Схема образования спор бактериями

Небольшая группа грамположительных бактерий образует устойчивые к неблагоприятным внешним воздействиям покоящиеся структуры, называемые эндоспорами (от лат. spora—семя, посев). Эндоспоры формируются внутри вегетативных клеток бактерий, принадлежащих к семейству Bacteriaceae (роды Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Sporosarcina) и некоторым родам актиномицетов. Все эти бактерии образуют толстую клеточную стенку, т. е. являются грамположительными.

Эндоспоры чрезвычайно устойчивы к таким факторам как нагревание, УФ-облучение, высушивание, действие химических веществ (дезинфектантов, растворителей). Некоторые эндоспоры остаются жизнеспособными в течение 500 лет (например, споры сибирской язвы в скотомогильниках), а споры актиномицетов — до 7500 лет, но совершенно уникальным является случай проращивания спор Bacillus cereus, обнаруженных в кишечнике пчелы, найденной в кусочке янтаря, возраст которого насчитывает 25-30 млн лет. Высокая резистентность спор и патогенность многих спорообразующих бактерий обусловливают важность разработки мер борьбы с ними, что является задачей в медицинской, пищевой и промышленной микробиологии.

Некоторые споры выдерживают кипячение более 1 ч, поэтому для стерилизации растворов и инструментов применяют автоклавирование при температуре стерилизации до 121 °С. Термоустойчивость спор, по-видимому, можно объяснить наличием соответствующих белков, происходящих из ферментов вегетативной клетки, которые в результате ограниченного протеолиза становятся термостабильными.

Этим свойством обладают и некоторые специфические ферменты, синтез которых индуцируется в процессе сноруляции. До сих пор точно не известно, почему споры столь устойчивы к нагреванию и химическим веществам. Считают, что в терморезистентности спор главную роль играет Са-дипиколинат, содержание которого в спорах достигает 15%. Са-дипиколинат может принимать участие в стабилизации споровых нуклеиновых кислот. Недавно в спорах были обнаружены небольшие кислоторастворимые белки, связывающие ДНК. Они окружают ДНК споры и защищают ее от нагревания, радиации, действия химических веществ и высыхания.

Споры бактерий
Споры, обнаруживаемые при помощи светового микроскопа:
a — Bacillus cereus: удлиненные субтерминальные споры (окраска нигрозином);
б — Clostridium pectinovorum: большие терминальные споры внутри спорангиума и отдельные споры без спорангиума (окраска йодом на гранулезу).

Важную роль в формировании устойчивости спор к высыханию играет обезвоживание протопласта. Кортекс споры способен осмотически вытягивать воду из протопласта, таким способом защищая его содержимое от нагрева и повреждений, вызванных разного рода облучениями. Установлено, что пенициллин нарушает структуру кортекса и это приводит кснижению степени дегидратации протопласта споры. Суммируя сказанное, можно заключить, что термоустойчивость спор объясняется, по-видимому, несколькими факторами: стабилизацией ДНК Са-дипиколинатом и кислоторастворимыми белками, дегидратацией протопласта и др.

Сильно обезвоженный споровый материал своеобразно упакован, что резко отличает его от цитоплазмы вегетативной клетки по светопреломляющим свойствам. Эндоспоры хорошо просматриваются в клетках при помощи светового или электронного микроскопа. Поскольку споры практически непроницаемы для многих видов красителей, они наблюдаются как неокрашенные тельца на фоне прокрашенного остального содержимого клетки. Есть, однако, специальные методы для дифференциальной окраски спор, позволяющие отчетливо различить в световой микроскоп окрашенную спору внутри клетки.

Споры располагаются в клетках по-разному. Описаны бациллярный, клостридиальный или плектридиальный типы спорообразования. Иногда залегающая в клетке спора столь велика, что расширяет спорангий в середине или с одного конца (клостридиальный тип, например, у С. Perfringens, или плектридиальный тип — у С. tetani). В хорошо спорующейся культуре почти все клетки популяции образуют споры. Обычно в клетке закладывается одна спора, но известны случаи формирования до 5 спор в одной клетке.

