Konspekt wykładu 3 z Mikrobiologii

(Budowa komórki prokariotycznej, cd)

1. Cytoplazma - wodny roztwór zawierający substancje pokarmowe, jony, białka, w tym enzymy, uczestniczące w reakcjach metabolicznych, produkty przemiany materii, mRNA, tRNA, rybosomy, ziarnistości materiałów zapasowych i inne. Część płynna cytoplazmy to cytosol. Struktury biorące udział w rozdziale potomnych chromosomów i podziale komórki, a więc pełniące funkcję cytoszkieletu - białko FtsZ E. coli (podobieństwo do eukariotycznej tubuliny). Tworzy ono pierścień (tzw. pierścień Z) na obwodzie wewnętrznej powierzchni błony cytoplazmatycznej, w miejscu późniejszej płaszczyzny jej podziału. Białko tego typu w bakteriach i archeonach. W tworzeniu pierścienia Z biorą udział jeszcze inne białka, a cały proces jest bardzo skomplikowany. Białko MukB, występuje w przybiegunowej części komórki i bierze udział w rozdziale chromosomów do komórek potomnych.

2. Nukleoid. Chromosom u większości prokariotów - jedna kolista cząsteczka DNA; jednak w niektórych liniowa lub kilka chromosomów (Tabela 1). DNA jest zasocjowany z pewnymi typami białek, które jak się sądzi, biorą udział w jego zwijaniu i przyczepieniu do błony komórkowej. Zwinięcie DNA w superhelisę i ułożenie w postaci pętli zwiększa jego upakowanie. DNA bakterii i archeonów jest powiązany z białkami histonopodobnymi. Białka te są konserwatywne ewolucyjnie i pełnią funkcje zarówno strukturalne jak i regulacyjne w ekspresji genów

Znamy dwie bakterie, Pirellula sp. i Gemmata sp. (typ Planctomyces/Pirellula) których materiał genetyczny zawarty jest w obszarze wydzielonym od reszty cytoplazmy błoną. Nie wiadomo, jaką rolę spełniają te błony.

3. Plazmidy są pozachromosomowymi elementami genetycznymi, które nie są niezbędne do wzrostu komórki prokariotycznej. Większość to koliście zamknięte cząsteczki dwuniciowego DNA, ale znane są też plazmidy liniowe. Wiele plazmidów, oprócz genów niezbędnych do ich replikacji zawiera też geny, które mogą dać bakteriom pewną przewagę selekcyjną w określonych warunkach środowiska.

4. Rybosomy 70S, zbudowane z podjednostek: 50S i 30S. Obie części rybosomu są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi oraz oddziaływaniami jonowymi i hydrofobowymi. Ważną rolę odgrywają w tym jony magnezu. Budowa - 70% rRNA, od którego głównie zależy funkcjonowanie rybosomu. Podjednostka 30S zawiera 16S rRNA i 21 różnych polipeptydów, a podjednostka 50S - 5S i 23SrRNA i 31 różnych polipeptydów. Funkcja - przełożenie informacji zawartej w mRNA na białka. Polisomy (polirybosomy), gdy wiele rybosomów jest rozmieszczonych wzdłuż jednej cząsteczki mRNA i prowadzi jednocześnie jej translację.

3. Struktury będące wpukleniami błony cytoplazmatycznej U bakterii fototroficznych niosą aparat fotosyntetyczny, a więc barwniki absorbujące światło, składniki fotosyntetycznego systemu transportu elektronów i układu fosforylacyjnego. Różne typy takich błon u bakterii fotosyntetyzujących należących do Proteobacteria. U sinic i prochlorofitów (Cyanobacteria) zwane są tylakoidami. U sinic do zewnętrznej części tylakoidów mogą być przyczepione fikobilisomy, zawierające barwniki dodatkowe: alofikocyjaninę, fikocyjaninę i fikoerytrynę związane kowalencyjnie z biliproteinami. U bakterii nitryfikacyjnych i metanotroficznych błony wewnątrzcytoplazmatyczne zwiększają powierzchnię dostępną dla enzymów uczestniczących w metabolizmie energetycznym tych bakterii.

4. Chlorosomy Chlorobiaceae i Chloroflexaceae. Są to pałeczkowate twory przyczepione do cytoplazmatycznej strony błony komórkowej za pomocą płytki podstawowej, stanowiącej część chlorosomu. Są to agregaty bakteriochlorofilu c, d lub e otoczone ścisłą pojedynczą lipidową, zawierającą białka. W płytce podstawowej zawarty jest bakteriochlorofil a. Są one przyczepione do błony cytoplazmatycznej w miejscu, gdzie występuje centrum reakcji uczestniczące w fotosyntezie. Bakteriochlorofil chlorosomów absorbuje energię świetlną i przekazują ją na centrum reakcji występujące w błonie.

