Budowa komórki bakteryjnej

2.1. Wstęp

Bakterie należą do Prokaryota. Przynależność organizmów do tego Królestwa uzależniona jest od pewnych właściwości fizjologicznych, niewielkich rozmiarów, oraz ubóstwa form morfologicznych tych organizmów (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Najliczniejsze wśród bakterii są bakterie właściwe (Kunicki-Goldfinger 1998). Kształty bakterii dzieli się na: kuliste, cylindryczne, oraz spiralne. Oprócz kształtu ich cechą charakterystyczna jest również tworzenie ugrupowań komórkowych, np. dwoinki (diplococcus), gronkowce (staphylococcus), paciorkowce (streptococcus), tetrady (tetracoccus), czy pakietowce (sarcina), co związane jest z płaszczyzną podziału komórek (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Najmniejszymi prokariota są bakterie i niedawno wyróżnione archeony (Slayers 2003). Najdrobniejsze z omawaianych organizmów to Mycoplasmatales lub ciałka elementarne form L (0,15-0,2 µm) (Kunicki-Goldfinger 1998). Do największych należą bakterie purpurowe (Chromatium) i siarkowe (Beggiatoa) (wielkość do kilkunastu mikrometrów). Olbrzymem jest tu Epulopiscium fishelsoni, żyjący w przewodzie pokarmowym ryb morskich (wielkość 500 µm, średnica 50 µm) (Kunicki-Goldfinger 1998). Wymiary bakterii wynoszą średnio 1-5 µm, średnica 1-2 µm. Obserwować można je w mikroskopie świetlnym przy powiększeniu 100 (Slayers 2003). W związku ze swoją wielkością (są około 10 razy mniejsze niż eukariota; małe eukariota są jednak wielkości dużych bakterii (Slayers 2003)), bakterie napotykają konieczność uproszczenia budowy wewnętrznej i mniej doskonałego podziału funkcji pomiędzy organelle komórkowe (Kunicki-Goldfinger 1998).

Rozróżnienie bakterii i archeonów nie było proste. Do podstawowych różnic należą: odmiennie zbudowane ściany komórkowe (archeony nie posiadają mureiny), archeony mają w składzie błon lipidy innego rodzaju niż bakterie (mogą więc rosnąć w ekstremalnie wysokich temperaturach), fotosyntezujące archeony nie mają chlorofilu. Zdumiewający jest fakt iż jak dotąd nie zidentyfikowano archeonów chorobotwórczych (Slayers 2003).

Ciało bakterii zbudowane jest z jednej komórki prokariotycznej (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Różnorodność drobnoustrojów związana jest nie tylko z ich kształtem, ale również z wytwarzaniem struktur komórkowych, czy też form przetrwanych. W skład komórki bakteryjnej wchodzą: cytoplazma, nukleoid (DNA), rybosomy, błona cytoplazmatyczna, ściana komórkowa (Gołębiowska 1986). U niektórych drobnoustrojów zaobserwować można inne struktury takie jak: elementy powierzchniowe (rzęski, fimbrie, otoczki), przetrwalniki, czy materiały zapasowe (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Skład chemiczny drobnoustrojów jest różnorodny (Kunicki-Goldfinger 1998):

- woda- jest najważniejszym składnikiem bakterii. Jest ona czynnym uczestnikiem wielu reakcji biochemicznych. W cząsteczkach wody wyróżniamy bieguny dodatni i ujemny. W związku z czym układają się w odpowiedni sposób wokół cząsteczek naładowanych elektrycznie, tworząc warstwę hydratacyjną (Kunicki-Goldfinger 1998),

- białka- stanowią one 40-60% suchej masy. Pełnią wiele różnorodnych funkcji, np.: enzymy, elementy kurczliwe. Są to długie łańcuchy połączone wiązaniami peptydowymi, zbudowane są z aminokwasów. Mogą one łączyć się w większe kompleksy z cukrowcami, kwasami nukleinowymi, czy tłuszczami tworząc glikoproteidy, nukleoproteiny, oraz lipoproteidy (Kunicki-Goldfinger 1998),

- kwasy nukleinowe- zbudowane są z łańcuchów nukleotydowych, a nukleotydy z zasady organicznej, pentozy oraz reszty fosforanowej. Wyróżnia się dwa typy kwasów nukleinowych: RNA (kwas rybonukleinowy z rybozą) oraz DNA (kwas deoksyrybonukleinowy z deoksyrybozą). RNA zbudowane jest z dwóch zasad purynowych: adeniny, guaniny, oraz dwóch zasad pirymidynowych: uracylu i cytozyny. DNA buduje zamiast uracylu tymina. Nukleotydy połączone są wiązaniami estrowymi pomiędzy resztą fosforanową jednego nukleotydy, a grupą OH cukru drugiego. Budowę DNA w 1953 roku opracowali badacze James Watson i Francis Crick. Stwierdzili oni, iż DNA ma budowę dwu-niciową polinukleotydową, a nici są w stosunku do siebie komplementarne. Adenina występuje naprzeciw tyminy, a cytozyna naprzeciw guaniny (Kunicki-Goldfinger 1998),

- witaminy i czynniki wzrostowe- stanowią niewielką frakcje komórkową, pełnią jednak ważną rolę jako niebiałkowe składniki enzymów. Do witamin wchodzących w skład bakterii należą : tiamina, ryboflawina, kwas nikotynowy, pirydoksyna, kwas pantotenowy, biotyna, kwas foliowy, B_12,, kwas liponowy, kwas para aminobenzoesowy (PABA), koenzym M (Kunicki-Goldfinger 1998),

- cukrowce- spotyka się je u bakterii, głównie w postaci polimerów i wielocukrów. Pełnią one funkcje jako materiały zapasowe komórki (np. granuloza, glikogen bakteryjny i inne) oraz jako materiały budulcowe (budują ściany komórkowe- peptydoglikan i otoczki) (Kunicki-Goldfinger 1998),

- lipidy i ciała tłuszczowe- ich ilość uzależniona jest od typu bakterii. U bakterii brak jest steroli (poza bakteriami fotosyntezujacymi i sinicami, oraz pasożytniczymi Mycoplasmatales). Mniej jest u nich również lub brak nienasyconych kwasów tłuszczowych. Materiałem zapasowym są u nich rzadko glicerydy, czy pospolite tłuszcze. W zamian za to bakterie posiadają, jako materiały zapasowe polimer kwasu β-hydroksymasłowego (Kunicki-Goldfinger 1998),

- składniki popiołowe- ich zawartość w bakteriach jest różna, uzależniona od gatunku bakterii, warunków hodowli oraz składu podłoża. Należą do nich: fosfor, siarka, potas, magnez, wapń, żelazo, cynk, kobalt, nikiel, molibden, miedź, oraz sód (Kunicki-Goldfinger 1998).

2.2. Porównanie budowy komórek eukariotycznych i prokariotycznych

Drobnoustroje, czy też mikroorganizmy, to niezwykle zróżnicowana grupa, zarówno pod względem taksonomicznym, jak i strukturalnym. Terminy Prokaryota i Eukaryota wprowadził w latach trzydziestych XX wieku E.Chatton. Zostały one wprowadzone dla rozróżnienia dwóch typów komórek. Pierwotnym kryterium podziału była struktura aparatu jądrowego (karyon- w języku greckim oznacza jądro, eu- oznacza prawdziwy, natomiast pro- pierwotny) (Baj 2006).

Podstawowe różnice pomiędzy komórkami Eukaryota i Prokaryota, polegają na zasadniczej odmienności w ich budowie (Kunicki-Goldfinger 1998). Są to dwa różne typy ewolucji na poziomie komórkowym (Kunicki-Goldfinger 1998). Organizmy prokaryotyczne odróżnia od eukaryotycznych brak struktury tkankowej. Jednakże z ich życiem związane są takie same procesy fizjologiczne. W związku z tym faktem każda komórka musi zawierać wszystkie niezbędne do przeprowadzania tychże procesów struktury. Komórki prokariotyczne są znacznie prościej zbudowane niż komórki eukariotyczne (Gołębiowska 1986). Uproszczenie budowy Prokaryota wiąże się z faktem, iż nie przechodzą one cyklów rozwojowych (z niewielkimi wyjątkami) (Gołębiowska 1986). U Eukaryota wyróżnić można komórki wegetatywne i generatywne co wiąże się z faktem, iż przechodzą one swoiste cykle rozwojowe (Gołębiowska 1986). Inaczej zbudowana jest u prokariota i eukariota błona komórkowa oraz ściana komórkowa (u form posiadających ją). Inne są również rybosomy. U Prokaryota brak jest fazy diploidalnej i podziału redukcyjnego, tak więc procesy płciowe przebiegają u nich inaczej niż u Eukaryota (Kunicki-Goldfinger 1998). W odniesieniu do cytoszkieletu (sieci włókien białkowych, nadających komórce sztywność i elastyczność), eukariota wykazują większą różnorodność kształtów w porównaniu do prokariota. (Slayers 2003).

Do prokariota należą: bakterie właściwe, mykoplazy, riketsje i sinice (Różalski 1996, Slayers 2003).

Komórka bakterii składa się ze ściany komórkowej, błony cytoplazmatycznej, plazmy, nukleoidu, czasami otoczek i rzęsek (Gołębiowska 1986). W nielicznych przypadkach w komórkach bakterii występują wakuole, materiały zapasowe (związki organiczne i nieorganiczne), bakterie fotosyntezujące zawierają barwne ziarnistości (np. chromatofory) (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Prokariota charakteryzują się również bardzo wysokim tempem metabolizmu, są zminiaturyzowane, posiadają uproszczoną budowę ciała, zdolność do wykorzystywania różnorodnych substancji odżywczych oraz możliwość zmiany w krótkim czasie typu metabolizmu, np. z tlenowego na beztlenowy (Różalski 1996).

Prokaryota nie posiadają swoistego jądra komórkowego (spotyka się u nich twór zwany nukleoidem, bez błony jądrowej), retikulum endoplazmatycznego, mitochondriów, centromeru, centrioli, wrzeciona mitotycznego, plastydów, lizosomów oraz chromatoforów (Gołębiowska 1986, Kunicki-Goldfinger 1998, Różalski 1996). U prokariota okolica jądra widoczna jest jako sieć złożona z nitek, granicząca bezpośrednio z cytoplazmą (Kunicki-Goldfinger 1998). Bakterie i archeony mają zazwyczaj 1-2 chromosomy. U prokariota nie występuje mitoza i mejoza, a komórki rozmnażają się przez prosty rozdział. Koliste DNA, brak w pełni wartościowych białek histonowych spowodowały, iż prokariota posiadają ograniczoną zdolność do gromadzenia i przetwarzania informacji genetycznej (Różalski 1996). Prostotę genomu, prokariota nadrabiają zdolnością do szybkiego mutowania i dodawania nowych fragmentów DNA, pochodzących od innych mikroorganizmów. Krótszy czas generacji pozwala im więc na szybką ewolucję (przykładem jest tu narastająca oporność na antybiotyki). Nabywanie DNA od innych mikroorganizmów przez bakterie i archeony nazywane jest horyzontalnym transferem genów (Slayers 2003).

Ryc.1. Komórka Prokaryota (komórka bakteryjna).

Do eukariota należą: pierwotniaki, grzyby, glony; oraz organizmy tkankowe takie jak rośliny i zwierzęta (Różalski 1996, Slayers 2003).

Eukariota posiadają złożoną budowę cytoplazmy. Podstawą macierzy cytoplazmy stanowi tu cytoszkielet, pełniący funkcje podporowe i ruchowo-transportowe (Różalski 1996). Jedną z najważniejszych cech wspólnych eukariota jest fakt, iż dzielą one funkcje biologiczne komórki pomiędzy tak zwane kompartymenty (najczęściej są to odrębne organella komórkowe). Wspólnymi dla wszystkich eukariota kompartmentami są: rybosomy, aparat Golgiego, retikulum endoplazmatyczne, mitochondria, lizosomy i peroksysomy. U roślin dodatkowo występują odpowiadające za fotosyntezę chloroplasty. Niektóre eukariota posiadają ksenosomy, są to endosymbionty pełniące funkcje mitochondriów i chloroplastów. Do cech wspólnych komórek prokariotycznych i eukariotycznych należy uniwersalny kod genetyczny i synteza białek z udziałem RNA i rybosomów (Różalski1996).

U Eukaryota jądro wyodrębnione jest pod względem morfologicznym, oddzielone jest od cytoplazmy dwiema błonami. W jego skład wchodzi: chromatyna, jąderko, macierz (matrix) oraz sok jądrowy w postaci kariolimfy. Wewnątrz jądra znajdują się chromosomy zbudowane z DNA, RNA i białek. Jądro eukariota posiada znacznie więcej DNA, niż u prostszych prokariota (Różalski 1996).

Ryc.2. Komórka Eukaryota (komórka zwierzęca). Ryc.3. Komórka Eukaryota (komórka roślinna).

Tab.1. Tabela przedstawiająca podstawowe różnice pomiędzy komórkami prakariotyczą i eukariotyczną

Komórka prokariotyczna

Komórka eukariotyczna

- aparat jądrowy w formie nieobłonionego nukleoidu -chromosom w formie kolistej, o budowie prostej - organizmy haploidalne, brak mitozy i mejozy - brak mitochondriów i plastydów - komórki zawierają rybosomy 70S - u form ruchliwych występują rzęski - ściana komórkowa zawiera mureinę

- materiał genetyczny mieszczący się w otoczonym podwójną błoną jądrze, zawierającym chromosomy - chromosom w formie liniowej, o budowie złożonej -organizmy diploidalne, mitoza i mejoza występuje - występują mitochondria i chloroplasty - występują rybosomy 80S (sytoplazmatyczne) i 70S (organellowe) - występują wici o budowie złożonej - brak ściany komórkowej, jeżeli występuje zawiera celulozę i chitynę

(Baj 2006).

3. Organella wewnątrzkomórkowe

2.3.1 Cytoplazma

Cytoplazma nazywana również protoplazmą (Zaremba 1994), to jednorodny, wodny roztwór związków wielkocząsteczkowych, soli mineralnych, cukrów prostych oraz aminokwasów. Umiejscowione są w niej nukleoid, plazmidy, rybosomy, mezosomy, materiały zapasowe (ziarnistości, wtręty, kryształki, kropelki). Całość jest koloidem w którego fazie rozproszonej znajdują się białka wolne, połączone z lipidami, węglowodanami, kwasami nukleinowymi (Różalski 1996). W stanie wolnym zawiera pewne ilości aminokwasów, cukrów, kwasów tłuszczowych i związków wysokoenergetycznych (ATP, ADP. AMP) oraz innych wymaganych podczas syntezy białka i składników strukturalnych komórki bakteryjnej. Fazę rozpraszającą stanowi tu woda (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Cytoplazma prokariota nie posiada retikulum endoplazmatycznego. Do wnętrza komórek wnikają u prokariota, powiązane z błoną cytoplazmatyczną mezosomy. Są to centra procesów oddechowych. U niektórych gram-ujemnych zamiast mezosomów występują struktury rozetkowe. Mezosomy są łącznikami pomiędzy błoną cytoplazmatyczną, a wnętrzem komórki (Gołębiowska 1986).

Materiały zapasowe zużywane przez bakterie podczas niesprzyjających warunków środowiskowych to: kwas poli-β-hydroksymasłowy (Bacillus sp., Pseudomonas sp., Staphylococcus sp.), polifosforany (Lactobacillus, Corynebacterium), wielocukry (skrobia, glikogen, granuloza), jak również odkładana wewnątrz komórek przez bakterie siarkowe, siarka elementarna (Różalski 1996).

W cytoplazmie odbywają się ważne życiowo funkcje komórki bakteryjnej. W cytoplazmie komórek bakteryjnych występują enzymy tworzące ATP, bezpośrednio podczas utleniania glukozy i innych źródeł węgla. Występują tu również enzymy syntezujące podjednostki mureiny, jak również enzymy uczestniczące w syntezie DNA i RNA (Różalski 1996).

