Образование спор у бактерий это способ выживания

Споруляция

Споруляция – это процесс образования бактериальной споры (эндоспоры), формирующейся внутри клетки [1] .

Споруляция – это сложный процесс дифференцировки бактериальной клетки под контролем комплекса специализированных генов – спорулонов [1] . Спорообразование характерный признак грамположительных бактерий. Спорообразующие палочки называются бациллами. Для грамотрицательных бактерий эквивалентным спорообразованию процессом является переход в некультивируемое состояние. В этой форме они так же способны длительное время сохраняться в неблагоприятной для развития окружающей среде [4] .

Содержание:

Характеристика процесса

Споруляция не является способом размножения бактерий, поскольку одна вегетативная бактериальная клетка формирует только одну спору. При прорастании споры не происходит увеличения числа бактерий [2] .

Переход бактерий к споруляции наблюдается: при истощении питательного субстрата, недостатке источников азота, фосфора, углерода, изменений кислотности, повышении температуры. Причин у споруляции может быть множество. Их объединяет одно название – факторы не благоприятные для развития данного вида бактерий [2] .

Споруляция – энергозависимый процесс. В зависимости от источника поступления различают:

• эндотрофную споруляцию – осуществляется за счет внутреннего запаса энергии;
• экзотрофную споруляцию – осуществляется за счет экзогенной энергии, то есть поступающей из вне [2] .

Длительность споруляции составляет 18–20 часов. Способность к образованию спор детерминируется генами spo (спорулоны), которых в бактериальных клеткам может быть множество. В частности, у бактерий Bacillus subtilis спорулонов насчитывают более 100. Каждый из spo-генов отвечает за определенные стадии споруляции [2] [3] .

Процесс спорообразования эндоспор делят на четыре этапа или стадии:

• подготовительный;
• предспора;
• образование оболочки;
• созревание споры [3] .

Схема процесса спорообразования:

1 – отделение протопласта от споры;

2,3,4 – преобразование предспоры;

5,6,7 – формирование споры [2] .

Первый этап споруляции – подготовительный

В ходе подготовительного этапа в вегетативной клетке бактерии происходят следующие преобразования:

• прекращаются ростовые процессы;
• завершается репликация ДНК;
• изменяется метаболизм – распадается значительная часть белков материнской клетки, образуется дипиколиновая кислота [2] .

Дипиколитовая кислота является специфическим для бактериальных спор веществом и в вегетативных клетках не встречается. Именно соединения дипиколитовой кислоты обеспечивают высокую терморезистентность спор [2] .

Второй этап споруляции – предспора

Второй этап начинается с особого неравного деления клетки. В ходе данного преобразования цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки бактерии образует инвагинацию (впячивание) от периферии к центру и отделяет часть протопласта материнской клетки. Данная часть протопласта содержит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Образование клеточной стенки между обеими частями протопласта в данном случае не происходит. Вместо этого протопласт будущей споры обрастает цитоплазматической мембраной материнской клетки. Образовавшаяся структура носит название – предспора или проспора [2] .

Третий этап споруляции – образование оболочки

В синтезе оболочки споры принимают участие две мембраны, ограничивающие предспору внутри материнской клетки [2] .

Мембрана протопласта проспоры синтезирует снаружи от себя стенку зародышевой клетки (зародыша) [2] .

Мембрана, происходящая от материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кору споры или кортекс, состоящий из многослойного муреина, более кислого, чем муреин клеточной стенки материнской клетки [2] .

Кроме котекса и стенки зародыша, синтезируется наружная оболочка споры, состоящая в значительной степени из полипептидов [2] .

Эндоспоры большинства видов бактерий формируют ещё один слой – экзоспориум. В его состав входят белки, липиды, углеводы [2] .

По мере формирования многослойных покровов предспора превращается в спору [2] .

Четвертый этап споруляции – созревание споры

В ходе четвертого этапа бактериальная спора приобретает характерную для вида форму и занимает определенное положение в клетке [2] .

Диаметр бактериальной споры может быть меньше или больше диаметра вегетативной клетки. В результате клетка с созревающей спорой может иметь форму веретена или тенистой ракетки [2] .

Созревающие споры могут располагаться в клетке различным образом:

• центрально – в центарльной части материнской клетки;
• субтерминально – приближенно к одному из концов клетки;
• терминально – в одном из концов бактериальной клетки [2] .

Четвертый этап споруляции заканчивается лизисом материнской клетки, которую в данном случае часто именуют «спорангий» [2] .

Источник

Эндоспоры как способ выживания бактерий

Споры бактерий

Споры бактерий — это совершенно удивительное явление. С ним связано большое количество неприятностей, с которыми сталкивается человечество на протяжении практически всей своей истории. Впервые это явление было открыто двумя микробиологами, один из которых принадлежит к числу основателей биологии как науки, и звали их Фердинанд Кон и Роберт Кох.

Фердинанд Кон был учителем Роберта Коха, они общались по поводу своих открытий, и по этой причине их статьи были опубликованы в одном и том же номере журнала. Мы можем считать их сооткрывателями.

Кон открыл споры у сенной палочки (Bacillus subtilis). А Роберт Кох занимался изучением жизненного цикла возбудителя сибирской язвы.

Это было чрезвычайно опасное и авантюристическое предприятие, поскольку в тот момент никакой микробиологической техники, в том числе техники безопасной работы с бактериями и культурами, не существовало.

Все это он создавал в процессе своего, как он считал, медицинского исследования, начатого с целью объяснить причину существования так называемых проклятых пастбищ — зеленых лугов, на которых вроде бы все в порядке, но овец, которых туда выгоняют, через некоторое время поражает сибирская язва.

«Проклятие» пастбищ могло существовать в течение определенного количества лет, даже если в течение этих лет овец, уж тем более сибиреязвенных, туда не выгоняли. Пытаясь разгадать загадку, Роберт Кох, уже имевший в руках выделенную им культуру возбудителей сибирской язвы, обратил внимание, что в старых культурах в клетках можно увидеть ярко светящиеся под микроскопом блестящие образования.

Светятся они не потому, что излучают свет, а потому, что его преломляют. Как он смог пронаблюдать, потом они превращаются в нормальные вегетативные клетки и могут вызвать заболевание. Это и были эндоспоры возбудителя сибирской язвы.

Споры возбудителя сибирской язвы относятся к числу наиболее устойчивых эндоспор бактерий.

