Спорообразование бактериями. Споры бактерий. Спорангии. Эндоспоры. Экзоспоры.

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 21.12.2024

Целый ряд грамположительных бактерий образует устойчивые к внешним воздействиям покоящиеся структуры, называемые эндоспорами ( от лат. Эндоспоры ( рис. 46) формируются внутри вегетативных клеток бактерий, принадлежащих к родам Bacillus, Sporolactobacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina, Thermoactinomyces. Все эти микроорганизмы образуют толстую клеточную стенку грамполо-жительного типа, что, по-видимому, является необходимым для спорообразования. Эндоспоры чрезвычайно устойчивы к таким факторам, как нагревание, УФ-облучение, действие химических дезинфектантов, растворителей и к высушиванию. В природе образование спор помогает клеткам избегать гибели при истощении субстрата или высушивании, воздействии радиации или химических веществ. Обычно спора в клетке закладывается одна, однако известны случаи формирования до пяти спор в одной бактериальной клетке. [16]

Бациллы - свободноживущие, одноклеточные, нефотосинтезирующие, аэробные, палочковидные клетки, образующие типичные эндоспоры . Относятся к гетеротрофным организмам. Размножаются поперечным делением клеток. Ветвление и почкование клеток как способ размножения не отмечены. Поперечный размер клеток варьирует в пределах 0 4 - 2 мкм. Вегетативные клетки имеют вид прямых или слабоизогнутых палочек с параллельными сторонами и округлыми концами, которые в редких случаях резко обрезанные. [17]

Десятая группа - образующие эндоспоры грамположителъные палочки и кокки, - формируют устойчивые к нагреванию эндоспоры . Подвижны, в основном палочки или нити. Один род ( Sporo-sarcina) содержит подвижные кокки в тетрадах или кубических пакетах. [18]

В патологическом материале образует крупные сферические спорангии, 200 мкм и более в поперечнике, наполненные крупными эндоспорами . [19]

Наиболее пристально было изучено спорообразование, представляющее деление клетки, при котором одна клетка образует отмирающий спорангий, а вторая превращается в переживающую устойчивую эндоспору . [20]

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium, хотя имеющиеся данные позволяют сделать вывод о принципиальной однотипности этого процесса у всех видов, образующих эндоспоры . Приблизительно / з тяжа затем отделяется и переходит в формирующуюся спору. У некоторых видов ядерный тяж образуется только на одном полюсе клетки, в его формировании участвует не весь генетический материал вегетативной клетки, и впоследствии ядерный тяж целиком переходит в формирующуюся спору. Биологический смысл формирования ядерного тяжа до сих пор остается невыясненным. [21]

Эта бактерия отличается своими размерами ( диаметр клетки 4 мкм), объединением клеток в крупные пакеты ( более 64 клеток, связанных целлюлозой), широкой толерантностью к изменениям рН ( рост при рН от 0 9 до 9 8), а также способностью к образованию эндоспор . [22]

Сине-зеленые водоросли, являющиеся прокариотами, имеют два рода спор - эндоспоры и экзоспоры. Эндоспоры образуются по нескольку в клетках в результате дробления содержимого. Экзоспоры возникают как вырост протопласта на вершине клетки ( только у одноклеточных представителей порядка ха-месифоновых); по мере его роста в длину появляются перетяжки, отчленяющие шаровидные споры. [23]

Большинство таких структур относится к категории покоящихся форм, назначение которых - обеспечить переживание вида в течение длительного времени в неблагоприятных условиях. Это эндоспоры ряда грамположительных бактерий , цисты азотобактера и миксо-бактерий, акинеты цианобактерий, экзоспоры отдельных представителей метилотрофных и фототрофных бактерий, экзо - и эндоспоры актиномицетов. После попадания в подходящие условия покоящиеся формы прорастают, давая начало вегетативным клеткам. Другие морфологически дифференцированные клетки служат для размножения. К ним относятся, например, гормогонии и бае-оциты цианобактерий. Наконец, третьи ( гетероцисты цианобактерий, бактероиды клубеньковых бактерий) связаны с осуществлением уникального процесса, свойственного только прокариотным организмам, - фиксацией молекулярного азота атмосферы. [25]

