В процеса на еволюция бактериите са се приспособили да оцеляват в най-неблагоприятните условия на околната среда и са запазили наследствена информация чрез образуването на спори. Вътре в клетката се образуват бактериални спори. Целият процес на покълване (образуване на спори) продължава 18 - 20 часа. По време на този процес в бактериалната клетка се променят редица биохимични процеси. Бактериите могат да останат в подобно на спори състояние за дълго време - стотици години. При благоприятни условия на околната среда спорите покълват. Процесът на покълване продължава 4 - 5 часа.
Спорулацията възниква, когато:
хранителният субстрат е изчерпан,
има липса на въглерод и азот,
калиеви и манганови йони се натрупват във вътрешната среда на клетката,
нивото на киселинност на околната среда се променя и др.
Ориз. 1. Снимката показва спора вътре в бактериална клетка (снимка, направена в светлината на електронен микроскоп - ЕМ).
Какви бактерии са способни да образуват спори?
Пръчковидни бактерии, които образуват спори, се наричат бацили.Те принадлежат към семейство Bacillaceae и са представени от род Clostricdium, род Bacillus и род Desulfotomaculum. Всички те са грам положителни анаеробни бактерии.
Род Clostridium съдържа повече от 93 вида бактерии. Всички те образуват спори. Патогенните бактерии от рода Clostridium причиняват газова гангрена, белодробна гангрена, причиняват усложнения след аборт и раждане и тежки токсични инфекции, включително ботулизъм. Бактериалните спори на този вид надвишават диаметъра на вегетативната клетка.
Род Bacillus съдържа повече от 217 вида бактерии. Патогенните бактерии от рода Bacillus причиняват редица заболявания при хората и животните, включително хранителни заболявания и антракс. Бактериалните спори на този вид не надвишават диаметъра на вегетативна клетка.
Ориз. 2. На снимката са показани бактерии от род Clostridium. Вляво е Clostridia perfingens. Те са причинители на хранително отравяне и газова гангрена. Вдясно е Clostridia botulinum. Бактериите причиняват тежко хранително заболяване – ботулизъм.
Ориз. 3. На снимката е показан причинителят на антракс. Bacillus anthracis род Bacillus - голям, неподвижен, с нарязани краища (вляво) и бактерия в спороподобно състояние (вдясно).
Преди образуването на самата спора, нивото на метаболизъм във вегетативната бактериална клетка намалява, репликацията на ДНК спира, един от нуклеотидите се локализира в спорогенната зона и започва да се синтезира дипиколинова киселина.
Образуване на спорогенна зона
Образуването на спорогенната зона започва с уплътняването на областта на цитоплазмата, в която се намира нуклеотидът (проспора).Изолирането на спорогенната зона става с помощта на цитоплазмена мембрана, която започва да расте вътре в клетката.
Формиране на проспори и спорове
Кортексът се образува между вътрешния и външния слой на мембраната. Един от компонентите му е дипиколинова киселина, която определя топлоустойчивостта на спората.
Страната на мембраната, обърната навън, е покрита с мембрана (екзоспория). Състои се от протеини, липиди и други съединения, които не се намират във вегетативната клетка. Черупката е дебела и рехава. Той е хидрофобен.
Узряване на спорите
По време на периода на узряване на спорите завършва образуването на всичките му структури. Спорите стават топлоустойчиви. Той има специфична форма и заема специално място в клетката. След пълното узряване на спората настъпва клетъчна автолиза.
Ориз. 4. На снимката се вижда образувана спора, по чиято периферия има остатъци от цитоплазма.
Ориз. 5. На снимката вляво се вижда новообразувана спора (А), по чиято периферия има остатъци от цитоплазма. След това цитоплазмата умира. Снимката вдясно (B) показва спора, пречистена в лабораторията.
Ориз. 6. На снимката по-горе са етапите на спорулация - от образуването на спорогенната зона до пълното образуване и лизиране на клетъчните остатъци. Снимката по-долу показва спора с лентовидни израстъци. O е външната му обвивка, K е кората, C е вътрешната част.
Cortex
Кората предпазва спората от ензими, които се произвеждат в големи количества от клетката в последния етап на спорулация. Целта им е да унищожат напълно майчината вегетативна клетка. При липса на кора бактериалните спори се лизират. Cortex съдържа диаминопимелинова киселина, която осигурява топлинна стабилност
Вътрешната страна на кората е в съседство с вътрешната страна на цитоплазмената мембрана. По време на покълването на спорите кората се трансформира в клетъчната стена на вегетативната клетка.
Спорова обвивка (екзоспориум)
Страната на цитоплазмената мембрана, обърната навън, е покрита с мембрана (екзоспориум) по време на спорулация. Състои се от протеини, липиди и други съединения, които не се намират във вегетативната клетка. Черупката е дебела и рехава. Съставлява около 50% от обема на самата спора. Той е хидрофобен. Външната стена на спората е устойчива на ензими. Предпазва спората от преждевременно покълване.
