MORFOLOGIA I FIZJOLOGIA BAKTERII
Bakterie są to organizmy jednokomórkowe należące do
PROKARYOTA.
Wyróżnia się 4 działy podzielone na 33 sekcje obejmujące
poszczególne rodziny i rodzaje bakterii. Podstawą tego podziału są:
o różnice w budowie ściany komórkowej,
o homologia DNA/DNA i DNA/RNA,
o skład oligosacharydów,
o sekwencja aminokwasów enzymów metabolizmu
podstawowego,
o profil białek i kwasów tłuszczowych w błonie i ścianie
komórkowej.
Bakterie bytujące w środowiskach naturalnych i w żywności zaliczane
są do następujących sekcji:
SEKCJA 4 (gramujemne, tlenowe pałeczki i ziarniaki)
Rodzina I. Pseudomonadaceae
Rodzaje np. Pseudomonas
Rodzina II. Azotobacteraceae
Rodzaje np. Azotobacter, Azotomonas
Rodzina III. Rhizobiaceae
Rodzaje np. Rhizobium, Agrobacterium
Rodzina IV. Methylococcaceae
Rodzaje np. Methylococcus
Rodzina V. Halobacteriaceae
Rodzaje np. Halococcus, Halobacterium
Rodzina VI. Acetobacteraceae
Rodzaje np. Acetobacter, Gluconobacter
Rodzina VII. Legionellaceae
Rodzaje np. Legionella
Rodzina VIII. Neisseriaceae
Rodzaje np. Neisseria, Acinetobacter
SEKCJA 5 (gramujemne, względnie tlenowe pałeczki)
Rodzina I. Enterobacteriaceae
Rodzaje np. Escherichia, Shigella, Salmonella, Klebsiella, Enterobacter,
Erwinia, Edwardsiella, Proteus, Yersinia
Rodzina II. Vibrionaceae
Rodzaje np. Vibrio, Aeromonas
Rodzina III. Pasteurellaceae
Rodzaje np. Pasteurella, Haemophilus, Actinobacillus
SEKCJA 12 (gramdodatnie ziarniaki)
Rodzina I. Micrococcaceae
Rodzaje np. Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, Sarcina
Rodzina II. Deinococcaceae
Rodzaje np. Deinococcus
SEKCJA 13 (gramdodatnie przetrwalnikujące pałeczki)
Rodzaje np. Bacillus, Clostridium
SEKCJA 14 (gramdodatnie, regularne pałeczki nie wytwarzające
przetrwalników)
Rodzaje np. Lactobacillus, Listeria
SEKCJA 15 (gramdodatnie, nieregularne pałeczki nie
wytwarzające przetrwalników)
Rodzaje np. Brevibaterium, Propionibacterium, Bifidobacterium
SEKCJA 16 Mycobaceria
Rodzina: Mycobacteriaceae
Rodzaj I: Mycobacteria
SEKCJA 20 (bakterie tlenowe, chemolitotrofy)
Bakterie nitkowate
Rodzina I. Nitrobacteriaceae
Rodzaje np. Nitrobacter, Nitrospira, Nitrosomonas
Bakterie siarkowe
Rodzaje np. Thiobacillus
SEKCJA 22
Bakterie pochewkowe
Rodzaje np. Leptothrix, Sphaerotilus
SEKCJA 23
Rodzina I. Cytohagaceae
Rodzaj I: Cytophaga
KSZTAA
T KOMÓREK BAKTERII
a) ziarniaki b) dwoinki c) paciorkowce d) gronkowce
e) pakietowce f) laseczki g) pałeczki h) maczugowce
e) śrubowce f) przecinkowce g) krętki
Kształt i wielkość komórek bakterii są w znacznym stopniu zależne od:
" wieku i warunków hodowli,
" temperatury inkubacji,
" czasu trwania hodowli,
" rodzaju podłoża,
" składu chemicznego środowiska odżywczego,
" zmian w obrębie materiału genetycznego.
Na podłożach standardowych i w stałych warunkach hodowli komórki
danego gatunku mają zawsze określony kształt będący ich istotną cechą
diagnostycznÄ…. W okresie starzenia siÄ™ bakterii (w fazie zamierania) mogÄ…
pojawiać się formy inwolucyjne o zmienionych kształtach (powstają wskutek
zaburzeń w mechanizmie wytwarzania błon podziałowych, nagromadzenia się w
środowisku metabolitów lub produktów lizy komórek, niekorzystnych
warunków rozwoju dla komórek np. pH środowiska, temperatury, natlenienia,
braku substancji wzrostowych itp.).