Спорообразование сопровождается активным синтезом белка. Белки эндоспор в отличие от белков вегетативных клеток богаты цистеином и гидрофобными аминокислотами, с чем связывают устойчивость спор к действию неблагоприятных факторов. Содержание ДНК в споре несколько ниже, чем в исходной вегетативной клетке, поскольку в спору переходит лишь часть генетического материала материнской клетки. Генетический материал поступает в спору в виде полностью реплицированных молекул ДНК. Споры некоторых видов содержат по 2 или 3 копии хромосомы. Содержание РНК в спорах ниже, чем в вегетативных клетках, и РНК в значительной степени при спорообразовании синтезируется заново. Одним из характерных процессов, сопровождающих образование эндоспор, является накопление в них дипиколино-вой кислоты и ионов кальция в эквимолярных количествах. Эти соединения образуют комплекс, локализованный в сердцевине споры. Помимо Са2 в эндоспорах обнаружено повышенное содержание других катионов ( Mg2, Mn2, К), с которыми связывают пребывание спор в состоянии покоя и их термоустойчивость. [26]

Способны формировать термоустойчивые эндоспоры . [27]

К образованию эндоспор способна только Небольшая группа бактерий. Огромное значение эндоспор связано с их термоустойчивостью. Трудоемкая и дорогостоящая техника стерилизации ( обеззараживания) рассчитана на уничтожение эндоспор. С другой стороны, терморезистентность спор предоставляет своеобразную возможность избирательного обогащения культур порообразую-щих форм. Землю или иной материал, взятый в определенном месте, на протяжении 10 мин прогревают при 80 или 100 С, что приводит к гибели вегетативных клеток; только терморезистентные споры, остаются жизнеспособными и прорастают в подходящей питательной среде. [28]

Для эндоспор процесс прорастания состоит из нескольких этапов: активации, инициации и вырастания. Как правило, эндоспоры даже в благоприятных условиях могут не прорастать. Для этого их необходимо подвергнуть активации. Наиболее общим активирующим фактором является термообработка споровой суспензии. [29]

Хотя количество бактерий в компосте очень велико, 108 - 109 клеток на грамм влажного компоста, из-за малых размеров ( 1 - 8 мкм) они составляют меньше половины общей микробной биомассы. Некоторые виды образуют эндоспоры , которые выдерживают значительную температуру и высушивание. Актиномицеты растут гораздо медленнее, чем бактерии и грибы, и на ранних стадиях компостирования не составляют им конкуренции. Они более заметны на последующих стадиях процесса, когда их становится очень много, и налет белого или серого цвета, типичный для актиномицетов, отчетливо виден на глубине 10 см от поверхности компостируемой массы. Их численность ниже численности бактерий и составляет величину порядка 105 - 108 клеток на грамм влажного компоста. Грибы играют важную роль в деструкции целлюлозы, и состояние компостируемой массы должно регулироваться таким образом, чтобы оптимизировать активность этих микроорганизмов. Важным фактором является температура, так как грибы погибают, если она поднимается выше 55 С. После понижения температуры они вновь распространяются из более холодных зон по всему объему. [30]

Биология и медицина

Образование эндоспор - процесс, имеющий место только в мире прокариот. Бактериальные эндоспоры - это особый тип покоящихся клеток грамположительных эубактерий, формирующихся эндогенно, т.е. внутри цитоплазмы "материнской" клетки ( спорангия ), обладающих специфическими структурами (многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом ) и устойчивостью к высоким температурам и дозам радиации, летальным в норме для вегетативных клеток ( рис. 22 , Г). Эндоспорам свойственно также и особое физическое состояние протопласта .

К спорообразующим относится большое число эубактерий приблизительно из 15 родов, характеризующихся морфологическим и физиологическим разнообразием ( табл. 7 ). Среди них имеются палочковидные, сферические, мицелиальные формы, спириллы и нитчатые организмы. Все они имеют строение клеточной стенки, характерное для таковой грамположительных эубактерий. Ни в одном случае не выявлена наружная липополисахаридная мембрана, несмотря на то, что многие роды и виды спорообразующих бактерий не окрашиваются по Граму . По типу питания среди них обнаружены хемоорганогетеротрофы , факультативные хемолитоавтотрофы и паразитические формы.

Отношение к кислороду также разнообразно: часть спорообразующих форм представлена аэробами и факультативными анаэробами , другая часть включает облигатных анаэробов - от аэротолерантных форм до высокочувствительных к О2.

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium , хотя имеющиеся данные позволяют сделать вывод о принципиальной однотипности этого процесса у всех видов, образующих эндоспоры. В каждой бактериальной клетке, как правило, формируется одна эндоспора. (Описана анаэробная бактерия, образующая в клетке до 3-5 эндоспор).

