ЕНДОСПОРИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФОРМАЦИЯ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На ендоспори са форми на оцеляване на някои бактерии, се състои от латентни клетки и дехидратирани покритие защитни слоеве, показва изключителна устойчивост на химически и физически стрес. Те са в състояние да траят безкрайно при липса на хранителни вещества. Те се образуват вътре в бактериите.

Ендоспорите са най-устойчивите известни живи структури. Те могат да преживеят високи температури, ултравиолетова светлина, гама радиация, изсушаване, осмоза, химически агенти и ензимна хидролиза.

Източник: Уред за микроскоп в Дартмут, Колеж в Дартмут

Когато условията на околната среда го определят, ендоспорите покълват, пораждайки активни бактерии, които се хранят и размножават.

Ендоспорите са вид спори. Има гъби, протозои, водорасли и растения, които произвеждат свои собствени видове. В ендоспорите липсва репродуктивна функция: всяка бактериална клетка произвежда само една. В други организми, напротив, те могат да имат репродуктивна функция.

история

В средата на 17 век холандският търговец на тъкани и пионер на микробиологията Антони ван Левенхук, използвайки гениални микроскопи, проектирани и изработени от него, е първият, който наблюдава живи микроорганизми, включително протозои, водорасли, дрожди, гъби и бактерии.

През 1859 г. Френската академия на науките спонсорира конкурс, в който участва френският химик Луи Пастьор. Целта беше да се хвърли светлина чрез експеримент върху „спонтанното поколение“, древна хипотеза, която предполагаше, че животът може да възникне от „жизнени сили“ или „преносими вещества“, присъстващи в неживата или разлагаща се материя.

Пастьор показа, че както в случая с виното, въздухът и твърдите частици са източник на микробите, които растат в културни бульони, предварително стерилизирани с топлина. Малко след това, през 1877 г., английският физик Джон Тиндал потвърждава наблюденията на Пастьор, нанасяйки последния удар върху хипотезата за спонтанното поколение.

Tyndall представи също доказателства за изключително устойчиви на топлина форми на бактерии. Независимо, между 1872 и 1885 г. немският ботаник Фердинанд Кон, считан за основател на съвременната микробиология, описа подробно бактериалните ендоспори.

дълголетие

Повечето организми живеят в среда, която се различава във времето и пространството. Обща стратегия за оцеляване на условията на околната среда, временно неподходящи за растеж и възпроизводство, е да се влезе в състояние на обратимо спящо състояние, по време на което хората да намерят убежище в защитните структури и да намалят до минимум своите енергийни разходи.

Преходът между активни и латентни състояния е метаболитно скъп. Тази инвестиция е по-голяма, когато индивидите трябва да изграждат собствени защитни структури, независимо дали са съставени от екзогенни материали или биосинтезирани в тях. Освен това индивидите трябва да могат да реагират на стимули от околната среда, които причиняват прехода.

Закъснението генерира резервоар от спящи индивиди, който може да се активира, когато се появят благоприятни условия. Тези резервоари позволяват опазването на популациите и тяхното генетично разнообразие. Когато става дума за патогенни бактерии, произвеждащи ендоспори, латентността улеснява предаването им и затруднява контрола им.

Бактериалните ендоспори могат да останат жизнеспособни в продължение на много години. Твърди се, че ендоспорите, запазени в древни субстрати, като вечна замръзване, водни седименти, подземни находища на сол или кехлибар, могат да останат жизнеспособни хиляди и дори милиони години.

наблюдение

Визуализирането на позицията и други характеристики на ендоспорите е много полезно за идентифициране на видове бактерии.

Ендоспорите могат да се видят с помощта на светлинен микроскоп. При бактерии, подложени на оцветяване по Грам или метиленово синьо, те се разграничават като безцветни региони във вегетативната бактериална клетка. Това е така, защото стените на ендоспорите са устойчиви на проникване от обикновени оцветяващи реагенти.

Разработен е специфичен метод за оцветяване за ендоспори, известен като диференциално петно ​​на Шефер-Фултън, който ги прави ясно видими. Този метод позволява да се визуализират както тези, които са вътре в бактериалната вегетативна клетка, така и тези, които са извън нея.

Методът на Шефер-Фултън се основава на способността на малахитово зелено да оцветява стената на ендоспори. След прилагане на това вещество, сафранин се използва за оцветяване на вегетативните клетки.

Резултатът е диференцирано оцветяване на ендоспори и вегетативни клетки. Първите придобиват зелен цвят, а вторите розов цвят.

структура

В рамките на вегетативната клетка или спорангия, ендоспорите могат да бъдат разположени терминални, субтерминални или централно. Тази бактериална форма има четири слоя: медула, зародишна стена, кора и покривка. При някои видове има пети външен мембранен слой, наречен екзоспорий, съставен от липопротеин, който съдържа въглехидрати.

