють утворенню бактеріями плівки в рідкому середовищі. Антигенно вони близькі до пілям 1-го типу і, мабуть, являють собою їх мутантних форму. Описано і ще ряд варіантів пілей, близьких до пілям 1-го типу. Зв'язки пілей загального типу 1 з патогенністю у штамів Е. coli не вдається виявити. У ентеропатогенних штамів зазвичай утворюються інші пили, які кодуються плазмідними генами. Відомо кілька типів таких пілей, причому виявляється зв'язок типу пілей зі специфічністю бактерій щодо тих чи інших тварин.
Інші типи пілей
Пили, відомі як антигени К88 і К99, тонше і лабільність пілей 1-го типу. Вони викликають гемаглютинацію, стійку до манозу, і сприяють прикріпленню бактерій до клітин кишкового епітелію тварин, але не людини. Пили 987Р визначають здатність Е. соli прикріплятися до епітелію тонкого кишечника новонароджених свиней; морфологічно вони схожі на пили 1-го типу. Пили, які визначаються генетичним фактором СFА / 1, викликають аглютинацію людських еритроцитів і знайдені у патогенних для людини штамів. Молекулярна маса білків пилина, кодованих плазмідними генами, 14,5-26,2 кДа. У ентеропатогенних штамів Е. соli пили є одним з факторів патогенності, що забезпечує їм можливість прикріплення до клітин кишкового епітелію. Колонізація бактеріями епітелію сприяє ефективній взаємодії виділяється ними ентеротоксину з клітинами епітелію. В результаті відбувається порушення водного обміну тканини, що клінічно проявляється як діарея. При цьому бактерії енергійно розмножуються в тонкому кишечнику. а потім у великій кількості виносяться в навколишнє середовище, що сприяє їх поширенню.
статеві пили
Статеві пили Е. соli утворюються у клітин донорських штамів, що відрізняються від ізогенних реципієнтних наявністю у клітин особливого генетичного детермінанта - статевого фактора, або фактора трансмісивного, який або є автономним репліконом (F-фактор), або входить до складу автономного реплікону, або інтегрований з бактеріальної хромосомою. Фактор трансмісивного знаходиться в складі плазмід - факторів множинної стійкості до антибіотиків (R-фактори), факторів коліціногенності і ряду інших плазмід. Статеві пили відрізняються від пілей загального типу за будовою і антигенної специфічності, пили, які кодуються різними генетичними детермінантами, також різні.
Статеві F-пили, які визначаються F-факторами, є білковими циліндри, перпендикулярні поверхні клітини, товщиною 8,5-9,5 нм і довжиною до 1,1 мкм. Вони легко можуть бути відокремлені від клітини при струшуванні бактеріальної маси. F-пили утворені білком з молекулярною масою 11,8 кДа. У складі F-пилина відсутні пролин. цистеїн. гистидин. аргінін. До молекулі пилина приєднані дві фосфатні групи і залишок D-глюкози. пов'язані з білком ковалентними зв'язками. Пилина містить досить багато кислих і гідрофобних амінокислот. Він синтезується на рибосомах. пов'язаних з цитоплазматичної мембраною і в цитоплазмі не виявляється. Пул пилина, мабуть, накопичується в мембрані цитоплазми. Його молекули в процесі синтезу містять додаткову сигнальну послідовність амінокислот. отщепляют при транспорті через мембрану. F-пили легко дисоціюють в розчинах додецилсульфату натрію і руйнуються органічними розчинниками, що пов'язано з гидрофобностью пилина. Бактерії, що мають F-пили, набувають нового антиген, у них змінюється поверхневий заряд. Бактерії з F-пілямі малорухливі, виявляють тенденцію до автоагглютінаціі, наприклад, при зниженні значення рН середовища. Це також відбувається за рахунок багатства пилина кислими і гідрофобними амінокислотами. F-фактор цікавий ще й тому, що іноді (приблизно в 1 випадку з 100000) він вбудовується в молекулу основної ДНК клітини-господаря. Тоді при кон'югації переноситься не тільки F-фактор, але, також і інша ДНК. Цей процес займає приблизно 90 хвилин, але клітини можуть розходитися і раніше, до повного обміну ДНК. Такі штами постійно передають всю або більшу частину своєї ДНК іншим клітинам. Ці штами називаються Hrf-штамами (High frequency recombination), тому що донорная ДНК таких штамів рекомбинирует з ДНК реципієнта.
