Что определяет термоустойчивость эндоспор бактерий
Эндоспоры бактерий
Бактериальные эндоспоры (греч. spora – семя) – уникальные по структуре и свойствам образования, характеризующиеся высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды. Они не похожи на споры других микроорганизмов, тем более на споры растений. Спорообразование не является способом размножения. Бактериальные эндоспоры – это одна из стадий развития бактерий, выработанная в процессе длительной эволюции в борьбе за сохранение вида. Из одной вегетативной клетки формируется только одна спора. Способность к спорообразованию предопределена генетически. Но споры образуются в условиях, неблагоприятных для роста и размножения бактерий (неблагоприятные температурные условия, высушивание, недостаток питательных веществ, изменение рН среды и т.д.). В клетке имеется два набора генов – один кодирует вегетативный рост, другой – спорообразование (эта группа генов называется спорулон).
Бактериальная клетка, в которой формируется спора, называется спорангием. Процесс спорообразования составляет от полутора часов до суток, а иногда и более. Спорообразование (споруляция) происходит как в естественных условиях, так и при выращивании на питательных средах. Спорообразование начинается с прекращения роста клетки. Изменяется направленность метаболических процессов – происходит перестройка белков клетки, часть из них синтезируется заново из внутреннего фонда свободных аминокислот; расходуются имеющиеся запасные вещества. Спорообразование происходит в несколько стадий (рисунок А.4):
1. Нуклеоид вегетативной клетки приобретает компактную палочковидную форму, происходит перестройка белков.
2. Отделяется полярный нуклеоид. В результате инвагинации ЦПМ часть протопласта отделяется от материнской клетки, образуется спроруляционная перегородка, которая в дальнейшем деформируется и превращается в одну из оболочек споры, появляется протопласт споры.
3. Протопласт споры окружается протопластом материнской клетки и образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами – внутренней и внешней, обращенной своим наружным слоем внутрь клетки. Проспора отделяется от мембраны материнской клетки и либо остается у полюса клетки, либо перемещается к ее центру. Из материнской клетки в проспору поступают некоторые аминокислоты, дипиколиноваякислота (С7Н5О4) – она отсутствует в вегетативной клетке, ионы кальция; образуется комплекс Са 2+ с дипиколиновой кислотой. На второй и третьей стадиях начинают синтезироваться белки покровов споры.
4. Между двумя мембранами проспоры начинается образование муреинового слоя, которое завершается образованием толстого слоя кортекса(или коры). Одновременно с кортексом или раньше (у некоторых бактерий) на наружной стороне внешней мембраны проспоры со стороны полюса клетки начинает образовываться экзоспориум, который затем покрывает спору. Экзоспориум выявляется не у всех бактерий.
5. Происходит образование покровов споры, электронно-плотной наружной оболочки споры. Все внутренние оболочки споры имеют гладкие поверхности, а наружная (или внешняя) оболочка характеризуется неровной поверхностью. Она определяет своеобразие поверхности спор разных видов бактерий. Число и строение слоистых покровов у разных видов бактерий различно.
6. Заканчивается формирование споры, появляется ее уникальное свойство – термоустойчивость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, занимает соответствующее положение в клетке. Затем происходит освобождение споры от остатков материнской клетки (путем гибели и лизиса материнской клетки).
Положение споры в клетке: бациллярное, когда спора локализуется в клетке центрально, эксцентрально или терминально и клетка не изменяет свою форму (характерно для аэробных бактерий рода Bacillus);клостридиальное, когда при формировании споры клетка приобретает вид веретена – эндоспора располагается в утолщенной части клетки центрально или эксцентрально; плектридиальное, когда спора локализуется терминально, в месте ее расположения клетка расширяется и приобретает вид барабанной палочки или ракетки (рисунок А.5). Клостридиальный и плектридиальный типы расположения эндоспор свойственны анаэробным бактериям рода Clostridium.
