17. Процесс споруляции у прокариот.

Процесс спорообразования может длиться от нескольких часов до суток. При этом отмечается 4 стадии: подготовительная, когда прекращается рост клетки и синтез ДНК, происходит концентрация нуклеоида в спорогенной зоне; образование проспоры — отделение части нуклеоида вместе с уплотненной цитоплазмой и обособление их двумя мембранами за счет ЦПМ; формирование оболочек — кортекса (слоя, состоящего из пептидогликана), внутренней и внешней оболочек; созревание споры, когда она приобретает соответствующие форму и размеры, и определенное расположение ее в клетке.

В благоприятных условиях (наличие воды, питательных веществ, оптимум температуры) спора прорастает в вегетативную клетку, способную к размножению. Продолжительность прорастания споры от 2 до 5 часов. Прорастание спящей споры в активную вегетативную клетку проходит в три стадии: активация, созревание и прорастание.

 Процесс образования спор проходит ряд последовательных стадий:

подготовительная. Изменяется метаболизм, завершаетется репликация ДНК и происходит ее конденсация. Клетка содер­жит два или более нуклеоида, один из них локализуется в спорогенной зоне, остальные — в цитоплазме спорангия. Одно­временно синтезируется дипиколиновая кислота;

стадия предспоры. Со стороны цитоплазматической мем­браны вегетативной клетки происходит врастание двойной мембраны, или септы, отделяющей нуклеоид с участком уплот­ненной цитоплазмы (спорогенная зона). В результате чего образуется проспора, окруженная двумя мембранами;

образование оболочек. Вначале между мембранами про-споры образуется зачаточный пептидогликановый слой, затем над ним откладывается толстый пептидогликановый слой кор-текса и вокруг его наружной мембраны формируется споро­вая оболочка;

созревание споры. Заканчивается образование всех струк­тур споры, она становится термоустойчивой, приобретает ха­рактерную форму и занимает определенное положение в клетке.

При попадании в благоприятные условия споры прораста­ют в вегетативные клетки, Этот процесс начинается с погло,

1. Подготовительная. Перед спорообразованием резко снижается синтез ДНК и деление клеток прекращается. Происходит накопление большого количества запасного питательного вещества — гранулезы, откладывающегося в виде гранул. ЦП становится зернистой. Клетки резко увеличиваются в размерах, принимают вид лимона либо барабанной палочки, иногда клетки сохраняют обычную палочковидную форму.

У спорообразующей бактерии образуется дополнительный нуклеоид, который отходит к одному из полюсов клетки (рис. 32).

Рис. 32.Образование дополнительного нуклеоида

Вокруг дополнительного нуклеоида в ЦП спорообразующей клетки образуется спорогенная зона — уплотненный участок ЦП, не имеющий свободной воды.

2. Стадия предспоры (проспоры). В ЦПМ, ближе к одному из полюсов клетки, возникает инвагинация. В этом процессе участвуют мезосомы, которые спаивают сближающиеся участки инвагинированных мембран и образуют споровую перегородку (септу), разделяющую клетку на два протопласта, каждый из которых содержит одну хромосому (рис. 33).

Рис. 33.Отделение протопласта

Затем материнская клетка поглощает отсеченный участок ЦП с ядром (рис. 34). Это осуществляется путем роста и продвижения периферических участков мембраны материнской клетки по направлению к полюсу клетки. Эта стадия спорообразования обратима.

Если после образования септы добавить к спорулирующей культуре антибиотик левомицетин, то синтез белков и рост мембраны будет подавлен. Движение периферических участков мембраны, поглощающей отсеченный участок протопласта, будет остановлено.

Рис. 34.Материнская клетка поглощает протопласт

В результате начавшийся процесс спорообразования превратится в обычный процесс вегетативного деления клеток.

В конце этой стадии сближающиеся участки мембраны сливаются и меньший из протопластов (проспора) покрывается второй оболочкой, синтезируемой мембраной материнской клетки (рис. 35).

Рис. 35.Проспора покрывается второй оболочкой

При этом спорогенная зона изолируется от остальной части ЦП. Так внутри клетки возникает новая клетка-проспора, окруженная, в отличие от материнской, двумя трехслойными мембранами — внутренней и внешней. У одних видов проспора остается у полюса клетки, у других видов занимает центральное положение. С этого момента начинается необратимая фаза споруляции.

3. Образование кортекса — оболочки между внутренней и внешней мембранами проспоры, состоящей из особых молекул пептидогликана (рис. 36). Кортекс играет защитную роль: он предохраняет сердцевину спор от литических ферментов.

Рис. 36.Образование кортекса

4. Стадия созревания. С внешней стороны наружной мембраны споры образуется внешняя плотная споровая оболочка, в состав которой входят белки, липиды и кальциевая соль дипиколиновой кислоты.

Снаружи у многих видов анаэробов спора покрывается еще одной дополнительной полипептидной оболочкой — экзоспориумом (рис. 37).