Первым шагом к спорообразованию является изменение морфологии ядерного вещества вегетативной клетки, образующего тяж вдоль длинной оси спорулирующей клетки ( рис. 23 ). Приблизительно одна треть тяжа затем отделяется и переходит в формирующуюся спору. У некоторых видов ядерный тяж образуется только на одном полюсе клетки, в его формировании участвует не весь генетический материал вегетативной клетки, и впоследствии ядерный тяж целиком переходит в формирующуюся спору. Биологический смысл формирования ядерного тяжа до сих пор остается невыясненным.

Формирование споры начинается с того, что у одного из полюсов клетки происходит уплотнение цитоплазмы , которая вместе с генетическим материалом, представляющим собой одну или несколько полностью реплицированных хромосом, обособляется от остального клеточного содержимого с помощью перегородки. Последняя формируется впячиванием внутрь клетки ЦПМ . Мембрана нарастает от периферии к центру, где срастается, что приводит к образованию споровой перегородки. Эта стадия формирования споры напоминает клеточное деление путем образования поперечной перегородки (см. рис. 20 , А). Следующий этап формирования споры - "обрастание" отсеченного участка клеточной цитоплазмы с ядерным материалом мембраной вегетативной клетки, конечным результатом которого является образование проспоры - структуры, расположенной внутри материнской клетки и полностью отделенной от нее двумя элементарными мембранами: наружной и внутренней по отношению к проспоре.

Описанные выше этапы формирования споры (вплоть до образования проспоры) обратимы. Оказалось, что если к спорулирующей культуре добавить антибиотик хлорамфеникол (ингибитор белкового синтеза и, следовательно, ингибитор синтеза мембранных белков), то можно остановить "обрастание" клеточной мембраной отсеченного септой участка цитоплазмы, и процесс спорообразования превратится в процесс клеточного деления. (Между двумя мембранами септы откладывается материал клеточной стенки.) После образования проспоры дальнейшие этапы спорообразования уже необратимы.

Между наружным и внутренним мембранными слоями проспоры начинается формирование кортикального слоя (кортекса) . Затем поверх наружной мембраны проспоры синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев, число, толщина и строение которых различны у разных видов спорообразующих бактерий. В формировании слоев споровых покровов принимает участие как наружная мембрана споры, так и протопласт материнской клетки.

У многих бактерий поверх покровов споры формируется еще одна структура - экзоспориум , строение которого различно в зависимости от вида бактерий. Часто экзоспориум многослойный, с характерной для каждого слоя тонкой структурой.

Все слои, окружающие протопласт эндоспоры, находятся внутри материнской клетки. На их долю приходится примерно половина сухого вещества споры.

После сформирования споры происходит разрушение (лизис) "материнской" клеточной стенки и спора выходит в среду.

Одним из характерных процессов, сопровождающих образование эндоспор, является накопление в них дипиколиновой кислоты и ионов кальция в эквимолярных количествах. Эти соединения образуют комплекс, локализованный в сердцевине споры. Помимо Са2+ в эндоспорах обнаружено повышенное содержание других катионов (Mg2+, Mn2+, К+), с которыми связывают пребывание спор в состоянии покоя и их термоустойчивость.

Существенные отличия эндоспор от вегетативных клеток выявляются при изучении химического состава отдельных споровых структур. Экзоспориум состоит из липидов и белков и, вероятно, выполняет функцию дополнительного барьера, защищающего спору от внешних воздействий, а также регулирующего проникновение в нее различных веществ. Однако никаких данных, подтверждающих эти предположения, пока нет. Механическое удаление экзоспориума не приводит к какому-либо повреждению спор. Они обнаруживают такую же способность к прорастанию, как и споры с неудаленным экзоспориумом.

Споровые покровы в основном состоят из белков и в небольшом количестве из липидов и гликолипидов. Белки покровов обладают высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям и обеспечивают спорам защиту от действия литических ферментов, других повреждающих факторов, а также предохраняют спору от преждевременного прорастания. Оказалось, что споры мутантов, лишенные покровов, прорастают сразу же после выхода из материнской клетки, даже если условия для последующего роста неблагоприятны.

Кортекс построен в основном из молекул особого типа пептидогликана . При прорастании споры из части кортекса, прилегающей к внутренней споровой мембране, формируется клеточная стенка вегетативной клетки.

В отличие от эндоспор, образующихся внутри материнской клетки и окруженных двумя элементарными мембранами, экзоспоры бактерий из рода Methylosinus и Rhodomicrobium формируются в результате отпочкования от одного из полюсов материнской клетки. Образование экзоспор сопровождается уплотнением и утолщением клеточной стенки. У экзоспор отсутствуют дипиколиновая кислота и характерные для эндоспор структуры (кортекс, экзоспориум).