2.3.2. Nukleoid

U eukariota jądro komórkowe jest wyodrębnione morfologicznie, otoczone jest dwiema błonami i w ten sposób jest oddzielone od cytoplazmy. W jego skład wchodzi chromatyna, jąderko, macierz (matrix), oraz sok jądrowy (kariolimfa). U prokariota sytuacja przedstawia się odmiennie (Różalski 1996). Bakterie należą do prokariotów, wiąże się to z faktem, iż nie posiadają DNA oddzielonego od cytoplazmy błoną jądrową (nie zawierają jądra komórkowego i jąderek) (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Nukleoid (DNA) nazywany jest chromosomem bakteryjnym lub materiałem chromosomowym (bez prawdziwych chromosomów), zapisane są w nim informacje dotyczące funkcji życiowych komórki (Kunicki-Goldfinger 1998). Przyczepiony jest on do błony cytoplazmatycznej, mezosomu lub do ściany komórkowej (Zaremba 1994). Jego położenie w komórce nie jest stałe (Kunicki-Goldfinger 1998). Prawie wszystkie chromosomy bakteryjne mają strukturę zamkniętą, kolistą, zwaną strukturą ccc. Nieliczne bakterie mają chromosomy liniowe (Borelia burgdorferi, Agrobacterium tumefaciens, Rhodococcus fascians i Streptomyces spp.) (Baj 2006).W 1961 roku Ris zaproponował dla materiału genetycznego prokariota nazwę genofor, nazwa ta jednak nie została powszechnie przyjęta (Kunicki-Goldfinger 1998).

Zazwyczaj w komórce znajduje się jedna kopia chromosomu (jest haploidalna (Zaremba 1994)), jednak u niektórych bakterii (Rhodobacter sphaeroides, Borrelia burgorferi) znajdują się dwie kopie. Więcej niż jedna kopia DNA znajduje się zwykle u bakterii szybko rosnących Kunicki-Goldfinger 1998). Kolejnymi wyjątkami od obecności pojedynczej kopii chromosomu są: Vibrio spp., Deinococcus radiodurans, które mają po dwa chromosomy, Rhizobium meliloti -trzy, a Burkholderia cepacia aż cztery. Więcej niż jeden posiadają również Brucella melitensis, Brucella suis, oraz Agrobacterium tumefaciens (Baj 2006).

Materiał chromosomowy, zbudowany jest z kolistej cząstki dwuniciowego DNA o wielkości 470 000 par zasad (100-200 nm) i masie cząsteczkowej 2,5 ∙ 10⁹ Da (Escherichia coli) (Różalski 1996). DNA może występować w postaci zrelaksowanej, koliście zamkniętej, ujemnie skręconej i superspirali- superhelisy, przyczepionej do określonego miejsca błony cytoplazmatycznej lub ściany komórkowej (Różalski 1996). Nukleoid ma rozmiar około 100-200 nm. Długość chromosomu zawiera się w granicach dwustukilkadziesięciu mikrometrów u Mycoplasmatales, do około 1400 µm u pałeczki okrężnicy. Wielkość nukleoidu wyrażana jest w tysiącach par zasad (kilo bazach- kb); na przykład: 700 kb u Mycoplasma, 950 kb u Borrelia, 1000-2000 kb u Chlamydia, 2000-4000 u Streptococcus, 4000-6000 kb u Bacillus, czy 6000-9500 kb u sinic i bakterii śluzowych. DNA skręcone jest w spiralę II rzędu, co ma wielkie znaczenie podczas replikacji, rekombinacji i transkrypcji (Kunicki-Goldfinger 1998).Wielkość nukleoidu zależy od wieku komórki. Dzieli się on przez duplikację nici DNA, synchronicznie z podziałem komórki (Gołębiowska 1986). Nukleoid musi maksymalnie zmniejszyć swoją objętość, by zmieścić się w mikroskopijnej komórce bakterii. Musi on więc ulec maksymalnemu superskręceniu (np. u Escherichia coli DNA ma długość 1,4 mm, aby zmieścić się w komórce o wymiarach 0,7 x 2 µm, musi zmniejszyć swoją objętość o około 1000 razy. U eukariota materiał genetyczny nawinięty jest na histony, natomiast prokariota radzą sobie superskręceniem DNA (Różalski 1996)). DNA Escherichia coli zawiera niezależne topologicznie domeny superhelikalne. Mogą one niezależnie od siebie występować w formie superskręconej lub zrelaksowanej. Cechują je różnorodne typy skręcenia takie jak: ujemne, dodatnie, toroidalne. W genoforze pałeczek okrężnicy odkryto 1500 genów, co stanowi ok. 35% możliwości kodowania DNA nukleotydu u Escherichia coli. Geny ułożone są w zespoły, które determinują genetycznie określony szlak metaboliczny, właściwość, lub proces komórkowy. Geny w zespołach rozdzielone mogą być mozaikowymi, rozproszonymi elementami (BIMES), inaczej sekwencjami rozdzielającymi (u pałeczki okrężnicy stwierdzono 100-500 takich sekwencji). Do rozproszonych elementów przyłączać mogą się enzymy (topoizomerazy), odpowiedzialne za zmianę skręcenia DNA oraz białka wiążące DNA (białka histonopodobne), odpowiadające za organizacje domen chromosomu. U pałeczki okrężnicy wykryto cztery topoizomerazy (np. topoizomeraza I relaksuje ujemnie skęcony DNA, natomiast topoizomeraza II wprowadza do DNA dodatkowe negatywne superskręty. Wykazano również stabilizujące działanie RNA w organizacji nukleoidu bakteryjnego (Różalski 1996). W komórkach eukariontów występują histony, nawijają one DNA, co prowadzi do powstawania nukleosomów. Kompleks DNA, histonów, białek niehistonowych i RNA tworzą chromatynę. W 1975 roku po raz pierwszy opisano białka wykazujące podobieństwo do histonów (białka histonopodobne). Nie wiążą się one z DNA w takiej ilości jak histony, lecz maja zdolność do organizowania DNA w struktury wyższego rzędu. Białka te pełnią zarówno funkcje strukturalne, jak i regulacyjne (Baj 2006). Nukleoid utrzymywany jest przez część rdzeniową, zbudowaną z RNA i białek (ważną rolę strukturalną pełnią tu białka histonopodobne). Występowanie DNA w nukleotydzie stwierdził autoradiograficznie Cairns u Escherichia coli. Badania przeprowadzał na preparatach komórek z wbudowaną tymidyną znakowaną trytem. U Escherichia coli DNA występuje jako pojedyncza nić- pasmo o długości 1 mm, oba jej wolne końce są ze sobą połączone i tworzą zamknięty pierścień. Pasmo zawiera zespół genów i w sensie genetycznym nazywane jest chromosomem bakteryjnym, materiałem chromosomowym lub genoforem (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Replikacja DNA u prokariotów zsynchronizowana jest z podziałem komórki. Jeżeli dojdzie do zaburzenia takiej synchronizacji, dochodzi do powstania dwóch, lub czterech nukleotydów. Replikacja chromosomu jest mechanizmem semikonserwatywnym (półzachowawczym) co oznacza iż komplementarne łańcuchy DNA podczas replikacji rozdzielają się stanowiąc matrycę na której odtwarza się cały nukleotyd. W wyniku tego procesu powstają dwie nowe helisy, identyczne z helisą pierwotną. W replikacji chromosomu bakteryjnego uczestniczą:

- białka inicjujące- kierują inicjacją od źródła replikacji, łączą kompleks replikacyjny,

- białka replikacji- są primerami, wydłużają łańcuchy polinukleotydowe,

- białka swoistości- hamują początek replikacji w innych miejscach.

W zależności od warunków wzrostu komórek, replikacja może być jednokierunkowa (w dół) lub dwukierunkowa. DNA bakteryjny składa się z genów strukturalnych, determinujących strukturę poszczególnych białek oraz genów regulatorowych związanych z wytwarzaniem cząsteczki represora (białko kodowane przez gen regulatorowy, hamujące ekspresję informacji genetycznej z operonu). Miejsca w których geny strukturalne znajdują się obok miejsc biorących udział w regulacji aktywności genów strukturalnych, nazywają się operatorami. Zespół genów strukturalnych determinujący zespół enzymów poszczególnych dróg metabolicznych tworzy ciągły element DNA, pod kontrolą przylegającego do niego operatora. Termin operon określa sekwencję genów pod kontrolą pojedynczego operatora. Operony są elementami komórki charakterystycznymi dla Prokaryota (Zaremba 1994).

Istotną różnicą pomiędzy DNA prokariota i eukariora jest fakt, iż u eukariota geny kodujące biała stanowią niewielki procent DNA chromosomowego, natomiast u bakterii prawie cały DNA chromosomu to geny kodujące (Kunicki-Goldfinger 1998).

Analiza molekularna genomów ma dużą wartość w badaniach taksonomii drobnoustrojów, a także taksonomii ewolucyjnej. Czynnościowa analiza struktur DNA na poziomie molekularnym (udział w kodowaniu sekwencji aminokwasów, replikacja DNA, rekombinacja, kontrola ekspresji genu, strukturalna organizacja chromosomu) wyjaśniane są dzięki najnowszym metodom biologii molekularnej. W komórkach bakterii występować może jeden replikon (jednostka replikacji) jako chromosom lub inne struktury genetyczne (pozachromosomowy DNA), repikujące niezależnie od siebie nawet w tym samym czasie (Zaremba 1994).

2.3.3. Pozachromosomowe czynniki dziedziczenia

Pozachromosomowe czynniki dziedziczenia są elementami genetycznymi komórek bakteryjnych. Należą do nich plazmidy, transpozony, episomy oraz bakteriofagi (Zaremba 1994).

Plazmidy

Plazmidy są to pozachromosomowe replikony (koliście zamknięte cząsteczki DNA (Zaremba 1994, Baj 2006)), autonomicznie występujące w cytoplazmie, zdolne do samodzielnej replikacji niezależnie od chromosomu bakteryjnego. Skupione są z reguły na fragmencie DNA nie większym niż 2-3 kb. Cechą charakterystyczną plazmidów jest liczba kopii jego cząstek przypadająca na komórkę (im większy plazmid, tym mniej wytwarza kopii). W komórce bakteryjnej dochodzi czasem do zjawiska zgodności plazmidów, kiedy to w komórce występuje kilka różnych plazmidów (nie tylko kopii tego samego plazmidu). Jednakże nie mogą ze sobą współistnieć plazmidy o podobnym systemie regulacji replikacji, dochodzi wtedy do niezgody (Kunicki-Goldfinger 1998). Pierwszym odkrytym plazmidem był czynnik F (Kunicki-Goldfinger 1998). Wspólną cechą plazmidów jest ich występowanie i zdolność do replikowania się w komórce w stanie autonomicznym (Kunicki-Goldfinger 1998).

Niektóre właściwości komórki są kodowane przez plazmidy. Właściwości te związane są ze zwiększaniem możliwości przeżycia komórek bakteryjnych w określonych warunkach środowiskowych (Zaremba 1994, Kunicki-Golfinger 1998). Wymienić można szereg plazmidów determinujących patogenność bakterii (Hly u E.coli, czy Shigella flexneri) (Kunicki-Goldfinger 1998). Determinują między innymi oporność bakterii na antybiotyki (plazmidy R u Shigella). Warunkują syntezę niektórych metabolitów (plazmidy M u Pseudomonas), wytwarzanie bakteriocyn- substancji zabijających lub hamujących wzrost pokrewnych bakterii (plazmidy B u Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus megaterium). Występują również plazmidy płciowe (F u Escherichia coli), odpowiedzialne za koniugację (Różalski 1996, Baj 2006).

Wielkość plazmidów waha się od ułamka do kilku procent długości chromosomu. Wyjątkowo (Agrobacterium tumefaciens, czy Rhizobium) sięga on kilkunastu i więcej procent wielkości chromosomu. Ich wielkość wynosi średnio od kilku do około 100 kb. Plazmidy nie są niezbędnymi składnikami komórki (Kunicki-Goldfinger).

Wykrywane mogą być wyłącznie dzięki metodom genetycznym oraz fizykochemicznym (Kunicki-Goldfinger 1998).

Plazmidy wykryto również u eukariota (zwłaszcza drozdży i innych grzybów). Plazmidy są szeroko rozpowszechnione wśród bakterii. Plazmidy których obecność w danej bakterii odnotowano w związku z ich fizyczną obecnością w komórkach, a którym nie przypisano jeszcze kodowania zdefiniowanych cech fenotypowych gospodarza nazwano plazmidami kryptycznymi (Kunicki-Goldfinger 1998).

Transfer plazmidów może odbywać się na trzy sposoby: poprzez koniugację, transformację, oraz transdukcję (Baj 2006).

Episomy

Episomy to elementy genetyczne, które zlokalizowane mogą być w cytoplazmie. Namnażają się wtedy niezależnie od chromosomu komórki lub wbudowane mogą być w chromosom. Zmieniają one właściwości bakterii. Do episomów należą: czynnik F, czynnik R i profag (Różalski 1996, Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998).

Pewne plazmidy (episomy) mogą wbudowywać się do chromosomu gospodarza, wtedy ich replikacja odbywa się pod kontrolą chromosomu. Po replikacji przechodzą z powrotem w stan autonomiczny (Kunicki-Goldfinger 1998).

Bakteriofagi

Bakteriofagi czyli wirusy bakteryjne są szeroko rozpowszechnione wśród bakterii, jak również w środowisku (Kunicki-Goldfinger 1998).

Struktura omawianych wirusów to rdzeń kwasu nukleinowego otoczony białkowym płaszczem (kapsydem (Kunicki-Goldfinger 1998)). Liczne bakteriofagi posiadają głowę i ogonek. Kwas nukleinowy jest tu pętlą lub włóknem, jedno lub dwuniciowego polinukleotydy. Płaszcz białkowy różni się u wirusów kształtem i wielkością. Obserwowane są tu dwa typy symetrii kubiczna i heliakalna (Zaremba 1994).

Bakteryjne wirusy dzielą się na dwie kategorie: lityczne (zjadliwe) oraz łagodne (niezjadliwe). Komórki z bakteriofagami zjadliwymi wytwarzają nowe bakteriofagi, komórka natomiast pęka. Jeżeli komórka zakażona jest fagiem niezjadliwym, występuje tak zwany stan lizogenii, czyli nie dochodzi do reprodukcji wirusowego DNA, a jedynie transmisja genetyczna do komórek bakteryjnych nowych generacji. Zdarzają się również spontaniczne indukcje stanu lizogenii do lizy. Powodowany może być ten fakt na przykład związkami chemicznymi, czy promieniowaniem UV. Fagi bakteryjne pełnią rolę w mechanizmach przekazywania informacji genetycznej wśród komórek bakteryjnych (transdukcja). Transdukcję dzielimy na nieswoistą- dotycząca każdej cechy bakterii, oraz swoistą z udziałem profaga umiejscowionego w ściśle określonym fragmencie DNA chromosomu bakteryjnego (Zaremba 1994).

Cechy bakteriofagów:

- są to czynniki infekcyjne, bezwzględne pasożyty wewnętrzne,

- przechodzą cykl infekcyjny, gdy występują w postaci jednej lub większej ilości nieaktywnych cząstek wironów. Wirony składają się z jednej lub większej ilości cząstek kwasu nukleinowego zwykle otoczonego przez płaszcz,

- są to elementy zdolne do przenoszenia się do innego gospodarza,

- cząsteczką przenoszącą informacje genetyczna bakteriofagow jest DNA, lub RNA, po wniknięciu do komórki taki kwas przeprogramowuje aparat komórkowy w celu tworzenia nowych wironów,

- nie mogą namnażać się poza komórką,

- nie mają struktur syntezujących białka, ani wytwarzania energii,

- są zdolne do kontrolowania metabolizmu komórki gospodarza,

- udaje namnażać je się wyłącznie w komórkach gospodarza (bakterii) (Kunicki-Goldfinger 1998).

Cząsteczki faga znajdujące się w sąsiedztwie wrażliwych (posiadających odpowiednie receptory) bakterii adsorbują się na ich powierzchni. Te posiadające ogonek adsorbują się częścią ogonkową. Proces adsorpcji zależy od wielu czynników, np. temperatury, pH, ruchliwości bakterii (Kunicki-Goldfinger 1998).

Ruchome elementy DNA:

Do ruchomych elementów DNA należą sekwencje inercyjne, transpozony oraz genom łagodnego bakteriofaga Mu. Ich wspólna cechą jest zdolność do zmiany miejsca w obrębie DNA lub przemieszczania się między replikonami (Kunicki-Goldfinger 1998).

Sekwencje inercyjne (IS)- są to najprostsze elementy transpozycyjne o wielkości 0,5-3 kpz, występują między innymi u Escherichia coli, czy Salmonella (Kunicki-Goldfinger 1998). Posiadają je bakterie, archeony oraz niektóre eukariota. Niosą informację genetyczną dotyczącą wyłącznie własnej transpozycji (Baj 2006).