Строение зрелой споры. Строение зрелой споры разных видов бактерий однотипно (рисунок А.6). Спороплазма (или сердцевина) содержит нуклеиновые кислоты и белки (суммарно до 50-60% сухого вещества споры), дипиколиновую кислоту (5-25%), ионы Са 2+ (до 2%), ферменты (большинство из них не отличается от ферментов вегетативной клетки, но они неактивны), липиды и др. вещества, содержит также одну или несколько копий хромосом и рибосомы. Дипиколинат кальция заполняет пространство между макромолекулами спороплазмы, препятствуя их взаимодействию.
Эндоспоры присущи грамположительным бактериям (исключение составляют бактерии рода Desulfotomaculum). Как правило, извитые и кокковидные формы эндоспор не образуют (исключение род Sporosarcina). Описано более 15 родов бактерий, образующих споры (Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Oscillospora и др.). Для бактерий спорообразование не является обязательным этапом жизненного цикла, так как при благоприятных условиях они могут длительное время развиваться без образования спор. Есть мутанты, не образующие спор.
Прорастание спор. Процесс прорастания спор протекает в несколько этапов.
1. Активация прорастания отражает готовность спор к прорастанию. Она происходит в процессе старения споры (необратима), под воздействием редуцирующих веществ, повышенных температур, при снижении рН. Основные свойства споры сохраняются, но увеличивается численность спор, способных к прорастанию. Наиболее часто используется тепловая обработка – прогрев спор в течение некоторого времени при высокой сублетальной температуре.
2. Инициация прорастания (необратима), при которой снижается устойчивость спор к прогреванию, краскам, высушиванию. Споры теряют термоустойчивость и светопреломление. Эти процессы сопровождаются выделением (до 30%) веществ споры – дипиколината кальция, глюкозамина, диаминопимелиновой кислоты, некоторых аминокислот. Низкомолекулярные белки споры разрушаются специальной споровой протеазой. Стадия длится несколько минут.
3. Собственно прорастание. В этой стадии происходит активный синтез белка и РНК, репликация ДНК, лизис оболочек споры, их разрыв в какой-нибудь точке споры и появление «ростка» новой клетки. Чаще всего спора прорастает полярно или латерально. Далее следует удлинение ростка и формирование полноценной вегетативной клетки. Процесс прорастания в среднем происходит за 2-3 ч (рисунок А.4)..
СОДЕРЖАНИЕ
Жизненный цикл бактерий
Состав
Место расположения
Формирование и разрушение
В условиях голодания, особенно при отсутствии источников углерода и азота, в некоторых бактериях образуется одна эндоспора в результате процесса, называемого споруляцией.
Бактериальные эндоспоры устойчивы к антибиотикам, большинству дезинфицирующих средств и физическим агентам, таким как радиация, кипячение и сушка. Считается, что непроницаемость оболочки спор отвечает за устойчивость эндоспор к химическим веществам. Термостойкость эндоспор обусловлена множеством факторов:
Реактивация
Рост следует за прорастанием и включает в себя ядро эндоспоры, производящее новые химические компоненты и выходящее из старой оболочки спор, чтобы развиться в полностью функциональную вегетативную бактериальную клетку, которая может делиться, чтобы производить больше клеток.
Эндоспоры могут находиться в спящем состоянии очень долгое время. Например, эндоспоры были обнаружены в гробницах египетских фараонов. При помещении в подходящую среду в соответствующих условиях они могли реактивироваться. В 1995 году Рауль Кано из Калифорнийского политехнического государственного университета обнаружил бактериальные споры в кишечнике окаменелой пчелы, пойманной в янтаре с дерева в Доминиканской Республике. Возраст окаменелой пчелы в янтаре составляет около 25 миллионов лет. Споры прорастали, когда янтарь был расколот, и материал из кишечника пчелы был извлечен и помещен в питательную среду. После того, как споры были проанализированы под микроскопом, было установлено, что клетки были очень похожи на Bacillus sphaericus, который сегодня встречается у пчел в Доминиканской Республике.