Споры бактерий

Во времена зарождения жизни на Земле, первыми ее обитателями были бактерии.

Чтобы пережить неблагоприятные погодные условия, засуху, отсутствие полезных веществ в окружающей среде, их защитной реакцией стала способность к спорообразованию.

В наше время, бактерии могут прижиться там, где больше не сможет выжить ни один организм.

Значение слова спора, в переводе с греческого означает «семя», «посев». Это, своего рода, «служащие» для расселения, хранители генетической информации бактериальной клетки.

Образования имеют овальную или округлую форму, зарождаются в сердцевине бактерий на определенном этапе их существования, как правило, в негативной среде обитания.

При наличии многослойной защитной оболочки, споры имеют особую устойчивость к физическим и химическим реакциям, а также тенденцию сохраняться на десятки и даже сотни лет.

Особенности спор бактерий

В процессе спорообразования на спорах вырастают «колпачки» конусовидной или серповидной формы. Их строение похоже на «ячейки», что помогает им сохранить плавучесть в воде.

В состоянии спор, бактерии переносят колоссальные химические и термические нагрузки. Некоторые из них могут выдержать многочасовое кипячение.

Бактерии, в виде спор, гораздо эффективнее распространяются, так как клетка в обезвоженном состоянии имеет наименьшую массу.

Споры могут иметь разную форму: одни — шаровидную, другие — овальную. Часто диаметр превышает плотность клетки, вследствие чего она деформируется, происходит «вздутие». Эти особенности используют при лабораторных бактериологических исследованиях.

Бактерии, образующие споры

Всего два вида бактерий, патогенных для человека, способны образовывать споры (спорангии) – это клостридии и бациллы.

Клостридии – относятся к грамположительному и анаэробному роду, образующих эндоспоры. Они насчитывают более 90 типов бактерий, каждая их которых — спорообразующая.

Это возбудители легочной и газовой гангрены. По их вине происходят осложнения после родов и абортов. Они являются частью флоры, желудочно-кишечного тракта, женских половых путей, реже обитают на коже и в полости рта.

Клостридии круглой формы, являются возбудителями столбняка. Овальная спора той же бактерии, является причиной развития ботулизма.

Бациллы – относятся к свободным, аэробным, палочковидным клеткам, формирующим эндоспоры. Количество бактерий этого рода, сводится к более 200 видам.

Размножение происходит путем поперечного деления клеток. Является возбудителем некоторых болезней у животных и человека, а именно сибирской язвы.

Функции спор бактерий. Зачем бактериям споры

За счет спор, бактерии могут выполнять дыхательную и питательную функции. Их расселение во внешней среде происходит путем распространения в новые места.

Главная задача – уберечь генетический материал от неблагоприятных условий. В отличие от грибных и растительных спор, бактериальные не предназначены для размножения.

Споры для бактерий — важная часть их существования, благодаря которым сохраняется их жизненная и родовая функция.

Этапы спорообразования у бактерий

Спорообразование – это сверхзащитное свойство бактерий. С его помощью, они выживают в неблагоприятной обстановке. Этот процесс довольно длительный, на протяжении суток от 18 до 20 часов. Состоит из 4 основных этапов.

Подготовительный этап – к моменту спорообразования целостность ДНК снижается, клетки перестают делиться. Накапливается обильное количество резервного питательного материала, собирающегося в гранулы.

Клетки становятся больше в размерах, похожими на лимон или барабанную палочку. Иногда они сохраняются в обычной палочковидной форме.

К противоположным сторонам клетки, отходит вновь образовавшийся нуклеоид. Вокруг него формируется спорогенный участок. Это часть цитоплазмы, лишенная свободной влаги.

Возникновение проспоры (предспоры). В одной из точек клетки происходит процесс, в котором участвуют мезосомы. За счет спаивания мембран образуется септа. Она дает начало оболочке споры. Именно в этот момент совершается необратимый этап споруляции.

Образование кортекса – происходит благодаря возникновению пленки между внешней и внутренней мембраной проспоры, состоящей из молекул пептидогликана. Кортекс играет предохранительную функцию сердцевины от разрушающих ферментов.

Стадия созревания. Со стороны наружной мембраны образуется внешняя толстая оболочка споры, которая состоит из липидов, дипиколиновой кислоты и кальциевой соли.