Transpozony (Tn)- to fragmenty DNA charakteryzujące się podatnością na przemieszczenia z jednego locus w inne. W niezmienionym stanie transpozon jest włączany w nowe miejsce w DNA. Mogą one zawierać geny, w tym determinujące oporność bakterii na chemioterapeutyki (Zaremba 1994). Oprócz informacji genetycznej dotyczącej transpozycji, niosą również pojedyncze geny, bądź ich ugrupowania warunkujące cechy fenotypowe. Dzieli się je na transpozony złożone i niezłożone (Baj 2006).

Bakteriofagi Mu- są to łagodne fagi, posiadają zdolność do indukowania mutacji w genomie gospodarza, przez integrację do niego w wielu miejscach. Genom tego bakteriofaga uznawany jest za jeden z największych znanych transpozonów (Kunicki-Goldfinger 1998). Bakteriofagu Mu zdolne są do integracji w przypadkowe miejsca genomu bakterii, czemu towarzyszy efekt mutagenny. Powiela on swój genom wykorzystując do tego transpozycję. Posiada on dwuniciowy, liniowy genom o długości 37 kpz (Baj 2006).

Wyspy genomowe- definiuje się je jako DNA nabyty przez horyzontalny transfer genów, wbudowany do genomu biorcy w pobliżu genów tRNA, przez rekombinację zlokalizowaną. W zależności od determinowanej funkcji, elementy te podzielono na: wyspy patogenności, wyspy symbiotyczne, wyspy metaboliczne oraz wyspy opornościowe (Baj 2006).

2.3.4. Błona cytoplazmatyczna

Błona cytoplazmatyczna (membrana, błona komórkowa), czyli zewnętrzna warstwa cytoplazmy, nie jest sztywna (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Przez błonę cytoplazmatyczną komórka kontaktuje się ze środowiskiem zewnętrznym. Kontakt ten umożliwia porowa struktura błony. Jej grubość wynosi 15 nm w stanie uwodnionym (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Błona posiada mozaikową budowę. W płynno-krystalicznej warstwie lipidów zawieszone są białka (Różalski 1996). Strukturę błony stabilizują wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe, oraz kationy Mg²⁺, Ca²⁺, które wiążą się jonowo z ujemnie naładowanymi fosfolipidami (Baj 2006). Błonę można oddzielić od cytoblastu, przenosząc protoplast do roztworu hipotonicznego, wywołując ich plazmoptyzę (Kunicki-Goldfinger 1998).

Ma ona charakter kwaśny (Duszkiewicz-Reinhard 2003), w 50-75 % zbudowana jest z białek, a w 20-35 % (Zaremba 1994) z fosfolipidów oraz w niewielkiej ilości z węglowodanów. Stosunek ilości białek do lipidów zależy od gatunku bakterii oraz fazy jej wzrostu. U bakterii różni się ona w porównaniu do eukariotów brakiem cholesterolu, oraz obecnością choliny (Różalski 1996).

Cholesterol spotyka się tylko w błonach chromatoforów sinic i u pasożytniczych Mycoplasmatales (pochodzi on u nich spoza komórki) (Kunicki-Goldfinger 1998).

Fosfolipidy błonowe to pochodne kwasu fosfatydowego (Kunicki-Goldfinger 1998). Są to struktury analogiczne do tych występujących u eukariotów. Do głównych fosfolipidów błonowych należą: fosfatydyloglicerol, difosfatydyloglicerol (kardiolipina), fosfatydyloinozytol, fosfatydyloetanoloamina (Zaremba 1994, Różalski 1996, Baj 2006). Fosfatydylo i difosfatydyloglicerol przeważają u gram-dodatnich, a u gram-ujemnych dominuje fosfatydyloetanoloamina. Fosfolipidy składają się z kwasów tłuszczowych: nasyconych, nienasyconych, metylowanych, hydrokslowanych oraz zawierających pierścień cyklopropanowy (Różalski 1996). Proporcja kwasów tłuszczowych nasyconych i nienasyconych zależy od temperatury wzrostu bakterii (Baj 2006). Najczęściej występują kwasy tłuszczowe zawierające 16 atomów węgla oraz 18 węglowe nasycone i nienasycone kwasy tłuszczowe, jak również C12 i C14 (Różalski 1996, Zaremba 1994, Baj 2006). W lipidach błon bakterii niezwykle rzadko występują nienasycone kwasy tłuszczowe powszechnie występujące u Eukaryota. Rozgałęzione kwasy tłuszczowe w dużych ilościach występują w błonach termofili (np. w 98% u Thermus). U wielu bakterii w błonie cytoplazmatycznej występują kwasy lipotejchojowe, przechowujące jony magnezu i wapnia (Kunicki-Goldfinger 1998).

U niektórych bakterii, głównie archebakterii występują aldehydowe formy fosfolipidów (plazmalogeny), etery, u innych glikolipidy i glikofosfolipidy (Różalski 1996). Błony archebakterii (Halobacterium) nie syntezują kwasów tłuszczowych. Fosfolipidy wiążą się tu z izoprenoidami, znajdują się tu również glikolipidosiarczany. Ich lipidy zawierają wiązania eterowe, zamiast estrowych. Na powierzchni Halobacterium występują w postaci łat (50%) tak zwana błona purpurowa zawierające jedno białko-bakteriorodopsynę (Kunicki-Goldfinger 1998).

W błonie wyróżnia się dwie strony: zwróconą ku cytoplazmie (wewnętrzną P), drugą zwróconą ku środowisku lub ścianie komórkowej (zewnętrzną E). Ze względu na umiejscowienie białek w stosunku do lipidów oraz stron P i E wyróżniamy: białka powierzchniowe-peryferyjne- zasocjowane na zewnątrz błony, białka integralne- zagłębione w hydrofobowym wnętrzu błony. Białka integralne dzielimy na endobiałka (dostępne od strony P), ektobiałka (od strony E), białka poprzeczne (śródbłonkowe) znajdujące się w obu warstwach fosfolipidów i występujące po obu stronach. Do najważniejszych funkcji błony należą: transport pierwiastków, substancji odżywczych oraz produktów metabolizmu. Błona jest barierą przepuszczalności, transportuje wybiórczo. Typami przemieszczania się elementów przez błonę są: dyfuzja prosta, dyfuzja ułatwiona, transport aktywny oraz system grup translokacyjnych. Przemieszczane są w ten sposób składniki odżywcze (Różalski 1996). Białka wytworzone w cytozolu posiadają na swoich końcach N krótką sekwencję sygnalną, prowadzącą. Sekwencje te składają się z trzech domen (hydrofilnej, hydrofobowej i polarnej od końca N do końca C). Fragment ten steruje transportem białka przez błonę, ponieważ jest rozpoznawany przez specyficzne peptydy z błon bakterii (Różalski 1996).

Selektywna przepuszczalność błony związana jest z metabolizmem komórki (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Bierna dyfuzja to różnica stężeń przenoszonych substancji lub potencjał elektryczny po obu stronach błony. Transport odbywa się tu zgodnie z gradientem stężenia lub potencjału elektrochemicznego. Takiej dyfuzji podlega woda (Różalski 1996, Zaremba 1994), oraz związki chemiczne dobrze rozpuszczalne w lipidach (substancje hydrofobowe) (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Dyfuzja ułatwiona jest procesem swoistym, któremu podlegają cząstki o określonej strukturze chemicznej. Substancje chemiczne są tu przenoszone szybciej niż na drodze różnicy stężeń. Biorą w niej udział permeazy (translokazy, białka tunelowe) (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Jest to pewien rodzaj enzymów przenoszących, nie jest tu zużywana energia. Proces ten jest również nazywany uniportem, czyli przemieszczaniem związku chemicznego, któremu nie towarzyszy przenoszenie innej substancji (Zaremba 1994).

Transport aktywny odbywa się wbrew gradientowi stężeń i przebiega z wydatkowaniem energii. Na przeniesienie jednej cząstki substratu zużywa się 1 mol ATP. Transport ten kontrolowany jest przez translokazy (permeazy), białka transportowe (katalizują zależny od energii transport. Przenoszą one substrat niezmieniony, mogą więc przedostawać się do wnętrza komórek cukry proste i aminokwasy (Zaremba 1994). Wyróżniamy transport aktywny właściwy oraz transport wrażliwy na szok osmotyczny (występuje on dodatkowo u gram-ujemnych). Ten ostatni wymaga obecności białek wiążących w przestrzeni periplazmatycznej oraz ATP. Transport aktywny właściwy odbywa się bez ATP, zależy od siły protonomotorycznej (PMF- protonomotive force), związanej z różnicą potencjału elektrycznego po obu stronach błony. Transport aktywny pierwotny polega na usuwaniu protonów na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Towarzyszące temu przemieszczenie cząstek nazywamy transportem wtórnym. Transport wtórny dzieli się na: symport- równoległy transport obu substancji w tym samym kierunku, za pomocą tego samego przenośnika (np. wodór-aminokwas, wodór-cukier prosty, wodór- kwas organiczny); antyport przenoszenie równocześnie dwóch substratów w przeciwnych kierunkach (np. wodór- wapń, wodór- sód) oraz uniport- przemieszczanie się jonów, wynikające z gradientu elektrochemicznego. Białka transportowe są specyficzne w stosunku do wybranych substratów. Pozwala to bakterii na pobieranie składników niezbędnych z wykluczeniem tych, które nie są jej potrzebne do funkcjonowania. W związku z ich specyficznością, komórka bakterii zawiera wiele białek transportujących. Podczas transportu aktywnego, wymagana jest obecność energii, bez jej udziału cząsteczki dyfundowałyby ze stężenia większego do stężenia mniejszego (od cytoplazmy do środowiska zewnętrznego). Wytwarzanie energii polega na transporcie elektronów i protonów przez błonę cytoplazmatyczną. Elektrony oddzielane są od protonów, które przesuwane są na zewnętrzna część błony cytoplazmatycznej. Elektrony przekazywane są na ostateczny akceptor elektronów. Protony wytwarzają energię powracając do komórki przez kompleks białkowy w błonie cytoplazmatycznej (synteza adenozynotrifosforanu- ATP). ATP jest głównym związkiem, w którym magazynowana jest energia w komórce. Protony powracając do komórki, współdziałają z motorem rzęski, powodując jego ruch. Mogą one również współdziałać z białkami transportującymi, dając energię do transportu składników odżywczych do komórki (Slayers 2003).

System grup translokacyjnych to transport aktywny. Polega on na przemieszczaniu się substratu z jednoczesną jego modyfikacją, uniemożliwiającą mu powtórne przejście przez błonę (np. transport cukrów z równoczesną ich fosforylacją przez fosfotransferazy) (Różalski 1996).

Błona komórkowa to miejsce reakcji enzymatycznych (syntezy i hydrolizy ATP, cAMP), zachodzi tu fosforylacja oksydacyjna, fotofosforylacja. Dwie ostatnie funkcje zlokalizowane są w mezosomach i chromatoforach bakterii. Struktury te powstają poprzez wpuklenie - inwaginacje błony cytoplazmatycznej do komórki które zamyka się w woreczek. Czasem błona wpukla się tworząc zespół rureczek lub pęcherzyków. Biologiczna rola mezosomów to udział w transporcie elektronów i protonów (funkcja mitochondriów). Są też centrami biosyntezy kwasów tłuszczowych, miejscem gdzie występują liczne enzymy (biorące udział w syntezie ściany komórkowej oraz oddechowe i biorące udział w procesach oksydoredukcyjnych), miejscem zakotwiczenia nukleoidu w komórce, co sprawia iż DNA umiejscowiony jest równomiernie w dzielących się komórkach. Mezosomy odgrywają znaczącą rolę w replikacji DNA nukleoidu oraz powstawaniu przegrody poprzecznej u gram-dodatnich (mezosomy przyścienne), jak również przetrwalników. Chromatofory są natomiast miejscem fotosyntezy u bakterii fotosyntezujacych (Różalski 1996).

W błonie umiejscowione są swoiste receptory, uczestniczące w błonowym transporcie cukru lub aminokwasu oraz w chemotaksji (ruch w kierunku optymalnego gradientu stężeń), oraz aerotaksji (ruch w kierunku optymalnego stężenia tlenu). W błonie znajdują się również nośniki lipidowe oraz enzymy odgrywające znaczącą rolę w biosyntezie peptydoglikanu i podziału komórkowego (tworzenia przegrody). Enzymy te są docelowym miejscem działania antybiotyków beta-laktamowych i są to białka wiążące penicyliny (PBPs) (Zaremba 1994).

W błonie cytoplazmatycznej występują również białka uczestniczące w sekrecji białek wytworzonych w cytoplazmie do peryplazmy lub płynu pozakomórkowego. Białka te noszą nazwę systemu sekrecyjnego. Białka przeznaczone do sekrecji rozpoznawane są przez występującą na ich końcu aminowym, krótką sekwencję aminokwasów. Podczas sekrecji znakowanie to podlega odcięciu przez peptydazę, tworząc ostateczną formę białka. Błona cytoplazmatyczna zawiera białka regulacyjne, wyczuwające zmiany w środowisku zewnętrznym i przekazujące sygnały do białek we wnętrzu komórki. W związku z tym synteza białek w komórce zostaje ukierunkowana w odpowiedni sposób. Na przykład bakteria wodna która może infekować jelita człowieka, po połknięciu musi szybko zaadaptować się do nowych warunków środowiska. W tym celu musi wytworzyć odpowiednie fimbrie. Taki rodzaj reakcji nazywany jest regulacją, a białka odpowiedzialne za ten proces nazywane są sensorami. Nie wszystkie białka sensorowe występują w błonie cytoplazmatycznej, część z nich funkcjonuje w cytoplazmie (Slayers 2003).

Do funkcji błony komórkowej należą:

- transport elektronów przy udziale enzymów cytochromowych, dzięki temu zachodzi zjawisko fosforylacji oksydacyjnej u bakterii tlenowych,

- transport protonów,

- transport składników pokarmowych, metabolitów (pierwiastków, substancji odżywczych, produktów metabolizmu),

- synteza i transport elektronów peptydoglikanu, kwasów tejchojowych i składników błony zewnętrznej,

- wydzielanie zewnątrzkomórkowych i periplazmatycznych enzymów i toksyn,

- regulacja segregacji chromosomalnego i plazmidowego DNA do komórek potomnych podczas podziału komórki,

- wytwarzanie układów transportowych,

- przenoszenie receptorów i innych białek układu chemotaktycznego,

- jest barierą przepuszczalności, transportuje wybiórczo,

- powstają z niej ciałka chromatoforowe, zastępujące u bakterii fotosyntezujących chloroplasty (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998).

2.3.5. Pozostałe organella komórkowe, materiały zapasowe, rybosomy

Magnetosomy- w postaci łańcuchów magnetytu (Fe₃O₄), otoczone są błoną złożoną z fosfolipidów, białek i glikolipidów. Ich wielkość wynosi 35-120 nm. U bakterii morskich służą jako kompas rozpoznający pole magnetyczne Ziemi, poprzez działanie chemotaktyczne (Kunicki-Goldfinger 1998). Wytwarzane są przez bakterie gram-ujemne, obligatoryjne mikroaerofile, warunkowe tlenowce redukujące azotany. Należą one do grupy Alphaproteobacteria. Występują również u ścisłych beztlenowców (Desulfovibrio magneticus, czy Magnetobacterium bavaricum) (Baj 2006).

Enzoszkielet (cytoszkielet)- uczestniczy w segregacji potomnych chromosomów i cytokinezie, oraz utrzymaniu struktury chromosomu bakteryjnego. Mógłby również rozgraniczać od siebie główne szlaki metaboliczne (Kunicki-Goldfinger 1998).

Karboksysomy- występują w cytoplazmie organizmów wiążących CO₂ (sinic) i u szczególnych autotrofów (chemoautotrofów (Baj 2006)). Mają kształt wielościanów otoczonych jednowarstwową błoną, ich średnica wynosi 120 nm. Składają się z krystalicznej formy karboksylazy rybulozo-1,5-bibifosforanowej (RubisCO), głównego enzymy cyklu Calvina. Prawdopodobnie zawierają enzym w formie nie wpływającej na osmolarność cytoplazmy (Kunicki-Goldfinger 1998).

Wakuole gazowe- składają się z wielu pęcherzyków gazowych o średnicy 50-100 nm i długości 300-1000 nm. Grubość ściany pęcherzyka gazowego wynosi ok. 2 nm, a zbudowane są wyłącznie z białka. Dają one komórce odpowiednią pławność (najczęściej występują więc u bakterii wodnych) (Baj 2006).