BUDOWA KOMÓRKI BAKTERYJNEJ
rzęska/wić
ściana komórkowa
cytoplazma
błona cytoplazmatyczna
rybosomy
nukleoid
materiał zapasowy
plazmid
fimbria/pili
NUKLEOID
Obszar komórki prokariotycznej będący odpowiednikiem jądra
komórkowego u Eukaryota. W przeciwieństwie do jądra komórek
eukariotycznych nukleoid nie jest oddzielony od cytoplazmy otoczkÄ…
jÄ…drowÄ….
Zawiera genofor (chromosom bakteryjny), czyli pojedynczÄ…, kolistÄ…
cząsteczkę dwuniciowego DNA o długości do 200 nm (0,6  13 mln par
zasad).
Cząsteczka DNA zawiera geny ułożone w zespoły, które regulują
określony szlak metaboliczny, konkretną właściwość organizmu lub proces
komórkowy.
Niektóre funkcje organizmu (np. oporność na antybiotyki, synteza
bakteriocyn) są kodowane przez plazmidy  samoreplikujące się, zamknięte,
koliste czÄ…steczki dwuniciowego DNA.
Nukleoid wraz z plazmidami zawiera pełną informację genetyczną komórki.
CYTOPLAZMA
Wodny roztwór związków wielkocząsteczkowych, soli mineralnych,
cukrów prostych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych i związków
wysokoenergetycznych, o charakterze koloidu, w którym zawieszone są
biologicznie czynne struktury: nukleoid, plazmidy, rybosomy, materiał
zapasowy (ziarnistości, wtręty, kryształki, kropelki).
RYBOSOMY
Rybosomy u Prokaryota są mniejsze niż u Eukaryota, mają niższą masę
cząsteczkową i stałą sedymentacji Svedberga, wynoszącą 70S, w porównaniu
do 80S u Eukaryota. Różnice między rybosomami mają ogromne znaczenie
przy leczeniu infekcji, gdyż niektóre antybiotyki wybiórczo hamują syntezę
białek na chromosomach 70S, nie wpływając na działanie rybosomów 80S.
Rybosomy bakteryjne
70S
podjednostka duża 50S podjednostka mała 30S
23S rRNA
16S rRNA
5S rRNA
32 specyficzne białka 21 specyficznych białek
rybosomowe (od L1 do L32) rybosomowych (od S1 do S21)
Podjednostki rybosomów występują w cytoplazmie oddzielnie, łączą się ze
sobą tylko po połączeniu z mRNA w czasie syntezy białek. Tworzą wtedy
polirybosomy (polisomy)  skupienia wielu rybosomów połączonych nicią
mRNA.
BA
ONA CYTOPLAZMATYCZNA
Wykazuje typową dla wszystkich błon elementarnych strukturę
trójwarstwową i zbudowana jest z lipidów (20-35%) i białek (50-75%).
białko integralne
białko integralne
przenikajÄ…ce przez
przenikające całą
białko
część błony
grubość błony
powierzchniowe
dwuwarstwa
lipidowa
Składa się z podwójnej warstwy lipidowej. Hydrofobowe końce fosfolipidów
i trójglicerydów skierowane są do środka, a hydrofilowe  główki na
zewnątrz. W tę podwójną warstwę włączone są białka, niektóre przenikają
przez całą grubość błony, inne tylko przez część (białka integralne) lub są
przyłączone do zewnętrznej i wewnętrznej warstwy hydrofilowej (białka
powierzchniowe).
Błona pełni kilka bardzo ważnych funkcji:
" jako półprzepuszczalna stanowi barierę osmotyczną komórki i
kontroluje wnikanie i usuwanie różnych substancji,
" jest miejscem zakotwiczenia enzymów biorących udział w
przenoszeniu elektronów i w fosforylacji oksydatywnej, a więc
w tworzeniu i magazynowaniu energii,
" uczestniczy w procesach syntezy ściany komórkowej,
składników otoczki śluzowej, pili, fimbrii, a także wydziela
enzymy zewnątrzkomórkowe,
" stanowi centrum replikacji DNA.
ŚCIANA KOMÓRKOWA
Jest elastyczną strukturą nadającą komórce bakteryjnej określony kształt.
Stanowi barierę ochronną przed czynnikami zewnętrznymi fizycznymi
i chemicznymi, a także przed innymi mikroorganizmami. Jest przepuszczalna
dla licznych substancji niskoczÄ…steczkowych i soli mineralnych.
Szkielet ściany komórkowej bakterii składa się z polimeru 
peptydoglikanu, zwanego mureinÄ…. Peptydoglikan jest heteropolimerem
złożonym z łańcuchów, w których na przemian występują
N-acetyloglukozamina (GlcNAc) i kwas N-acetylomuraminowy
(MurNAc), poÅ‚Ä…czone wiÄ…zaniami ²-1,4,-glikozydowymi. Te proste,
nierozgałęzione łańcuchy stanowią trzon mureiny. Podjednostki kwasu
muraminowego mają przyłączony do reszty octanowej krótki peptyd o
sekwencji: L-alanina (L-Ala), kwas D-glutaminowy (D-Glu), kwas mezo-
diaminopimelinowy (m-Dpm) oraz D-alanina (D-Ala). Peptyd ten
charakteryzuje się możliwością tworzenia bocznych wiązań peptydowych,
które łączą w ten sposób dwa łańcuchy heteropolimeru. Dzięki tym
wiązaniom całość tworzy olbrzymią cząsteczkę, zwaną woreczkiem
mureinowym.