Они могут переносить как минимум десятиминутное кипячение и сохраняться в почве до нескольких десятков лет. Хотя это экстремальные сроки, потому что за десятки лет их там останется немного, но какие-то могут выживать. Поэтому сибиреязвенные могильники сохраняют как режимный объект в течение очень длительного времени и не разрешают их использовать.

По этой же причине сибирская язва оказалась популярным агентом биологического оружия и биологического терроризма, поскольку, в отличие от живых культур, споры сибирской язвы достаточно легко сохраняются во внешней среде. Ими довольно просто снарядить какой-нибудь снаряд и прочие смертоносные изделия.

Помимо опасных возбудителей довольно много бактерий могут образовывать такие споры, и это создает проблемы, например, при сохранении консервированной продукции. Всем известна история с заболеванием, которое называется ботулизм и связано с тем, что в консервах выживает небольшое количество спор почвенной клостридии (Clostridium botulinum) — это опасный яд, токсин.

Сама по себе эта клостридия для человека неопасна, а вот ее белковый токсин вызывает тяжелейшее отравление. Но, помимо отравления, мы можем просто наблюдать порчу более-менее хорошо приготовленных консервов по этой же причине: не удалось до конца убить споры.

Чтобы это сделать, консервы, среды или инструментарий врачей обычно подвергают стерилизации паром под давлением: все-таки при температуре 120 °C и давлении в одну атмосферу, причем в условиях высокой влажности, споры выживать не могут.

Если нет возможности сделать это, есть некий трюк, придуманный Тиндалем, физиком конца XIX века.

Идея была очень простая: вы можете взять питательную среду — лабораторные среды или еду, — простерилизовать ее при умеренных температурах (например, прокипятить на водяной бане) и дать постоять в теплом месте несколько часов или ночь. За это время споры, почувствовав большое количество еды, начнут прорастать, и тогда можно будет их убить повторным кипячением.

Повторив это два или три раза, можно будет добиться полной стерильности вашего материала.

Как же это получается? Чтобы сделать настолько устойчивую, гиперустойчивую форму клеток, недостаточно усилий самой клетки, она не может замуровать себя настолько эффективно изнутри.

Дело даже не в том, что спора содержит несколько дополнительных оболочек по сравнению с обычной вегетативной клеткой, а в том, что ее внутреннее содержимое компактизировано, высушено и заполнено специальным веществом — кальциевой солью дипиколиновой кислоты, которая забирает на себя почти всю воду. То есть к концу формирования споры ее метаболизм должен фактически полностью остановиться.

За счет этого достигается сверхвысокая устойчивость, потому что большая часть повреждений — что от тепла, что от радиации — возникает не путем прямого повреждения биологических молекул, а так или иначе опосредовано водой.

Чтобы создать такую капсулу времени, спору, необходимо усилие другой живой клетки, поэтому этот процесс происходит не с двумя соседними клетками, например, в цепочке, а внутри, в цитоплазме пока еще живой материнской клетки, спорангии.

Процесс начинается как деление клетки, но несколько необычное, ассиметричное.

Клетка делится не посередине, как обычно, а примерно в соотношении один к трем. Четвертинка, которая таким образом отделяется, будет спорой — ее можно называть проспорой. Оставшаяся часть — это материнская клетка, спорангий. Это деление немного отличается по механике от стандартного клеточного деления.

Клетка строит новую цитоплазматическую мембрану, происходит впячивание мембраны, и в итоге она окончательно разделяется. Настоящие эндоспоры пока описаны только у грамположительных клеток. Внешняя оболочка у грамположительных клеток представляет собой один мощный слой муреина (пептидогликана), но внешней мембраны у них нет.

Это важно, потому что было бы непонятно, как ее потом поместить внутрь.

Клетка делится в отношении три к одному, и при этом в ней имеется две копии ДНК. Есть специальные механизмы, которые обеспечивают соответствие числа копий именно этому числу. Их должно быть ровно две, а не две с половиной или три. Они выстраиваются вдоль оси клетки длиной в виде тяжа.

Очевидно, что в проспору попадает примерно 30% одного из таких тяжей, то есть в ней пока нет полного комплекта ДНК.

С этого момента включается процесс различия в экспрессии генов в материнской клетке и в проспоре. С точки зрения формального определения это классические дифференцированные клетки. Они обладают разными паттернами экспрессии.

Значит, чтобы обеспечить разные паттерны экспрессии, клетки используют сигма-факторы — специальные субъединицы РНК-полимеразы, которые позволяют ей опознавать новые сигналы старта транскрипции. Стандартная РНК-полимераза со стандартным сигма-фактором считает началом транскрипции такую последовательность.

Если мы какому-то числу этих молекул дадим дополнительный фактор, заменим стандартный фактор на альтернативный, то они будут узнавать совсем другие гены. Добавив один белок, мы можем включить сразу очень много разных генов — эта стратегия используется. Происходит скоординированное переключение сигма-факторов. В результате клетки понимают, кто из них проспора, кто из них материнская клетка.

Специальный белок за счет энергии АТФ с усилием помещает одну полную копию ДНК в будущую проспору, и деление завершается.

Таким образом, внутри общей оболочки оказываются две клетки, окруженные мембранами. И дальше происходит совершенно фантастический процесс — поглощение.

Края мембраны материнской клетки начинают ползти вдоль оболочки, проходят между мембраной проспорой и оболочкой, полностью закрывают ее и поглощают. Окруженная мембраной проспора оказывается прямо внутри цитоплазмы материнской клетки.

Они начинают обмениваться сигналами, координируют свои усилия, поскольку существует несколько стадий работы по образованию споры: сначала необходимо включить одну сигма-субъединицу в материнской клетке, потом другую в проспоре.

Далее из проспоры следует сигнал, что все в порядке, и происходит переключение на следующую стадию.

В процессе этого строится несколько специальных дополнительных оболочек. Сама проспора окружается своим пептидогликаном — это будет будущая клеточная стенка клетки после прорастания. Поверх строится дополнительный слой, так называемый кортекс — это тоже пептидогликановый слой, но его химический состав немного отличается от стандартного. Дальше строятся мощные белковые оболочки.

Существует специальный, очень интересный процесс морфогенеза. Сначала откладываются одни белки, и они образуют место для присоединения других, поэтому получается такая многослойная оболочка. Иногда сверху добавляются разные декоративные структуры, порой образующие что-то, похожее на перья птиц. По-видимому, это нужно, чтобы споры прилипали к разным объектам среды.