Ciałka chromatoforowe- występują u bakterii fotosyntezujących w postaci kulistych, lub jajowatych struktur o rozmiarze 50-100 nm, budowie lamelarnej (warstwowej). Zawierają chlorofil, karoteny, białka i lipidy, u sinic występują tylakoidy- centra procesów fotosyntezy. Są prościej zbudowane niż chloroplasty. Nie powstają przez podział, ale wytwarzane są na nowo z błony cytoplazmatycznej przez jej wpuklanie. U sinic występują oddzielone od błony cytoplazmatycznej tylakoidy- centra procesów fotosyntezy (Kunicki-Goldfinger 1998).

Wtręty ciał zapasowych (inkluzje)- występują w cytoplazmie, mogą być otoczone błoną (Zaremba 1994). Ilość ziarnistości zwiększa się zazwyczaj w starych komórkach. Mogą mieć one charakter związków organicznych jak wielocukrowce, lipidy, peptydy, czy związki nieorganiczne (węglan wapnia, wodorotlenek żelaza, siarka itp.), są to z reguły składniki odżywcze. Ziarna stanowią dla komórek rezerwę pokarmową, która wykorzystywana jest w niesprzyjających warunkach środowiskowych do procesów metabolicznych, a tworzona jest w okresach dostatku pokarmu w środowisku (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998). W komórkach bakterii nagromadzają się najczęściej glikogen, wolutyna lub tłuszcz. U grzybów natomiast (szczególnie w komórkach starszych) tworzą się wakuole, wypełnione materiałami zapasowymi (Gołębiowska 1986). Wtręty uwidocznić można w mikroskopie elektronowym, po zastosowaniu odpowiednich metod barwienia (Zaremba 1994).

Należą do nich:

-granule polimerów kwasu β- hydroksymasłowego, są to skupienia lipidów i białek o budowie krystalicznej, otoczone błoną, zapewniające komórce zapas energii i węgla. Kwas poli-β-hydroksymasłowy występuje u Bacillus sp., Pseudomonas sp., oraz Staphylococuus sp., czy sinic (wykrywany w komórce po wybarwieniu Sudanem III). Występuje on w postaci dużych granul (50%) masy bakterii (Zaremba 1994, Kunicki-Golfinger 1998, Baj 2006),

-polisacharydy- glikogen np. u Bacillus polymyxa, czy Arthrobacter spp.; granuloza- obłoniona postać glikogenu. Odkładany jest on podczas dostatku w środowisku węgla i braku azotu, siarki i fosforu. Poliglukoza podczas dostępu do węglowodanów i aminokwasów u Fusobacterium nucleatum. Dostarczają one komórce energii, materiały zapasowe w formie wielocukrów (np. ziarna skrobi, glikogenu, granulozy) wybarwiają się pod wpływem płynu Lugola. Widoczne są one jako inkluzje 20-100 nm. U pewnych bakterii (Clostridium pasteurianum) mogą być obłonione (Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006, Baj 2006),

-siarka elementarna- występuje u bakterii siarkowych, anoksygenowych bakterii fototropicznych, tlenowych i beztlenowych chemotrofów. Otoczona jest przez błonę, odkładana wewnątrz komórki lub na zewnątrz. Jest dla bakterii źródłem energii i elektronów. Występuje między innymi u Chromatiaceae (Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006),

-żelazo- dla autotrofów jest materiałem budulcowym i energetycznym (Kunicki-Goldfinger 1998),

-cyjanoficyna u sinic- jest to rozgałęziony polimer argininy i kwasu asparaginowego. Stanowi dla bakterii źródło azotu, nie występuje w formie obłonionej. W dużej ilości występuje w starych komórkach, służy bakterii jako zapas węgla i azotu (Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006),

-kryształy białkowe (u Bacillus thuringiensis) (Kunicki-Goldfinger 1998),

- kryształy węglanu wapnia i pęcherzyki gazowe- występują u bakterii wodnych. Jest ich w komórce od kilku do kilkuset. Są wrzecionowate, 60-110 nm szerokie, 300-700 nm długie, zbudowane z błony białkowej o grubości ok. 2 nm. Błona zbudowana jest z dwóch rodzajów białka: w 97% hydrofobowego, drugie pełni funkcje ochronne. Błona pęcherzyków gazowych selektywnie przepuszcza gazy. Regulacja wielkości pęcherzyków zmienia ciężar pławny komórek bakterii i umożliwia przemieszczanie się komórek w słupie wody. Mechanizmy te podlegają wpływowi światła (Kunicki-Goldfinger 1998) ,

- polifosforany- występują u bakterii Lactobacillus, oraz Corynebacterium. Wykorzystywane są do syntezy ATP, wykrywane po zabarwieniu błękitem toluidynowym / metylenowym). Występują w postaci krótkich, bądź długich liniowych, lub cyklicznych łańcuchów. Nie są one obłonione (Baj 2006),

- ziarna wolutyny / ciała metachromatyczne- jest to substancja o charakterze polifosforanu, zawierająca nieorganiczne polifosforany (charakterystyczne dla Corynebacterium diphtheriae ciałka Ernst-Babesa). Uwidocznić można je w mikroskopie świetlnym po zastosowaniu techniki barwienia takiej jak metoda Neissera (Zaremba 1994, Baj 2006).

Rybosomy- u Prokaryota są mniejsze niż u Eukaryota (są jednak podobne; choć u eukariota ich wielkość to 80S i 30S). Mają niższą masę cząsteczkową i stałą sedymentacji Svedberga S, (S-określa sedymentację w ultrawirówce). Wartości 70 S u prokariota i 80 S u eukariota odpowiadają stałej sedymentacji rybosomów wyizolowanych z mitochondriów oraz chloroplastów. Rybosomy składają się z dwóch podjednostek 30S i 50S , zawierają 60% RNA i 40% białek głównie zasadowych (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994). Podjednostki występują w cytoplazmie oddzielnie, łączą się po połączeniu z mRNA w trakcie syntezy białek (Kunicki-Goldfinger 1998). Podjednostka 30S składa się z 16S rRNA (1541 nukleotydów) i 21 białek S (small). Natomiast 50S z 23S rRNA (2904 nukleotydów) i 34 białka L (large) (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998).

W cytoplazmie komórki bakteryjnej znajduje się ponad 10 000 rybosomów (Zaremba 1994), są one drobne (14-38 nm) (Kunicki-Goldfinger 1998). Ich liczba zależy od częstości podziałów komórkowych (Baj 2006). U bakterii stanowią 30% masy komórkowej (Zaremba 1994, Gołębiowska 1986). Rybosomy bakterii rozpowszechnione są w całym cytozolu (Baj 2006).

rRNA tworzy za pomocą wiązań wodorowych superstrukturę z 4 domenami dwuniciowymi, połączonymi odcinkami jednoniciowymi. Rybosomy tworzą skupiska nazywane pilorybosomami / polisomami wykazującymi właściwości immunogenne (Różalski 1996, Baj 2006).

Funkcje rybosomów są podobne do tych pełnionych przez rybosomy archenonów i eukariotów (Baj 2006). Spełniają w komórce bakteryjnej rolę centrum, w którym odbywa się synteza białek, ponadto odgrywają rolę podczas przemiany materii (Zaremba 1994).

Uważane były one za tak zwane „rozproszone jądro” bakterii, ponieważ wykazują to samo powinowactwo do barwników używanych do wybarwiania kwasów nukleinowych co kwasy dezoksyrybonukleinowe. Jest to jednak stwierdzenie błędne (Zaremba 1994, Gołębiowska 1986).

Synteza białek w komórce bakterii przebiega na zasadzie:

1. Transkrypcji- przepisania z DNA sekwencji nukleotydów na mRNA (RNA informacyjne).

2. Przeniesienia uczynnionych enzymatycznie aminokwasów na cząsteczkę tRNA (RNA transportowe).

3. Translacji- odczytania całej cząsteczki mRNA (Zaremba 1994).

W związku z tym sekwencja nukleotydów w genie DNA stanowi kod, który za pośrednictwem mRNA określa strukturę swoistego białka. Sekwencja nukleotydów w mRNA jest komplementarna do jednego z dwóch łańcuchów helisy DNA. Każda cząsteczka tRNA ma na jednym swoim końcu triplet- trójkę zasad (antykodon). Jest ona komplementarna do odpowiedniego tripletu zasad na mRNA (kodonu). Na drugim końcu tRNA zawiera swoisty aminokwas. Aminokwas ten łączy się wiązaniem peptydowym z aminokwasem poprzedzającej cząsteczki tRNA. Rybosom przesuwa się wzdłuż Mrna, wydłużając łańcuch polipeptydowy do momentu odczytania całej cząsteczki mRNA w odpowiednią sekwencję aminokwasów (translacja) (Zaremba 1994).

Mezosomy są to struktury wnikające do wnętrza cytoplazmy komórki bakteryjnej, powiązane strukturalnie z błoną cytoplazmatyczną. Uważane są za centra procesów oddechowych. U niektórych bakterii gram-ujemnnych, zamiast mezosomów występują struktury rozetkowe. Pod względem strukturalnym mezosom łączy błonę cytoplazmatyczną z wnętrzem komórki. Przegrodowe to miejsce przyczepiania nukleoidu do błony (DNA jest więc rozmieszczone równomiernie w dzielących się komórkach). Występują w nich liczne enzymy (uczestniczące w syntezie ściany komórkowej, oddychaniu, oraz procesach oksydoredukcyjnych) (Zaremba 1994).

3. Struktury zewnątrzkomórkowe

2.4.1. Fimbrie, pile, spinae, wyrostki

Fimbrie (łac. włókna) są to białkowe wyrostki bakterii, sztywniejsze, mniejsze i krótsze niż rzęski (Gołębiowska 1986). Widoczne wyłącznie w mikroskopie elektronowym (Różalski 1996). Są one swoistym immunogenem (Zaremba 1994). Należą one do ważnych czynników chorobotwórczości drobnoustrojów (Zaremba 1994).

Długość fimbrii wynosi 0,5-10 μm, średnica od 0,2-0,25 μm (u Escherichia coli) (Różalski 1996).

Mogą one występować w formie giętkiej lub sztywnej, z kanałem wewnątrz włókna, lub bez kanału (Gołębiowska 1986, Zaremba 1994). Zbudowane są z białka, ulegającemu rozkładowi na mniejsze, jednakowe podjednostki piliny, tworzącej prawoskrętną spiralę (Kunicki-Goldfinger 1998, Różalski 1996). Pilina (fibryna (Baj 2006)) z której zbudowane są fimbrie i pilusy wytwarzana jest w cytoplazmie w postaci prebiałka. Jej cząsteczki po przetransportowaniu przez błonę cytoplazmatyczną przyłączane są do podstawy fimbrii, lub pilusa, zakotwiczonych w pokrywach komórki (Kunicki-Goldfinger 1998).

Fimbrie zostały sklasyfikowane w cztery grupy:

1. Fimbrie o średnicy około 7 nm, mające wewnętrzny kanał o średnicy 2 nm, białko na ich końcu dystalnym jest inne niż to tworzące trzon. Przedstawicielami są fimbrie typu I i fimbrie P,

2. Są cienkie, o średnicy 2-3 nm, długie i giętkie. Przykładem jest fimbria 987P,

3. Mają one średnicę 2-4 nm. Są silnie zwiniętymi strukturami powierzchniowymi, wytwarzanymi przez Escherichia, czy Salmonella, należą do nich fimbrie spiralne,

4. Są one giętkie, o średnicy 4-6 nm, długości do 4 µm, często tworzą wiązki. Należą do nich fimbrie typu IV (TFP) (Baj 2006).

Komórki bakterii mogą być nieufimbriowane lub mogą zawierać od 1-400 fimbrii (ufimbriowane). Mogą one występować u bakterii urzęsionych lub otoczkowych równorzędnie z rzęskami i niezależnie od otoczek (Gołębiowska 1986, Zaremba 1994).

Gatunkami wytwarzającymi fimbrie są gram-ujemne, rzadko gram-dodatnie: Streptococcus parasangius, Actinomyces naeslundii, czy Corynebacterium diphteriae. Steptococcus pyogenes wytwarza na przykład struktury podobne do fimbrii (białko M) (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998). Fimbrie pospolite występują u pałeczek gram-ujemnych z rodziny Enterobacteriaceae, rodzaju Pseudomonas, Haemophilus oraz Neisseria gonorrhoeae (Zaremba 1994).

Dzielimy je na fimbrie pospolite (ich powstanie determinuje nukleoid) oraz fimbrie płciowe (pili, fimbrie F), kodowane przez plazmidy, warunkujące koniugacje (dawanie plazmidowego genu dawanego biorcy) (Różalski 1996).

W związku z koniugacją wyróżniamy dwa typy fimbrii F⁺ (męskie) oraz F^-. Fimbrie płciowe zawierają kanał poprzez który przenosić może się chromosomalny, plazmidowy, transpozonowy, lub bakteriofagowy DNA. Drogą tą przekazywane mogą być geny determinujące odporność bakterii na antybiotyki, oraz geny warunkujące zjadliwość bakterii (Zaremba 1994). Pilusy spotykane są u osobników męskich, osobników bakterii zróżnicowanych płciowo. Ich grubość wynosi 7-13,5 nm, a długość 20 µm. Pilusy są organem rozpoznającym komórki żeńskie, łączą się z nimi w procesie koniugacji (Kunicki-Goldfinger 1998). Występowanie fimbrii płciowych uwarunkowane jest działaniem genów występujących na plazmidach (F, R lub col). Bakterie tracące plazmid kodujący produkcję fimbrii, tracą zdolność do produkcji fimbrii płciowych. Proces ten może nastąpić spontanicznie lub pod wpływem czynników indukujących (Zaremba 1994).

Fimbrie pospolite zlepiają krwinki- hemaglutynacja. Fimbrie mogą być zdolne do hemaglutynacji hamowanej przez mannozę (fimbrie mannozo-wrażliwe- Msh Escherichia coli, Klebsiella sp., Salmonella sp., Shigella sp., Serratia sp., Proteus sp.) oraz fimbrie hemaglutynujące w obecności mannozy (fimbrie mannozo oporne-Mrh). Msh są powszechne wśród bakterii, występują w liczbie 100-400. Zbudowane są z włókna składającego się z białek głównych i białek pobocznych oraz białka kotwiczącego włókno w błonie zewnętrznej i białka adhezyny. Msh wiążą się z receptorem komórkowym w makroorganizmie, zawierającym mannozę. Mrh podzielić możemy na P, S, FlC i G. P wiążą antygen grupowy P krwinek. Fimbrie S występują na szczepach powodujących zakażenia dróg moczowych (Różalski 1996). Wykształcanie się fimbrii pospolitych pozostaje pod kontrolą genów zlokalizowanych w chromosomie. Proces ten może być również kontrolowany przez geny plazmidowe (Zaremba 1994).

Przypuszcza się iż są one wytworem ściany komórkowej. Nie służą one bakteriom jako narząd ruchu, a jedynie jako narząd przymocowujący je do podłoża, wzajemnego sczepiania się podczas tworzenia mikrokolonii i makrokolonii oraz jako narząd rozrodczy (Gołębiowska 1986, Zaremba 1994).

Adhezja która dokonuje się dzięki fimbriom jest niezwykle ważnym dla drobnoustrojów procesem. Escherichia coli na przykład bez użycia adhezji zostałyby wymyte z jelita (Kunicki-Goldfinger 1998). Pałeczka okrężnicy przyczepia się fimbrią do ścianek jelita, poprzez zakończenie fimbrii zbudowane z podjednostek białka wyspecjalizowanych by łączyć się z określoną cząsteczką na powierzchni komórki gospodarza (Slayers 2003). Przyleganie jest procesem specyficznym (działanie adhezyjna-receptor klucz-zamek). Zakończenia fimbrii zbudowane są z podjednostek białka innego typu, tak wyspecjalizowanych, aby łączyć się z określoną cząsteczką na powierzchni komórki gospodarza. Adhezyny są białkami, natomiast receptory węglowodanami. Adhezja poprzedza kolonizację i inwazję. Lektynowe białka fimbrii pospolitych rozpoznają i wiążą swoiste receptory polisacharydowe w komórkach gospodarza (proces adhezji) (Kunicki-Goldfinger 1998).