Медулата или центърът е протопластът на ендоспората. Той съдържа хромозома, рибозоми и система за генериране на гликолитична енергия. Може да няма цитохроми, дори при аеробни видове.

Енергията за покълване се съхранява в 3-фосфоглицерат (няма АТФ). Той има висока концентрация на дипиколинова киселина (5–15% от сухото тегло на ендоспора).

Зародишната стена на спората обгражда медуларната мембрана. Съдържа типичен пептидогликан, който по време на геминацията се превръща в клетъчната стена на вегетативната клетка.

Кората е най-дебелият слой на ендоспората. Огражда зародишната стена. Съдържа атипичен пептидогликан, с по-малко кръстосани връзки от типичния, което го прави много чувствителен към автолиза от лизозими, необходими за покълването.

Козината е съставена от кератин, подобен на протеин, който съдържа многобройни вътремолекулни дисулфидни връзки. Обгражда кората. Неговата непроницаемост дава устойчивост на химически атаки.

физиология

Дипиколиновата киселина изглежда има роля в поддържането на латентността, стабилизирането на ДНК и устойчивостта на топлина. Наличието на малки разтворими протеини в тази киселина насища ДНК и го предпазва от топлина, изсушаване, ултравиолетова светлина и химикали.

Синтезът на атипичния пептидогликан започва, когато се образува асиметрична септума, която разделя вегетативната клетка. По този начин пептидогликанът разделя стволовата клетка, в която преспорът ще се развие на две отделения. Пептидогликанът го предпазва от осмотични дисбаланси.

Кората осмотично отстранява водата от протопласта, което я прави по-устойчива на топлина и радиация.

Ендоспорите съдържат ензими за възстановяване на ДНК, които действат по време на активирането на мозъка и последващото му покълване.

Формирането на малки спори

Процесът на образуване на ендоспора от вегетативна бактериална клетка се нарича спорулация или спорогенеза.

Ендоспорите се появяват по-често, когато някои критични хранителни вещества имат недостиг. Може да има и производство на ендоспори, представляващо застраховка живот срещу изчезване, когато хранителните вещества са в изобилие и други условия на околната среда са благоприятни.

Спорулацията се състои от пет фази:

1) Образуване на септума (медуларна мембрана, зародишна стена на спората). Изолират се част от цитоплазмата (бъдеща медула) и реплицирана хромозома.

2) Зародишната стена на спората се развива.

3) Кората е синтезирана.

4) Капакът е оформен.

5) Вегетативната клетка се разгражда и умира, като по този начин освобождава ендоспората.

покълване

Процесът, при който ендоспорът се трансформира във вегетативна клетка, се нарича покълване. Това се задейства от ензимното разпадане на покритието на ендоспора, което позволява хидратацията на мозъка и рестартирането на метаболитната активност.

Покълването се състои от три фази:

1) Активиране. Възниква, когато абразия, химически агент или топлина повредят капака.

2) Покълване (или посвещение). Той започва, ако условията на околната среда са благоприятни. Пептидогликанът се разгражда, отделя се дипиколинова киселина и клетката се хидратира.

3) огнище. Кората се разгражда и се рестартира биосинтезата и клетъчното делене.

патология

Ендоспорите на патогенните бактерии са сериозен здравословен проблем поради тяхната устойчивост на нагряване, замръзване, дехидратация и радиация, които убиват вегетативните клетки.

Например, някои ендоспори могат да оцелеят няколко часа във вряща вода (100 ° C). За разлика от тях, вегетативните клетки не издържат на температури над 70 ° C.

Някои ендоспори, произвеждащи бактерии от родовете Clostridium и Bacillus, отделят мощни протеинови токсини, които причиняват ботулизъм, тетанус и антракс.

В зависимост от случая, леченията включват промиване на стомаха, почистване на рани, антибиотици или антитоксинова терапия. Превантивните мерки включват хигиена, стерилизация и ваксинация.

отравяне с колбаси

Причинява се от замърсяване със спори Clostridium botulinum. Най-очевидният му симптом е мускулна парализа, която може да бъде последвана от смърт. Честотата му е ниска.

Има три вида ботулизъм. Инфантилът се причинява от поглъщането на мед или други добавки, замърсени от въздуха, които се добавят към млякото. От своя страна, храната се произвежда чрез поглъщане на замърсена храна (като консерви), сурова или лошо сварена. И накрая, нараняването се получава при контакт със земята, което е естественото местообитание на C. botulinum.

тетанус

Причинява се от Clostridium tetani. Неговите симптоми включват мускулни контракции, които са много болезнени (на гръцки език думата "тетанус" означава да се свият) и толкова силни, че могат да причинят счупени кости. Често е фатално. Честотата му е ниска.

Инфекциозните спори на C. tetani обикновено влизат в тялото през рана, в която те покълват. По време на растежа, който изисква раната да бъде слабо кислородна, вегетативните клетки произвеждат токсин от тетанус.

Бактериите и техните ендоспори са често срещани в околната среда, включително почвата. Те са открити в изпражненията на хора и животни.