Иногда на завершающих стадиях образуется огромный белковый кристалл. Часто этот кристалл бывает токсином. Например, у энтомопатогенных Bacillus thuringiensis при спорообразовании к спорам прикрепляется токсин, — видимо, в надежде, что если это мертвое насекомое съестся другим, то оно тоже имеет шанс стать мертвым и, соответственно, кормить собой бактерии, которые выросли из этих спор.

После полного завершения этого процесса материнская клетка лизируется, и это тоже управляемый процесс, апоптоз (программируемая клеточная смерть), необходимый для того, чтобы не мешать зрелой споре цепляться за объекты, вести себя так, как ей положено, а не быть запертой в погибшем спорангии.

На протяжении всего этого процесса — пока что-то еще происходит в самой проспоре, пока ее метаболизм не отключен окончательно — из материнской клетки туда поступают необходимые вещества через специальные питательные трубочки. Эти питательные трубочки сохраняются в составе зрелой споры и, по-видимому, необходимы для процесса прорастания.

Зрелая спора может покоиться много времени. Она замечательно переносит высушивание, нагревание. Ставились даже довольно смешные эксперименты по попытке уронить камень с орбиты с помощью геофизических ракет либо прикрепить специальную керамическую пластинку к спускаемому аппарату, чтобы посмотреть, можно ли транспортировать споры на метеоритах, тестируя гипотезу панспермии.

Оказалось, что если постараться, то это возможно.

Но когда эта множество раз высушенная, облученная, но все еще живая спора встречается с питательными веществами, она ухитряется почувствовать это с помощью специальных рецепторов, заложенных как механизмы замедленного действия в ее многочисленных стенках.

Если сигнал достаточно сильный, то спора включает программу прорастания, которая в какой-то момент становится необратимой. Отчасти на этом основана история с дробной стерилизацией. Даже если спора не проросла, она может набухнуть водой, но не может снова стать спорой — ей необходимо сначала вырасти в клетку.

Первое, что она делает, — начинает выпускать из себя кальциевую соль дипиколиновой кислоты, чтобы можно было поглотить воду и запустить макромолекулярные синтезы. Интересно, что кальций ДПК тоже является сигналом, индуцирующим прорастание спор. Видимо, это нужно, чтобы, если много спор лежит в одном месте, они начинали прорастать одновременно и чтобы получилось сразу много вегетативных клеток. С помощью специальных ферментов разбираются клеточные оболочки, и с одного из концов споровые оболочки, за исключением внутренней пептидогликановой оболочки, которая лежит поверх мембраны, лопаются. Спора имеет шарообразную форму, а клетка — более вытянутую. Она начинает вырастать из споры, как из яйца, от которого отваливается крышечка. Обычно конец, из которого она вырастает, — это тот конец, который во время образования споры был направлен к центру материнской клетки.

Этот процесс совершенно завораживающий, и он является предметом активного изучения в течение многих лет. Сейчас известно очень большое количество подробностей о том, как это происходит. Они различаются у разных бактерий. По-видимому, весь этот процесс когда-то в древности имел общее происхождение, поскольку некие ключевые моменты системы, с помощью которой клетка принимает решение, делать ей спору или пока еще не стоит, у разных клеток общие. Прежде чем сделать спору, клетка должна подумать, можно ли справиться, например, с голоданием как-то иначе: сделать жгутик и уплыть, съесть окружающие клетки. Каннибализм у бацилл — это действительно некоторая мера, предшествующая спорообразованию. Если сигнал совсем сильный, она включается и начинает делать спору.

Детали (например, устройство внешних споровых покровов) могут кардинально различаться. Поэтому разнообразие молекулярных механизмов и красивых структур, которые можно увидеть в этом процессе, очень велико. Как и в любом другом процессе развития, здесь есть много взаимосвязей. Допустим, сеть регуляторных сигналов, которые могут быть избыточны по отношению друг к другу, на самом деле имеет достаточно консервативную общую канву. Таким загадочным образом некоторые грамположительные бактерии переносят экстремально неблагоприятные для себя условия.

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.

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 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).

Ссылки:

Microbiology

К образованию
эндоспор способна только небольшая группа бактерий. Огромное значение эндоспор
связано с их термоустойчивостью.

В то время как почти все остальные бактерии, а
также вегетативные клетки спорообразующих видов гибнут при 80°С (при температуре
пастеризации) через 10 мин, терморезистентные эндоспоры переносят
значительно более сильный нагрев; некоторые споры выдерживают даже кипячение на
протяжении многих часов.

Трудоемкая и дорогостоящая техника сте­рилизации
(обеззараживания) рассчитана на уничтожение эндоспор. С другой стороны,
терморезистентность спор предоставляет своеобразную возможность избирательного
обогащения культур спорообразующих 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.

Классификация
бактерий, образующих эндоспоры. Спорообразующие виды, за одним
исключением, относятся к палочковидным грам-положительным бактериям.
Большинство из них подвижно благодаря перитрихально расположенным жгутикам.
Бактерии, принадлежащие к роду Bacillus, – строгие аэробы или
факультативные анаэробы.

Роды Clostridium и Desulfotomaculum объединяют
анаэробные бактерии, способные к образованию спор. Клостридии получают энергию
за счет брожения; виды Desulfotomaculum способны получать энергию
путем анаэробного дыхания, используя сульфат в качестве акцептора электронов.

Sporolactobacillus принадлежит
к числу молочнокислых бактерий. Sporosarcina имеет сферические
клетки, но по своим физиологическим признакам относится к бациллам. Содержание
GC в ДНК клеток, способных образовать споры, удивительно низко; клостридии, у
которых ДНК содержит от 22 до 27 мол.

% GC, оказываются в конце списка
прокариот, расположенных в порядке убывания этого показателя.

Выявление
эндоспор. При микроскопическом исследовании споры видны благодаря
своему высокому показателю преломления – такому же, как у обезвоженного белка;
это указывает на то, что в спорах большое количество богатого белком материала
сконцентрировано в малом объеме. Спора содержит почти все сухое вещество
материнской клетки, но занимает в 10 раз меньший объем.

В сомнительных случаях
вопрос о том, имеются ли в клетках истинные эндоспоры, можно решить с помощью
специального окрашивания.