Спора покрывается экзоспориумом и на завершающей стадии процесса, после активизации литических ферментов, происходит полное отмирание материнской вегетативной клетки.

В результате чего взрослая спора, покрытая твердой слабопроницаемой, многослойной оболочкой, оказывается во внешней среде.

Характеристика спор бактерий

Жизнедеятельность в спорах бактерий почти не действует, о чем говорит наличие густой цитоплазмы в малом количестве. Процент влаги в ней снижен на 50%. Зато в большом составе магний и катионы кальция.

Достаточно много белка цистеина и аминокислот. Обмен веществ, практически не происходит. Устойчивая жизнеспособность. Толстый слой оболочки, которым покрыта спора, защищает её от негативного воздействия внешней среды.

Споры содержат ДНК бактерий. Попадая в благоприятные для себя условия, они прорастают и образуют полнофункциональную клетку.

Устойчивость спор бактерий

Споры могут сохраняться в окружающей среде сотнями лет. У них стойкая резистентность к нагреванию, высыханию, радиации и к различным химическим веществам. Могут удерживать кипячение на протяжении нескольких часов.

Они погибают от открытого огня или автоклавирования при 121 – 125 градусов по Цельсию на протяжении 15-30 минут. Крайне устойчивые к перепадам температур, высоким концентрациям кислот, дезинфицирующим веществам.

Губительным фактором для бактериальных спор, впрочем, как и для всех микробов, является ультрафиолет. Под его излучением микроорганизмы быстро погибают, поэтому его принято считать лучшим средством для дезинфекции.

Способность спор патогенных бактерий к устойчивости в окружающей среде, становится причиной развития тяжелых инфекционных заболеваний.

Виды спор бактерий

Прокариоты принадлежат к типу простейших, образующих виды покоящихся форм. Такое название формы приобрели из-за заниженной энергии и обмена веществ, в стадии развития микробов. К некоторым из них относятся: миксоспоры, цисты и акиенты.

Все покоящиеся формы отличаются предельно низким уровнем метаболических процессов.

Цисты – имеют овальную форму средних размеров, покрытую толстым слоем слизи. Они устойчивы к термодинамике и засушливости.

Их функция заключается в защите популяций от негативного воздействия и в сохранении ДНК. Цисты прорастают под влиянием благоприятных внешних условий.

Миксоспоры – формируются путем преобразования целой клетки, как правило, имеют овальную утолщенную форму с плотной цитоплазмой.

Акиенты – относятся к нитчатым цианобактериям. Образуются при низких температурах, засухе и повышенном содержании глутамина.

Форма и признаки спор бактерий

К формам прокариот, относятся эндоспоры и экзоспоры. В основном бактерии формируют эндоспоры, которые относятся к палочковидным микроорганизмам.

« Эндо» — означает «внутри». Когда споры созревают, происходит изменение клеточной мембраны, при этом внутри бактерии зарождается будущая спора, куда и попадает ДНК. В этой зоне образуется плотная прослойка коры для ее защиты.

Эндоспоры у палочковидных бактерий образуются в различных местах клетки: в центре, у края и ближе к концу.

Также существует тип бактерий, который формируют экзоспоры. « Экзо» — в переводе значит «вовне». Процесс происходит путем созревания специальных клеточных почек. Как только почки покроются плотной оболочкой, они трансформируются и отсоединяются.

В определенный момент спорообразования, на некоторых спорах образуются наросты. Они разнообразны и специфичны. Это наследственно закрепленный и постоянный признак для каждой бактерии. Наросты состоят из белка. Их функциональная задача по сей день изучается специалистами.

Расположение спор бактерий

Один из таксономических признаков бактерий — это их расположение. Оно может быть центральным, субтерминальным и терминальным. У единичных видов спорообразующих, диаметр спор превышает клеточный поперечник.

Расположение споры ближе к концу клетки, придает бактерии форму веретена. У некоторых, например, у клостридий, споры располагаются терминально, и имеют вид теннисных ракеток.

Прорастание спор бактерий

Действие происходит в три этапа.

Активация – в этот момент спора готова прорастать, хоть она еще обладает термоустойчивостью и способностью к светопреломлению. Сам процесс зависит от повышения температуры, чем выше, тем быстрее происходит активация.

Инициация – необратимый процесс, длящийся в течение нескольких минут. Спора, уже не устойчива к нагреванию и теряет способность к светорассеиванию.

Вырастание – это процесс интенсивного роста, во время которого происходит синтез РНК с белком. Прорастая, спора проходит через лизис оболочки. Разрыв в произвольном месте предполагает выход вегетативной клетки, которая снабжена жгутиковым аппаратом у подвижных клеток.