антракс

Причинява се от Bacillus anthracis. Симптомите му варират значително в зависимост от околната среда и мястото на инфекция. Това е сериозно и често фатално заболяване. Честотата му е умерено висока, което води до епидемии при животни и хора. През 18-ти век антраксът обезлюдил европейските овце.

Растителноядните бозайници са неговият естествен гостоприемник. Хората се заразяват при контакт (обикновено професионален) с животни или чрез боравене или поглъщане на животински продукти.

Има три вида антракс:

1) Кожен. Вписването се произвежда от наранявания. По кожата се образуват черни, некротични язви.

2) При вдишване. Вход по време на дишане. Произвежда възпаление и вътрешно кървене и води до кома.

3) Стомашно-чревен. Влизане чрез поглъщане. Причинява орофарингеални язви, силно коремно кървене и диария.

Приблизително в 95% от случаите човешкият антракс е кожен. В по-малко от 1% той е стомашно-чревен.

контрол

Ендоспорите могат да бъдат унищожени чрез стерилизация в автоклави, комбинирайки налягането от 15 psi и температури от 115–125 ° C за 7–70 минути. Те също могат да бъдат елиминирани чрез редуване на промени в температурата и налягането, така че да има покълване на спори, последвано от смърт на получените вегетативни бактерии.

Перацетна киселина е едно от най-ефективните химически средства за унищожаване на ендоспорите. Йодът в тинктура (разтворен в алкохол) или йодофор (комбиниран с органична молекула) също обикновено е смъртоносен за ендоспорите.

Унищожаването на ендоспорите в хирургичните инструменти се постига ефективно чрез въвеждането им в контейнер, в който се индуцира плазма (възбуден газ, богат на свободни радикали), за който някои химически агенти са подложени на отрицателно налягане и електромагнитно поле.

Унищожаването на ендоспори в големи предмети, като матраци, се постига чрез излагането им в продължение на няколко часа на етиленоксид, комбиниран с незапалим газ.

Хранително-вкусовата промишленост използва хлорен диоксид във воден разтвор, за да фумигира области, потенциално замърсени с антракс ендоспори.

Натриевият нитрит, добавен към месните продукти, и антибиотикът низин, добавен към сиренето, предотвратяват растежа на бактерии, произвеждащи ендоспори.

Биологични оръжия и биотероризъм

Bacillus anthracis се отглежда лесно. Поради тази причина по време на двете световни войни той е включен като биологично оръжие в арсеналите на Германия, Великобритания, САЩ, Япония и Съветския съюз.

През 1937 г. японската армия използва антракс като биологично оръжие срещу китайските цивилни в Манджурия. През 1979 г. в Свердловск, Русия, най-малко 64 души загиват от случайно вдишване на спори от военен произход на B. anthracis. В Япония и САЩ антраксът е използван за терористични цели.

За разлика от тях в момента се правят опити за използване на покрития с ендоспори като средство за терапевтични лекарства и за антигени, създадени за превантивни имунизационни цели.

Препратки

1. Barton, LL Структурни и функционални връзки в прокариоти. Спрингер, Ню Йорк.
2. Black, JG 2008. Микробиология: принципи и изследвания. Hoboken, NJ.
3. Брукс, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Медицинска микробиология. McGraw-Hill, Ню Йорк.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Възраждане и идентификация на бактериални спори в доминикански кехлибар от 25 до 40 милиона години. Наука 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Бактериални спори като ваксини. Инфекция и имунитет, 71, 2810–2818.
6. Емелут, Д. 2010. Ботулизмът. Издателска база за информация, Ню Йорк.
7. Guilfoile, P. 2008. Тетанус. Издателска база за информация, Ню Йорк.
8. Johnson, SS et al. 2007. Древните бактерии показват доказателства за възстановяване на ДНК. Трудове на Националната академия на науките на САЩ, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Антракс: от древността и неизвестността до преден бегач в биотероризма. Инфекциозни болести в Северна Америка, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. Любопитно модерна ДНК за бактерия на възраст 250 милиона години. Journal of Molecular Evolution, 54, 134–137.
11. Прескот, LM 2002. Микробиология. McGraw-Hill, Ню Йорк.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Дърмащите бактерии в езерните утайки като палеоекологични показатели. Journal of Paleolimnology, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Cutting. 2003. Възникващи приложения на бактериални спори в нанобиотехнологиите. Списание за нанобиотехнологии, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Антракс в Европа: неговата епидемиология, клинични характеристики и роля в биотерроризма. Клинична микробиология и инфекция, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Еволюция със семенна банка: популационните генетични последици от микробното спяне. Еволюционни приложения, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Основи в микробиологията. McGraw-Hill, Ню Йорк.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Микробиология: въведение. Бенджамин Къмингс, Сан Франциско.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Изолиране на 250-годишна халотолерантна бактерия от първичен кристал на солта. Природа 407, 897-900.