Spinae - bakterie tworzą je na powierzchni swoich komórek. Wykryto je na Spinamosa dalhousiensis Zbudowane są białek spinany. Uformowane w cylindryczne, sztywne wypustki o długości 1-3 μm, zakotwiczone w zewnętrznej części błony zewnętrznej poprzez stożkowatą podstawę (Różalski 1996).

Wyrostki / łodyżki- występują u bakterii pączkujących i tworzących wyrostki (Rhodomicrobium vannielii- bakteria fotosyntezująca). Czasem występują u bakterii niepączkujących (Caulobacteriales) (Różalski 1996).

2.4.2. Warstwa S

Warstwa S (występująca zamiast ściany komórkowej). Jest to najbardziej zewnętrzny nie licząc otoczki, element komórki bakteryjnej (Baj 2006). Jej grubość wynosi 3-25 nm (Kunicki-Goldfinger 1998).

Zbudowana jest z białek kwaśnych i hydrofobowych o masie cząsteczkowej od 10-200 kDa (40-170 kDa (Baj 2006)).Warstwa S składa się z białka (Surface layer), niekiedy z glikoprotein (Różalski 1996). Białko budujące warstwę s jest charakterystyczne dla danej bakterii. Mogą ją tworzyć glikoproteiny. Białka lub glikoproteiny są czasem ułożone regularnie, nadając warstwie charakter parakrystaliczny (Kunicki-Goldfinger 1998). Białka S są często lekko kwasowe, zawierają 40-60% aminokwasów hydrofobowych. Brak w nich jest aminokwasów siarkowych. W każdej warstwie S wyróżnia się pewne typy symetrii: ukośny, trójkątny, kwadratowy, lub heksagonalny. Białka warstwy S stanowić mogą 15% wszystkich białek komórkowych. Występuje ona u bakterii w warunkach naturalnych. Po przeniesieniu ich do warunków laboratoryjnych często nieodwracalnie tracą one warstwę S. Świadczy to o jej niezbędności podczas przetrwania komórki w warunkach naturalnych (Baj 2006).

Warstwa s samoorganizuje się, a informacja o jej powstaniu związana jest z monomerami białkowymi lub glikoproteinowymi (Kunicki-Goldfinger 1998).

Występuje na przykład u bakterii termofilnych, halofilnych, metanogennych gdzie stanowi obok błony cytoplazmatycznej jedyną strukturę powierzchniową. Wyizolowana została między innymi od Acinetobacter, Aquaspirillum, Bacillus, czy Clostridium (Różalski 1996). Warstwy tej brak jest u Enterobacteriaceae (Baj 2006). Do bakterii patogennych posiadających warstwę S zaliczamy na przykład: Campylobacter foetus, Caulobacter crescentus, Helicobacter pylori, Areomonas hydrofila, Aeromonas salmonicida, Bacteroides sp., Riketsja sp., Chlamydia sp., Clostridium sp., Bacillus sp (Różalski 1996). U jednego ze szczepów Bacillus brevis występują dwie warstwy S (Kunicki-Goldfinger 1998).

U gram-dodatnich (Eubacteriaceae; Corynebacterium, Bacillus) połączona jest z peptydoglikanem, u gram-ujemnych (Caulobacter crescentus, Aquaspirillum serpens, Aeromonas salmonicida) (Kunicki-Goldfinger 1998) łączy się z błoną zewnętrzną. Może ona przerastać błonę zewnętrzną i przez nią łączyć się z mureiną i błoną cytoplazmatyczną. Utrzymuje ona kształt komórki, chroni ją przed skutkami zmian ciśnienia osmotycznego i działaniem detergentów. Składniki zewnętrzne błony zewnętrznej (łańcuchy O swoiste LPS) mogą przechodzić przez warstwę S na zewnątrz komórki (Baj 2006).

Warstwa S wiąże kationy wapnia, magnezu. U bakterii bez ściany komórkowej stanowi mechaniczną barierę i nadaje komórkom kształt (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Chroni bakterie przed lizą fagową i zakażeniem Bdellovibrio (Kunicki-Goldfinger 1998). Jest barierą przepuszczalności dla zewnątrzkomórkowych związków chemicznych. Jest selektywną błoną ultrafiltracyjną z porami. Wielkość porów u niektórych bakterii może ulegać zmianie u niektórych bakterii i jest to związane ze zmianami konformacyjnymi białek S. Umożliwia to bakteriom chorobotwórczym wydzielanie toksyn białkowych (Różalski 1996). Rola sita molekularnego związana jest z przepuszczaniem jedynie cząstek o określonej wielkości. Ochrania ona przed enzymami litycznymi, przeciwciałami, składnikami dopełniacza (Baj 2006).

2.4.3. Otoczki, pochewki, glikokaliks

Otoczki są najbardziej wysuniętymi na zewnątrz dodatkowymi elementami komórki bakteryjnej (Gołębiowska 1986). Są to wytworzone przez bakterie na swojej powierzchni (zewnętrznej powierzchni ściany komórkowej) przepuszczalne osłony o różnym składzie chemicznym (polimery) (Różalski 1996). Otoczki nie są bakteriom niezbędne do życia. Mogą one być ich pozbawione bez szkody dla procesów życiowych. Otoczki ułatwiają im jednak życie. Z otoczkami bakterie są chorobotwórcze, bez nich często nie (dwoinka zapalenia płuc) (Baj 2006). Elementy śluzowe uczestniczyć mogą w zjawisku adhezji i trwałej kolonizacji nabłonków gospodarza. Zalicza się je do czynników zjadliwości drobnoustrojów. Przykładem może być tutaj antygen Vi u Salmonella typhi, czy glikokaliks u gronkowców (Zaremba 1994).

Mogą przybierać one formę niezwykle cienką (10-30 nm, niedostrzegalną przy użyciu mikroskopu), jak również przewyższającą swoją wielkością samą komórkę. Najczęściej występują one w formie wyraźnie widocznej u bakterii właściwych (Gołębiowska 1986).

Warstwa śluzowa na powierzchni komórki może być tak cienka, że nie jest dostrzegalna pod mikroskopem (Kunicki-Goldfinger 1998, Różalski 1996). Zdolność do jego tworzenia ma większość bakterii (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Śluz może zatrzymać pojedyncze komórki w zespołach zwanych zoogleami (Acetobacter xylinum tworzący grubą warstwę śluzu na powierzchni fermentującego płynu). Głównym elementem śluzu jest celuloza (Gołębiowska 1986). Śluz w przeciwieństwie do otoczki nie jest trwale związany z komórką i łatwo można zmyć go wodą (Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006). Jeżeli śluz tworzy wyraźną grubą warstwę, nazywany jest otoczką (Zaremba 1994, Różalski 1996, Baj 2006).

Niektóre bakterie wytwarzają otoczki wyłącznie w określonym stadium rozwoju np. w fazie logarytmicznego wzrostu lub po zakażeniu makroorganizmu (Różalski 1996). Wytwarzanie otoczek podlega działaniom genetycznym, a ich produkcja zależy od warunków środowiska. Bakterie otoczkowe rosnąc na podłożach z dodatkiem cukrów, surowicy, w atmosferze CO₂ tworzą charakterystyczne śluzowate kolonie (S, M), podczas gdy bez-otoczkowe odmiany tworzą kolonie szorstkie (R) (Zaremba 1994).

Produkcja śluzu zależy od zasobności środowiska w składniki pokarmowe (głównie węglowodany), zapewniając sobie bazę odżywczą, niezbędną podczas warunków krytycznych (Gołębiowska 1986, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994, Różalski 1996, Baj 2006). W skład śluzów wchodzą wielocukry, aminocukry, peptydy, wielocząsteczkowe kwasy organiczne (odgrywające zasadniczą rolę w tworzeniu się próchnicy glebowej) (Gołębiowska 1986, Duszkiewicz-Reinhard 2003). Najczęstszym budulcem otoczek są polisacharydy, wykazujące niskie powinowactwo do barwników wykorzystywanych podczas barwienia preparatów (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994).

Chemicznie otoczki dzielimy na polipeptydowe (białkowe), wielocukrowe, oraz o strukturze złożonej (białkowo-cukrowe, cukrowo-lipidowe) (Różalski 1996). Otoczki cukrowe składają się z polimerów cukrów obojętnych, aminocukrów, kwasów uronowych, czy galakturonowych (Różalski 1996). Mała zawartość azotu, fosforu i siarczanów a duża węglowodanów sprzyja powstawaniu otoczek wielocukrowych (Różalski 1996). Łańcuchy wielocukrowe mające ujemny ładunek elektryczny, połączone są między sobą jonami Ca²⁺, oraz Mg²⁺ (Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994).

Skład otoczek jest różny. Jest jednak identyczny u bakterii należących do tego samego szczepu, natomiast różnić może się on wśród szczepów tego samego gatunku lub rodzaju (Gołębiowska 1986, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994, Różalski 1996, Baj 2006).

Znanych jest 90 typów Streptococcus pneumoniae o odmiennych otoczkach, podzielonych na 46 grup serologicznych (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998). Staphylococcus aureus wytwarza co najmniej 18 typów otoczek. Escherichia coli 80 typów otoczek wielocukrowych (Baj 2006). Streptococcus mutans, Leuconostoc mesenteroides wytwarzają na swojej powierzchni dekstran (polimer glukozy). Występują dwa typy otoczek dekstranowych: otoczka właściwa i śluzowa (u Streptococcus mutans). Antygeny powierzchniowe o prostej budowie to kwas hialuronowy u Streptococcus, kwas celobiouronowy u Streptococcus pneumoniae, antygen Vi u Salmonella typhi, kwas sjalowy u Escherichia coli i meningokoków. Otoczki kwaśne wytwarza Pseudomonas aeruginosa. Niektóre otoczki gram-ujemnych zawierają fragment lipidowy lub są powiązane przez rdzeń z lipidem A LPS. U bakterii gram-dodatnich najlepiej poznane są antygeny otoczkowe u dwoinek zapalenia płuc (dzięki temu są sklasyfikowane serologicznie). Gram-dodatnie wytwarzają otoczki peptydowe (Różalski 1996). W diagnostyce rutynowej oraz podczas badań epidemiologicznych, przeprowadzane są typowania serologiczne szczepów na podstawie zróżnicowanych antygenów otoczkowych (np. Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Klebsiella spp.) (Zaremba 1994). Materiał otoczkowy nazywany jest antygenem K, (np. u Escherichia coli), a szczepy danego gatunku wytwarzające różne jego typy to serotypy lub serowary (Baj 2006). Bakterie mogą również wytwarzać warstwę K -mikrootoczki- antygeny K- antygeny pokrywowe (Escherichia coli, Klebsiella sp., Streptococcus sp.) (Różlaski 1996). Struktura materiału otoczkowego szczepu K5 pałeczki okrężnicy przypomina związek pośredni w biosyntezie heparyny. Powoduje to iż wielocukier K5 rozpoznawany jest przez organizm człowieka jako własny (Kunicki-Goldfinger 1998).

Niektóre bakterie zawierają na swojej powierzchni polisacharydy lub inne substancje, nazywane mikrootoczkami, glikokaliksem, czy wspomnianym już śluzem (Zaremba 1994).

Glikokaliks syntezują bakterie chorobotwórcze (Różalski 1996). Występują one w postaci mikrokolonii zamkniętych w glikokaliksie. Służy on do wymiany kationów i substancji odżywczych, chroni bakterie przed bakteriofagami i fagami. Glikokaliks to siateczka zbudowana z włókien o grubości 0,5-1,0 μm. Są to wielocukrowe fibrylle, wiążące się z polimerem kwasu teichojowego u gram-dodatnich, a u gram-ujemnych z częścią cukrową LPS. Glikokaliks bakteryjny łączy się przez oddziaływania jonowe lub lektyny z glikokaliksem o podobnej budowie chemicznej pokrywającym tkanki gospodarza (Różalski 1996).

Niektóre bakterie wytwarzają pochewki (nitkowate- Thiothrix, Leptothrix, Sphaerotilus (Kunicki-Goldfinger 1998)) w kształcie rurek otaczające wydłużone fragmenty komórek. Zbudowane one są z amorficznego polimeru przypominającego sieć. Występują u niektórych bakterii wiążących żelazo, tlenki manganu i pochewki. Pomagają im właśnie w tym procesie. Bakterie metanowe (Methanosaeta, Methanospirillum) wytwarzają inny rodzaj pochewek. Ich struktury przypominają budową warstwę S bakterii. Zbudowane są z białek opornych na degradację, ułożonych symetrycznie na komórce (Różalski 1996). Cechą charakterystyczną pochewek u sinic jest fakt iż, ułożenie fibryli zawsze jest skorelowane z ruchem bakterii (u tych które wykazują ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara, fibryle tworzą helisę prawoskrętną; u poruszających się przeciwnie, helisa jest lewoskrętna; u nie poruszających się rotacyjnie, fibryle ułożone są prostopadle do komórki) (Baj 2006).

Niektóre bakterie (stylikowe, np. Galionella- bakterie żelazowa) (Gołębiowska 1986) wytwarzać mogą na swojej powierzchni tak zwane styliki, czyli specjalne struktury umożliwiające im zmianę położenia. Bakterie śluzowe wytwarzając dużą ilość śluzu powodują powstawanie cyst, zawierających komórki spoczynkowe oraz charakterystycznych dla tej grupy organizmów cystoforów. Bakterie pochewkowe wytwarzają ze śluzów pochewki, oraz elementy przytwierdzające je do podłoża. Sinice wytwarzają śluz, umożliwiający im poruszanie się w wodzie, oraz na lądzie (Gołębiowska 1986).

Otoczki barwią się bardzo trudno lub w ogóle. Ich obecność uwidocznić można dzięki technikom barwienia, takim jak metody negatywne (barwienie tła preparatu) oraz dzięki testom serologicznym, takim jak odczyn pęcznienia otoczek, odczyn aglutynacji, aglutynacja lateksowa, czy odczyny immunofluorescencyjne (Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994, Różalski 1996). Barwienie tła preparatu daje tak zwany efekt „halo”. Brak zabarwienia przy komórce, nieraz o średnicy 2-3 razy większej niż sama komórka (Zaremba 1994). Otoczki uwidocznić można również dzięki metodom chemicznym (ekstrakcja i analiza strukturalna) (Różalski 1996).

W ostatnich latach coraz częściej człowiek wykorzystuje otoczki i śluzy do celów własnych (dekstrany, ksantany, gellan, alginiany). Wykorzystuje się je w przemyśle spożywczym jako substancje zagęszczające, w przemyśle farmaceutycznym (opatrunki do ran), wykorzystywane są jako substytuty plazmy krwi (Baj 2006). Istnieje jednak szereg niepożądanych dla człowieka właściwości otoczek bakteryjnych. Śluz wytwarzany na przykład przez Leuconostoc mesenteroides powoduje ciągliwość lemoniad poprzez przetwarzanie roztworów sacharozy w galaretę złożoną z dekstranów (Gołębiowska 1986); śluz u Acetobacter xylinum- jest szkodliwy w octownictwie. Również śluzowacenie produktów spożywczych (wędliny, soki owocowe) spowodowane jest wytwarzaniem prze bakterie śluzów (Duszkiewicz-Reinhard 2003). U pałeczek Pseudomonas aeruginosa śluz polisacharydowy posiada właściwości immunogenne, a przeciwciała pełnia rolę ochronna podczas zakażeń powodowanych przez tę bakterię (Zaremba 1994).