Рис. 37. Образование экзоспориума

Он имеет вид многослойного чехла, в котором расположена спора. Возникает экзоспориум на ранней стадии формирования споры в виде небольшого пузырька на внешней мембране проспоры, затем пузырек разрастается и охватывает спору со всех сторон. После механического удаления экзоспориума процесс прорастания спор не нарушается.

5. Отмирание вегетативной части клетки. На завершающей стадии спорообразования происходит резкое возрастание активности литических ферментов, полностью разрушающих материнскую вегетативную клетку (рис. 38).

Рис.38.Свободная спора в стадии покоя

Спора выходит в окружающую среду, где может сохраняться потенциально жизнеспособной тысячи лет (стадия покоя).

Генетический контроль спорообразования. Синтез новых белковых веществ, споровых оболочек, кортекса и экзоспориума осуществляется при активном контроле генома материнской клетки. Роль материнской клетки сводится к тому, чтобы отделить от себя дочернюю клетку, оказавшуюся внутри ее ЦП. Но так как удалить проспору за пределы клеточных границ через ЦПМ и КС стенку невозможно, то материнская клетка изолирует дочернюю от себя, окружая проспору мощными слоями белковой оболочки и переводя ее в анабиотическое состояние. Но это не спасает материнскую клетку от гибели. Хотя она продолжает еще длительное время активно функционировать, даже иногда способна образовать еще одну спору, но все же она не в состоянии вернуться к вегетативному развитию.

Прорастание споры. При попадании в благоприятные условия спора начинает прорастать в вегетативную клетку. Прорастание длится 4–5 часов, т. е. в 5 раз быстрее, чем спорообразование. Обычно не все споры, вносимые в благоприятную среду, прорастают сразу. Некоторые споры остаются непроросшими в течение различного времени, не теряя своей жизнеспособности.

Способ и время прорастания молодых спор являются постоянными и могут служить видовыми признаками. Если перенести только сформировавшиеся споры в благоприятную питательную среду, их прорастание начинается не сразу, а через 2–3 часа. Старые споры прорастают более длительно.

_______________________________________________________________________________ Эндоспоры бактерий – особый тип покоящихся клеток, в основном грамположительных бактерий. Эндоспоры формируются эндогенно, т. е. внутри материнской клетки, которая называется спорангием. (внутри цитоплазмы родительской клетки и обладающих специфическими структурами: внутренней и наружной мембранами, кортексом и многослойными белковыми покровами)

• К спорообразующим бактериям относится большое число палочковидных грамположительных видов прокариот приблизительно из 15 родов, которые характеризуются морфологическим и физиологическим разнообразием. Большинство из них подвижны благодаря перитрихиально расположенным жгутикам. Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium.

• Процесс спорообразования

Способность к образованию спор детерминируется генами spo, которых у бактерий Bacillus subtilis (по данным Г. Халворсена) более 100. Каждый из spo-генов отвечает за те или иные стадии споруляции.

Процесс спорообразования можно условно разделить на три стадии (или этапа) (рис. 1):

Рис. 1 - Схема процесса спорообразования:

А – отделение протопласта споры; Б, В, Г – образование предспоры;

Д, Е, Ж – формирование споры

• Дипиколиновая кислота находится в эндоспорах в виде дипиколината кальция, и именно это соединение обеспечивает высокую терморезистентность спор.

Эндоспора состоит из следующих структурных элементов:

• нуклеоида;

• уплотненной цитоплазмы (за счет дегидратации, перехода белков в связанное состояние, снижения активности некоторых ферментов и синтеза дипиколината кальция);

• покровных слоев, представленных цитоплазматической мембраной, клеточной стенкой зародыша, кортексом, внутренней оболочкой, наружной оболочкой, экзоспориумом.

Рис. 2 - Схема строения зрелой споры (по С.Халею, 2001)

Рис. 3.-Расположение эндоспор:1,4 — центральное,2,3,5— терминальное,6— латеральное. Споры в клетке могут располагаться центрально (например, у Bacillus megaterium), субтерминально (Clostridium botulinum) или терминально (Clostridium tetani).

Рис. 4. -Прорастание эндоспоры. Для эндоспор процесс прорастания состоит из нескольких этапов: активации, инициации и вырастания.

• Продолжительность жизни спор

Бактерии в виде спор могут длительное время находиться в состоянии анабиоза. Так, в земле, которая прилипла к растениям из гербария Кью Гарденс и пролежала вместе с ними в сухом состоянии более 300 лет, было обнаружено лишь небольшое количество жизнеспособных спор бацилл. По данным экспериментов по хранению в сухом состоянии проб почвы, за 50 лет хранения до 90% спор теряет свою жизнеспособность. И тем не менее часть, спор выживает. Как подсчитал еще Беккерель, микроорганизмы при температуре, близкой к абсолютному нулю (-196⁰ С), могут оставаться на протяжении миллиона лет жизнеспособными.