3 Процесс спорообразования и его значение для жизнедеятельности микроорганизмов
3.1 Спорообразование
Споры у бактерий образуются обычно при неблагоприятных условиях развития:
при недостатке питательных веществ,
изменении температуры,
значениях рН, выше и ниже оптимальных значений;
при накоплении продуктов обмена выше определенного уровня.
Способностью образовывать споры обладают в основном палочковидные бактерии. В каждой клетке образуется только одна спора (эндоспора).
Спорообразование, или спорогенез, – сложный процесс, в котором различают четыре последовательные стадии: подготовительную стадию; стадию предспоры; стадию образования оболочек и стадию созревания (см. рисунок 33).
Рисунок 33 – Схема образования спор у бактерий
Подготовительная стадия. Сначала наблюдается перестройка генетического аппарата, прекращения роста клетки, изменяется морфология нуклеоида; в клетке прекращается синтез ДНК. Бактериальная клетка, в которой происходит формирование споры, называется спорангием. Ядерная ДНК вытягивается в виде нити, которая затем разделяется; часть ее концентрируется у одного из полюсов клетки. Эта часть клетки называется спорогенной зоной; в ней сначала происходит уплотнение цитоплазмы, а затем этот участок обособляется от остального клеточного содержимого перегородкой (септой) (см. рисунок 35, I-IV). Отсеченный участок покрывается мембраной материнской клетки, образуется так называемая проспора. Проспора – это структура, располагающаяся внутри материнской клетки, от которой она отделена двумя мембранами: наружной и внутренней (см. рисунок 35, III-V). Между мембранами формируется кортикальный слой (кортекс), сходный по химическому составу с клеточной стенкой вегетативной клетки (см. рисунок 35, VI). Происходит перестройка белков, часть из них синтезируется заново из внутриклеточного фонда аминокислот. В кортексе содержится пептидогликан и дипиколиновая кислота (C7H5NO4), которая отсутствует в вегетативных клетках. Это уникальное соединение образуется из диаминопимелиновой кислоты клеточной стенки бактерий (см. рисунок 34).
Рисунок 34 – Дипиколиновая кислота
Весь процесс спорогенеза, осуществляется генетическим аппаратом клетки. Данная стадия характеризуется и внутриклеточными структурными изменениями. Наблюдается репликация хромосомы и концентрация липопротеиновых образований; одна из хромосом окружается более плотной цитоплазмой, превращаясь в центр образования эндоспоры, другая впоследствии распадается на нуклеотиды.
Стадия предспоры начинается с инвагинации цитоплазматической мембраны, которая обособляет один геном с небольшой частью уплотненной цитоплазмы. Таким образом, спора получает полный набор генетической информации клетки.
Третья стадия. Поверх проспоры образуется оболочка споры, состоящая из нескольких слоев (см. рисунок 35, VII). Происходит это очень быстро, в течение 10 мин после образования предспоры. Мембрана предспоры синтезирует компоненты, аналогичные таковым клеточной стенки бактерий, из которых формируется внутренняя оболочка споры. Наружную оболочку образует цитоплазматическая мембрана материнской клетки. Все оболочки состоят из белка и небольшого количества липидов и гликопептида.
Число, толщина и строение слоев различны у разных видов бактерий. Поверхность наружной оболочки может быть гладкой либо с выростами разной длины и формы. Поверх оболочки споры нередко образуется еще тонкий покров, окружающий спору в виде чехла (см. рисунок 36).
Рисунок 35 – Цикл развития эндоспоры у спорообразующих бактерий:
I – вегетативная клетка; II – инвагинация цитоплазматической мембраны; III – образование споровой перегородки (септы); IV- формирование двойной мембранной системы образующейся проспоры; V – сформированная проспора; VI – формирование кортекса; VII – формирование оболочки споры; VIII – лизис материнской клетки; IX – свободная зрелая спора; X – прорастание споры; 1 – нуклеоид; 2 – цитоплазма; 3 - цитоплазматическая мембрана; 4 – клеточная стенка; 5 – споровая септа; 6 – наружная мембрана споры; 7 – внутренняя мембрана споры; 8 – кортекс; 9 – оболочка споры.
Рисунок 36 – Строение эндоспоры у спорообразующих бактерий:
1 – сердцевина споры; 2 – внутренняя мембрана споры; 3 – кортекс; 4 – наружная мембрана споры; 5 – оболочка споры, состоящая из нескольких слоёв; 6 – экзоспориум.
Стадия созревания споры заключается в том, что спора приобретает характерную для вида форму и размеры, занимает соответствующее положение в клетке.
Споры имеют обычно круглую или овальную форму. Диаметр спор некоторых бактерий превышает ширину клетки, вследствие чего форма спороносящих клеток изменяется. Если спора расположена в ее центре, клетка приобретает форму веретена (клостридиум) или форму барабанной палочки (плектридиум), когда спора приближена к концу клетки (см. рисунок 37).
Рисунок 37 – Схематическое изображение типичных форм спорообразующих клеток:
А - центрально расположенная спора; Б – клострадиальная форма; В – плектридиальная форма.
После созревания споры материнская клетка отмирает, оболочка ее разрушается и спора освобождается. Процесс образования споры протекает в течение нескольких часов.
Высокая устойчивость спор к факторам внешней среды обусловливает наличие у бактериальных спор:
плотной, труднопроницаемой оболочки;
малое содержание в ней воды (это одна из причин слабой или предельно низкой активности метаболических процессов спор);
предельно малое количество аминокислот;
большое количество липидов (это объясняет терморезистентность спор, так как липиды защищают пептидные связи протеинов от тепловой денатурации);
сравнительно высокое содержание кальция, магния, дипиколиновой кислоты и несколько меньшее — фосфора и калия.
Оболочкам спор свойственно также относительно большое количество белка. Споры могут находиться в жизнеспособном состоянии сотни и даже тысячи лет. Например, жизнеспособные споры были выделены из трупов мамонтов и египетских мумий, возраст которых исчисляется тысячелетиями. Споры устойчивы к высокой о температуре: в сухом состоянии они погибают после прогревания при 165-170 С в течение 1,5-2 ч, а при перегретом паре (в автоклаве) – при 121 °С в течение 15-30 мин.
Споры имеют полный ферментный комплекс, однако в покоящейся споре он находится в недеятельном состоянии. Активность ферментов проявляется при попадании споры в благоприятную среду и при ее прорастании. Прорастанием называется процесс превращения споры в вегетативную клетку. Необходимым условием прорастания является наличие влаги. На первом этапе прорастания происходит гидратация структур, т.е. поглощение воды и набухание, вместе с тем увеличивается проницаемость оболочек. В результате этого активируются биохимические процессы: усиливается дыхание и возрастает активность ферментов. Истинное прорастание начинается когда под действием литических ферментов растворяются оболочки спор; освобождаются и удаляются дипиколиновая кислота, кальций и частично гликопептид. Разрыв оболочек спор обычно происходит в одной любой точке и там появляется «росток» новой клетки. Далее следует удлинение ростка и формирование полноценной вегетативной клетки. Прорастание споры занимает 4—5 ч (см. рисунок 38).
Рисунок 38 – Прорастание спор:
1 – латеральное прорастание спор Baciilus subtilis (а) и Bacillus cereus (б); 2 - полярное прорастание спор Clostridium sprogenes.