Если препарат бактерий, фиксированный нагреванием,
прокипятить с карболовым раствором фуксина, то споры прочно связывают краситель
и не обесцвечиваются даже при обработке этанолом или 1 М уксусной кислотой, тогда
как остальное содержимое клетки при этом становится бесцветным.

Спорообразование (споруляция).
Споры образуются внутри бактериальной клетки. Этот процесс начинается с
накопления белкового материала, поэтому показатель преломления в месте
образования споры возрастает.

Происходящие при этом метаболические превращения
сопровождаются расходованием запасных веществ (поли-3-гидроксимасляной кислоты
у аэробов и полисахаридов у анаэробов). В течение первых пяти часов
спорообразования значительная часть белков материнской клетки распадается.

При
этом образуется специфичное для спор вещество – дипиколиновая
(пиридин-2,6-дикарбоновая) кислота. В вегетативных клетках эта кислота не
встречается.

В ходе синтеза дипиколиновой кислоты происходит поглощение ионов
кальция; в зрелых спорах эта кислота находится, по-видимому, в виде хелата с
кальцием и может составлять 10-15% сухого вещества спор. Дипиколиновая кислота
локализована в протопласте споры и имеется только в терморезистентных
эндоспорах (рис. 2.45, 2.46).

Спорообразование
– один из сложнейших процессов дифференцировки бактериальной клетки. Оно
начинается с особого неравного деления клетки (рис. 2.45). В
результате впячивания плазматической мембраны часть протопласта отшнуровывается
от материнской клетки. Этот протопласт содержит часть ядерного материала – один
геном.

Образования клеточной стенки между обоими протопластами (как при обычном
делении) здесь не происходит. Вместо этого протопласт будущей споры окружается,
как бы обрастает, плазматической мембраной материнской клетки. В результате
вокруг него оказываются две плазматические мембраны, и каждая из них участвует
в синтезе стенки споры.

Мембрана протопласта споры синтезирует снаружи от себя
стенку зародышевой клетки, а мембрана, происходящая от материнской клетки,
синтезирует вовнутрь кору споры (кортекс). Последняя состоит из многослойного
пептидогликанового остова, который отличается от каркаса стенок вегетативных
клеток помимо прочего степенью сшивки.

Наружную оболочку споры образует
материнская клетка; эта оболочка в значительной ча­сти состоит из полипептидов.
Материнская же клетка образует еще один дополнительный тонкий полипептидный
покров – экзоспорий; он имеется только у немногих бактерий
(например, у Bacillus cereus) и окружает спору в виде
свободного чехла.

Ввиду такой многослойности покровов не покажется
удивительным, что на долю оболочки приходится около половины объема и
соответственно сухой массы зрелой споры.

Индукция
спорообразования. Споры отнюдь не являются обязательной стадией
жизненного цикла бацилл; при благоприятных условиях питания бациллы могут
неограниченное время размножаться делением как вегетативные клетки.

Образование
спор начинается лишь тогда, когда не хватает питательных веществ или когда в
избытке накапливаются продукты обмена. Иными словами, оно происходит лишь в тех
случаях, когда этому способствуют общие условия. Высыхание не стимулирует споруляцию.

Если поместить вегетативные клетки в дистиллированную воду, можно наблюдать
«эндотрофную споруляцию», т.е. образование спор за счет накопленных внутри
клеток запасных веществ. В таких случаях образование спор, очевидно, вызывается
недостатком экзогенного субстрата. Индукция спорообразования осуществляется в
течение не скольких часов.

Если, например, к суспензии вегетативных клеток Bacillus cereus var. mycoides в
первые 5 ч после помещения клеток в воду добавить глюкозу, то образование спор
прекратится – добавление субстрата подавляет споруляцию. Глюкоза, добавленная
позднее чем через 6 ч, менее действенна: подавление спорообразования не
происходит.

Индукция (дерепрессия) спорообразования продолжается, и через 10-13
ч после переноса клеток в воду около 90% их образует споры. Следовательно,
споруляция регулируется внешними факторами.

Число клеток,
образующих споры, во многих случаях возрастает после добавления к среде солей
марганца.

Способность
образовывать эндоспоры постепенно утрачивается при многократных пересевах
вегетативных клеток. Поскольку суспензии спорообразующих микроорганизмов обычно
содержат и споры, и вегетативные клетки, перед каждым пересевом культуру, как
правило, подвергают кратковременному кипячению. Это способствует сохранению или
повышению способности клеток образовывать споры.

Свойства
зрелых спор. Споры освобождаются при автолизе материнских клеток.
Зрелые споры не проявляют никакой метаболической активности. Они чрезвычайно
устойчивы к воздействию высокой температуры, разного рода излучений и
химических агентов.

Терморезистентность обусловлена очень низким содержанием
воды. В спорах Bacillus megaterium всего лишь около 15%
воды, т.е. примерно столько же, сколько в шерсти или сухом казеине.
Лиофилизированные вегетативные клетки бактерий тоже очень термостойки.

Терморезистентность спор приблизительно пропорциональна содержанию в них
дипиколиновой кислоты.

Радиорезистентность
спор также выше, чем у вегетативных клеток. Она примерно пропорциональна
содержанию дисульфидных групп в наружном слое белка. Оболочка споры содержит
главным образом белок, богатый цистеином и напоминающий кератин. Химическая же
устойчивость эндоспор обусловлена непроницаемостью их оболочки для многих
веществ.

Прорастание
спор. Вподходящих
средах большинство спор прорастает. Соответствующая предварительная обработка,
определенные условия хранения и прогрев могут повысить «всхожесть» спор – увеличить
процент прорастания.

В случае Bacillus subtilis оптимальными
условия ми для стимуляции прорастания спор считают семидневный период покоя и
пятиминутный прогрев в воде при 60°С. Другие споры могут быть активированы
кратковременным кипячением (10 мин при 100°С). Обработка тепловым шоком должна
проводиться непосредственно перед высевом спор, так как процесс активации
обратим.

Прорастанию спор предшествует поглощение ими воды и набухание. Для
прорастания активированных спор в ряде случаев необходимо присутствие глюкозы,
аминокислот, нуклеозидов или других соединений.