Важность
Согласно ветеринарным документам ВОЗ, B. anthracis спорулирует, когда видит кислород вместо углекислого газа, присутствующего в крови млекопитающих; это сигнализирует бактериям, что они достигли конца животного, и полезна неактивная диспергируемая морфология.
Споруляция требует наличия свободного кислорода. В естественной ситуации это означает, что вегетативные циклы происходят в среде с низким содержанием кислорода инфицированного хозяина, а внутри хозяина организм находится исключительно в вегетативной форме. Оказавшись вне хозяина, споруляция начинается при контакте с воздухом, и формы спор являются, по сути, единственной фазой в окружающей среде.
Биотехнологии
Споры Bacillus subtilis полезны для экспрессии рекомбинантных белков и, в частности, для отображения пептидов и белков на поверхности в качестве инструмента для фундаментальных и прикладных исследований в области микробиологии, биотехнологии и вакцинации.
Эндоспорообразующие бактерии
Примеры эндоспорообразующих бактерий включают следующие роды:
Споры как фактор защиты и размножения у микроорганизмов. Термоустойчивость вегетативных клеток и спор бактерий и грибов
Споры – форма бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Роль спорообразования бактерий и грибов для практики. Строение и особенности химического состава бактериальной споры. Микробиологическое обоснование пастеризации и стерилизации.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.10.2011 |
| Размер файла | 223,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вопрос № 1. Споры как фактор защиты и размножения у микроорганизмов. Значение спорообразования бактерий и грибов для практики
Форма спор может быть овальной, шаровидной; расположение в клетке терминальное, на конце палочки (возбудитель столбняка), субтерминальное, ближе к концу палочки (возбудители ботулизма, газовой гангрены) и центральное (сибиреязвенная бацилла).
Вегетативные клетки прокариот для перенесения неблагоприятных условий образуют специфические клетки (эндоспоры), обладающие повышенной устойчивостью. В основе морфологического дифференцирования лежат биохимические процессы, запрограммированные соответствующей генетической информацией. Образование эндоспор происходит только у прокариот.
Эндоспора формируется внутри материнской клетки (спорангия), обладает специфическими структурами: многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом (рис. 1)
Эндоспоры устойчивым к повышенным температурам, дозам радиации, которые летальны для вегетативных клеток. К спорообразующим бактериям относится большое число прокариот из 15 родов. Все они имеют клеточную стенку, характерную для грампложительных прокариот. В каждой бактериальной клетке образуется, как правило, одна эндоспора.
Сформировавшиеся покоящиеся эндоспоры могут находиться в жизнеспособном состоянии в течении разного времени: от нескольких суток до 1000 лет и более.
При микроскопическом исследовании эндоспоры хорошо видны. В сомнительных случаях можно использовать специальное окрашивание, для чего фиксированный препарат надо прокипятить с карболовым раствором фуксина. Эндоспоры прочно связывают краситель и не обесцвечиваются даже при обработке этанолом или уксусной кислотой; все остальное содержимое клетки при этом обесцвечивается.
Вопрос № 2. Термоустойчивость вегетативных клеток и спор бактерий и грибов. Строение и особенности химического состава бактериальной споры. Микробиологическое обоснование пастеризации и стерилизации
Споры бывают круглыми, овальными или эллиптическими; некоторые снабжены «рёбрами жёсткости», усиливающими устойчивость к механическим воздействиям. При микроскопическом исследовании споры выделяются высоким коэффициентом светопреломления, аналогичный таковому у обезвоженного белка.
В зрелой споре различимы: центральный, плохо окрашиваемый участок (спороплазма), двухслойная ЦПМ и оболочка споры.
Оболочка споры двухслойная: пространство между слоями заполняют гликопептидные полимеры, сходные с пептидогликанами, образующие сетчатую структуру (кортекс), проявляющую высокую чувствительность к лизоциму. Внутренний слой (стенка споры) образован пептидогликанами, аналогичными таковым вегетирующей клетки. Внешний слой (собственно оболочка) образуют кератиноподобные белковые структуры с низкой проницаемостью.
