Поведение бактерий

По существующей гипотезе, внутреннее, встроенное в цитоплазматическую мембрану кольцо базальной структуры - вращающийся ротор, окружено мембранными белками, имеющими определенным образом пространственно организованные отрицательные заряды - статор мотора. Протонодвижущая сила заставляет протоны проходить через базальную структуру внутрь клетки, при этом в какой-то момент они задерживаются в определенных участках ротора, придавая им положительный заряд, затем протоны уходят внутрь клетки. Заряженные участки расположены таким образом, что возникает сила притяжения между заряженными участками ротора и статора, кольцо начинает вращаться. установлено, что для полного оборота кольца через базальную структуру должно пройти 500-1000 протонов. Кольцо совершает около 300 оборотов в секунду. Нить жгутика закручена против ч.с. Если кольцо вращается против ч.с. нить ввинчивается в окружающий раствор. На работу жгутика бактерия тратит около 0,1% расходуемой энергии. У кишечной палочки 6-7 жгутиков. Бактерии не воспринимают направление силы тяжести из-за вращения клетки.

Схема строения бактериального жгутика

Важной гидродинамической характеристикой плывущего предмета является число Рейнольдса представляющее собой отношения сил инерции
к силам вязкости. С уменьшением размеров объекта это число уменьшается, поэтому водная среда является для бактерий вязкой, каковой для нас была бы патока. Подсчитанно, что плыть целенаправленно в одном направлении бактерия может не более 3 с, затем удары окружающих молекул разворачивают ее в случайном направлении.
Когда нить жгутика вращается против ч.с. (рис.2) бактерия движется по прямой - пробег. Скорость движения во время пробега для разных бактерий 20-80 мкм/с. Для кишечной палочки 30 мкм/с т.е. 10 см/ч. Пробег длится около секунды, после чего происходит переключение жгутикового мотора, который начинает вращаться по ходу ч.с. что приводит к остановке и развороту бактерии в случайном направлении. Переключение занимает менее 1 мс. У кишечной палочки при этом единая жгутиковая спираль распадается и бактерия совершает кувырок. Мотор вращается по ходу ч.с. около 0.1 с после чего снова переходит к вращению против ч.с.
Кишечная палочка имеет около 20 различных типов рецепторов, всего клетка кишечной палочки содержит около 25 тыс. молекул рецепторов. Рецепторы сконцентрированы на одном из полюсов.

Расположение жгутиков на клетке кишечной палочки

У кишечной палочки в качестве важных компонентов сенсорной системы функционируют четыре так называемых метилакцепторных белка, которые являются рецепторами или получают сигналы от других рецепторов . Эти белки способны присоединять к заряженным глютаминным остаткам метильные группы или отдавать их за счет активности соответствующих ферментов, причем уровень метилирования белка соответствует концентрации эффектора. Не во всех таксисах так происходит.
Бактерии способны воспринимать изменение концентрации эффектора во времени, поскольку, если концентрация изменяется, она уже не соответствует уровню метилирования метилакцепторного белка. В этом случае сигнал поступает на определенные цитоплазматические белки, изменяя уровень их фосфорилирования, а эти белки передают сигнал уже на жгутиковый мотор, в результате чего изменяется длина пробега.
При увеличении концентрации аттрактанта длительность пробега возрастает ( а частота кувырков уменьшается), при увеличении концентрации реппелента длительность пробега уменьшается. При снижении концентрации эффекторов наблюдается обратный эффект. Это означает, что бактерии имеют элементарную память.

Путь бактерии к кусочку сахара

Обычно через 2-3 мин в результате процесса адаптации уровень метилирования белка приходит в соответствие с новой концентрацией эффектора и длина пробега возвращается к норме. Однако, если в среде создается градиент концентрации эффектора, в результате многочисленных изменений длины
пробега в зависимости от направления движения клетки бактерии постепенно приближаются к источнику аттрактанта или удаляются от реппелента (рис. 3)
Магнетотаксис - способность двигаться вдоль линий магнитного поля. В клетках таких бактерий находятся кристаллики железосодержащих минералов (напр. магнетит). Железо составляет около 3% сухой массы магнетобактерий. Это водные бактерии обитающие в пресных водоемах и море. В северном полушарии они плывут к северному полюсу и наоборот. Бактерии углубляются в воду т.к. магнетосомы ориентируются по результирующей вертикальной и горизонтальной составляющим магнитного поля. Чем ближе север тем круче они уходят в глубину в ил, где много пищи и мало кислорода.