Морфологическая диференцировка бактерий

Говоря о слабой дифференцировке м/о нельзя отрицать ее вообще. В определенных условиях вегетативные клетки некоторых бактерий могут давать структуры, которые отличаются от исходных морфологически. В подавляющем большинстве случаев такие изменения направлены на выживаемость клеток. Поэтому большинство деференцированых клеток относятся к покоящимся формам. Это экзоспоры, эндоспоры, цисты и микроспоры (которые формируются только в неблагоприятных условиях). И только небольшая группа направлена на размножение — конидиеспоры, басоциты, гормогоний цианобактерий.

Циста — ящик, это круглые светопреломляющие образования, отличающиеся тем, что имеют еще одну оболочку. Также содержат большое количество поли-β-оксимаслянной кислоты и липиды. Цисты более выносливы к высушиванию и механическим воздействиям. Образовываются у спирохет, метилотрофных бактерий, у бактерий р. Azotobacter и р. Bdelovibrio. У миксобактерий цисты получили название миксоспор.

Миксоспоры. Их образование является закономерной стадией развития миксобактерий. При неблагоприятных условий миксобактерии подходят друг к другу и образовывают рой, большинство клеток разрушается и из них формируется слизь. И только небольшое количество клеток образовывает миксоспоры. Устойчивы к высушиванию, УФ-излучению, температуре.

Акипеты — образовываются у цианобактерий при неблагоприятных условиях. Они гораздо крупнее вегетативных клеток, имеют толстую оболочку и повышенное содержание гликогена, полифосфатов и цианофоциновых гранул. Они имеют обезвоженную цитоплазму и утолщенный пептидогликановый слой.

Экзоспоры — образовываются некоторыми почкующимися фотосинтезирующими бактериями. Они мельче вегетативной устойчивее к высушиванию и УФ-лучам.

Эндоспоры — самый сложный пример морфологической дифференцировки. Эндоспоры не являются обязательной стадией развития бактерии. Они образовываются тогда, когда клетка испытывает дефицит по некоторым факторам: температура, высушивание, недостаток питательных веществ, накопление продуктов метаболизма, изменение окислительно-восстановительного потенциала среды и др. В период логарифмической фазы роста, когда культура быстро растет и размножается и характеризуется высокой скоростью биосинтетических процессов, споры не образовываются. Как правило, внутри бактериальной клетки формируется 1 спора. К спорообразованию способны 13 родов: р. Bacillus, Desulfotomacullum, Sporolactobacillus, Clastridium, Sporolactobacillus и др. Споры отличаются по месту локализации, по форме и размерам. По месту расположению:

* центральное (сибирская язва);

* субтерминальное, то есть ближе к концу клетки (ботулизм);

* терминальное (столбняк).

У отдельных представителей м/о диаметр споры не привышает диаметр клетки. И только у некоторых (р. Clostridium) диаметр споры больше диаметра клетки. При этом, если спора образовывается на конце — форма барабанной палочки (столбняк), если в центре — веретено (возбудитель масляно-кислого и ацетоно-бутилового брожения). Их очень легко обнаружить под микроскопом:

- споры располагаются внутри клетки;

- обладают высокой преломляющей способностью;

- не окрашиваются обычными анилиновыми красителями.

Процесс спорообразования начинается с полной перестройки клеточного метаболизма. Клетка теряет ход обычных метаболистических процессов, поскольку начинает готовиться к неблагоприятным условиям среды. Первые 5 часов перестраиваются до 75 % всех белков (резкое накопление белкового материала, вследствие чего возрастают показатели преломления). Расход основных питательных веществ клетки. Кроме того, происходит обезвоживание белков (препятствие денатурации при повышении температуры). Белковый материал спор имеет повышенное содержание цистеина, что корелирует с устойчивостью к излучению. При спорообразовании у некоторых спорообразующих бактерий происходит синтез веществ белковой природы, которые имеют антибиотическую активность. Эти вещества можно разделить на 3 класса:

1. Эдеины — подавляют синтез ДНК других м/о.

2. Бацитроцины — нарушают синтез КС;

3. Грамицидины (полимискины, тироцидины) — они влияют на структурные и функциональные свойства мембран.

По одной из версий эти вещества регулируют отдельные стадии процесса спорообразования.

В момент спорообразования накапливается дипиколиновая кислота — это вещество, которое отсутствует у вегетативных клеток. В клетке (в зрелой споре) дипиколиновая кислота соединена с ионами Са в виде хелатного соединения в молярном соотношении 1:1. Это вещество занимает приблизительно 15% веса сухой споры. С этим веществом связана термоустойчивость споры.

1. В момент спорообразования в клетке содержится 2 нуклеоида. Эти нуклеоиды подходят друг к другу, «сливаются» и и образовывается структура палочковидной формы. Прекращается репликация ДНК. ДНК теряет связь с рибосомами и ЦПМ.

