MORFOLOGIA I FIZJOLOGIA BAKTERII.docx

MORFOLOGIA I FIZJOLOGIA BAKTERII

Bakterie są to organizmy jednokomórkowe należące do PROKARYOTA. Wyróżnia się 4 działy podzielone na 33 sekcje obejmujące poszczególne rodziny i rodzaje bakterii. Podstawą tego podziału są:

-różnice w budowie ściany komórkowej,

- homologia DNA/DNA i DNA/RNA,

-skład oligosacharydów,

-sekwencja aminokwasów enzymów metabolizmu podstawowego,

-profil białek i kwasów tłuszczowych w błonie i ścianie komórkowej.

KSZTAŁT KOMÓREK BAKTERII

Kształt i wielkość komórek bakterii są w znacznym stopniu zależne od:

• wieku i warunków hodowli,

• temperatury inkubacji,

• czasu trwania hodowli,

• rodzaju podłoża,

• składu chemicznego środowiska odżywczego,

• zmian w obrębie materiału genetycznego.

BUDOWA KOMÓRKI BAKTERYJNEJ

rzęska/wić , ściana komórkowa, cytoplazma błona cytoplazmatyczna rybosomy nukleoid materiał zapasowy,plazmid fimbria/pili

NUKLEOID ,

Obszar komórki prokariotycznej będący odpowiednikiem jądra komórkowego u Eukaryota.

Nukleoid wraz z plazmidami zawiera pełną informację genetyczną komórki.

CYTOPLAZMA

Wodny roztwór związków wielkocząsteczkowych, soli mineralnych, cukrów prostych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych i związków wysokoenergetycznych, o charakterze koloidu, w którym zawieszone są biologicznie czynne struktury: nukleoid, plazmidy, rybosomy, materiał zapasowy (ziarnistości, wtręty, kryształki, kropelki).

RYBOSOMY

Rybosomy u Prokaryota są mniejsze niż u Eukaryota, mają niższą masę cząsteczkową i stałą sedymentacji Svedberga, wynoszącą 70S, w porównaniu do 80S u Eukaryota.

Różnice między rybosomami mają ogromne znaczenie przy leczeniu infekcji, gdyż niektóre antybiotyki wybiórczo hamują syntezę białek na chromosomach 70S,nie wpływając na działanie rybosomów 80S.

BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA

Wykazuje typową dla wszystkich błon elementarnych strukturę trójwarstwową i zbudowana jest z lipidów (20-35%) i białek (50-75%). Składa się z podwójnej warstwy lipidowej.

Błona pełni kilka bardzo ważnych funkcji:

• jako półprzepuszczalna stanowi barierę osmotyczną komórki i kontroluje wnikanie i usuwanie różnych substancji,

• jest miejscem zakotwiczenia enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów i w fosforylacji oksydatywnej, a więc w tworzeniu i magazynowaniu energii,

• uczestniczy w procesach syntezy ściany komórkowej, składników otoczki śluzowej, pili, fimbrii, a także wydziela enzymy zewnątrzkomórkowe,

• stanowi centrum replikacji DNA.

ŚCIANA KOMÓRKOWA

Jest elastyczną strukturą nadającą komórce bakteryjnej określony kształt. Stanowi barierę ochronną przed czynnikami zewnętrznymi fizycznymi i chemicznymi, a także przed innymi mikroorganizmami. Jest przepuszczalna dla licznych substancji niskocząsteczkowych i soli mineralnych.

Szkielet ściany komórkowej bakterii składa się z polimeru – peptydoglikanu, zwanego mureiną.

Lizozym – enzym odkryty przez Aleksandra Fleminga, występuje w łzach, śluzie jamy nosowej i białku jaja. Rozszczepia w mureinie wiązanie glikozydowe powodując jej rozpad na dwusacharydy GlcNAc-MurNAc. Jest więc (N-acetylo)-muramidazą.

Penicylina niszczy głównie komórki bakteryjne gramdodatnie, a także niektóre gramujemne.

Działa bakteriobójczo na komórki rosnące, gdyż zaburza syntezę ściany komórkowej, poprzez zahamowanie tworzenia poprzecznych wiązań peptydowych między łańcuchami cukrowymi..

ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMDODATNICH

Mureina stanowi 30-70% suchej masy ściany komórkowej, składa się z około 40 warstw. Do mureiny przyłączone są też różne kwasy tejchojowe (łańcuchy złożone z 8-50 cząsteczek glicerolu lub rybitolu połączonych mostkami fosfoestrowymi). Kwasy te stanowią warstwę plastyczną ściany komórkowej.

ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMUJEMNYCH

Sieć mureiny jest jednowarstwowa i stanowi mniej niż 10% suchej masy ściany komórkowej. Część dominującą ściany stanowi warstwa plastyczna, którą tworzy błona zewnętrzna zbudowana z fosfolipidów, białek, lipoproteidu Brauna, lipopolisacharydu /LPS/. Między błoną zewnętrzną a mureiną znajduje się tzw. przestrzeń peryplazmatyczna. Zawiera ona znaczną ilość enzymów biorących udział m.in. w rozkładzie substratów (metanol, glukoza), wykorzystywaniu związków nieorganicznych (siarczany, azotany), rozkładzie białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych.

W ścianie bakterii gramujemnych nie wykryto kwasów tejchojowych.

Lipopolisacharydy (LPS) mają duże znaczenie w diagnostyce bakteriologicznej i epidemiologii. Różne szczepy Salmonella typhimurium oraz Shigella desynteriae odpowiedzialne za infekcje jelitowe różnicuje się dzięki O-swoistemu bocznemu łańcuchowi lipopolisacharydów występujących w ich błonie zewnętrznej. Różnice wykrywa się metodami immunologicznymi i serologicznymi, które pozwalają na identyfikację szczepu i zlokalizowanie źródła infekcji (epidemii).

Lipopolisacharydy są najbardziej efektywnymi endotoksynami bakterii, wywołującymi gorączkę i biegunkę.

ROZMNAŻANIE BAKTERII

Bakterie rozmnażają się przez prosty podział komórki (rozszczepianie), przy czym z jednej komórki macierzystej powstają, po wytworzeniu poprzecznej błony, dwie komórki potomne. Pierwszy etap to podział substancji jądrowej. Występuje on w fazie intensywnego wzrostu komórki. Kolisty chromosom bakteryjny ulega w wyniku replikacji podwojeniu. Po skończonym podziale nukleoidu następuje właściwy podział komórki bakteryjnej, tworzy się poprzeczna przegroda (septum) rosnąca od zewnątrz do środka komórki. Stanowi ona następnie ścianę komórkową odgradzającą nowo powstałe komórki. Istotny jest brak wrzeciona kariokinetycznego, jakie podczas mitozy tworzy się u Eukaryota. Podział komórki bakteryjnej jest pod tym względem znacznie prostszy. Jest to rozmnażanie bezpłciowe.

Bakterie rozmnażają się w postępie geometrycznym: gdzie n oznacza liczbę podziałów.

Powstałe komórki mogą się od siebie oddzielić lub pozostać luźno powiązane tworząc łańcuchy komórek (Bacillus subtilis).

U bakterii nie stwierdzono rozmnażania płciowego, wykryto natomiast procesy płciowe umożliwiające pewną wymianę materiału genetycznego między różnymi komórkami bakteryjnymi.

KONIUGACJA Wykazano, że określone szczepy jednego gatunku bakterii łączą się w pary, zróżnicowane płciowo. Przenoszenie dziedzicznych cech szczepu dawcy na szczep biorcy przez bezpośredni kontakt w parach określa się mianem koniugacji. Połączenie się 2 bakterii zachodzi poprzez mostek cytoplazmatyczny utworzony przez pili płciowe. Koniugują tylko bakterie F+ (dawca, zawiera czynnik płciowy F i może wytwarzać pili płciowe) z bakterią F- (biorca, nie ma czynnika F). Podczas koniugacji biorca może uzyskać czynnik F i zacznie wytwarzać pili płciowe, stanie się dawcą.

TRANSFORMACJA Przekazanie cech genetycznych szczepom biorcy z pominięciem łączenia w pary, za pomocą wolnego rozpuszczalnego DNA uzyskanego od dawcy.

Doświadczenie Griffitha przeprowadzone na dwoinkach zapalenia płuc. Podanie myszom żywych bakterii R (nieotoczkowe, łagodne) nie powodowało śmierci zwierząt. Podobnie, podanie martwych bakterii S (zjadliwych). Podanie wymieszanych martwych zjadliwych bakterii S i żywych nieotoczkowych bakterii R powodowało śmierć myszy. W procesie tym nastąpiło przeniesienie fragmentu DNA z jednego nukleoidu do drugiego albo przeniesienie plazmidu z jednej komórki do drugiej. To obce DNA zostało pobrane z otoczenia, gdzie znalazło się np. po rozpadzie martwych komórek innych bakterii.

TRANDUKCJA Jest to proces przenoszenia fragmentu DNA z jednej komórki do drugiej przez bakteriofaga łagodnego (w czasie cyklu lizogenicznego). Fag taki wbudowuje część bakteryjnego DNA w swój własny kwas nukleinowy i przenosi go jako trwałą cechę na szczep biorcy.

ENDOSPORY I FORMY PRZETRWALNE Formy przetrwalne są formami rozwoju umożliwiającymi bakteriom przeżycie warunków, które mogłyby być zabójcze dla normalnych postaci wegetatywnych. Zdolność do wytwarzania endospor (przetrwalników) ma tylko mała grupa bakterii. Są to bezwzględne lub względne tlenowe bakterie z rodzaju Bacillus, Sporosarcina oraz bezwzględne beztlenowe z rodzaju Clostridium.

