Эндоспоры бактерий – особый тип покоящихся клеток, в основном
грамположительных бактерий. Эндоспоры формируются эндогенно, т. е.
внутри материнской клетки, которая называется спорангием. Бактери-
альная эндоспора отличается от вегетативной клетки тем, что она харак-
теризуется повышенной резистентностью к нагреванию, действию уль-
трафиолетовых лучей, антибиотиков и других факторов. Споры некото-
рых бактерий выдерживают кипячение в течение двух часов, они также
могут длительное время сохраняться в покоящемся состоянии. Эти осо-
бенности спор являются свойствами, требующими в практической дея-
тельности человека применения особых приемов для их уничтожения.
К спорообразующим бактериям относится большое число грамполо-
жительных видов прокариот приблизительно из 15 родов, характери-
зующихся морфологическим и физиологическим разнообразием. Лучше
всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus
и Clostridium.
Поскольку одна клетка образует одну эндоспору и увеличения числа
бактерий при ее прорастании не происходит, то спорообразование не
рассматривают как способ размножения бактерий. Эндоспоры представ-
ляют собой стадию покоя и приспособлены к перенесению неблагопри-
ятных условий. Переход бактерий к спорообразованию (споруляции) на-
блюдается обычно при истощении питательного субстрата, недостатке
источников углерода, азота, фосфора, изменении рН и т. д. Процесс спо-
рообразования энергозависим, поэтому от источника поступления энер-
гии споруляцию разделяют на эндотрофную и экзотрофную. Эндотроф-
ная споруляция осуществляется за счет внутреннего запаса энергии
клетки и не нуждается в дополнительных веществах. В случае экзотроф-
ных процессов используется экзогенная энергия, поступающая извне.
Способность к образованию спор детерминируется генами spo, кото-
рых у бактерий Bacillus subtilis (по данным Г. Халворсена) более 100.
Каждый из spo-генов отвечает за те или иные стадии споруляции.
Процесс спорообразования можно разделить на три стадии или этапа
Первый этап – подготовительный. В вегетативной клетке бактерий,
переходящей к спорообразованию, прекращаются ростовые процессы,
завершается репликация ДНК и изменяется метаболизм, а именно распа-
дается значительная часть белков материнской клетки, образуется спе-
цифическое для спор вещество – дипиколиновая кислота, которая не
встречается в вегетативных клетках.
Дипиколиновая кислота находится в эндоспорах в виде дипиколина-
та кальция, и именно это соединение обеспечивает высокую терморези-
стентность спор.
Второй этап – формирование споры – начинается с особого неравного
деления клетки. Цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки об-
разует впячивание (инвагинацию) от периферии к ее центру и отделяет
часть протопласта материнской клетки. В результате этот протопласт со-
держит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Образова-
ния клеточной стенки между обоими протопластами (как при обычном
делении) в данном случае не происходит. Вместо этого протопласт бу-
дущей споры обрастает цитоплазматическая мембрана материнской
клетки, а образующаяся структура носит название предспоры или про-
споры.
Предспора расположена внутри материнской клетки и ограничена от
нее двумя мембранами. Каждая из этих мембран участвует в синтезе
стенки споры. Мембрана протопласта споры синтезирует снаружи от се-
бя стенку зародышевой клетки (зародыша). Мембрана, происходящая от
материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кору
споры или кортекс. Кортекс состоит из многослойного муреина, но бо-
лее кислого, чем муреин клеточной стенки материнской клетки.
Кроме кортекса и стенки зародыша, синтезируется еще и наружная
оболочка споры, которая в значительной степени представлена полипеп-
тидами. У большинства видов спорообразующих бактерий эндоспора за-
ключена еще в один дополнительный наружный слой – экзоспориум, в
состав которого входят белки, липиды, углеводы.
По мере формирования многослойных покровов предспора превра-
щается в спору
Таким образом, эндоспора состоит из следующих структурных эле-
ментов: нуклеоида; уплотненной цитоплазмы (за счет дегидратации, пе-
рехода белков в связанное состояние, снижения активности некоторых
ферментов и синтеза дипиколината кальция); покровных слоев, пред-
ставленных цитоплазматической мембраной, клеточной стенкой зароды-
ша, кортексом, внутренней оболочкой, наружной оболочкой, экзоспо-
риумом.
Третий этап – созревание споры. Спора приобретает характерную
форму и занимает определенное положение в клетке (рис. 22). Диаметр
споры может превышать или не превышать диаметр вегетативной клет-
ки. В результате этого бактериальная клетка со спорой может принимать
форму веретена или теннисной ракетки. Споры в клетке могут распола-
гаться центрально (например, у Bacillus megaterium), субтерминально
(Clostridium botulinum) или терминально (Clostridium tetani).
Споры освобождаются при лизисе спорангия. Зрелые споры не про-
являют метаболической активности. Они чрезвычайно устойчивы к воз-
действию высокой температуры, разного рода излучений и химических
агентов. Терморезистентность обусловлена, как уже отмечалось, очень
низким содержанием воды и наличием дипиколината кальция.
При попадании в благоприятные условия споры прорастают в вегета-
тивные клетки. Прорастания спор начинается с поглощения воды и гид-
ратации структур споры, сопровождающихся активацией ферментов и
возрастанием дыхания. Литические ферменты разрушают многослойные
покровы споры, в среду выделяются дипиколинат кальция, аминокисло-
ты и пептиды. Спора при этом теряет до 25–30 % сухой массы. В месте
разрыва оболочки споры образуется ростовая трубка новой вегетативной
клетки. В формировании клеточной стенки молодой клетки участвует
внутренняя мембрана споры и частично кортекс. Прорастание спор длит-
ся около 4–5 ч.
Прорастание спор можно индуцировать, подвергнув их прогреванию
до 60–70 ºС в течение нескольких минут или кратковременному кипяче-
нию (10 мин при 100 ºС). Тепловой шок должен проводиться непосред-
ственно перед высевом спор, так как процесс активации обратим.
К другим покоящимся формам бактерий относятся цисты, экзоспоры,
миксоспоры. Как и эндоспоры, все эти покоящиеся формы предназначе-
ны для перенесения бактериями неблагоприятных условий. Экзоспоры
возникают путем почкования материнской клетки. Они сходны по своим
свойствам с эндоспорами бацилл. Образование экзоспор характерно для
метанокисляющих бактерий. Цисты – это шарообразные толстостенные
клетки, формирование которых характерно для бактерий рода Azotobacter.
В цисту превращается вся вегетативная клетка. Миксоспоры образу-
ются также путем превращения всей клетки. Формирование миксоспор
характерно для бактерий рода Myxococcus.
|