2. Стадия отделения участка споры от протопласта материнской клетки. Цитоплазма в зоне расположения генетического материала уплотняется и отделяется от остального клеточного содержимого, с помощью перегородки, которая образовывается путем инвагенации ЦПМ. Мембрана нарастает от периферии к центру и срастается друг с другом с образованием споровых перегородок (септы), состоящих из 2-х элементарных мембран.

В результате образования клетки разного размера. На этой стадии процесс спорообразования еще обратим и если поместить культуру в благоприятные условия то процесс спорообразования завершается клеточным делением но образованные дочерние клетки будут неодинакового размера.

3. Образование проспоры. Протопласт материнской клетки обволакивает отсеченный участок, в результате чего образовывается проспора, которая погружена в протопласт клетки и имеет 2 мембраны: свою и материнскую. При этом проспора совершенно отделяется от мембраны материнской клетки и свободно плавает внутри протопласта. При этом две ЦПМ зеркально отображены друг к другу, в результате чего нарушается транспорт питательных веществ из протопласта материнской клетки внутрь споры. Питательные вещества могут поступать внутрь споры по градиенту концентрации без затраты энергии (по механизму пассивной и облегченной диффузии). На этой стадии процесс спорообразования необратим.

4. Образование кортекса — он состоит из особого пептидогликана и формируется между двумя ЦПМ. Содержит 3 повторяющихся субъединицы: мурамовую (не содержит а/к), L-аланиновую (содержит остатки L-аланина), тетрапептидная часть (L-аланин, D-глутамин, мезодиаминопимелиновую кислота, D-аланин, соединенные β-гликозидной связью).

Число сшивок между пептидными связями велика. Тейхоевых кислот в кортексе нет. С образованием кортекса связана устойчивость споры к красителям.

5. Образование оболочек споры. Количество оболочек образовывается в зависимости от вида бактерии — от 1 до 3 оболочек. Формируется смесь споровых оболочек, принимает участие наружная мембрана и протопласт материнской клетки.

Наружная оболочка состоит из белков с примесью липидов и гликопротеидов. Доля белков — 80%, они обладают повышенным содержанием цистеина и гидрофобных а/к. Образовывают дисульфидные связи, которые придают оболочке высокую механическую плотность.

Функции споровых оболочек:

- не чувствительны к действию литических ферментов (которые разрушают муреин);

- играют защитную роль;

- препятствуют преждевременному прорастанию спор;

У некоторых бактерий поверх оболочек споры образовывается еще 1 менее плотный и незамкнутый слой — экзаспориум (липиды, углеводы, белки).

Защитная функция — регулирует проникновение в спору различных веществ. Экзаспориум никогда не бывает полностью замкнутым. У многих анаэробных м/о сверху на споре формируется выросты различной формы — трубчатые, лентовидные и др. Они представлены белками, в небольших количествах липидами и полисахаридами. Выполняют функцию биосенсоров — сигнал к прорастанию при наступлении благоприятных условий.

У некоторых водных анаэробных м/о поверх спор образовываются колпачки, которые имеют форму конуса или серпа. Они построены из множества ячеек, заполненных газообразными веществами, похожими на воздух. Колпачки поддерживают споры наплаву и распространяются по воде. У аэробных м/о в процессе спорообразования синтезируются кристаллоподобные вещества белковой природы, которые называются параспаральными телами. Они обладают инсектицидными свойствами.

6. После образования споры происходит лизис клеточной оболочки.

7. В таком состоянии спора не проявляет метаболитическую активность и в таком состоянии анабиоза спора существует до тех пор пока не попадает в благоприятные условия среды.

Весь процесс спорообразования длится 8-24 часа и осуществляется геномом материнской клетки и геномом споры. Количества генов — 100-150 единиц. В благоприятных условиях спора прорастае, можно выделить 3 фазы:

- активацию;

- инициацию;

- вырастание;

Активация — готовность споры к прорастанию. Зависит от температуры, рН, количества питательных веществ.

Инициация — снижение устойчивости споры к температуре, при этом спора поглощает воду и набухает. Разрушается кортекс и споровая оболочка. Наблюдается выделение некоторых а/к. дипиколиновой кислоты. Возрастает активация ферментов дыхания.

Прорастание — начинает образовываться ростовая трубочка (усиление физиологических процессов). Активно синтезируется РНК и белок. Репарируется поврежденная ДНК, начинается ее репликация. Заканчивается выходом проростка из оболочек и образование вегетативной клетки.

Позитивные и негативные процессы, связанные со спорообразованием:

+ способность переносить неблагоприятные условия среды и сохранения вида клетки;

+ использование параспоральных тел для создания инсектицидов;

+ атибиотики, полученные б/т путем;

+ споры некоторых бактерий обладают онколитической активностью;

+ обладают онкопротекторной активностью (внутривенно животным, обеспечивают выживание при смертельных дозах радиации);

+ ацетоно-бутиловое брожение связано со спорообразованием (ацетон, бутанол и ряд нейтральных продуктов);

- бич консервной промышленности (бутулизм);

- среди спорообразующих есть м/о, которые вызывают столбняк;

- возбудители газовой гангрены, дифтерии, сибирской язвы и др.