Otoczki nie są drobnoustrojom niezbędne do życia, do ich funkcji należą:

- otoczki są dobrymi antygenami, indukują wytwarzanie swoistych przeciwciał,

- zapobiegają wysychaniu komórki,

- zwiększają chorobotwórczości drobnoustroju,

- chronią komórki przed fagocytozą (dwoinka zapalenia płuc z otoczką jest groźnym patogenem, bez otoczki, staje się dla organizmu gospodarza nieszkodliwa),

- uczestniczą w adhezji bakterii i tworzeniu biofilmów,

- chronią drobnoustroje przed antybiotykami (utrudnione przenikanie),

- powodują efekt mimikry (upodabnianie się budową do organizmu gospodarza; otoczki zbudowane z kwasu sjalowego- występują w układzie nerwowym, hialuronowego- występują w układzie krwionośnym). Struktury takie rozpoznawane są przez organizm jako własne antygeny, nie są więc eliminowane,

- bakterie nazębne wytwarzające glukany, fruktany wiążą się z powierzchnią zębów, mając udział w powstawaniu próchnicy (adhezja bakterii),

- wiążą jony metali ciężkich, kationy pierwiastków potrzebnych komórce,

- pełnią rolę receptorów dla fagów, jak również chronią bakterie przed fagami (głębiej zlokalizowane receptory),

- tworzenie otoczek może również mieć znaczenie jako pewnego rodzaju wydalanie, podczas gdy jest zbyt dużo cukrów a niedobór innych składników w otoczeniu drobnoustroju,

- chronią przed pierwotniakami,

- chronią przed stresem osmotycznym

- śluzy są elemente kształtującym stosunek bakterii do środowiska,

- zapewniają związki pokarmowe podczas okresów głodu,

- bakterie skupione w zooglee oraz styliki mogą przemieszczać się z miejsca na miejsce (np. sinice),

- są czynnikiem zjadliwości bakterii chorobotwórczych. Bakterie chorobotwórcze nie wytwarzające otoczek, mają słabsze możliwości zakażenia gospodarza. Otoczka jako czynnik zjadliwości chroni bakterię prze oddziaływaniem zakażonego organizmu,

- stanowią o typie serologicznym bakterii (Gołębiowska 1986, Duszkiewicz-Reinhard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994, Różalski 1996, Baj 2006).

2.4.4. Rzęski

Wiele bakterii posiada swoiste narządy ruchy- rzęski (Gołębiowska 1986). Odpowiedzialne są one za ruch drobnoustrojów w środowisku wilgotnym. Bakterie poruszają się w płynnym środowisku w celu odnalezienia bardziej odpowiedniej lokalizacji (szybciej w środowisku płynnym niż w stałym )(Slayers 2003, Baj 2006). Na podłożach płynnych są one zazwyczaj dłuższe niż na podłożach stałych (Duszkiewicz-Reinhard 2003). W przypadku bakterii można mówić o pełzaniu, czyli tworzeniu delikatnej mgiełki podczas wzrostu na podłożach stałych. Na podłożach półpłynnych bakterie urzęsione tworzą w miejscu wzrostu widoczne zmętnienie w okolicy ich naniesienia (Gołębiowska 1986).

Rzęski występują u bakterii właściwych i nitkowatych oraz u archebakterii (Kunicki-Goldfinger 1998). Różne bakterie wykazują zdolność do aktywnego ruchu (np. niektóre bakterie spiralne, pałeczki, laseczki), ziarniaki poza nielicznymi wyjątkami, nie posiadają zdolności ruchu (Zaremba 1994).

Budową różnią się od wici eukariota. Rzęski mają prostszą budowę (Różalski 1996, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998). Bakterie mogą mieć ich od 1 do 100 (Gołębiowska 1986). Średnica rzęsek to około 10-20 nm (Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998), czyli mniej niż zdolność rozdzielcza mikroskopu świetlnego, co w konsekwencji uniemożliwia ich uwidocznienie na preparacie barwionym rutynowo (Zaremba 1994). Są to długie, cylindryczne, puste w środku, spiralne (helisa lewoskrętna) nici (filamenty, cytoplazmatyczne wypustki), zwykle znacznie dłuższe (5-50 µm) niż sama komórka (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006). W odniesieniu do budowy zewnętrznej rzęski składają się z nici (włókna), haka (haczyka), oraz ciała podstawowego (ciało bazalne) (Różalski 1996). Nić stanowi 98 % rzęski, haczyk łączy włókno z ciałem bazalnym. Hak (50-80 nm) wykazuje budowę zakrzywioną heliakalną, jest pusty w środku, łączy się z włóknem rzęski poprzez białka pomocnicze (Różalski 1996).

Rzęski zbudowane są z pojedynczej fibryli lub ich pęczków (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998, Slayers 2003). Wyrastają z ciałek podstawowych, umiejscowionych na pograniczu błony cytoplazmatycznej i cytoplazmy, w osłonach komórki (Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Zaremba 1994, Kunicki-Golfinger 1998). Zaczepione są w błonie cytoplazmatycznej, mają budowę spiralną, występują w nich zwinięte łańcuchy białka zwanego flageliną (flagellum- rzęska) tworzące linę (Różalski 1996, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998). Białka rzęsek są kurczliwe, chemicznie pokrewne są miozynie (Kunicki-Goldfinger 1998). Liczba skrętów oraz skład aminokwasowy tych specjalnych białek cechuje bakterie w odniesieniu do ich rodzaju, gatunku i serotypu (Różalski 1996, Zaremba 1994).

Masa cząsteczkowa flageliny wynosi 15 - 70 kDa (Różalski 1996). Zawiera ona mało aminokwasów zasadowych, brak w niej cysteiny i tryptofanu. Niektóre bakterie (Caulobacter crescentus) wytwarzają kilka rodzajów flageliny. Flagelina, to globulki o średnicy 4,5 nm, układające się w 11 lekko skręconych rzędów. Tworzą puste wewnątrz włókno o długości 10-20 μm, połączone z ciałem podstawowym (motorem rzęski) za pomocą flagelinowego haka. Średnica kanału wewnątrz włókna i haka wynosi 6 nm (Kunicki-Goldfinger 1998, Slayers 2003). Różne szczepy w obrębie gatunku syntezują flagelinę różniącą się pod względem masy cząsteczkowej, czy składu aminokwasów. W pewnych przypadkach jedna bakteria wytwarzać może dwa typy flageliny, tworzące jedną rzęskę. U niektórych bakterii (Halobacterium halobium)- bakterie słonolubne rzęska powstaje z glikoproteiny (Różalski 1996). Flagelina jest immunogenem (antygen H), wyróżnić można kilka antygenów rzęskowych w rzęskach jednego gatunku bakterii. W obecności surowicy odpornościowej anty-H bakterie urzęsione aglutynują (aglutynacja rzęskowa typu H) (Zaremba 1994). Przeciwciała antyrzęskowe stosowane są w diagnostyce do klasyfikacji serologicznej bakterii z rodziny Enterobacteriaceae (Różalski 1996).

Rzęski bakterii gram-ujemnych, zbudowane z 25 różnych białek, składają się z ciała podstawowego, haka oraz włókna. U gram-ujemnych (Escherichia coli, Salmonella enterica sv. Typhimurium), ciało podstawowe jest motorem rzęski, kotwiczącym ją w osłonach komórki. Budują je cztery pierścienie ułożone w dwa dyski, przez które przechodzi pusty w środku rdzeń (Baj 2006, Różalski 1996, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998). Dysk wewnętrzny tworzą białkowe pierścienie M -zanurzony jest w błonie komórkowej, S-występuje w przestrzeni periplazmatycznej. Dysk zewnętrzny składa się z pierścienia P zakotwiczonego w peptydoglikanie, L wbudowanego w błonę zewnętrzną. Pomiędzy P i L występuje cylinder. Przez oba dyski przechodzi rdzeń, na zewnątrz łączy się z hakiem. U Caulobacter crescentus występuje dodatkowo pierścień E, pomiędzy S i M (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Białka funkcjonalne (Mot, Fli) z pierścieni odpowiadają za ruch rotacyjny bakterii, występują pomiędzy S i M. Białka biorą udział w przekazywaniu energii wprowadzającej rzęski w ruch, oraz kontrolują kierunek rotacji rzęski (Różalski 1996, Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998). Pierścienie pełnią rolę tulei dla przechodzącej przez nie nici rzęski (Zaremba 1994). Hak jest to (50-60 nm) zagięta struktura tabularna, zbudowana z białek ułożonych w 11 lekko skręconych rzędów. Łączy on ciało podstawowe z włóknem. Giętkość haka umożliwia przenoszenie obrotów z motoru na rzęskę. Umożliwia on synchroniczny ruch włókien kilku rzęsek, jak również na nieskoordynowane obroty poszczególnych włókien w różnych kierunkach. Włókno, to struktura tabularna, zbudowana z białka zwanego flagelliną. Buduje je 11 podłużnych rzędów białka (Baj 2006).

U gram-dodatnich rzęski są zakotwiczone w grubej warstwie mureiny (mocne oparcie). Ciało podstawowe (Bacillus subtilis) zawiera rdzeń i dwa pierścienie. Hak w rzęsce bakterii gram-dodatnich jest cieńszy i dłuższy (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006). U gram-dodatnich ciało podstawowe składa się z dwóch pierścieni. Jeden z nich związany jest z błoną cytoplazmatyczną, drugi umiejscowiony jest w peptydoglikanie (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994). Gram dodatnie charakteryzują się innym umiejscowieniem rzęsek w ścianie komórkowej (Kunicki-Goldfinger 1998).

Rzęski widzialne są przy użyciu specjalnych metod barwienia, w żelatynie, czy gumie arabskiej (by zmniejszyć szybkość poruszania się bakterii podczas oglądania ich pod mikroskopem) (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Rzęski wyraźnie widoczne są w mikroskopie elektronowym. W mikroskopie optycznym (Gołębiowska 1986) uwidocznić można je wyłącznie wtedy, jeżeli podczas procesu barwienia użyta zostanie specjalna bejca powodująca powiększenie średnicy rzęsek (Zaremba 1994, Baj 2006, Gołębiowska 1986). Używając mikroskopu świetlnego zaobserwować można ruch drobnoustrojów (np. Bacillus subtilis w kropli wiszącej) (Zaremba 1994).

Obecność, liczba i umiejscowienie rzęsek w komórce charakteryzuje rodzaj bakterii (jest to cecha gatunkowa, taksonomiczna) (Zaremba 1994, (Gołębiowska 1986). Rzęski mogą być utracone w trakcie mutacji lub bakterie mogą nie wytwarzać rzęsek w nieodpowiednich warunkach hodowli. Listeria monocytogenes, Yersinia tuberculosis, czy Yersinia entercolitica nie wytwarzają rzęsek podczas hodowli w 37^oC, natomiast wytwarzają rzęski w temperaturze 22-30^oC (Zaremba 1994). Wzrost rzęski - rzęska wydłuża się tak, iż do jej wolnego, dystalnego końca przyczepione są nowe cząsteczki flageliny. W cytoplazmie syntezowane są one w postaci dojrzałych cząsteczek białka. Przenoszone są przez kanał na koniec rosnącej rzęski (Kunicki-Goldfinger 1998).

Wyróżniamy kilka typów urzęsienia bakterii (Ryc.4.) :

1. atricha- bezrzęse- bakterie nie mające rzęsek (atrichalne),

2. monotricha- jednorzęse- jednobiegunowa rzęska (monotrichalne),

3. ditricha- dwurzęse- po jednej rzęsce na obu biegunach (amfitrichalne),

4. lopotricha- czuborzęse- pęczek rzęsek na jednym lub dwóch biegunach (lofotrichalne),

5. peritricha- wkołorzęse- rzęski na całej powierzchni komórki (peritrichalne) (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006).

Urzęsienie wkoło i czuborzęse jest najczęściej spotykanym wśród bakterii (Zaremba 1994).

Ryc.4.

2.5. Protoplasty, sferoplasty, postacie L bakterii

Działając na drobnoustroje gram-dodatnie lizozymem, można uzyskać pozbawione ściany komórkowej drobnoustroje (protoplasty) (Różalski 1996). Bakterie gram-dodatnie pozbawić ściany komórkowej można poprzez działanie na nie antybiotykami β- laktamowymi, powodują one zahamowanie powstawania peptydowych, krzyżowych mostków w mureinie. Do antybiotyków takich należą: cykloseryna, wankomycyna, fosfomycyna oraz bacytracyna. Poprzez działanie lizozymu na bakterie gram-dodatnie, dochodzi do rozerwania połączeń pomiędzy glukozaminą a kwasem acetylomuraminowym. W związku z tym powstają komórki pozbawione ściany komórkowej, przyjmujące kształt kulisty (Zaremba 1994, Różalski 1996). Protoplasty grzybów uzyskać można na przykład dzięki wyciągowi zawierającemu enzymy lityczne drobnoustrojów Cytophaga, Arthrobacter sp., Trichoderma viridae. Znalazły one zastosowanie w badaniach lokalizacji enzymów w komórkach, transportu komórkowego, syntezy ściany komórkowej, działania antybiotyków i substancji powierzchniowo czynnych na komórki, jak również w procesach fuzji (łączenia się komórek). Fuzja protoplastów wykorzystywana jest do ulepszania szczepów drobnoustrojów przemysłowych. Skonstruowano szczepy wydatniej wytwarzające antybiotyki (cefalosporynę, penicylinę) oraz kwas cytrynowy i etanol, rozkładające skrobię, czy charakteryzujące się właściwościami proteolitycznymi (Różalski 1996).

W przypadku bakterii gram-ujemnych, powstające komórki pozbawione mureiny nazwano sferoplastami (Zaremba 1994, Różalski 1996). Skuteczne otrzymanie sferoplastów (u bakterii gram-ujemnych), możliwe jest wyłącznie poprzez działanie na nie EDTA. Sferoplasty zawierają pewną ilość składników ściany komórkowej (Różalski 1996).

Zarówno protoplasty jak i sferoplasty są bardzo wrażliwe na ciśnienie osmotyczne środowiska. By utrzymać je przy życiu należy trzymać je w środowisku hipertonicznym (np. w roztworze sacharozy o stężeniu 0,2-0,3 M) (Zaremba 1994, Różalski 1996). Środowisko o wysokim ciśnieniu osmotycznym uzyskać można dzięki dodaniu do podłoża o wysokim stężeniu soli magnezu, albuminy bydlęcej, żelatyny, 20% sacharozy. Protoplasty oraz sferoplasty umieszczone w takich warunkach wykonują określone procesy życiowe, pobierają substancje odżywcze, prowadzą syntezę wewnątrzkomórkową, oddychają, dzielą się, syntezują wewnątrzkomórkowo, nawet tworzą przetrwalniki. W takich warunkach procesy metaboliczne przebiegają w znacznie wolniejszym tempie. Sferoplasty i protoplasty utrzymywane przy życiu tracą swój kształt (pałeczki stają się formami kulistymi). Sferoplasty przeniesione do podłoża nie zawierającego czynnika hamującego syntezę mureiny, mogą wracać do form normalnych (Zaremba 1994, Różalski 1996). Hodowane na podłożach stałych tworzą małe nieregularne kolonie, wrastające w pożywkę (formy „sadzonego jajka”) (Zaremba 1994).

Podobne do opisywanych warunków zachodzą np. w ciele człowieka. W zakażonych tkankach gospodarza, pod wpływem antybiotyków oraz lizozymu dochodzi do powstawania protoplastów i sferoplastów. Bakterie takie mogą przez długi czas utrzymywać się przy życiu w odpowiednim środowisku, takim jak np. nerki, gdzie mogą nadal rozmnażać się podtrzymując proces chorobowy w formie przewlekłej. Usunięcie czynnika powodującego powstawanie protoplastów oraz sferoplastów skutkuje najczęściej przywróceniem normalnych form bakterii, co łączy się z ostrą formą zakażenia. Protoplasty i sferoplasty w warunkach naturalnych i hodowlanych nazywane są formami L bakterii. Bakterie z gatunku Streptobacillus moniliformis łatwo przechodzą w postacie L (Zaremba 1994).

W ich budowie wyróżnić można: błonę cytoplazmatyczną, nukleoid oraz cytoplazmę z zawieszonymi w niej organellami. Błona cytoplazmatyczna reguluje procesy pobierania składników odżywczych oraz wydalania. Nukleoid stanowiący materiał genetyczny służy rozmnażaniu się oraz zapewnieniu zmienności cech. Cytoplazma wypełnia wnętrze komórki, zawierając elementy stanowiące o procesach metabolicznych komórki. Błona cytoplazmatyczna jest nierozerwalnie związana z komórką. Zbudowana jest z lipoprotein (Gołębiowska 1986).

1. Komórki spoczynkowe drobnoustrojów

W 1876-1877 badacze F. Cohn, oraz R. Koch i J. Tyndall opublikowali niezależne wyniki badań sugerujące, iż laseczki Bacillus anthracis wytwarzają specjalne struktury komórkowe, dzięki którym bakterie przetrwać mogą niesprzyjające warunki środowiskowe. Struktury te nazwano endosporami (Baj 2006).

Bakterie tworzą formy przetrwalne, charakteryzujące się odmienną budową i odpornością na niesprzyjające czynniki środowiskowe (Kunicki-Goldfinger 1998). Formy przetrwalne bakterii nie są organami rozmnażania (wyjątkiem są konidia promieniowców). Niektóre bakterie pochewkowe tworzą pływki lub formy gonidialne, służące jako organy rozmnażania wegetatywnego (Kunicki-Goldfinger 1998).