Смысл в том, что вегетативная клетка может размножаться. Спора нет. Сам процесс занимает от 2 до 4 часов. После предварительной специальной обработки, количество проросших спор прибавляется. У продолговатых форм отмечается специфический тип прорастания.

Самый распространенный из них — полярный и экваториальный. Косое прорастание встречается крайне редко. Чтобы успешно различать виды спороносных бактерий, нужно обратить внимание на культуральные особенности в питательной среде.

Чем отличается свободная бактерия от споры

Она более устойчива к неблагоприятным факторам. Защитная оболочка споры имеет наибольшую плотность по сравнению с бактериальной.
При недостатке влаги споры могут сокращать количество органоидов и почти уничтожить цитоплазму.
Спора не нуждается в питании, она размножается в благоприятных для себя условиях.
Если бактерии имеют тенденцию собираться в многоклеточные микроорганизмы, то спора почти всегда состоит из одной клетки.
Спора питается веществами — автотрофно, а свободная бактерия — гетеротрофно.

Размер спор бактерий — варьируется от 0.1 до 5 мкм. Те, что крупнее, обычно видимые под микроскопом, размножаются делением клеток. Виды, которые превышают ширину клетки, называются плектридиальными или клостридиальными, в зависимости от месторасположения споры. В бациллярной клетке, спора диаметр не превышает.

Стадия активации споры

Спора может сохраняться годами до наступления благоприятных условий, которые её активируют, для освобождения вегетативной клетки. Благоприятными условиями, например, могут быть прогревания, повышение влажности, различные химические взаимодействия.

Под воздействием аутолиза, происходит растворение кортекса: поглощение воды и набухание. Спора как будто сдувается. При этом она затрачивает много энергии на дыхание, выделение ферментов, аминокислот и пептидов.

В этот промежуток времени спора перестает быть терморезистентной. Так происходит стадия активации.

Окрашивание спор бактерий

При исследовании, споры различают по светопреломлению. Из-за устойчивости к кислой среде, их процесс окрашивания затруднен. Объясняется это высоким содержанием липидов и плотностью оболочки.

Поэтому к ним применяют усиленные методы окраски: химические вещества, которые меняют структуру защитной пленки. В основном, окрашивание происходит по методу Пешкова и Циля-Нельсона.

Споры в жизни бактерий

Это абсолютно уникальное явление. Споры помогают бактерии выживать и сохраняться в отрицательных условиях внешней среды. Они играют важную роль в идентификации бактерий и образовании лидирующей клетки.

Эндоспоры

Эндоспо́ры — покоящиеся, в основном неспособные к размножению формы (некоторые Anaerobacter способны к образованию 7 эндоспор из одной клетки и могут размножаться с их помощью), образуемые некоторыми (исключительно грамположительными [1] ) бактериями типа Firmicute [2] . Эндоспоры образуются в результате впячивания внутрь клетки части её собственной цитоплазмы. Образование эндоспор запускается при недостатке питательных веществ с целью пережить неблагоприятный период. Когда условия среды улучшаются, спора прорастает, возвращаясь к состоянию вегетативной клетки. Эндоспоры могут сохраняться очень долго, возможно, до 1000 лет при нормальных условиях (были описаны случаи прорастания спор, возраст которых насчитывает несколько миллионов лет [3] ). Однако при 100°С 90% эндоспор гибнут через 11 минут; 99% спор актиномицетов гибнет при 75°С через 70 минут, при высушивании они сохраняют жизнеспособность до 15 лет [4] .

Содержание

Как писалось выше, при неблагоприятных условиях внутри материнской клетки (спорангия) образуется эндоспора, причём в каждой материнской клетке формируется одна спора (описана анаэробная бактерия, образующая в клетке до 3—5 эндоспор [1] ). Процесс спорообразования продолжается 5—13 часов [5] .

Спорообразование идёт с затратой питательных веществ. В начале спорообразования в клетке падает содержание глюкозы и поли-β-оксимасляной кислоты, синтезируется дипиколиновая кислота (она отсутствует в нормальной вегетативной клетке), накапливаются ионы Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ и К + [5] .