Ориз. 7. Снимката показва спора с израстъци. Ядрото му е вегетативна клетка в покой.
Израстъци върху спори
На някои спори се образуват израстъци по време на спорулация. Те са разнообразни и специфични. Тази характеристика е наследствено фиксирана и постоянна за всяка бактерия. Израстъците на спорите се състоят главно от протеин. Аминокиселините на протеина са подобни на тези на кератина и колагена. Функцията на израстъците върху спорите все още не е напълно изяснена.
Ориз. 8. Видове израстъци на спори: камшичета, тръби, пръчици с форма на четка, широки ленти, шипове, щифтове, под формата на еленови рога.
Ориз. 9. На снимката са показани спори на бактерии от род Clostridium. Израстъци под формата на тръби (1 и 5), израстъци под формата на камшичета (2), лентовидни израстъци (3), перести израстъци (4), спори с шипове на повърхността (6).
По време на процеса на спорулация, спората е покрита с мембрани - външна обвивка и кора. Те предпазват спората от неблагоприятни условия на околната среда.
Cortex съдържа диаминопимелинова киселина, която е отговорна за термичната стабилност. Външна обвивка предпазва спората от преждевременно поникване и негативни фактори на околната среда.
В спороподобно състояние бактерията е устойчива на повишени температури на околната среда и изсушаване. Той е в състояние да оцелее в разтвори с високо съдържание на сол, да издържи на продължително кипене и замразяване, радиация и вакуум и ултравиолетово облъчване. Спорите проявява устойчивост към редица токсични вещества и дезинфектанти.
Устойчивостта на патогенни бактериални спори във външната среда допринася за персистирането на инфекцията и развитието на тежки инфекциозни заболявания.
Вид, форма и местоположение на спорите в бактериите
Бактериалните спори имат овална и сферична форма. Те могат да бъдат разположени в краищата на клетката (тетанични патогени), по-близо до центъра (ботулизъм и газова гангрена патогени) или в централната част на клетката (антраксен бацил). По-рядко бактериалните спори са разположени странично.
Ориз. 10. Снимката показва терминални ендоспори на C. difficile и Clostridium tetani.
Ориз. 11. Снимката показва централно разположени спори на бактерията Bacillus cereus.
Ориз. 12. Снимката показва крайното местоположение на спора в бактерията Bacillus subtilis.
Капачетата се образуват върху спорите от рода Clostridium и Bacillus по време на спороношение. Имат форма на конус или полумесец и клетъчна структура. Клетките приличат на торбички, които са пълни с газообразно вещество. Те са оформени като пръчици или овали. Клетките помагат на спората да остане плаваща във вода. Дори при центрофугиране затворените спори не могат да се утаят. Шапките върху спорите се образуват в почвени бактерии на хидроморфни почви, които са се образували в условия на застояла повърхностна вода или в присъствието на подземни води.
Ориз. 13. На снимката шапките на спорите са конусовидни (вляво) и сърповидни (вдясно).
Ориз. 14. Снимката показва структурата на капачката на бактериална спора. Виждат се отделни газови клетки с овална форма (вакуоли, торбички).
Бактерии като B.anthracis (причинител на антракс) и B.cereus (причинител на токсични инфекции) образуват параспорови тела по време на образуването. При B. anthracis тези образувания са с кръгла форма, разположени на повърхността на спорите или изолирани. Bacillus thuringiensis има параспорови тела под формата на бипирамидални протеинови кристали. Кристалите са токсични за гъсеници, насекоми и ларви на нематоди, мушици и комари. Ендотоксинният ген се използва в биозащитата на растенията.
Ориз. 15. Снимката показва параспорови бипирамидални кристали на почвената бактерия Bacillus thuringiensis morrisoni.
Намирайки се в благоприятни условия, спората започва да покълва във вегетативна клетка. Процесът на покълване продължава 4 - 5 часа.
Процес на активиране
Покълването се насърчава от нагряване, глюкоза, аминокиселини, йони на определени вещества и механично увреждане на стената на спората.
Процес на започване
Процесът на започване започва с дерепресия на генома. Активират се дихателните процеси и ензимните системи. Дипиколиновата киселина и калциевите йони се отстраняват от клетката и кората се разрушава. По време на спор количеството вода се увеличава. Всички тези промени водят до загуба на свойства на спорите като термична стабилност, устойчивост на радиация и химикали. Отличителна черта на този процес е намаляването на степента на пречупване на светлината от спората.
Самият процес на покълване
Зародишна тръба започва да пониква от спората, разрушавайки нейната обвивка. Образува се клетъчната мембрана. Процесите на покълване се регулират от редица специални вещества – покълвачи. След като спората завърши покълването, клетката започва да се дели.
Ориз. 16. На снимката е показана бактериална клетка, която след покълването на спората започва да се дели.
Спорообразуването служи за запазване на видовете бактерии. Бактериалните спори са необичайно стабилни във външната среда, което беше причината за разгръщането на интензивни изследвания от учени върху този процес в много страни по света.