Для освіти F-пілей необхідна активність, принаймні, 13 генів. Збірка трубочок пілей відбувається на мембрані цитоплазми в місцях її контакту з зовнішньою мембраною. Трубочка пили проходить через шари муреина і зовнішню мембрану. Для складання і збереження пілей необхідна енергія. Утворенню пілей перешкоджають ціанід. динитрофенол, азид натрію. Можливо, в процесі складання відбувається фосфорилювання пилина. Зазвичай клітини з дерепрессірованним F-фактором утворюють 1-2 пили, а в анаеробних умовах і на багатому середовищі - до 5 пілей. Причина стимуляції пілеобразованія в анаеробних умовах невідома. У клітин з відірваними пілямі швидко відростають нові, за 30 секунд пиляючи досягає 1/2 нормальної довжини, а повністю формується за 4-5 хв. Сформовані пили зберігаються на поверхні клітини 4-5 хв, а потім скидаються. Це свідчить на користь точки зору про те, пили - активні освіти. Пили, які визначаються фактором Соl I, утворені іншим пилина, на них не адсорбуються фаги. специфічні для F-пілей, але є специфічні для них фаги. Так звані чоловічі фаги адсорбуються на статевих пілях, РНК -містять фаги - на їх бічних поверхнях і нитчасті фаги, які містять одноцепочечную ДНК, - на кінчиках цих пілей. Нитчастий фаг перешкоджає кон'югації.
При кон'югації до реципієнтную клітці приєднується кінець статевої пили, при цьому рецептором служить білок зовнішньої мембрани реципієнтную клітини. Спочатку цей контакт не дуже міцний і легко може бути порушений при гідродинамічних впливах. При цьому пари розпадаються при множині зараженні РНК-містять фагами або в присутності іонів Zn 2+. Через кілька хвилин контакт стає більш міцним, відбувається зближення клітин і утворення між ними цитоплазматического містка. Є дані, що свідчать про те, що передача ДНК може відбуватися і без освіти цитоплазматического містка, а безпосередньо через отвір в пилі. Інактивація пілей антисироваткою і будь-які ушкоджують їх впливу призводять до порушення процесу кон'югації, в той час як порушення цілісності зовнішньої мембрани або муреінового шару до певної межі впливають на донорські властивості клітини, що має пили. Після встановлення контакту з реципієнтную кліткою черв пилю в донорську клітку передається сигнал, що викликає початок Кон'югаційна синтезу ДНК. Механізм роботи статевих пілей ще остаточно не встановлено. Ряд спостережень свідчить на користь моделі, яка передбачає активну функцію пілей. Відповідно до цієї точки зору після встановлення контакту з кліткою реципієнта або з вірусом пиляючи скорочується або втягується в клітину. Ця модель підтверджується як непрямими, так і прямими спостереженнями. На електронно-мікроскопічних препаратах можна простежити, як після адсорбції нитчастих чоловічого фага на їх кінчиках пили коротшають, а потім нитки фага виявляються на поверхні клітини. Скорочення пілей визиват KCN або арсенат. Після впливу цими інгібіторами пили не виявляються ні на поверхні клітин, ні в навколишньому середовищу, але можна спостерігати адсорбцію на поверхні клітин чоловічих фагів і антитіл. специфічних до кінців пілей, тобто їх кінчики, мабуть, продовжують виступати над поверхнею клітини. При фаговой інфекції в подальшому відбувається розчинення білкової оболонки нитчастих фага в цитоплазматичної мембрані бактерії і звільнення його ДНК в цитоплазму. При інфікуванні РНК-містять чоловічими фагами спочатку утворюється комплекс фаговой РНК з пилина, а фагів капсид звільняється в середу.
Зазвичай синтез пилина знаходиться під контролем цитоплазматических репрессоров. У деяких випадках вдається спостерігати певні закономірності в регуляції утворення пілей. Так, в разі Соl I-фактора кожна клітина, яка отримала при кон'югації плазмиду Соl I, утворює пили, їх активне утворення відбувається у клітин 4-8 наступних генерацій. Однак потім тільки поодинокі клітини в популяції утворюють пили, оскільки у більшості бактерій синтез пилина репресований. Подібна репресія, як вважають, має пристосувальне значення, оскільки клітини без пілей не чутливі до чоловічих бактеріофагів, які могли б знищити всю популяцію. Поодинокі клітини з пілямі здатні забезпечити кон'югацію. При контакті таких клітин з популяціями реципієнтних бактерій починається лавиноподібне поширення плазміди, оскільки освіту пілей спершу не репресовано.
Статеві пили зазвичай утворюють тільки активно зростаючі клітини, клітини з культури, що знаходиться в стаціонарній фазі росту, зазвичай позбавлені пілей і є поганими донорами.
Як вже було зазначено, існує багато більш-менш різняться плазмід, здатних визначати утворення статевих пілей, які також не однакові. Рецептори на поверхні реципієнтних клітин мають різний ступінь спорідненості до різних пілям, що може сильно впливати на ефективність кон'югації бактерій.
Пили, подібні пілям E. coli. утворюють і інші представники Enterobacteriaceae. Статеві пили мають Vibrio. Pasteurella. Aeromonas. Pseudomonas.