В ходе прорастания спор
происходят глубокие физиологические изменения: дыхание и ферментативная
активность быстро возрастают; начинается выделение аминокислот, дипиколиновой
кислоты и пептидов. При прорастании спор потеря сухого вещества достигает
25-30%. Во время прорастания споры теряют свою термоустойчивость.

Выходящая из
споры ростовая трубка бывает окружена очень тонкой и, видимо, неполностью
сформированной клеточной стенкой, так что в протопласт может, например,
проникать даже ДНК. Ростовая трубка может образоваться как в полярном, так и
латеральном положении; в одних случаях оболочка споры при этом разрывается, в
других ростовая трубка прокалывает ее (рис. 2.47).

Продолжительность
жизни спор. Бактерии в виде спор могут дли тельное время находиться в
состоянии анабиоза. В земле, которая прилипла к растениям из гербария Кью
Гарденс (Англия) и пролежала вместе с ними в сухом состоянии от 200 до 320 лет,
было обнаружено лишь небольшое количество жизнеспособных спор Bacillus subtilis и В.

liche-niformis. В
пробах почвы, хранившихся от 50 до 100 лет, были также об­наружены споры В. coagulans и В. circulans. По
данным такого рода экспериментов, в сухой почве за 50 лет хранения до 90% спор
теряет жизнеспособность. Судя по этому, одна тонна сухой почвы и через 1000 лет
все еще будет содержать жизнеспособные споры.

В сухом
состоянии многие бактерии (если не большинство из них) на протяжении ряда лет
сохраняют жизнеспособность. Для консервации бактерий в коллекциях
вегетативные клетки подвергают, как правило, лиофильной сушке и хранят при
комнатной температуре или при низких температурах в вакууме.

Как рассчитал еще
Беккерель, микроорганизмы при температуре, близкой к абсолютному нулю, могут
оставаться жизнеспособными на протяжении миллионов лет. Кратковременные опыты с
жидким азотом и экстраполяция их результатов позволяют заключить, что такие
предположения вполне оправданны.

Бактерии, не переносящие лиофилизации,
выдерживают многолетнее хранение в суспензиях при температуре жидкого азота.

Другие
покоящиеся формы (цисты, экзоспоры, миксоспоры). Эндоспоры являются
длительно переживающими формами бактерий, устойчивыми к высокой температуре,
высыханию, облучению и химическим воздействиям. Помимо эндоспор у некоторых
других бактерий существуют иные покоящиеся формы – экзоспоры и цисты.

Образование экзоспор до сих пор наблюдалось только у метаболизирующих метан бактерий Methylosinus trichosporium. Экзоспоры
возникают путем почкования материнской клетки; они сходны по своим свойствам с
эндоспорами бацилл. Некоторые бактерии образуют шарообразные толсто­стенные
клетки, называемые цистами.

При истощении пищевых ресурсов в цисту превращается
вся палочковидная вегетативная клетка, а не только часть ее, как при
образовании эндоспоры. Цисты видов Azotobacter, а также Methylocystis устойчивы
к высушиванию, механическим нагрузкам и облучению, но не к действию высоких
температур.

Подобного рода превращение всей клетки в цисту лежит и в основе
образования миксоспор из палочковидных вегетативных клеток Myxococcus и Sporocytophaga.

Клетки Arthrobacter (A.
globiformis) плеоморфны. При обилии субстрата они растут в виде палочек; когда же
субстрат иссякает, появляются кокковидные клетки. Arthrobacter относится
к тем бактериям, которые способны некоторое время сохраняться в высохшей почве,
пре бывая в состоянии покоя; структурной дифференцировки в данном случае не
выявлено.

Биология для студентов – 13. Споры и спорообразование бактерий. Варианты покоящихся форм бактерий. Методы выявления

В процессе жизни микробов наблюдаются 2 стадии:

• вегетативная – размножающаяся и жизнедеятельная.
• покоящаяся – жизнеспособная, но не жизнедеятельная.

Особенности покоящейся стадии:

• Особенности физико-химического строения более толстая оболочка, меньшее содержание воды.
• Слабая проницаемость для различных химических веществ (устойчивость к
• Более высокая устойчивость к повреждающим факторам среды(к антибиотикам и др.)
• Пониженная способность к выделению БАВ.

Споры и спорообразование. Споры бактерий можно рассматривать как форму сохранения наследственной информации бактериальной клетки в неблагоприятных условиях внешней среды.

Способностью к спорообразованию обладает сравнительно небольшое число как патогенных, так и непатогенных бактерий.

К первым относятся бактерии родов Bacillus, Clostridium, ко вторым — сапрофитные представители упомянутых родов и некоторые кокки.

Процесс спорообразования начинается с формирования спорогенной зоны внутри бактериальной клетки, представляющей собой уплотненный участок цитоплазмы с расположенным в нем нуклеоидом.

Затем происходит образование проспоры путем изолирования спорогенной зоны от остальной части цитоплазмы с помощью врастающей внутрь клетки ЦМ. Между внутренним и наружным слоями последней образуется кортекс, состоящий из особого пептидогликана.

В дальнейшем внешняя сторона мембраны покрывается плотной оболочкой, в состав которой входят белки, липиды и другие соединения, не встречающиеся у вегетативных клеток. К ним отно­сится дипиколиновая кислота, обусловливающая термоустойчивость споры и др.

Затем вегетативная часть клетки отмирает, и спора сохраняется во внешней среде в течение длительных сроков, измеряемых многими месяцами и годами.

Способность ряда патогенных бактерий образовывать длительно сохраняющиеся во внешней среде споры, обладающие высокой термоустойчивостью, обусловлена:

• низким содержанием воды,
• повышенной концентрацией кальция,
• структурой и химическим составом ее оболочки.

Чрезвычайно высокая устойчивость спор к физическим и химическим факторам имеет существенное эпидемиологическое значение, поскольку способствует сохранению источника инфекции и загрязнению окружающей среды.

Споры многих патогенных бактерий выдерживают кратковременное кипячение, устойчивы к действию небольших концентраций дезинфектантов. Загрязнение спорами патогенных бактерий поврежденных участков кожи может привести к возникновению раневой инфекции и столбняка.

В благоприятных условиях спора прорастает в вегетативную клетку. Спора набухает, что связано с увеличением в ней количества воды, активированием ферментов, участвующих в энергетическом и пластическом метаболизме.

Далее происходит разрушение оболочки споры и выход из нее ростовой трубки, после чего завершается синтез клеточной стенки и сформировавшаяся вегетативная клетка начинает делиться.