Tworzenie przetrwalników jest charakterystyczne dla wielu różnorodnych drobnoustrojów, głównie jednak dla bakterii gram-dodatnich (endospory) (Różalski 1996).

Formy przetrwalne w niedostatecznie wyjałowionej żywności, czy lekach (w temperaturze nie osiągającej 121^oC), po wykiełkowaniu powodują zniszczenie tychże produktów. W przypadku np. konserw powodują tzw. bombaż, natomiast niewłaściwie wyjałowione leki stają się niezdatne do użycia. Procesami wyjaławiającymi produkty są: autoklawowanie (działanie na produkty wysokiej temperatury i ciśnienia), tyndalizacja (trzykrotna pasteryzacja) lub filtracja. Produkty spożywcze zawierające np. drobnoustroje z gatunku Clostridium botulinum (laseczka jadu kiełbasianego), są niezdatne do spożycia ( Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998).

Drobnoustroje wytwarzające przetrwalniki służą człowiekowi w procesach biotechnologii. Bakterie z rodzaju Bacillus wytwarzają szereg enzymów (amylazy, glukanazy, proteazy, acylazę penicylinową). Wykorzystywane są one w przemyśle spożywczym oraz do produkcji leków antybiotykowych. Syntetyzują one również antybiotyki polipeptydowe (np. bacytracyna, gramicydyna), oraz bioinsektycydy. Clostridium wykorzystywane są do procesów fermentacji skrobi, celulozy, pektyn, oraz do wytwarzania ryboflawiny. Odgrywają one szczególna rolę podczas oczyszczania ścieków i odpadów. Depolimeryzują biopolimery zawarte w zanieczyszczonych produktach, następnie fermentują produkty depolimeryzacji z wytworzeniem alkoholi i kwasów organicznych, spalanych do metanu przez beztlenowe bakterie metanogenne (fermentacja metanowa) (Różalski 1996).

Postacie spoczynkowe to: przetrwalniki (endospory), mikrocysty, konidia oraz komórki spoczynkowe (Duszkiewicz-Reihard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006).

Endospory- (przetrwalniki) powstają wewnątrz komórek wegetatywnych dobrze odżywionych, znajdujących się w warunkach głodowych, przy braku wody, czy w podwyższonej temperaturze (Kunicki-Goldfinger 1998, Różalski 1996). W sytuacji niedoboru pożywienia w komórkach zmienia się metabolizm z egzogenicznego na endogeniczny i następują daleko posunięte zmiany w składzie chemicznym komórki. Komórka w wyniku autolizy traci ścianę komórkową, a spora otacza się wyprodukowaną przez siebie ścianą, nieprzepuszczalną dla większości barwników, pokarmów, a następnie wydostaje się na zewnątrz komórki (Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Przetrwalniki pełnią dla bakterii funkcje ochronne, wytwarzane są one podczas niesprzyjających warunków środowiska. Drobnoustroje w formie przetrwanej (anabioza) przeżyć mogą nawet setki lat, bez wykazywania minimalnej aktywności metabolicznej (Zaremba 1994, Różalski 1996).Bakterie gram-ujemne nie tworzą endospor (Różalski 1996).

Endospory wytwarzane są przez wielu przedstawicieli gram-dodatnich (150 gatunków), głównie niechorobotwórczych, należących do Firmicutes. Wśród tych bakterii wyróżniamy tlenowce (Bacillus subtilis (chorobotwórcze), Bacillus anthracis (chorobotwórcze), Sporosarcina spp.), mikroaerofile (Sporolactobacillus spp.), beztlenowce fermentujące (Clostridium spp., w tym chorobotwórcze Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, Clostridium tetani), reduktory siarczanów (Desulfotomaculum spp.) oraz beztlenowe fototrofy (Heliobacterium spp.) (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998, Zaremba 1994).

Przetrwalniki są owalne, silnie załamują światło (Duszkiweicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994). Zbudowane są z centralnego rdzenia: jest to odwodniony cytozol z zawieszonymi w nim elementami, błona prespory (błona cytoplazmatyczna), ściana rdzenia; korteks: zewnętrzną błonę prespory; oraz dwuwarstwowy płaszcz. Niektóre gatunki Bacillus otoczone są dodatkowo egzosporium, luźno pokrywające, lub ściśle przylegające do komórki (Bacillus subtilis, Bacillus anthracis, Bacillus cereus). Endospory zawierają duże ilości dwuwartościowych jonów, szczególnie wapnia. Wapń w płaszczu występuje w kompleksie z kwasem dipikolinowym (10% suchej masy, zawierają go wyłącznie endospory), odgrywającym zasadniczą rolę w odporności przetrwalników na promieniowanie UV, związana jest również z ciepłoopornością bakterii do 100^oC. W ciepłooporności endospor uczestniczą również niska zawartość wody i zmiany w składzie białek. Modyfikacji ulega tu również mureina (Zaremba 1994, Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006). Endospory posiadają zbitą cytoplazmę, podwójne błony: wewnętrzna- intyna, zewnętrzna- egzyna. Nukleoid jest ułożony przy brzegu ciała przetrwalnika. Endospory posiadają więcej wody związanej a mniej wolnej w porównaniu do komórek wegetatywnych (Duszkiewicz-Reinhard 2003).

Jedna komórka wytwarza jeden przetrwalnik (wyjątkowo kilka), które podczas kiełkowania dają początek jednej komórce wegetatywnej (Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Bakteria taka jak Metabacterium polyspora wytwarza nawet do dziewięciu endospor wewnątrz pojedynczej komórki. Beztlenowiec Anaerobacter polyendosporus wytwarzający jedną, dwie endospory, w pewnych warunkach wytwarza ich nawet siedem. Gram dodatnia nitkowata bakteria Candidatus „Arthromitus” żyjąca wewnątrz gryzoni również wytwarza wiele endospor (Baj 2006).

Forma przetrwana charakteryzuje się odmiennym wyglądem, znacznym zwolnieniem tempa metabolizmu („pauzą metaboliczną”), zwiększoną odpornością na szkodliwe czynniki otoczenia (Duszkiewicz-Reihard 2003, Zaremba 1994). Formy te są wysoce odporne na wysokie temperatury (nie giną przy jednorazowej pasteryzacji), wysuszenie, promieniowanie UV, oraz gamma, czynniki utleniające, jak również na uszkodzenia mechaniczne, zmiany pH. W endosporach nie przebiegają żadne procesy metaboliczne, pomimo to analizują one otoczenie w celu wykrycia odpowiednich warunków do wykiełkowania (Baj 2006, Gołębiowska 1986, Zaremba 1994, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Duszkiewicz-Reinhard 2003). Wiele czasu trwają w uśpieniu, natomiast w warunkach sprzyjających kiełkują i powracają do form wegetatywnych (Gołębiowska 1986, Duszkiweicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994 ). Kiełkowanie bakterii nazywane jest germinacją. Efektem germinacji jest powstanie komórki wegetatywnej, identycznej z komórką pierwotną (Zaremba 1994). Odporność endospor tego samego gatunku uzależniona jest od warunków w których powstały (np. jeżeli powstawały w podwyższonej temperaturze, będą na nią bardziej odporne). Wysoka odporność endospor wiąże się z ich budową (Baj 2006).

Tworzenie przetrwalników to sporulacja. Zaczyna się ona zazwyczaj po zakończeniu logarytmicznej fazy wzrostu, na początku fazy stacjonarnej (Zaremba 1994). Omawiane formy przetrwalne wytwarzane w sporulującej komórce mogą mieć wymiar mniejszy niż poprzeczny wymiar komórki macierzystej, lub większy (Clostridium) (Zaremba 1994). Sporulacja jest procesem przebiegającym w wielu etapach. Podczas tego procesu w komórce zachodzą znaczące zmiany morfologiczne, strukturalne oraz chemiczne. Podczas sporulacji dochodzi do zagęszczenia cytoplazmy wokół nukleoidu, tworzenie się błony cytoplazmatycznej i warstwy peptydoglikanowej oraz wielu osłon ściśle otaczających przetrwalnik (błona komórkowa, ściana komórkowa, kora, błona zewnętrzna, kilkuwarstwowa okrywa, egzosporium) (Zaremba 1994, Różalski 1996). Powstanie endospory poprzedza podział nukleoidu. Jeden z nich staje się nukleoidem prespory pozostałe uwsteczniają się. Wokół nukleoidu gromadzi się cytoplazma i czasem wytwarza gruby korteks. Występuje tu również warstwowa ściana oraz komórki macierzyste egzosporium. Procesem tym zawiaduje kilkadziesiąt genów, których transkrypcja i uaktywnienie produktów transkrypcji są różne w presporze i jej komórce macierzystej. Procesem tym zarządzają białka regulatorowe- czynniki sigma (Kunicki-Goldfinger 1998).

Kiełkowanie rozpoczyna się od pregerminacji- tracenia oporności na wysoką temperaturę. Komórka łatwiej się barwi i słabiej załamuje światło. Następnie ściana endospory rozpuszcza się i następuje wzrost protoplastu. Wyrasta forma wegetatywna (Kunicki-Goldfinger 1998). Kiełkowanie pobudzane jest przez adenozynę, L-alanianę oraz tyrozynę (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Czasami kiełkowanie bakterii jest szybsze po ogrzaniu przetrwalników do około 100^oC przez krótki czas. U Bacillus cereus kiełkująca endospora wytwarza enzym- racemazę, przemieniającą L-alaninę w D-izomer. D-alanina hamuje wzrost pozostałych endospor (Kunicki-Goldfinger 1998). Mechanizm ten zapewnia stopniowe kiełkowanie przetrwalników i ułatwia gatunkowi przeżycie. Zmodyfikowana jest również mureina endospory. Co druga reszta kwasu muraminowego w łańcuchu cukrowym występuje w postaci laktamu muraminowego, podczas gdy połowa bocznych peptydów przyłączonych do reszt kwasu muraminowego zostaje skrócona do jednego aminokwasu. Dojrzała endospora zawiera kilka osłon (błona komórkowa, ściana, kora, błona zewnętrzna, okrywa kilkuwarstwowa i egzosporium) (Kunicki-Goldfinger 1998).

Istotną rolą endospor jest również rozprzestrzenianie się drobnoustrojów. Analizy rozprzestrzeniania się endospor Bacillus subtilis wykazały, iż występują one na każdym kontynencie, na i pod powierzchnią Ziemi. Rozprzestrzenianie się tych form przetrwanych oraz ich „długowieczność” są przyczyną przetrwania gatunku oraz jego powszechnego występowania (Baj 2006).

Przetrwalniki powstają wyłącznie z części ciała komórki (Duszkiweicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994). Miejsce powstawania form przetrwanych jest cechą gatunkową. Większość Bacillus podczas wytwarzania endospor zachowuje niezmienione kształty komórek, Clostridium natomiast powstają w formie buławek, czy wrzecion (Gołębiowska 1986, Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998, Duszkiewicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994). Przetrwalniki widoczne są w komórkach wegetatywnych lub poza nimi, trudno się barwią. Przetrwalnik może spowodować napęcznienie komórki. Jeżeli rozdęcie (u beztlenowych, u tlenowców nie występuje rozdęcie komórki) ma miejsce przy biegunie komórki ma ona kształt buławki i nazywa się forma plektridialną. Rozdęcie w środku to jest to wrzecionko- forma klostridialna (Duszkiweicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994). Sposób rozmieszczenia przetrwalników w sporulującej komórce oraz ich wielkość są ważną cechą taksonomiczną bakterii. Przetrwalniki uwidocznione mogą być pod mikroskopem świetlnym po zastosowaniu specjalnych technik barwienia (np. metoda Shäffer-Fultona) (Zaremba 1994).

Przetrwalniki mogą być ułożone:

1. centralnie

2. terminalnie

3. lateralnie/subterminalnie (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Zaremba 1994, Różalski 1996)

Ryc.5. Typy rozmieszczenia endospor u bakterii.

Ryc.6. Preparat z Bacillus subtilis, ukazujący endospory na zielono i formy wegetatywne na czerwono.

Dzięki endosporom można produkować antybiotyki (enzymy Bacillus), enzymy te wykorzystywane są również w produktach spożywczych, laseczki tlenowe syntetyzują antybiotyki polipeptydowe jak również bioinsektycydy. W procesach fermentacji i wytwarzania ryboflawiny wykorzystywane są Clostridium. Odgrywają one znaczącą rolę w procesach oczyszczania ścieków i odpadów (Różalski 1996).

Ciepłooporność form przetrwanych istotna jest dla działalności człowieka w związku z utrudnionym procesem sterylizacji. Dla samych bakterii nie ma to większego znaczenia, ponieważ w naturze drobnoustroje rzadko spotykają się z temperaturą 100^oC. Pojawienie się zdolności przetrwalnikowania musiało więc zależeć od innych właściwości endospor (Różalski 1996, Kunicki-Goldfinger 1998). Endospory (główne ich ciepłooporność) są problemem związanym z produktami spożywczymi (konserwy), czy lekami (płyny infuzyjne). Produkty te niedostatecznie wyjałowione (działanie autoklawu, tyndalizacja, filtracja), mogą zawierać endospory, które po wykiełkowaniu niszczą produkty (np. konserwy z bombażem. Zanieczyszczenie produktów spożywczych bakteriami Clostridium powoduje, zanieczyszczenie ich również groźną toksyną jaką jest jad kiełbasiany (Zaremba 1994, Kunicki-Goldfinger 1998).

Egzospory- (spory zewnętrzne) występują u fotosyntezujących bakterii pączkujących i tworzących wyrostki (Rhodomicrobium vannielii). Pojawia się u nich charakterystyczny cykl rozwojowy, w trakcie którego wytwarzane są na zewnątrz komórek macierzystych egzospory (Różalski 1996).

Egzospory odpączkowują przy biegunie macierzystej komórki wegetatywnej. W pierwszym stadium rozwoju egzospory są wyraźnie wklęsłe z jednej strony, a wklęsłość ta pasuje do bieguna komórki macierzystej. Dojrzałe egzospory przybierają kształt kulisty i są wysoce odporne. Osłony egzospor wykazują budowę złożoną. Wyróżnia się w nich ścianę komórkową, ścianę egzospory oraz włóknistą otoczkę. Nie występuje u nich charakterystyczny dla endospor kwas dipikolinowy (Baj 2006).

Egzospory są odporne na wysuszenie, wysoką i niską temperaturę, promieniowanie UV, brak pokarmu, inne czynniki fizyczne i chemiczne. Właściwości te mają związek ze stanem fizykochemicznym DNA, RNA, oraz białek- również enzymów (Różalski 1996, Baj 2006). Egzospory Rhodomicrobium vannielii nie zawierają kwasu dipikolinowego i w związku z tym nie są tak oporne na czynniki fizykochemiczne jak endospory (Różalski 1996, Baj 2006).

Mikrospory- to postać spoczynkowa bakterii śluzowych (Myxobacteriales) (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998). Powstają one u większości bakterii w określonym stadium rozwoju (Kunicki-Goldfinger 1998).

Powstają z całej komórki wegetatywnej (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998). Są kuliste lub w kształcie krótkich pałeczek. Powstają przez skrócenie komórek wegetatywnych i otoczenie ich grubą błoną (Kunicki-Goldfinger 1998). Mikrospory okrywa gruby, elektronogęsty płaszcz. Płaszcz ten budują węglowodany, białka oraz glicyna (Baj 2006).

Bakterie śluzowe są drobnoustrojami zdolnymi do tworzenia ciał owocowych. Pałeczki gromadzą się tworząc ciało owocowe o kształcie charakterystycznym dla gatunku. Komórki szczytowe wytwarzają dużą ilość śluzu, część z nich tworzy mikrospory. Te znajdujące się u podstawy i w warstwach zewnętrznych zamierają i łącznie z wysychającym śluzem tworzą ciało owocowe zawierające mikrospory (Kunicki-Goldfinger 1998). Wewnątrz nich pałeczkowate komórki wegetatywne przekształcają się w kuliste, owoidalne formy przetrwalne (mikrospory). W zależności od budowy i złożoności ciała owocowego wyróżnia się w nim sporangia, w których powstają mikrospory. U niektórych śluzowych mikrospory zamknięte mogą być w dużych strukturach pokrytych ścianą (cysty) (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998). Wytwarzaniu ciał owocowych (sporangiów) oraz mikrospor sprzyja brak składników odżywczych. W warunkach laboratoryjnych wytwarzanie mikrospor może być wynikiem działania na komórki glicerolu. Odpowiednie warunki środowiskowe sprawiają, iż mikrospory kiełkują, miejscowo naruszając strukturę płaszcza (proteazy serynowe) (Baj 2006).