Для большинства видов грибов, имеющих медицинское значение, характерно наличие конидий (или экзоспор), являющихся формами неполового размножения. Их классификация во многом основывается на морфологических формах конидий. Их наиболее частые формы- бластопоры, хламидоспоры, артроспоры, конидиоспоры.
Хламидоспоры образуются в результате увеличения гифальных клеток с образованием толстой оболочки, защищающей споры от неблагоприятных условий окружающей среды.
К эндоспорам совершенных грибов относятся спорангиоспоры мукоровых грибов, развивающихся в специальных органах (спорангиях), располагающихся на вершине спорангиеносца. Споры освобождаются при разрыве стенки спорангия.
Микроорганизмы проявляют разную чувствительность к средствам, применяемым для их уничтожения. Существуют видовые различия в чувствительности, а также различия, зависящие от влажности и рН среды, от возраста вегетативных клеток или спор и т.д. Эффективность различных агентов, применяемых для уничтожения микроорганизмов, характеризуют величиной D10 (время, необходимое для того, чтобы в определенной популяции при определенных условиях среды вызвать гибель 90% клеток).
Полная или частичная стерилизация осуществляется с помощью:
1) влажного жара,
2) сухого жара,
3) фильтрации,
4) облучения
5) различных химических средств.
При доступе воздуха определенному давлению соответствует значительно более низкая температура. Продолжительность стерилизации, естественно, зависит от объема (теплоемкости) сосудов, в которых ее проводят.
Способы консервирования ягод и косточковых плодов тоже следует рассматривать как частичную стерилизацию. При обычном нагревании консервных банок в течение 20 мин при 80°С гибнут только вегетативные клетки и споры многих грибов, в то время как споры бактерий остаются жизнеспособными. Прорастанию бактериальных спор препятствуют низкие значения рН, обусловленные присутствием кислот во фруктовом соке. На пастеризованной клубнике часто появляется так называемый «клубничный гриб» Byssochlamys nivea. Его аскоспоры выдерживают 86°С; при этой температуре составляет 14 мин.
2. Сухой жар. При стерилизации сухим жаром бактериальные споры переносят более высокие температуры и притом дольше, чем при стерилизации влажным жаром. Поэтому жаростойкую стеклянную посуду, порошки, масла и т. п. стерилизуют в течение 2 ч при 160°С в сухом стерилизаторе. В тех случаях, когда это позволяет стерилизуемый материал, в настоящее время применяют 30-минутный нагрев при 180°С. Как показывает опыт, при этом погибают все споры. Стерилизация жаром основана на коагуляции клеточных белков.
3. Фильтрация. Растворы, содержащие термолабильные вещества, удобнее всего стерилизовать фильтрованием. В лабораториях и для стерилизации питьевой воды используют фильтры Беркефельда (из прессованного кизельгура). Часто употребляют также асбестовые пластинки (в фильтрах Зейца), стеклянные фильтры и мембранные фильтры. Некоторые из них выпускаются с различной величиной пор, что позволяет даже разделять организмы разной величины и формы.
4. Облучение. Для полной или частичной стерилизации применяют ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. В лабораторных условиях наибольшее значение имеют ультрафиолетовые лучи. В спектре УФ-ламп преобладает излучение в области 260 нм, поглощаемое главным образом нуклеиновыми кислотами и при достаточно длительном воздействии вызывающее гибель всех бактерий. УФ-облучение используется для частичной стерилизации помещений; при этом бактерии погибают очень быстро, а споры грибов, гораздо менее чувствительные к ультрафиолету, значительно медленнее. Ионизирующее излучение применяют для стерилизации пищевых продуктов и других компактных материалов.
5. Химические средства. При стерилизации пищевых продуктов, лекарственных препаратов и разного рода приборов, а также в лабораторной практике оправдало себя применение окиси этилена, которая убивает и вегетативные клетки, и споры, но действует только в том случае, если подвергаемые стерилизации материалы содержат некоторое количество (5-15%) воды. Окись этилена применяют в виде газовой смеси (с N2 или СО2), в которой ее доля составляет от 2 до 50%.
Для сохранения термолабильных веществ, содержащихся в питательных средах, в практику была введена стерилизация пропиолактоном. Он значительно активнее окиси этилена, но обладает, видимо, довольно сильным канцерогенным действием и вызывает ряд других побочных физиологических эффектов. Его добавляют в количестве 0,2% в готовые питательные среды, которые затем инкубируют 2 ч при 37°С. Если оставить среду на ночь, пропиолактон полностью разложится.
спора бактерия гриб микробиологический
Список литературы
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Задачи физиологии микроорганизмов. Анализ химического состава бактериальной клетки. Особенности и механизмы питания аутотрофных и гетеротрофных бактерий, их ферменты, процесс дыхания и размножения. Наследственность и генетические рекомбинации у бактерий.
реферат [21,1 K], добавлен 29.09.2009
реферат [3,2 M], добавлен 29.08.2009
реферат [27,2 K], добавлен 21.01.2010
История открытия микроорганизмов. Клеточная стенка — структурный элемент бактериальной клетки, ее строение у грамотрицательных и грамположительных бактерий. Состав гомогенного слоя клеточной стенки. Функция пептидогликана; периплазматическое пространство.
реферат [1,8 M], добавлен 15.05.2012
Исследование морфологических признаков бактерий, микроскопических грибов и дрожжей. Изучение внешнего вида, формы, особенностей строения, способности к движению, спорообразованию, способов размножения микроорганизмов. Форма и строение дрожжевой клетки.
реферат [28,8 K], добавлен 05.03.2016
Основные разновидности живых клеток и особенности их строения. Общий план строения эукариотических и прокариотических клеток. Особенности строения растительной и грибной клеток. Сравнительная таблица строения клеток растений, животных, грибов и бактерий.
реферат [5,5 M], добавлен 01.12.2016
Особенности питания и строения грибов как отдельной группы микроорганизмов. Рост гифов гриба и строение клеточной стенки гифа (липиды, хитин). Характеристика способов размножения грибов: вегетативное, почкообразование, спорообразование, деление клетки.
презентация [665,0 K], добавлен 25.02.2015
Споруляция
Содержание:
Характеристика процесса
Споруляция не является способом размножения бактерий, поскольку одна вегетативная бактериальная клетка формирует только одну спору. При прорастании споры не происходит увеличения числа бактерий.
Переход бактерий к споруляции наблюдается: при истощении питательного субстрата, недостатке источников азота, фосфора, углерода, изменений кислотности, повышении температуры. Причин у споруляции может быть множество. Их объединяет одно название – факторы не благоприятные для развития данного вида бактерий.
Споруляция – энергозависимый процесс. В зависимости от источника поступления различают:
Длительность споруляции составляет 18–20 часов. Способность к образованию спор детерминируется генами spo(спорулоны), которых в бактериальных клеткам может быть множество. В частности у бактерий Bacillus subtilis спорулонов насчитываютболее 100.Каждый из spo-генов отвечает за определенные стадии споруляции.
Процесс спорообразованияэндоспорделят на четыре этапа или стадии:
Первый этап споруляции – подготовительный
В ходе подготовительного этапа в вегетативной клетке бактерии происходят следующие преобразования:
Дипиколитовая кислота является специфическим для бактериальных спор веществом и в вегетативных клетках не встречается. Именно соединения дипиколитовой кислоты обеспечивают высокую терморезистентность спор.
Второй этап споруляции – предспора
Второй этап начинается с особого нравного деления клетки. В ходе данного преобразования цитоплазматическая мембрана вегетативной клетки бактерии образует инвагинацию (впячивание) от периферии к центру и отделяет часть протопласта материнской клетки. Данная часть протопласта содержит один нуклеоид с участком уплотненной цитоплазмы. Образование клеточной стенки между обеими частями протопласта в данном случае не происходит. Вместо этого протопласт будущей споры обрастает цитоплазматической мембраной материнской клетки. Образовавшаяся структура носит название – предспора или проспора.
Третий этап споруляции – образование оболочки
В синтезе оболочки споры принимают участие две мембраны, ограничивающие предспору внутри материнской клетки.
Мембрана протопласта проспоры синтезирует снаружи от себя стенку зародышевой клетки (зародыша).
Мембрана, происходящая от материнской цитоплазматической мембраны, синтезирует вовнутрь кору споры или кортекс, состоящий из многослойного муреина, более кислого, чем муреин клеточной стенки материнской клетки.
Кроме котекса и стенки зародыша, синтезируется наружная оболочка споры, состоящая в значительной степени из полипептидов.
Эндоспоры большинства видов бактерий формируют ещё один слой – экзоспориум. В его состав входят белки, липиды, углеводы.
По мере формирования многослойных покровов предспора превращается в спору.
Четвертый этап споруляции – созревание споры
В ходе четвертого этапа бактериальная спора приобретает характерную для вида форму и занимает определенное положение в клетке.
Диаметр бактериальной споры может быть меньше или больше диаметра вегетативной клетки. В результате клетка с созревающей спорой может иметь форму веретена или тенистой ракетки.
Созревающие споры могут располагаться в клетке различным образом:
Четвертый этап споруляции заканчивается лизисом материнской клетки, которую в данном случае часто именуют «спорангий».
Что определяет термоустойчивость эндоспор бактерий
Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях способны образовывать особые защитные формы — споры [от греч. sporos, семя]. Споры характеризуются высоким коэффициентом светопреломления и располагаются внутриклеточно, поэтому их также называют эндоспоры, а образующие их бактерии — спорангии.
Споры образуются лишь внутри вегетирующей бактериальной клетки, и каждая клетка образует одну эндоспору. Спорообразование наблюдают у небольшой группы эубактерий, из патогенных для человека — лишь у видов Clostridium и Bacillus. На долю споры приходится большая часть сухой массы клетки-спорангия, хотя пс объёму спора в 10 раз меньше объёма материнской клетки.
Споры— особая форма покоящихся клеток со сведённой к нулю метаболической активностью. Они резистентны к нагреванию, радиации, высыханию и воздействию химических веществ. Благодаря этим свойствам, спорь могут длительно сохраняться и обеспечивать сохранение вида в неблагоприятных условиях. Например, в почве, приставшей к растениям гербариев ботанического сада Кью Гарденс (Лондон), пролежавших 200-300 лет, обнаружены жизнеспособные споры Bacillus subtilis и Bacillus licheniformis. Предположительно в сухой почве некоторое количество спор может сохраняться до 1000 лет, но уже через 50 лет хранения 90% спор теряет жизнеспособность. Основное значение спор в выживаемости бактерий определяет их терморезистентность. Устойчивость к нагреванию (а некоторые споры выдерживают даже кипячение в течение нескольких часов! обеспечивает кальциевая соль дипиколиновой (пиридин-2,б-дикарбоновой) кислоты, составляющая 10-15% общей массы споры. Единственный фактор, к действию которого споры абсолютно лабильны — открытый огонь.
Как тут не вспомнить гётевского Мефистофеля и его рассуждения о неистребимости жизни: «. всё в мире так ведётся, что в воздухе, в воде и на сухом пути, в тепле и в холоде зародыш разовьётся; один огонь ещё, спасибо, остаётся, а то бы убежища, ей-богу, не найти».
Помимо эндоспор у некоторых бактерий существуют другие покоящиеся формы — экзоспоры (известны только для метанокисляющих бактерий) и цисты (шарообразная толстостенная клетка у видов Azotobacter). Аналогичные клетки миксобактерий называют миксоспорами. Для медицински значимых микроорганизмов перечисленные типы спорообразования не характерны.