Прорастание споры происходит в течение 4-5 ч, в то время как образование спор продолжается до 18-20 ч.

Вместе с тем способность бактерий образовывать споры, различающиеся по форме размерам и локализации в клетке, является таксономическим признаком, который используется для их дифференцировки и идентификации.

Выявление эндоспор:

1. При обычных способах окраски споры не прокрашиваются и имеют вид неокрашенных пустот внутри окрасившихся вегетативных клеток, так как плотная оболочка спор непроницаема для воды. Споры видны благодаря своему высокому показателю преломления — такому же как у обезвоженного белка. Это указывает на содержание в спорах бактерий большого количества богатого белком материала, сконцентрированного в малом объеме. Спора содержит почти все сухое вещество материнской клетки, но занимает в 10 раз меньший объем.
2. Специальные методы окраски используют в сомнительных случаях. При этом используют протравы, которые разрыхляют оболочку споры и облегчают проникновение красителя. Окрасившиеся споры обладают кислотоустойчивостью в отличие от вегетативного тела микробной клетки, обесцечивающегося под действием кислоты. Окраска по Ожешко: на высушенный нефиксированный мазок (толстый, на краю стекла) наносят несколько капель 0,5 % HCl и подогревают 1–2 мин до закипания, остатки кислоты сливают; – остывший препарат промывают водой, подсушивают, фиксируют на пламени горелки; далее красят как по Цилю-Нильсену, для докрашивания можно использовать 1 % малахитовый зеленый. Окрасившиеся споры (рубиново-красные) обладают кислотоустойчивостью в отличие от вегетативных тел микробных клеток (синих или зеленых)
3. Фазово-контрастная микроскопия.
4. Электронная микроскопия.

Экзоспоры, в отличие от эндоспор, образуются вне бактериальной клетки и являются способом размножения у актиномицетов. На одну бактериальную клетку приходится не одна, а много спор. Экзоспоры менее устойчивы во внешней среде.

Спорообразование бактерий типы покоящихся клеток бактерий — эндоспоры

СПОРООБРАЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ Типы покоящихся клеток бактерий: – эндоспоры (гр. sporos – семя), – цисты, – экзоспоры Иоган Вольфганг Гете «Фауст» Мефистофель: «…все в мире так ведется, что в воздухе, воде и на сухом пути, в тепле и в холоде зародыш разовьется; один огонь еще, спасибо, остается, а то б убежища, ей-богу, не найти…»

СПОРОГЕНЕЗ Наблюдается в условиях, неблагоприятных для роста и размножения. Внешние факторы: – стимулирующие спорогенез, – противоспорогенные (пептон, лактоза, Na. Cl, Ca. Cl 2). По объему спора в 10 раз меньше материнской клетки. Бактериальная клетка, в которой формируются споры, – спорангий. Спорообразование начинается с прекращения роста клетки, изменяется направленность метаболических процессов; происходит перестройка белков, часть из них синтезируется заново, активируются ферменты ЦТК, расходуются запасные вещества. Эндоспорообразование кодирует группа генов – спорулон (у сенной палочки – 150 -200 споровых генов). Спорообразование начинается после завершения репликации хромосомы и в спору попадает одна или несколько реплицированных хромосом.

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 1 -я стадия: нуклеоид вегетативной клетки приобретает компактную палочковидную форму, снижается активность генома, транскрипции и трансляции вегетативных генов. Утрачивается связь ДНК с рибосомами и мембраной. Происходит перестройка белков. Синтезируются антибиотики: 1) эдеины – линейные основные пептиды, подавляющие синтез ДНК, 2) бацитрацины – циклические пептиды, подавляющие синтез клеточных стенок, 3) группа грамицидин-полимиксин-тироцидин, состоящая из линейных и циклических пептидов, влияющих на структурные и функциональные свойства мембран.

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 2 -я стадия: отделяется полярный нуклеоид. При инвагинации ЦПМ часть протопласта отделяется от материнской клетки, образуется споруляционная перегородка, создание которой связано с мезосомами. Затем споруляционная перегородка деформируется и превращается в одну из оболочек споры, появляется протопласт споры.

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 3 -я стадия: протопласт споры окружается протопластом материнской клетки, образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами: одной внутренней и одной внешней. Из материнской клетки в проспору поступают некоторые аминокислоты, дипиколиновая кислота (пиридин-2, 6 -дикарбоновая кислота), ионы кальция, образуется комплекс Са 2+ с дипиколиновой кислотой. На 2 -й и 3 -й стадиях начинают синтезироваться белки покровов споры.

ПРОСПОРЫ у Clostridium sp.

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 4 -я стадия: между двумя мембранами проспоры в 2 этапа образуется муреиновый слой : Вначале возникает зародышевый (примордиальный) слой, который после прорастания споры становится оболочкой проростка; затем над ним откладывается муреин, образующий толстый слой кортекса (или коры). Кортекс состоит из особого муреина, содержащего 3 субъединицы: – мурамовую, не содержащую аминокислоты, – аланиновую, содержащую только один остаток L-аланина, – тетрапептидную. Кортекс разных видов бактерий содержит практически одинаковые пептидогликаны. Проспора, выделенная на стадиях 3 и 4 из спорангия, нежизнеспособна.

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 5 -я стадия: образование покровов споры. На внешней стороне наружной мембраны проспоры со стороны полюса клетки образуется экзоспориум в виде незамкнутого мешка, В его составе белки, липиды, углеводы. Он бывает тонким и толстым, однослойным и многослойным, в нем формируются газовые пузырьки, разные придатки споры.

ПОКРОВЫ СПОРЫ Число и строение слоистых покровов у разных видов бактерий различно. Покровы споры обеспечивают её устойчивость к ферментам, ядам, органическим растворителям.

ПРИДАТКИ СПОРЫ Трубчатые, лентовидные, булавовидные, фибриллярные, волосковидные, древовидные. Химический их состав – белок (из 18 аминокислот), сходный с коллагеном, кератином и актином, полисахариды и липиды. У выростов некоторых бактерий – ферментативная активность. Выросты отвечают за контакт клеток в системе спорангий – спора, являются средством пространственной организации процессов в спорулирующей клетке, играют роль при прорастании споры, способствуют переносу спор током жидкости (подобно газовым колпачкам).

СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 6 -я стадия: заканчивается формирование споры, появляется термоустойчивость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, занимает соответствующее положение в клетке, затем происходит освобождение ее от остатков материнской клетки путем лизиса последней. Развитие споры определяется активностью двух геномов – материнского и проспоры.

СПОРООБРАЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ (в клетке одна эндоспора) Необязательный этап жизненного цикла Эндоспоры могут быть инфицирующей стадией организма

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭНДОСПОР Высокая термоустойчивость (споры Вас. cereus выдерживают кипячение в течение 2, 5 мин, В. subtilis – 3 ч, а В. tostus – 20 ч). Причины термоустойчивости: – наличие кальциевой соли дипиколиновой кислоты (4 -15 % массы споры), – малое содержание воды (на 20 -35 % меньше, чем в вегетативной клетке), – наличие многочисленных оболочек, – особенности организации кортекса. В споре много липидов, в 2 раза больше общего азота, чем в вегетативной клетке, много кальция, магния, но меньше фосфора и калия, мало свободных аминокислот, отсутствует гидрооксимасляная кислота. Споры, которые не прорастают, будучи помещенными в благоприятные условия, называются «дремлющими» .

ПРОРАСТАНИЕ СПОР (2 -3 ч) 1 -я стадия: активация прорастания (необратима). Основные свойства споры сохраняются. Под воздействием автолизинов происходит расщепление кортекса, поглощение воды и набухание. Спора увеличивается ( «вздутие» ). 2 -я стадия: инициация прорастания (необратима) (несколько минут). Снижается устойчивость споры к нагреванию, краскам, высушиванию. Выделяется до 30 % по массе веществ споры – ДПК-Са 2+, глюкозамин, диаминопимелиновая кислота, некоторые аминокислоты. Низкомолекулярные белки споры разрушаются специфической споровой протеазой. 3 -я стадия: собственно прорастание. Происходит активный синтез белка и РНК, репликация ДНК, лизис оболочек споры, их разрыв в одной любой точке споры и появление «ростка» новой клетки.

РАСПОЛОЖЕНИЕ СПОР В КЛЕТКЕ Бациллярное Клостридиальное Плектридиальное

БАКТЕРИИ, ОБРАЗУЮЩИЕ СПОРЫ Эндоспоры присущи бактериям с Г+ типом клеточной стенки, как исключение они встречаются и у Г– бактерий (Desulfotomaculum). Извитые, большинство палочек, кокки (за исключением Sporosarcina) эндоспор не образуют. Описано более 15 родов бактерий, образующих эндоспоры: Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Oscillospora и др. В природе значительно больше в количественном и видовом отношении неспорообразующих бактерий, чем спороносных.

ЭКЗОСПОРЫ Экзоспоры – мельче вегетативных клеток, угловатой формы, плохо окрашиваются красками, не содержат дипиколиновой кислоты, устойчивы к высушиванию, облучению УФ-лучами, не устойчивы к лизоциму, менее термоустойчивы, чем эндоспоры. Образуются некоторыми почкующимися фотосинтезирующими и метанолокисляющими бактериями.

ЦИСТЫ БАКТЕРИЙ Цисты (лат. cista – ящик) – округлые образования, содержащие цитоплазму с нуклеоидом (и гранулами ПОМ), окруженную ЦПМ и двумя оболочками – внутренней толстой и внешней многослойной. Возникают в старых культурах путем превращения всей бактериальной клетки в покоящуюся форму – цисту. В цистах много липидов. Цисты более устойчивы к высушиванию, механическим воздействиям, лизоциму, слабо резистентны к температуре. Цисты образуют некоторые метилотрофные бактерии, спирохеты, Аzotobacter, Bdellovibrio. Циста Bdellovibrio

ЦИСТОПОДОБНЫЕ РЕФРАКТЕРНЫЕ КЛЕТКИ Цистоподобные рефрактерные клетки при воздействии внеклеточных индукторов анабиоза образуются и у споробразующих (B. cereus) на фоне подавления спорообразования как его альтернатива, и у споронеобразующих (Micrococcus luteus, E. coli) бактерий как единственная покоящаяся форма. В этих клетках пониженная метаболическая активность (гипометаболизм) сопровождается развитием резистентности к экстремальным воздействиям. Особенности ультраструктуры: снижена плотность рибосом, мелкозернистость цитоплазмы, утолщенная слоистая клеточная стенка.

АКИНЕТЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Покоящиеся крупные клетки продолговатой или сферической формы с толстой пептидогликановой оболочкой, в которой больше липидов и полисахаридов, чем в вегетативных клетках, с уплотненным слизистым чехлом, менее оводненной цитоплазмой и гранулированным содержимым (гранулы гликогена, полифосфатов). В них больше ДНК, рибосом, но меньше фотосинтетических пигментов, поэтому в акинетах интенсивность фотосинтеза ниже, а дыхания – выше. Обладают повышенной устойчивостью к высушиванию, пониженным температурам.

ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ ПРОКАРИОТ А – миксоспоры миксобактерий; Б – цисты азотобактера; В – акинеты цианобактерий; Г – эндоспоры; 1 – нуклеоид; 2 – цитоплазма; 3 – ЦПМ; 4 -клеточная стенка; 5 – капсула; 6 – гранулы запасных веществ; 7 – внутренние покровы (интина); 8 – внешние покровы (экзина); 9 – тилакоиды ; 10 – чехол ; 11 – внутренняя мембрана споры; 12 – наружная мембрана споры; 13 – кортекс; 14 – покровы споры, состоящие из нескольких слоев; 15 – экзоспориум.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ МИКРООРГАНИЗМОВ или МЕТАБОЛИЗМ 2 взаимосвязанные системы реакций: 1) ассимиляция поступающих в клетку питательных веществ (реакции синтеза метаболитов) – конструктивный или пластический метаболизм или анаболизм; 2) диссимиляция (процесс образования энергии) – энергетический метаболизм или катаболизм.

ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Голофитный способ питания(гр. holos – полноценный) – питательные вещества проникают в их клетку через всю поверхность. Голозойный способ питания – осуществление внеклеточного переваривания. У прокариот разнообразие пищевых потребностей. Микроорганизмам нужны вода, углерод, азот, фосфор, сера и др. элементы в макро- и микродозах, а также некоторые органические соединения.