Mikrospory są odporne na wysokie temperatury (mniej jednak niż formy już omawiane) (Baj 2006, Duszkiewicz-Reinhard 2003, Kunicki-Goldfinger 1998), promieniowanie UV, suszę oraz na działanie środków chemicznych (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998). Ich główną funkcją jest natomiast pozwolenie bakteriom przetrwać okresy suszy. Trwałość mikrospor dochodzi do 10 lat (Baj 2006).

Konidia (spory powietrzne)- postacie konidii lub spor powietrznych, to formy przetrwalne promieniowców (Actinobacteria), rosnących w formie pseudogrzybni (Baj 2006). Komórki takie odznaczają się zwolnionym metabolizmem oraz zmianami morfologicznymi (Duszkiewicz-Reinhard 2003). Omawiane formy przetrwale często zawierają barwniki (Baj 2006).

Powstają przez przewężenie i fragmentacje nitki promieniowca (strzępek powietrznych-sporofor). Często są wytwarzane na nitce sporonośnej wyrastających ponad podłoże. Dobrze znoszą suszę, nie są tak ciepłooporne (Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006).

Różnice w kształcie i rozmieszczeniu strzępek oraz umiejscowienie konidiów są ważną cechą diagnostyczną tych bakterii. Konidia mogą występować pojedynczo (Micromonospora), parami (Microbispora), w łańcuszkach krótkich (Nocardia, Glycomyces) oraz w łańcuszkach długich (Streptomyces, Saccharmopolyspora) (Baj 2006). Promieniowce z rodzaju Actinoplanes i Pilimelia tworzą sporangia, wewnątrz których powstają spory (Baj 2006).

Konidia dla promieniowców są głównie czynnikiem rozprzestrzeniającym je (Baj 2006).

Są w porównaniu do komórek wegetatywnych odporniejsze na wysuszenie, czy wysoką temperaturę (Thermoactinomycetes) (Baj 2006).

Cysty- należą do bakterii właściwych oraz śluzowych. W cystach procesy metaboliczne, np. procesy oddechowe ulegają znacznemu spowolnieniu (Gołębiowska 1986, Kunicki-Goldfinger 1998). W środowisku naturalnym Azotobacter wytwarza omawiane formy przetrwalne (Kunicki-Goldfinger 1998, Gołebiowska 1986, Baj 2006).Wytwarzanie cyst związane jest prawdopodobnie z wewnątrzkomórkową akumulacją PHB. Mniej niż 0,01% komórek danej populacji przekształca się w cysty. Ich powstawanie można indukować stosując n-butanol, z którego syntezowany jest poli-β-hydroksymaślan, wtedy wszystkie komórki populacji zostają cystami (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998, Gołębiowska 1986). Potrafią szybko utleniać egzogenne źródła energii (Kunicki-Goldfinger 1998, Gołębiowska 1986).

Drobnoustroje przekształcające się w cysty tracą rzęski, stają się kuliste. Dochodzi do pogrubienia ich ściany komórkowej (powoduje to silne załamywanie światła). Ściana cyst zbudowana jest z dwóch warstw zewnętrznej egzyny oraz wewnętrznej intyny. Egzyna jest cieńsza, niż intyna. Powstawanie cyst uwarunkowane jest wytwarzaniem przez zaindukowaną komórkę alginianowej otoczki (głównego składnika egzyny i intyny). Ściany cyst zawierają również wapń.

Komórki pojedynczo, lub w skupieniach okrywają się znaczną warstwą śluzu i w ten sposób uodporniają się na czynniki zewnętrzne: temperaturę (w niewielkim stopniu), wysuszenie, promieniowanie UV, jonizujące oraz urazy mechaniczne. Cysty są niezwykle odporne na wysychanie, w laboratoriach kiełkują nawet po dziesięcioletnim okresie uśpienia. Nie są natomiast odporne na czynniki chemiczne i fizyczne (promieniowanie UV), z wyjątkiem czynników powodujących uszkodzenia mechaniczne (ultradźwięki) (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998).

Akinety- należą do sinic (np. Anabena sp.) (Kunicki-Goldfinger 1998). Są to komórki sinic o zgrubiałych ścianach, często intensywnie zabarwione. Nie występują u wszystkich sinic (Kunicki-Goldfinger 1998). Akinety są zwykle większe niż komórki wegetatywne, posiadają charakterystyczne widoczne pod mikroskopem ziarnistości wewnątrz komórek (materiały zapasowe- glikogen i cyjanoficyna) (Baj 2006). Zawierają dużo cyjanoficyny i glikogenu (Kunicki-Goldfinger 1998).

Najczęściej występują one u drobnoustrojów w stacjonarnej fazie wzrostu co związane jest zapewne z faktem, iż powstają w warunkach braku pożywienia i światła. Kiełkowanie akinet stymuluje światło i składniki odżywcze. Zależnie od gatunku ściana akinety lizie ulegać może częściowo lub całkowicie (Baj 2006).

Są to struktury w znacznym stopniu odporne na działanie niskich temperatur i wysuszenia (Baj 2006, Kunicki-Goldfinger 1998). Chronią również bakterie przed brakiem światła (Kunicki-Goldfinger 1998).

6. Ruch drobnoustrojów

Narządami ruchu drobnoustrojów są rzęski. Bakterie poruszają się dzięki obrotowemu ruchowi rzęsek działających jak wiosła, śmigła czy śruby okrętowej (Gołębiowska 1986, Zaremba 1996, Kunicki-Goldfinger 1998).

W błonie cytoplazmatycznej znajduje się urządzenie napędowe powodujące ruch pierścieni względem siebie. Ruch taki skutkuje kołową wibracją rzęski przenoszoną na haczyk. Energią umożliwiającą ruch rzęsek jest protonowa siła napędowa. Przechodzenie protonów przez elementy podstawowe rzęski skutkuje obracaniem się rzęski. Źródłem siły może być również gradient jonów po obu stronach błony komórkowej (Zaremba 1996, Baj 2006). Jeżeli rzęska obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, bakteria porusza się prosto. Jeżeli rzęska natomiast obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara wtedy bakterie koziołkuje w miejscu. Jeżeli komórka porusza się w kierunku substancji pożądanej, zgodnie z jej gradientem ruch w linii prostej trwa dłużej, natomiast koziołkowanie krócej. Jeżeli natomiast bakteria napotyka na substancję niepożądaną, lub oddala się od substancji pożądanej, często koziołkuje w celu ustalenia kierunku ruchu w linii prostej. Bakteria porusza się ruchem płynnym, chemotaktycznym w kierunku miejsca o większym stężeniu substancji odżywczej, czyli miejsca o bardziej stężonym gradiencie (Zaremba 1994, Baj 2006). Bakterie wykazują zjawisko chemotaksji. Mogą poruszać się w kierunku substancji pożądanych i oddalać się od substancji szkodliwych (Zaremba 1996, Baj 2006).

Rzęski umożliwiają zmianę nisz ekologicznych. Możliwość przemieszczania się związana z bodźcem nazywany jest tropizmem lub taksją. Tropizm, to zmiana intensywności wzrostu bakterii nieurzęsionych. Taksja, to ruch w kierunku- dodatnia lub w kierunku odwrotnym- ujemna w stosunku do bodźca. Atraktanty, to związki przyciągające bakterie, repelenty odpychają bakterie. Repelenty zwiększają koziołkowanie bakterii. Atraktanty wiązane są na zewnętrznej stronie cytoplazmy (białka sensorowe). Powoduje to zmianę ich konformacji, odbieranej jako sygnał przekazywany do ciałka bazalnego rzęski (Różalski 1996).

U Escherichia coli obrót motoru rzęsek w jednym kierunku skutkuje układaniem się rzęsek w jednym kierunku. Pozwala to na ruch komórki do przodu. Zmiana kierunku obrotu rzęsek skutkuje skierowaniem rzęsek w różne strony i bakteria koziołkuje. Gdy obrót rzęsek zmienia się ponownie, komórka porusza się w kierunku przeciwnym. Okresowe zmiany obrotu rzęsek umożliwiają pałeczce okrężnicy wykonywanie ruchów przypadkowych, umożliwiających komórce badanie środowiska pod względem obecności w nim składników odżywczych. Jeżeli komórka wyczuje duże stężenie składnika odżywczego, motory rzęsek poruszają się w tym kierunku (chemotaksja) (Slayers 2003, Baj 2006).

Beggiatoa należą do bakterii bez rzęsek ale poruszają się (periodyczne zmiany kształtu bakterii) (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Gołębiowska 1986).

Neisseria meningitidis przyczepia się rzęską do podłoża, a następnie drobnoustrój posuwa się ruchem drgającym (Slayers 2003).

Drobnoustroje mogą poruszać się również dzięki strukturom śluzowym (styliki u Galionella sp.) (Gołębiowska 1986). Bakterie śluzowe wykazują ruch przedsiębiorczy („w poszukiwaniu przygód”). Ruch podobnego typu spotykany jest u sinic i bakterii Flexibacter. Polega on na wyrzucaniu przez pory śluzu, co powoduje ruch bakterii w odwrotnym kierunku. U Myxococcus pory o średnicy 14 nm w liczbie 250 sztuk umieszczone są na każdym biegunie komórki. Śluz (polielektrolit, złożony z węglowodanów) zbiera się przy dyszy porów, tam ulega pęcznieniu i jest wyrzucany na zewnątrz komórki. W związku z tym procesem energia potencjalna polielektrolitu, zmienia się w energię kinetyczną. U sinic wyrzucanie śluzu przez pory powoduje ruch filamentów (Baj 2006).

Ruch ślizgowy bakterii, umożliwia im płynne przesuwanie się po powierzchni. Zachodzi on bez udziału rzęsek, w przypadku niektórych bakterii pomocne mogą być tu fimbrie (Slayers 2003). Ruchem ślizgowym poruszają się: Myxobacteriales, sinice, Beggiatoales, Vitreoscilla, Flexibacter, Leucothrix, Thiothrix, Chloroflexus (Kunicki-Goldfinger 1998).

Niekiedy bakterie po wtargnięciu do komórek gospodarza, mogą się w nich poruszać. Taką umiejętność posiada Shigella dysenteriae (powodująca czerwonkę). Po wniknięciu do komórki, wokół jednego z końców bakterii gromadzą się włókna aktynowe (główny składnik cytoszkieletu komórki ssaczej), popychają one bakterię wewnątrz komórki. Ogony aktyny powstałe na bakterii wypychają Shigellę do kolejnych komórek, zakażając każdą z nich. Ponadto komórki bakterii wewnątrz komórek gospodarza chronione są przed atakiem układu immunologicznego (Slayers 2003).

Kolejnym typem ruchu jest ruch z wykorzystaniem pilusów typu IV. Odgrywają one zasadniczą rolę w ruchu niektórych bakterii na podłożu stałym. Powodują one ruch komórek zwany drgającym. U Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae, czy Moraxella bovis dochodzi do ruchu z użyciem pilusów typu IV. Polega on na krótkich, przerywanych szarpnięciach. Zależy on od obecności innych komórek tego samego gatunku (co najmniej 100) w odległości mniejszej niż długość pilusa typu IV (Baj 2006).

Ciekawy typ ruchu wykazują krętki (Spirochaetales). Poruszają się dzięki falującej błonie- organellum ułożonej wzdłuż ciała (Kunicki-Goldfinger 1998). Organellum składa się z 2-100 włókienek przypominających budową rzęski, lub wici pierwotniaków. Umiejscowione są biegunowo i skręcone oplatają komórkę na całej jej długości (Różalski 1996, Baj 2006). Biegną wzdłuż komórki, wewnątrz przestrzeni peryplazmatycznej, zachodząc na siebie w jej centralnej części. Ich ruch powoduje przesuwanie się względem siebie otoczonej błoną cytoplazmatyczną komórki i zewnętrznej pochewki, kurcząc się wprawiają komórkę krętka w ruch śrubowy do przodu (Kunicki-Goldfinger 1998, Slayers 2003, Kunicki-Goldfinger 1998, Baj 2006). Budowa rzęski jest u nich standardowa (motor, hak, włókno). Liczba rzęsek jest cechą gatunkową, wynosi od jednej (Leptospiraceae), do kilkuset (Cristispira). Stałą cechą gatunkową jest fakt, iż rzęski wychodzące z przeciwległych biegunów zachodzą na siebie w strefie równikowej komórki (Borrelia burgdorferi) lub nie (Treponema phagedenis). Rzęski napędzane siłą protonomotoryczną, obracają się wewnątrz peryplazmy. Jeżeli na jednym biegunie jest ich kilka (Brachyspira hyodysenteriae), łączą się w wiązkę. Przekłada się to na ruch obrotowy komórki, wwiercającej się wodę. Ruch obrotowy komórki uzależniony jest jednak od obracania się rzęsek w przeciwnych kierunkach (Baj 2006). Wyróżniamy dwa typy ruchu krętków, zgodny z ruchem wskazówek zegara (CW) i przeciwny (CCW). Ruch przeciwny porusza bakterie do przodu po linii prostej, zaś ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara powoduje koziołkowanie bakterii. Bakterie poruszają się ruchem po linii prostej, a koziołkowanie służy do zmiany kierunku ruchu (Różalski 1996). Krętki najlepiej poruszają się w środowisku lepkim, mogą przewiercać się przez komórki ssaków lub pomiędzy komórkami (Slayers 2003).

Do ruchów bakterii nie zalicza się ich drgań, czyli bezładnych ruchów Browna (bezładnych ruchów molekularnych). Drobne bakterie o wielkości poniżej 5 μm oglądane pod mikroskopem drgają. Spowodowane jest to przez drganie cząstek płynnego środowiska. Napotykają one na swej drodze komórki bakterii i uderzają w nie (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Gołębiowska 1986).

Szybkość poruszania się bakterii jest dość duża, uzależniona od gatunku i czynników środowiskowych, a wynosi przeciętnie od 20 do 80 μm/s (Duszkiewicz-Reinhard 2003, Gołębiowska 1986). Przez sekundę przebywają odległość kilkanaście do kilkadziesiąt razy dłuższą niż długość ich ciała (Kunicki-Goldfinger 1998). Szybciej bakterie poruszają się w warunkach naturalnych w porównaniu do laboratoryjnych (na pożywkach stają się „niemrawe”) (Slayers 2003). Bacillus megaterium porusza się na przykład z szybkością 27 µm/s, Vibrio cholerae aż 200 µm/s (Gołębiowska 1986). Rzęski Salmonella enterica sv. Typhimurium w ilości pięciu, obracają się z prędkością 200 obrotów na minutę, co pozwala na poruszanie się z szybkością 55 µm na sekundę, czyli drobnoustrój przez sekundę przemierza długość o 25 razy większą niż sama bakteria. Jeszcze szybciej porusza się Vibrio alginolyticus, porusza się za pomocą jednej rzęski z prędkością 116 µm/s (Baj 2006).

2.8. Przykładowe gatunki drobnoustrojów izolowane na zajęciach

Saccharomyces cerevisiae Azotobacter

Bacillus subtilis

Literatura:

American Socjety for Microbiology, Hadetniemi and Liao, Hare; www.microbiologyprocedure.com , www.micro.org.pl, Zdjęcia drobnoustrojów; www.blogracjonalisty.blogspot.com, djpatrol123.webpark.pl, www.medycyna.linia.pl Zdjęcia komórek

Baj J., Markiewicz Z. „Biologia molekularna bakterii.”, Warszawa 2006, Wydawnictwo Naukowe PWN.

Duszkiewicz- Reinhard W., Grzybowski R., Sobczak E. „Teoria i ćwiczenia mikrobiologii ogólnej i technicznej” Warszawa 2003, Wydawnictwo SGGW.

Gołębiowska J. „Mikrobiologia rolnicza.” 1986, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne.

Kunicki-Goldfinger W.J.H. „Życie bakterii.” Warszawa 1998, Wydawnictwo Naukowe PWN.

Różalski A. „Ćwiczenia z mikrobiologii ogólnej.” 1996, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego.

Slayers A.A., Whitt D.D. „Mikrobiologia” (Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko), Warszawa 2003, Wydawnictwo Naukowe PWN.

Zaremba M.L., Borowski J. „Podstawy mikrobiologii lekarskiej.” Warszawa 1994, Wydawnictwo Lekarskie PZWL.

1

---