Przetrwalniki nie służą rozmnażaniu, a jedynie przetrwaniu, gdyż każda komórka może wytworzyć w swym wnętrzu tylko 1 przetrwalnik.

Przetrwalniki bakterii są odporne na różne czynniki zewnętrzne:

- wysoka temperatura – bakterie giną po 10-minutowym ogrzewaniu w 80°C (pasteryzacja), endospory wytrzymują nawet wielogodzinne gotowanie i mogą kiełkować kiedy trafią na korzystne warunki środowiska, ciepłooporność jest proporcjonalna do zawartości kwasu dipikolinowego,

- niska temperatura – są odporne nawet na zamrażanie, głównie dzięki grubym ścianom i minimalnej zawartości wody,

- promieniowanie – dzięki dużej liczbie mostków dwusiarczkowych w zewnętrznych osłonkach białkowych,

- wysuszenie – mogą przetrwać latami, a nawet wiekami bez wody,

- czynniki chemiczne (wysokie i niskie pH, duże stężenie NaCl).

Przetrwalniki zawierają o około 40% więcej białka i prawie 4-krotnie mniej węglowodanów niż komórki wegetatywne. Charakterystycznym dla endospor związkiem (występującym tylko w nich) jest kwas dipikolinowy (kwas pirydyno-2,6-dikarboksylowy, DPA). Kwas ten wiąże jony wapnia w stosunku 1:1 tworząc dipikolinian wapnia, który może stanowić do 15% suchej masy spory. Związek ten odgrywa znaczną rolę w ciepłooporności endospor. Przetrwalniki nie zawierają β-hydroksymaślanu, który w komórkach wegetatywnych stanowi prawie 30% suchej masy.

PROCES TWORZENIA ENDOSPORY TO SPORULACJA. Komórka bakterii w wyniku sporulacji staje się sporangium, w którym przetrwalnik, w zależności od gatunku zajmuje pozycję środkową albo mniej lub bardziej biegunową (cecha taksonomiczna). Ponieważ przetrwalniki te są często większe od komórki macierzystej, dojrzałe sporangia przyjmują kształt maczugi lub wrzeciona.

SPORULACJA Endospory powstają wewnątrz komórki bakteryjnej, a proces ich tworzenia rozpoczyna się, gdy warunki żywieniowe stają się niekorzystne (wyczerpanie źródła węgla lub azotu, lub obu jednocześnie).

I stadium:

Błona cytoplazmatyczna lekko uwypukla się do wnętrza komórki tworząc przegrodę.

II stadium:

DNA dzieli się na 2 części dając genofor sporangium i genofor prespory zlokalizowany bliżej bieguna komórki.

III stadium:

DNA prespory wraz z częścią cytoplazmy zostaje oddzielone, a następnie jest otaczane dwiema błonami cytoplazmatycznymi.

IV stadium:

Wewnętrzna błona tworzy ścianę komórkową przetrwalnika. Błona zewnętrzna daje do środka korteks. Zaczynają powstawać osłony białkowe wytwarzane przez komórkę macierzystą.

V stadium:

Zakończeniu ulega wytwarzanie korteksu oraz osłon białkowych. Materiał jądrowy ulega uporządkowaniu w pobliżu błony przetrwalnika.

VI stadium:

Przetrwalnik dojrzewa. Osłonki ulegają przemianom, które powodują, że stają się nieprzepuszczalne i ciepłooporne. Ustają przemiany metaboliczne, wejście w stan anabiozy.

VII stadium:

Uwolnienie endospory na skutek lizy sporangium.

BUDOWA PRZETRWALNIKA BAKTERYJNEGO

Rdzeń Cytoplazma otoczona błoną cytoplazmatyczną, czyli protoplast przetrwalnika. Zawiera chromosom i wszystkie struktury potrzebne do syntezy białek oraz wytwarzania energii na drodze glikolizy. Ściana przetrwalnika Warstwa znajdująca się najbliżej na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Jest zbudowana z mureiny i po wykiełkowaniu endospory w komórkę wegetatywną staje się ścianą komórkową.

Korteks Najgrubsza warstwa osłony przetrwalnika, zbudowana z mureiny o mniejszej liczbie mostków poprzecznych niż ściana komórkowa. Zawiera kwas dipikolinowy. Jest bardzo wrażliwa na działanie lizozymu, a jego autoliza odgrywa rolę przy kiełkowaniu.

Płaszcz Wewnętrzny i zewnętrzny płaszcz endospory, zbudowany jest z białka kreatynopodobnego, z wieloma mostkami dwusiarczkowymi. Jest nieprzepuszczalny zapewniając dużą oporność na antybiotyki i środki dezynfekcyjne. Osłony te mogą stanowić do 50% objętości i 40-60% suchej masy endospory. Egzosporium Występuje tylko u niektórych gatunków Bacillus błona lipoproteinowa, zawierająca niektóre węglowodany.