Процесс спорообразования протекает в несколько этапов:

Цитолемма инвагинируется, быстро углубляясь, так что клетка оказывается разделённой на две части: меньшую, содержащую часть генетического материала (будущая спора), и большую.
Отделённая часть покрывается цитолеммой материнской клетки. В итоге формируется проспора с двумя плазматическими мембранами.
Между плазматическими мембранами проспоры синтезируется кора (кортекс) из пептидогликана, а за счёт материнской клетки формируются споровые оболочки: полипептидная наружная оболочка и экзоспорий, состоящий из белков и липидов.
Материнская клетка разрушается, спора освобождается [6] .

Этапы образования споры до стадии проспоры обратимы, после этого этапа процесс спорообразования уже становится необратимым. Установлено, что если добавить к спорулирующей культуре антибиотик хлорамфеникол, то обрастание отделённого участка цитоплазмой материнской клетки останавливается, и вместо спорообразования происходит обычное клеточное деление [1] .

Эндоспора представляет собой округлую или овальную термостабильную, сильно преломляющую свет структуру. Эндоспоры не окрашиваются по Граму и другими стандартными методами. Если размягчить оболочку споры окраской по Ожешке, то в дальнейшем спора будет доступна для окрашивания по Цилю-Нильсену [5] .

Как писалось выше, в споре накапливаются дипиколиновая кислота и ионы кальция, а также ионы Mg 2+ , Mn 2+ и К + . Белки эндоспор, в отличие от белков вегетативных клеток, богаты цистеином и гидрофобными аминокислотами, с чем связывают устойчивость спор к действию неблагоприятных факторов: высокой температуры, радиации, ультрафиолетовых лучей, химических агентов [1] .

Содержание ДНК в споре ниже, чем в исходной вегетативной клетке, поскольку в спору переходит только часть генетического материала исходной клетки. Генетический материал поступает в спору в виде до конца реплицированных молекул ДНК. У некоторых видов споры содержат по 2 или 3 копии ДНК. Содержание РНК в спорах ниже, чем в вегетативных клетках [1] .

Различное расположение эндоспор в материнской клетке. 1, 4 — центральное; 2, 3, 5 — терминальное; 6 — латеральное.

Расположение незрелых эндоспор внутри бактериальной клетки является важным показателем для идентификации различных видов бактерий. Существует 3 основных типа расположения эндоспор:

терминальное;
концевое:
центральное.

Изредка встречается также латеральное расположение эндоспор.

Примером бактерии с терминальными эндоспорами является Clostridium tetani, возбудитель столбняка. Центрально расположенные эндоспоры имеет бактерия Bacillus cereus, а концевые — Bacillus subtilis.

Прорастание споры включает в себя 3 этапа:

активация;
инициация;
собственно прорастание [5] .

Прорастание споры активируется при прогревании. Его также активируют глюкоза и другие углеводы, многие аминокислоты (в первую очередь L-аланин), а также некоторые ионы [5] .

За активацией следует инициация прорастания, в ходе которой происходит гидратация споры, активация ферментных систем и дыхания, удаление ионов кальция и дипиколиновой кислоты. После этого следует собственно прорастание, при котором из споры вырастает ростовая трубка, которая разрывает оболочку [5] .

Прорастание споры сопровождается рядом структурных, химических и иных изменений, которые приведены в нижеследующей таблице [5] :

Зрелая спора	Прорастающая спора
Репрессия генома	Дерепрессия генома
Образования дипиколиновой кислоты	Удаление дипиколиновой кислоты
Увеличение содержания Ca 2+	Удаление Ca 2+
Метаболизм почти отсутствует	Мобилизация метаболизма
Есть кортекс	Разрушение кортекса
Мало свободной воды в цитоплазме	Увеличение содержания свободной воды в цитоплазме
Высокий показатель преломления света	Уменьшение показателя преломления света
Высокая устойчивость к вредному излучению, химическим веществам	Высокая чувствительность к вредному излучению, химическим веществам
Термостабильность	Термолабильность
Длительная жизнеспособность (сотни лет)	Короткая жизнеспособность

Примерами бактерий, формирующих эндоспоры, являются:

Так как образование эндоспоры является упрощённой моделью клеточной дифференцировки, молекулярные аспекты этого процесса были детально изучены, особенно у модельного организма Bacillus subtilis. Благодаря этим исследованиям было получено немало нового для нашего понимания процесса экспрессии генов, транскрипционных факторов, сигма-фактора субъединиц РНК-полимеразы.

Эндоспоры возбудителя сибирской язвы Bacillus anthracis были использованы в атаках сибирской язвой в 2001 году. Порошок, найденный в заражённых почтовых конвертах, содержал зрелые споры возбудителя сибирской язвы. Вдыхание, глотание или попадание на кожу этого порошка повлекло за собой ряд смертей.