N-acetyloglukozamina, kwas N-acetylomuraminowy, kwas
mezo-diaminopimelinowy oraz D-alanina nie występują u roślin i zwierząt,
co jest wykorzystywane w medycynie.
Lizozym  enzym odkryty przez Aleksandra Fleminga, występuje w łzach,
śluzie jamy nosowej i białku jaja. Rozszczepia w mureinie wiązanie
glikozydowe powodujÄ…c jej rozpad na dwusacharydy GlcNAc-MurNAc. Jest
więc (N-acetylo)-muramidazą.
Penicylina niszczy głównie komórki bakteryjne gramdodatnie, a także
niektóre gramujemne. Działa bakteriobójczo na komórki rosnące, gdyż
zaburza syntezę ściany komórkowej, poprzez zahamowanie tworzenia
poprzecznych wiązań peptydowych między łańcuchami cukrowymi.
Muroendopeptydazy, enzymy występujące u bakterii, które rozszczepiają
wiązania peptydowe biorące udział w usieciowaniu mureiny.
ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMDODATNICH
Mureina stanowi 30-70% suchej masy ściany komórkowej, składa się z
około 40 warstw. Do mureiny przyłączone są też różne kwasy tejchojowe
(łańcuchy złożone z 8-50 cząsteczek glicerolu lub rybitolu połączonych
mostkami fosfoestrowymi). Kwasy te stanowią warstwę plastyczną ściany
komórkowej.
ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMUJEMNYCH
Sieć mureiny jest jednowarstwowa i stanowi mniej niż 10% suchej
masy ściany komórkowej. Część dominującą ściany stanowi warstwa
plastyczna, którą tworzy błona zewnętrzna zbudowana z fosfolipidów,
białek, lipoproteidu Brauna, lipopolisacharydu /LPS/. Białka o funkcji
transportowej (poryny) tworzą w błonie kanały wypełnione wodą, które
pozwalają na wniknięcie do komórki niskocząsteczkowych substancji
hydrofilowych. Między błoną zewnętrzną a mureiną znajduje się tzw.
przestrzeń peryplazmatyczna. Zawiera ona znaczną ilość enzymów
biorących udział m.in. w rozkładzie substratów (metanol, glukoza),
wykorzystywaniu związków nieorganicznych (siarczany, azotany),
rozkładzie białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych.
W ścianie bakterii gramujemnych nie wykryto kwasów tejchojowych.
Lipopolisacharydy (LPS) mają duże znaczenie w diagnostyce
bakteriologicznej i epidemiologii. Różne szczepy Salmonella typhimurium
oraz Shigella desynteriae odpowiedzialne za infekcje jelitowe różnicuje się
dzięki O-swoistemu bocznemu łańcuchowi lipopolisacharydów
występujących w ich błonie zewnętrznej. Różnice wykrywa się metodami
immunologicznymi i serologicznymi, które pozwalają na identyfikację
szczepu i zlokalizowanie z
ródła infekcji (epidemii).
Lipopolisacharydy sÄ… najbardziej efektywnymi endotoksynami bakterii,
wywołującymi gorączkę i biegunkę.
Konsekwencją odmiennej budowy ściany komórkowej bakterii
gramdodatnich i gramujemnych jest zasadnicza odmienność fizjologiczna
obu tych grup bakterii.
Cecha Gramdodatnie Gramujemne
ściana odporna na
ściana ulega
działanie lizozymu, w
rozpuszczeniu, pozostajÄ…
obecności lizozymu i
protoplasty (kuliste
Wrażliwość na lizozym czynnika chelatującego
komórki pozbawione
tworzÄ… siÄ™ sferoplasty
całkowicie ściany
(mają resztki ściany
komórkowej)
komórkowej)
Wrażliwość na
zwykle duża zwykle mała
penicylinÄ™
Wrażliwość na
duża mniejsza
detergenty
Wrażliwość na
wrażliwe na eozynę
fotodynamiczne wrażliwe na safraninę
i błękit metylenowy
działanie barwników
Wrażliwość na barwniki
duża mała
anilinowe
Zapas wolnych
duży mały
aminokwasów
Zawartość poliamin mała duża
fiolet wymywa siÄ™,
Barwienie metodÄ… trwale barwiÄ… siÄ™ na
komórki barwią się na
Grama fioletowo
różowo fuksyną
OTOCZKI I ÅšLUZY
Zewnętrzną warstwę ścian komórkowych wielu bakterii (głównie
pasożytujących, glebowych i wodnych) pokrywają mniej lub bardziej grube
warstwy substancji zawierających dużo wody: są to otoczki i śluzy.