ВОДА В МИКРОБНОЙ КЛЕТКЕ Составляет около 80 -90 % массы микробных клеток, вода должна находиться в жидкой фазе. 1) Благодаря способности образовывать водородные связи с полярными группами различных соединений вода обеспечивает гидратацию различных клеточных компонентов. 2) Поддерживает определенное гидростатическое давление – тургор клетки. 3) В качестве химического реагента она вступает в реакции гидролиза. 4) Служит растворителем различных клеточных метаболитов. В отсутствие воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.

Источники углерода Питательная ценность источников углерода зависит от химической структуры органического вещества (длины углеродной цепочки, степени окисленности углеродных атомов). Самое окисленное производное углерода является СО 2, не содержит доступной для микроорганизмов энергии. Углеводороды и липиды нерастворимы в воде и с трудом проникают в клетки. Лучшие источники углерода для большинства микроорганизмов – органические соединения с частично окисленными атомами углерода: сахара, глицерин, маннит, лимонная, винная, молочная кислоты и др. Существенна близость химической структуры органического вещества к структуре входящих в состав микробной клетки соединений. Большинство бактерий усваивают сахара D-ряда, а аминокислоты L-ряда.

ТИПЫ ПИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Источник энергии Свет Окисляемый субстрат (донор водорода) Источник углерода органические соединения углекислота Органические соединения Фотоорганогетеротрофия Фотоорганоавтотрофия Неорганические соединения Фотолитогетеротрофия Фотолитоавтотрофия Органические соединения Хемоорганогетеротрофия Хемоорганоавтотрофия Неорганические соединения Хемолитогетеротрофия Хемолитоавтотрофия Бактерии могут при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой – миксотрофы

ИСТОЧНИКИ АЗОТА Аминоавтотрофы строят азотсодержащие компоненты из минеральных веществ либо из аминных групп, оторванных от органических субстанций. Наиболее доступный источник «N» для них – аммонийные соли. Свободный NH 3 мало доступен, поскольку создает в среде повышенную щелочность. Менее доступны нитраты, т. к. азот нитратов должен быть предварительно восстановлен до уровня NH 3. Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот. Степень усвояемости минеральных источников азота определяется тем, насколько легко от превращаются в NH 3. Аминогетеротрофы строят белки из готовых аминокислот, используя для этого сложные белки, пептоны или отдельные аминокислоты. Если источником азота служат белки, пептоны и аминокислоты, то источники углерода не нужны. При использовании минеральных источников азота присутствие углеродного сырья необходимо.

АЗОТНОЕ ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ Белки ↓ Пептиды ↓ Аминокислоты ↑ Нитраты ↑ Нитриты ↑ NН 3 ↑ Атмосферный азот

ЭЛЕМЕНТЫ ПИТАНИЯ БАКТЕРИЙ Макроэлементы, микроэлементы, факторы роста Микроорганизмы, неспособные синтезировать факторы роста, – ауксотрофы. Минимальной называется концентрация вещества, наличие которой клетка уже воспринимает. При максимальной концентрации еще возможен рост, но с минимальной скоростью, а с увеличением этой концентрации наступает задержка роста. Концентрация питательных веществ, обеспечивающая максимальную скорость роста микроорганизма – оптимальная

Поступление питательных веществ в клетки Высокомолекулярные соединения предварительно расщепляются на более простые с помощью экзоферментов – гидролаз. 1. 2. 3. 4. Простая, или пассивная, диффузия. Облегченная диффузия с участием пермеаз (англ. реrmeable – проницаемый). Активный транспорт. Перенос фосфорилированных соединений с участием трансферазной системы.

ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Олиготрофные бактерии могут расти только при низких концентрациях в среде органических веществ (обитатели водоемов). Из гетеротрофов наименее зависимы от окружающей среды виды, использующие всего лишь одно органическое соединение (Рseudomonas). Величина выросшей биомассы определяется концентрацией того из питательных веществ, которое находится в относительном минимуме Уплотнение клеток по мере роста также приводит к ухудшению условий питания. Количество питательных веществ, потребляемых единицей микробной биомассы за единицу времени, – физиологическую активность. Бактериальная клетка может переработать за сутки количество пищи, превышающее в 30 -40 раз собственную массу. Особенно много пищи поглощают анаэробные микроорганизмы.

ФЕРМЕНТЫ БАКТЕРИЙ (лат. fermentum – закваска, гр. enzyme – дрожжи, закваска) Ферменты снижают энергию активации, увеличивают скорость реакции, узнают субстрат по пространственному расположению молекулы и распределению в ней зарядов. За связывание с субстратом отвечает каталитический центр фермента. Ферменты: 1. Регуляторные (аллостерические), воспринимая различные метаболические сигналы, изменяют свою каталитическую активность. 2. Эффекторные

КЛАССЫ ЭФФЕКТОРНЫХ ФЕРМЕНТОВ 1. Оксидоредуктазы – перенос электронов: анаэробные (НАД) и аэробные (ФАД) дегидрогеназы, цитохромы, оксидазы, пероксидаза, каталаза. 2. Трансферазы – перенос различных группировок с одной молекулы на другую (транскетолазы, трансальдолазы, трансаминазы, коэнзим А). 3. Гидролазы расщепляют сложные соединения с присоединением воды (протеазы, липазы, амилазы). 4. Лиазы отщепляют определенные группировки от субстрата без участия воды, что приводит к образованию соединений с двойной связью (альдолаза). 5. Изомеразы – перенос групп внутри молекулы с образованием изомеров. 6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, обеспечивающие реакции синтеза за счет реакций конденсации. Ферменты могут функционировать независимо друг от друга или могут структурно объединяться в полиферментные комплексы.

ЭКЗОФЕРМЕНТЫ 1. Прочно связанными с поверхностью клетки 2. Ферменты, расположенные в периплазматическом пространстве, «запертые» между клеточной стенкой и ЦПМ – периплазматические (фосфатазы, катализирующие фосфорилирование некоторых субстратов). 3. Большинство экзоферментов осуществляют катализ вне клетки. Некоторые микроорганизмы могут сорбировать ферменты из окружающей среды. Микроорганизмы обладают определенным набором ферментов. Это наследственно закрепленный генетический признак. Ферменты, синтезирующиеся в клетке с постоянной скоростью независимо от наличия в среде субстрата, на который распространяется их действие, – конститутивные, им принадлежит основная роль в клеточном обмене. Индуцибельные ферменты синтезируются, если имеется субстрат.

Источник