Эндоспоры Geobacillus stearothermophilus применяются в роли биологического индикатора, когда в автоклавах проводят стерилизационные процедуры.

Споры Bacillus subtilis нашли своё применение в биотехнологии, микробиологии и медицине (сфера вакцинации) как средство для получения рекомбинантных белков [7] .

Строение эндоспор. Спорообразование.

Эндоспоры бактерий – особый тип покоящихся клеток, в основном грамположительных бактерий. Эндоспоры формируются эндогенно, т. е. внутри материнской клетки, которая называется спорангием. Бактериальная эндоспора характеризуется повышенной резистентностью к нагреванию, действию уль-

трафиолетовых лучей, антибиотиков и других факторов.

К спорообразующим бактериям относится большое число грамположительных видов из 15 родов. Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium. Бактерии рода Bacillus можно разделить на три группы: 1. Споры овальные, расположение их в материнской клетке центральное, растяжение клетки спорой не происходит.(B. subtilis, B. cereus, B. megaterium, B. anthracis, B. thuringiensis). 2. Споры овальные, имеющие толстую оболочку с выростами, расположение их в материнской клетке центральное. Они «растягивают» к-ки изнутри в ходе споруляции (B. polymyxa, B. stearothermophilus). 3. Споры сферические, расположение их в материнской клетке полярное. Эндоспоры «растягивают» клетку в ходе споруляции(B. pasteurii).

Процесс спорообразования энергозависим, поэтому от источника поступления энергии споруляцию разделяют на эндотрофную и экзотрофную. Эндотрофная споруляция осуществляется за счет внутреннего запаса энергии клетки и не нуждается в дополнительных веществах. В случае экзотроф-

ных процессов используется экзогенная энергия, поступающая извне. Способность к образованию спор детерминируется генами spo, бактерий Bacillus subtilis более 100.

Первый этап – подготовительный. В вегетативной клетке бактерий прекращаются ростовые процессы,

завершается репликация ДНК и распадается значительная часть белков материнской клетки, образуется специфич. для спор в-во – дипиколиновая к-та.(дипиколинат кальция - высокая терморезистентность).

Второй этап – формирование споры – начинается с особого неравного деления клетки. Цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки образует впячивание (инвагинацию) от периферии к ее центру и отделяет часть протопласта материнской клетки. В результате этот протопласт содержит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Образования клеточной стенки между обоими протопластами не происходит. Вместо этого протопласт будущей споры обрастает цитоплазматическая мембрана материнской клетки, а образующаяся структура носит название предспоры или проспоры.

Предспора расположена внутри материнской клетки и ограничена от нее двумя мембранами. Мембрана протопласта споры синтезирует снаружи от себя стенку зародышевой клетки (зародыша). Мембрана, происходящая от материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кору споры или кортекс. Кортекс состоит из многослойного муреина, но более кислого. Синтез-ся еще и наружная оболочка споры, которая в значительной степени представлена полипептидами. У большинства видов спорообразующих бактерий эндоспора заключена еще в один дополнительный наружный слой – экзоспориум, в состав которого входят белки, липиды, углеводы.

Третий этап – созревание споры. Спора приобретает характерную форму и занимает определенное положение в клетке. Диаметр споры может превышать или не превышать диаметр вегетативной клет-

ки. Форму веретена или теннисной ракетки. Споры в клетке могут располагаться центрально (например, у Bacillus megaterium), субтерминально (Clostridium botulinum) или терминально (Clostridium tetani).

Споры освобождаются при лизисе спорангия. При попадании в благопр. Усл. споры прорастают в вегет. Кл-ки. Прорастания начинается с поглощения воды и гидратации структур споры, сопровождающихся активацией ферментов и возрастанием дыхания. Литические ферменты разрушают многослойные покровы споры, в среду выделяются дипиколинат кальция, аминокислоты и пептиды. В месте разрыва оболочки споры образуется ростовая трубка новой вегетативной клетки. Прорастание спор можно индуцировать, подвергнув их прогреванию до 60–70С в или кратковременному кипячению (10 мин при 100С). Тепловой шок должен проводиться перед высевом спор, так как процесс активации обратим.

Экзоспоры возникают путем почкования материнской клетки (метанокисляющих бактерий). Цисты – это шарообразные толстостенные клетки, формирование которых характерно для бактерий рода Azotobacter. В цисту превращается вся вегетативная клетка. Миксоспоры образуются также путем превращения всей клетки. Формирование миксоспор характерно для бактерий рода Myxococcus.

Читайте также: