СПОРООБРАЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ Типы покоящихся клеток бактерий: - эндоспоры (гр. sporos – семя), - цисты, - экзоспоры Иоган Вольфганг Гете «Фауст» Мефистофель: «…все в мире так ведется, что в воздухе, воде и на сухом пути, в тепле и в холоде зародыш разовьется; один огонь еще, спасибо, остается, а то б убежища, ей-богу, не найти…»
СПОРОГЕНЕЗ Наблюдается в условиях, неблагоприятных для роста и размножения. Внешние факторы: - стимулирующие спорогенез, - противоспорогенные (пептон, лактоза, Na. Cl, Ca. Cl 2). По объему спора в 10 раз меньше материнской клетки. Бактериальная клетка, в которой формируются споры, – спорангий. Спорообразование начинается с прекращения роста клетки, изменяется направленность метаболических процессов; происходит перестройка белков, часть из них синтезируется заново, активируются ферменты ЦТК, расходуются запасные вещества. Эндоспорообразование кодирует группа генов – спорулон (у сенной палочки – 150 -200 споровых генов). Спорообразование начинается после завершения репликации хромосомы и в спору попадает одна или несколько реплицированных хромосом.
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 1 -я стадия: нуклеоид вегетативной клетки приобретает компактную палочковидную форму, снижается активность генома, транскрипции и трансляции вегетативных генов. Утрачивается связь ДНК с рибосомами и мембраной. Происходит перестройка белков. Синтезируются антибиотики: 1) эдеины – линейные основные пептиды, подавляющие синтез ДНК, 2) бацитрацины – циклические пептиды, подавляющие синтез клеточных стенок, 3) группа грамицидин-полимиксин-тироцидин, состоящая из линейных и циклических пептидов, влияющих на структурные и функциональные свойства мембран.
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 2 -я стадия: отделяется полярный нуклеоид. При инвагинации ЦПМ часть протопласта отделяется от материнской клетки, образуется споруляционная перегородка, создание которой связано с мезосомами. Затем споруляционная перегородка деформируется и превращается в одну из оболочек споры, появляется протопласт споры.
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 3 -я стадия: протопласт споры окружается протопластом материнской клетки, образуется округлая проспора, окруженная двумя мембранами: одной внутренней и одной внешней. Из материнской клетки в проспору поступают некоторые аминокислоты, дипиколиновая кислота (пиридин-2, 6 -дикарбоновая кислота), ионы кальция, образуется комплекс Са 2+ с дипиколиновой кислотой. На 2 -й и 3 -й стадиях начинают синтезироваться белки покровов споры.
ПРОСПОРЫ у Clostridium sp.
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 4 -я стадия: между двумя мембранами проспоры в 2 этапа образуется муреиновый слой : Вначале возникает зародышевый (примордиальный) слой, который после прорастания споры становится оболочкой проростка; затем над ним откладывается муреин, образующий толстый слой кортекса (или коры). Кортекс состоит из особого муреина, содержащего 3 субъединицы: - мурамовую, не содержащую аминокислоты, - аланиновую, содержащую только один остаток L-аланина, - тетрапептидную. Кортекс разных видов бактерий содержит практически одинаковые пептидогликаны. Проспора, выделенная на стадиях 3 и 4 из спорангия, нежизнеспособна.
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 5 -я стадия: образование покровов споры. На внешней стороне наружной мембраны проспоры со стороны полюса клетки образуется экзоспориум в виде незамкнутого мешка, В его составе белки, липиды, углеводы. Он бывает тонким и толстым, однослойным и многослойным, в нем формируются газовые пузырьки, разные придатки споры.
ПОКРОВЫ СПОРЫ Число и строение слоистых покровов у разных видов бактерий различно. Покровы споры обеспечивают её устойчивость к ферментам, ядам, органическим растворителям.
ПРИДАТКИ СПОРЫ Трубчатые, лентовидные, булавовидные, фибриллярные, волосковидные, древовидные. Химический их состав – белок (из 18 аминокислот), сходный с коллагеном, кератином и актином, полисахариды и липиды. У выростов некоторых бактерий – ферментативная активность. Выросты отвечают за контакт клеток в системе спорангий – спора, являются средством пространственной организации процессов в спорулирующей клетке, играют роль при прорастании споры, способствуют переносу спор током жидкости (подобно газовым колпачкам).
СТАДИИ СПОРООБРАЗОВАНИЯ 6 -я стадия: заканчивается формирование споры, появляется термоустойчивость. Зрелая спора имеет характерную для каждого вида бактерий форму, размеры, занимает соответствующее положение в клетке, затем происходит освобождение ее от остатков материнской клетки путем лизиса последней. Развитие споры определяется активностью двух геномов – материнского и проспоры.
СПОРООБРАЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ (в клетке одна эндоспора) Необязательный этап жизненного цикла Эндоспоры могут быть инфицирующей стадией организма
УСТОЙЧИВОСТЬ ЭНДОСПОР Высокая термоустойчивость (споры Вас. cereus выдерживают кипячение в течение 2, 5 мин, В. subtilis – 3 ч, а В. tostus – 20 ч). Причины термоустойчивости: - наличие кальциевой соли дипиколиновой кислоты (4 -15 % массы споры), - малое содержание воды (на 20 -35 % меньше, чем в вегетативной клетке), - наличие многочисленных оболочек, - особенности организации кортекса. В споре много липидов, в 2 раза больше общего азота, чем в вегетативной клетке, много кальция, магния, но меньше фосфора и калия, мало свободных аминокислот, отсутствует гидрооксимасляная кислота. Споры, которые не прорастают, будучи помещенными в благоприятные условия, называются «дремлющими» .
ПРОРАСТАНИЕ СПОР (2 -3 ч) 1 -я стадия: активация прорастания (необратима). Основные свойства споры сохраняются. Под воздействием автолизинов происходит расщепление кортекса, поглощение воды и набухание. Спора увеличивается ( «вздутие» ). 2 -я стадия: инициация прорастания (необратима) (несколько минут). Снижается устойчивость споры к нагреванию, краскам, высушиванию. Выделяется до 30 % по массе веществ споры – ДПК-Са 2+, глюкозамин, диаминопимелиновая кислота, некоторые аминокислоты. Низкомолекулярные белки споры разрушаются специфической споровой протеазой. 3 -я стадия: собственно прорастание. Происходит активный синтез белка и РНК, репликация ДНК, лизис оболочек споры, их разрыв в одной любой точке споры и появление «ростка» новой клетки.
РАСПОЛОЖЕНИЕ СПОР В КЛЕТКЕ Бациллярное Клостридиальное Плектридиальное
БАКТЕРИИ, ОБРАЗУЮЩИЕ СПОРЫ Эндоспоры присущи бактериям с Г+ типом клеточной стенки, как исключение они встречаются и у Г– бактерий (Desulfotomaculum). Извитые, большинство палочек, кокки (за исключением Sporosarcina) эндоспор не образуют. Описано более 15 родов бактерий, образующих эндоспоры: Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Oscillospora и др. В природе значительно больше в количественном и видовом отношении неспорообразующих бактерий, чем спороносных.
ЭКЗОСПОРЫ Экзоспоры – мельче вегетативных клеток, угловатой формы, плохо окрашиваются красками, не содержат дипиколиновой кислоты, устойчивы к высушиванию, облучению УФ-лучами, не устойчивы к лизоциму, менее термоустойчивы, чем эндоспоры. Образуются некоторыми почкующимися фотосинтезирующими и метанолокисляющими бактериями.
ЦИСТЫ БАКТЕРИЙ Цисты (лат. cista – ящик) – округлые образования, содержащие цитоплазму с нуклеоидом (и гранулами ПОМ), окруженную ЦПМ и двумя оболочками – внутренней толстой и внешней многослойной. Возникают в старых культурах путем превращения всей бактериальной клетки в покоящуюся форму – цисту. В цистах много липидов. Цисты более устойчивы к высушиванию, механическим воздействиям, лизоциму, слабо резистентны к температуре. Цисты образуют некоторые метилотрофные бактерии, спирохеты, Аzotobacter, Bdellovibrio. Циста Bdellovibrio
ЦИСТОПОДОБНЫЕ РЕФРАКТЕРНЫЕ КЛЕТКИ Цистоподобные рефрактерные клетки при воздействии внеклеточных индукторов анабиоза образуются и у споробразующих (B. cereus) на фоне подавления спорообразования как его альтернатива, и у споронеобразующих (Micrococcus luteus, E. coli) бактерий как единственная покоящаяся форма. В этих клетках пониженная метаболическая активность (гипометаболизм) сопровождается развитием резистентности к экстремальным воздействиям. Особенности ультраструктуры: снижена плотность рибосом, мелкозернистость цитоплазмы, утолщенная слоистая клеточная стенка.
АКИНЕТЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Покоящиеся крупные клетки продолговатой или сферической формы с толстой пептидогликановой оболочкой, в которой больше липидов и полисахаридов, чем в вегетативных клетках, с уплотненным слизистым чехлом, менее оводненной цитоплазмой и гранулированным содержимым (гранулы гликогена, полифосфатов). В них больше ДНК, рибосом, но меньше фотосинтетических пигментов, поэтому в акинетах интенсивность фотосинтеза ниже, а дыхания – выше. Обладают повышенной устойчивостью к высушиванию, пониженным температурам.
ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ ПРОКАРИОТ А - миксоспоры миксобактерий; Б - цисты азотобактера; В - акинеты цианобактерий; Г - эндоспоры; 1 - нуклеоид; 2 - цитоплазма; 3 - ЦПМ; 4 -клеточная стенка; 5 - капсула; 6 - гранулы запасных веществ; 7 - внутренние покровы (интина); 8 - внешние покровы (экзина); 9 - тилакоиды ; 10 - чехол ; 11 - внутренняя мембрана споры; 12 - наружная мембрана споры; 13 - кортекс; 14 - покровы споры, состоящие из нескольких слоев; 15 - экзоспориум.
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ МИКРООРГАНИЗМОВ или МЕТАБОЛИЗМ 2 взаимосвязанные системы реакций: 1) ассимиляция поступающих в клетку питательных веществ (реакции синтеза метаболитов) – конструктивный или пластический метаболизм или анаболизм; 2) диссимиляция (процесс образования энергии) - энергетический метаболизм или катаболизм.
ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Голофитный способ питания(гр. holos – полноценный) - питательные вещества проникают в их клетку через всю поверхность. Голозойный способ питания - осуществление внеклеточного переваривания. У прокариот разнообразие пищевых потребностей. Микроорганизмам нужны вода, углерод, азот, фосфор, сера и др. элементы в макро- и микродозах, а также некоторые органические соединения.
ВОДА В МИКРОБНОЙ КЛЕТКЕ Составляет около 80 -90 % массы микробных клеток, вода должна находиться в жидкой фазе. 1) Благодаря способности образовывать водородные связи с полярными группами различных соединений вода обеспечивает гидратацию различных клеточных компонентов. 2) Поддерживает определенное гидростатическое давление – тургор клетки. 3) В качестве химического реагента она вступает в реакции гидролиза. 4) Служит растворителем различных клеточных метаболитов. В отсутствие воды задерживаются или полностью прекращаются метаболические процессы.
Источники углерода Питательная ценность источников углерода зависит от химической структуры органического вещества (длины углеродной цепочки, степени окисленности углеродных атомов). Самое окисленное производное углерода является СО 2, не содержит доступной для микроорганизмов энергии. Углеводороды и липиды нерастворимы в воде и с трудом проникают в клетки. Лучшие источники углерода для большинства микроорганизмов – органические соединения с частично окисленными атомами углерода: сахара, глицерин, маннит, лимонная, винная, молочная кислоты и др. Существенна близость химической структуры органического вещества к структуре входящих в состав микробной клетки соединений. Большинство бактерий усваивают сахара D-ряда, а аминокислоты L-ряда.
ТИПЫ ПИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Источник энергии Свет Окисляемый субстрат (донор водорода) Источник углерода органические соединения углекислота Органические соединения Фотоорганогетеротрофия Фотоорганоавтотрофия Неорганические соединения Фотолитогетеротрофия Фотолитоавтотрофия Органические соединения Хемоорганогетеротрофия Хемоорганоавтотрофия Неорганические соединения Хемолитогетеротрофия Хемолитоавтотрофия Бактерии могут при изменении условий внешней среды переключаться с одного типа питания на другой – миксотрофы
ИСТОЧНИКИ АЗОТА Аминоавтотрофы строят азотсодержащие компоненты из минеральных веществ либо из аминных групп, оторванных от органических субстанций. Наиболее доступный источник «N» для них – аммонийные соли. Свободный NH 3 мало доступен, поскольку создает в среде повышенную щелочность. Менее доступны нитраты, т. к. азот нитратов должен быть предварительно восстановлен до уровня NH 3. Нитриты для большинства микроорганизмов ядовиты. Наименее доступен в качестве источника азота атмосферный азот. Степень усвояемости минеральных источников азота определяется тем, насколько легко от превращаются в NH 3. Аминогетеротрофы строят белки из готовых аминокислот, используя для этого сложные белки, пептоны или отдельные аминокислоты. Если источником азота служат белки, пептоны и аминокислоты, то источники углерода не нужны. При использовании минеральных источников азота присутствие углеродного сырья необходимо.
АЗОТНОЕ ПИТАНИЕ БАКТЕРИЙ Белки ↓ Пептиды ↓ Аминокислоты ↑ Нитраты ↑ Нитриты ↑ NН 3 ↑ Атмосферный азот
ЭЛЕМЕНТЫ ПИТАНИЯ БАКТЕРИЙ Макроэлементы, микроэлементы, факторы роста Микроорганизмы, неспособные синтезировать факторы роста, – ауксотрофы. Минимальной называется концентрация вещества, наличие которой клетка уже воспринимает. При максимальной концентрации еще возможен рост, но с минимальной скоростью, а с увеличением этой концентрации наступает задержка роста. Концентрация питательных веществ, обеспечивающая максимальную скорость роста микроорганизма – оптимальная
Поступление питательных веществ в клетки Высокомолекулярные соединения предварительно расщепляются на более простые с помощью экзоферментов – гидролаз. 1. 2. 3. 4. Простая, или пассивная, диффузия. Облегченная диффузия с участием пермеаз (англ. реrmeable – проницаемый). Активный транспорт. Перенос фосфорилированных соединений с участием трансферазной системы.
ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ Олиготрофные бактерии могут расти только при низких концентрациях в среде органических веществ (обитатели водоемов). Из гетеротрофов наименее зависимы от окружающей среды виды, использующие всего лишь одно органическое соединение (Рseudomonas). Величина выросшей биомассы определяется концентрацией того из питательных веществ, которое находится в относительном минимуме Уплотнение клеток по мере роста также приводит к ухудшению условий питания. Количество питательных веществ, потребляемых единицей микробной биомассы за единицу времени, - физиологическую активность. Бактериальная клетка может переработать за сутки количество пищи, превышающее в 30 -40 раз собственную массу. Особенно много пищи поглощают анаэробные микроорганизмы.
ФЕРМЕНТЫ БАКТЕРИЙ (лат. fermentum – закваска, гр. enzyme – дрожжи, закваска) Ферменты снижают энергию активации, увеличивают скорость реакции, узнают субстрат по пространственному расположению молекулы и распределению в ней зарядов. За связывание с субстратом отвечает каталитический центр фермента. Ферменты: 1. Регуляторные (аллостерические), воспринимая различные метаболические сигналы, изменяют свою каталитическую активность. 2. Эффекторные
КЛАССЫ ЭФФЕКТОРНЫХ ФЕРМЕНТОВ 1. Оксидоредуктазы – перенос электронов: анаэробные (НАД) и аэробные (ФАД) дегидрогеназы, цитохромы, оксидазы, пероксидаза, каталаза. 2. Трансферазы – перенос различных группировок с одной молекулы на другую (транскетолазы, трансальдолазы, трансаминазы, коэнзим А). 3. Гидролазы расщепляют сложные соединения с присоединением воды (протеазы, липазы, амилазы). 4. Лиазы отщепляют определенные группировки от субстрата без участия воды, что приводит к образованию соединений с двойной связью (альдолаза). 5. Изомеразы – перенос групп внутри молекулы с образованием изомеров. 6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, обеспечивающие реакции синтеза за счет реакций конденсации. Ферменты могут функционировать независимо друг от друга или могут структурно объединяться в полиферментные комплексы.
ЭКЗОФЕРМЕНТЫ 1. Прочно связанными с поверхностью клетки 2. Ферменты, расположенные в периплазматическом пространстве, «запертые» между клеточной стенкой и ЦПМ – периплазматические (фосфатазы, катализирующие фосфорилирование некоторых субстратов). 3. Большинство экзоферментов осуществляют катализ вне клетки. Некоторые микроорганизмы могут сорбировать ферменты из окружающей среды. Микроорганизмы обладают определенным набором ферментов. Это наследственно закрепленный генетический признак. Ферменты, синтезирующиеся в клетке с постоянной скоростью независимо от наличия в среде субстрата, на который распространяется их действие, – конститутивные, им принадлежит основная роль в клеточном обмене. Индуцибельные ферменты синтезируются, если имеется субстрат.
Скачать презентацию СПОРООБРАЗОВАНИЕ БАКТЕРИЙ Типы покоящихся клеток бактерий — эндоспоры
Презентация 9 Спорогенез Питание.ppt