Otoczki
Otoczki chronią bakterie przed wyschnięciem, ułatwiają adhezję,
chronią przed reakcją obronną zakażanego organizmu. Wykazano też, że
niektóre bakterie syntetyzujące otoczki są bardziej oporne na działanie
antybiotyków, gdyż ich przenikanie do komórki jest utrudnione. U bakterii
chorobotwórczych otoczki mogą być czynnikiem zjadliwości, tzn. bakterie
otoczkowe sÄ… bardziej zjadliwe.
Otoczki mogą być polisacharydowe (głównie z glukozy lub dekstranu),
polipeptydowe (gł. z kwasu poliglutaminowego) oraz mieszane cukrowo-
lipidowe lub białkowo-cukrowe. Otoczki można uwidocznić pod
mikroskopem świetlnym stosując barwniki nie przechodzące przez materiał
otoczkowy, np. nigrozynę, czerwień Kongo, tusz chiński. W technice
barwienia negatywnego na ciemnym tle preparatu pojawiajÄ… siÄ™ jasne
otoczki. Cieńsze otoczki barwi się z wykorzystaniem swoistych przeciwciał.
Åšluzy
Liczne substancje otoczkowe są wydzielane do środowiska w postaci
śluzu, który można oddzielić od powierzchni komórek przez wytrząsanie.
Wiele mikroorganizmów wytwarza dużo śluzu w podłożu bogatym w
sacharozÄ™, np.
- występująca w cukrowniach bakteria kwasu mlekowego Leuconostoc mesenteroides,
zamienia roztwór cukru trzcinowego w ciągliwą, kleistą masę śluzową złożoną z
dekstranów,
- Streptococcus salivalius i S. mutans odpowiedzialne za próchnicę zębów wydzielają
enzym przekształcający sacharozę w polifruktozę. Cukier ten przykleja się
powierzchni zębów, a na nim gromadzą się kwaśne produkty fermentacji (głównie
kwas mlekowy).
RUCH BAKTERII
Bakterie mogą poruszać się różnymi sposobami. U większości aktywny ruch
wywołany jest rotacją rzęsek. Możliwy jest też ruch ślizgowy (u bakterii
śluzowych).
Rzęski
RzÄ™ski sÄ… to wyrostki o Å›rednicy 12-18 nm i dÅ‚ugoÅ›ci do 20 µm. Za
pomocą ciałka bazalnego są zaczepione jednym końcem w wewnętrznej
osłonie komórki  błonie cytoplazmatycznej i łączą się z jej treścią
protoplazmatyczną. Rzęski mają kształt lekko skręconej spirali o równej
grubości na całej długości i składają się z helikalnie zwiniętych łańcuchów
kurczliwego białka zwanego flagelliną.
Umiejscowienie i liczba rzęsek jest dla bakterii cechą charakterystyczną i ma
znaczenie taksonomiczne. U bakterii cylindrycznych rzęski mogą być
osadzone biegunowo lub bocznie.
Wyróżniamy bakterie:
" bezrzęse (atrychalne)  większość ziarniaków,
" jednorzęse (monotrychalne)  mają jedną biegunową rzęskę np. Vibrio,
" dwurzęse (ditrychalne)  po jednej rzęsce na obu biegunach,
" lofotrychalne  mają pęczek rzęsek na jednym biegunie np.
Pseudomonas,
" amfitrychalne  mają pęczek rzęsek na obu biegunach np. Spirillum,
" okołorzęse (perytrychalne)  rzęski są rozmieszczone wzdłuż komórki
lub na całej jej powierzchni np. Proteus, Bacillus, Clostridiums.
atrychalne monotrychalne ditrychalne
lofotrychalne amfitrychalne perytrychalne
Fimbrie i pile
Oprócz rzęsek, niektóre bakterie gramujemne mogą wytwarzać nitkowate,
zakotwiczone w cytoplazmie wyrostki  fimbrie. Są to długie, cienkie,
proste nici o Å›rednicy 3-25 nm, dÅ‚ugoÅ›ci do 12 µm. Zbudowane sÄ… z biaÅ‚ka
zwanego piliną, syntezowanego w cytoplazmie w postaci prebiałka. Cienkie
fimbrie ułatwiają przyczepianie się komórek do podłoża oraz między sobą
(wytwarzanie nalotu).
Grubsze wyrostki, zwane też pilami płciowymi (pilami typu F), służą
podczas koniugacji do przenoszenia DNA. Są to puste rurki białkowe o
dÅ‚ugoÅ›ci do 10 µm.