Электронно-микроскопическое исследование спор выявило их довольно сложную структуру. Споры большинства клеток гладкие, овоидной формы, хотя встречаются и круглые с характерными поверхностями. Спора окружена тонкой оболочкой, называемой экзоспориумом, которая представляет собой 2-3-слойное желатинообразное покрытие, подобное капсуле бактерий. За ней (по направлению к центру споры) лежит оболочка споры. За оболочкой располагается кортекс, который может занимать до половины объема споры. Он состоит из пептидогликана, но менее поперечно-сшитого, чем аналогичный компонент вегетативной клетки.

Споры бактерий
Тонкий срез споры клеток Bacillus megaterium: ядро споры окружено последовательно внутренней мембраной (ВМ), кортексом, внутренней (ВО) и наружной (НО) оболочками.

Клеточная стенка споры (или стенка ядра споры) расположена внутри кортекса и окружает ядро (протопласт). Ядро споры содержит нуклеоид, рибосомы и все необходимое для начала роста, запасенное в стабильных формах (тРНК, АТФ, АДФ+АМФ, ферменты, сопутствующие белки).

Споруляции обычно начинаются одновременно во всей популяции бактерий одного вида, когда они находятся в конце стационарной фазы роста. Процесс образования споры детерминируется хромосомными генами (spo-генами). В нем можно выделить 7 стадий. На I стадии в материнской клетке формируется второй полный нуклеоид, который отходит к одному из полюсов клетки.

Затем происходит инвагинация цитоплазматической оболочки и формируется септа преспоры (II стадия). Далее клетка разделяется на два неравных протопласта, каждый из которых содержит нуклеоид. Меньший из протопластов — проспора — покрывается второй оболочкой, являющейся ЦПМ материнской клетки (III стадия). Между двумя листками мембраны споры формируется основной слой — кортекс, состоящий из пептидогликана, имеющего сетчатую структуру (IV стадия). На этой стадии начинается накопление в споре Са-дипиколината. Снаружи спора покрывается толстой, иногда многослойной оболочкой (V стадия).

Поверх этой оболочки у некоторых бактерий образуется еще один рыхлый слой — экзоспориум. На VI стадии завершается синтез оболочек, и спора превращается в зрелую, увеличивается ее светопреломление, термоустойчивость, и на VII стадии происходит лизис спорангия и выход споры. Цикл образования споры продолжается 18-20 ч.

Процесс прорастания спящей споры в активную вегетативную клетку — не менее сложный процесс, чем спорообразование. Он происходит в 3 стадии: активация, созревание и прорастание. Часто споры не прорастают даже в богатой среде без процесса активации, который может заключаться в слабом нагревании (5 мин при 60 °С) или воздействии ультразвука. В процессе активации происходит дерепрессия генома и мобилизация метаболических процессов. Этот период заканчивается созреванием споры, т. е. нарушением состояния ее покоя. Спора активно поглощает воду, набухает, у нее усиливается дыхание и возрастает активность ферментов, выделяются аминокислоты, дипиколиновая кислота, пептиды, разрушается кортекс и теряется термоустойчивость, утрачивается способность преломлять свет.

После созревания начинается прорастание споры. Оболочка споры разрывается и из нее выходит ростовая трубка, которая формирует новую активную клетку бактерии. Прорастание споры происходит быстрее, чем ее образование и занимает 4-5 ч.

Споры бактерий
Цикл образования споры:
1 —образование осевой нити ДНК, 2 — образование септы преспоры, отделяющей вновь образованную ДНК;
3 — окружение споры двойным слоем мембраны; 4 —образование кортекса;
5—формирование белковых оболочек и экзоспориума; 6—завершение синтеза оболочек и созревание споры;
7—лизис спорангия и выход споры.
Споры бактерий
Прорастание эндоспоры.
Вегетативная клетка Clostridium pectinovorum выходит из споровых оболочек после их разрыва.

- Читать далее "Световая микроскопия. Устройство микроскопа"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 9.05.2019

Остались вопросы или замечания?

Все размещенные статьи преследуют образовательную цель и предназначены для лиц имеющих базовые знания в области медицины.
Без консультации лечащего врача нельзя применять на практике любой изложенный в статье факт.
Жалобы и возникшие вопросы просим присылать на адрес statii@dommedika.com
На этот же адрес ждем запросы на координаты авторов статей - быстро их предоставим.