5. Ziarnistości stanowiące materiały zapasowe

Polihydroksymaślan liniowy polimer kwasu masłowego, gromadzony przez wiele bakterii. U niektórych bakterii granule PHB (ang. poly--hydroxybutyrate) są gromadzone, gdy wzrost komórki jest hamowany przez brak innych, niż źródło węgla, składników pokarmowych. Granule otoczone są jednowarstwą złożoną głównie z białek i fosfolipidów

Niektóre bakterie gromadzą inne polimery kwasów hydroksytłuszczowych (ang. poli--hydroxyalcanoate (PHA). Są one wraz z PHB stosowane jako nowy rodzaj biodegradowalnych mas plastycznych.

Polifosforany (wolutyna) (PO₃^2--O-[PO₃^-]_n-PO₃^2-). Nazwa wolutyna wywodzi się od nazwy bakterii, Spirillum volutans, u której po raz pierwszy wykryto ten rodzaj ziarnistości. Występują one także u innych bakterii, np. u niektórych sinic, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, czy u Corynebacterium diphtheriae. Uważa się, że wolutyna może:

a) stanowić zapas fosforanu, b) w niektórych przypadkach brać udział w metabolizmie energetycznym, c) służyć do wyłapywania i przechowywania kationów.

Krople siarki występuje w postaci kuleczek silnie załamujących światło u bakterii chemolitotroficznych utleniających H₂S, takich jak Beggiatoa, Thiovulum, czy Thiomargarita namibiensis, a także u bakterii fotosyntetyzujących.

Cyjanoficyna to materiał zapasowy sinic. Granule składają się z białka zbudowanego z kwasu asparaginowego i argininy, przy czym jego synteza zachodzi bez udziału rybosomów.

Asp Ⴞ Asp Ⴞ Asp Ⴞ Asp Ⴞ Asp Ⴞ Asp Ⴞ

| | | | | |

Arg Arg Arg Arg Arg Arg

Gdy brak jest w środowisku azotu, cyjanoficyna jest źródłem tego pierwiastka. Może też służyć jako rezerwa węgla, a takżę rezerwa energetyczna, w okresach braku światła. Z udziałem dihydrolazy argininy zachodzi reakcja:

arginina + ADP + P_i + H₂O Ⴎ ornityna + 2NH₃ + CO₂ + ATP

Granule wielocukrowe. Enterobacteriaceae, Micrococcus luteus i inne bakterie gromadzą glikogen, który jest silnie rozgałęzionym polimerem glukozy. Materiał podobny do skrobi, zwany granulozą, (1,4 alfa-glukan) występuje np. u bakterii z rodzajów Clostridium i Neisseria. Oba wielocukry można wybarwić, stosując J w KJ.

6. Inne struktury cytoplazmatyczne

Karboksysomy występują u wielu bezwzględnych autotrofów wykorzystujących cykl Calvina do wiązania CO₂, np. u bakterii nitryfikacyjnych, u chemolitotrofów utleniających związki siarki np. Halothiobacillus, u wielu sinic i u prochlorofitów. Mają kształt wielościanów o średnicy od 100 do 500 nm. Składają się z wielu ściśle upakowanych kopii karboksylazy rybulozo-1,5-bisfosforanowej (RuBisCO), otoczonych cienką jednowarstwową błoną. Uważa się, że dzięki karboksysomom, które są nierozpuszczalne, komórka zwiększa ilość enzymu, nie naruszając osmolarności cytoplazmy.

Ciała parasporowe to kryształy białkowe wytwarzane przez Bacillus spp. Proces ten jest najlepiej zbadany u B. thuringiensis, który wytwarza to białko w czasie sporulacji w obrębie komórki wegetatywnej, ale poza właściwą sporą. Kryształ jest złożony z podjednostek prototoksyny, która w przewodzie pokarmowym larw pewnych owadów, zostaje przez proteazy owada przekształcone w toksynę. Toksyna działa zabójczo na larwę. Toksynę tę (znaną pod nazwą handlową “toksyna Bt”) stosuje się jako biologiczny insektycyd. Geny bakteryjne kodujące toksynę Bt zostały wprowadzone do roślin (rośliny Bt).

Pęcherzyki gazowe występują wyłącznie u niektórych prokariotów wodnych, np. u sinic, niektórych bakterii purpurowych i zielonych, u niektórych archeonów, takich jak halofile czy Methanosarcina. Są to puste w środku struktury o kształcie wrzeciona wypełnione gazem. Sztywna ściana zbudowana z jednej warstwy białka, nieprzepuszczalna dla wody, lecz przepuszczalna dla gazów. Jest ich od kilku do kilkuset w jednej komórce. Rola - zmienianie gęstości pławnej komórek, a więc zmienianie ich pozycji w słupie wody. Organizmy fotosyntetyzujące mogą dzięki pęcherzykom ustawiać się tam, gdzie natężenie światła jest optymalne.

Magnetosomy zawierają cząstki magnetytu (Fe₃O₄), toczone jednowarstwową błoną złożoną z fosfolipidów, białek i glikoprotein. Występują w bakteriach wykazujących magnetototaksję, (Magnetospirillum magnetotacticum) a więc zdolność do orientowania się względem ziemskiego pola magnetycznego. Ułożone są w komórce w postaci łańcuszka. Magnetosomy mogą wykazywać jeden z dwóch możliwych kierunków namagnesowania. Komórki z półkuli północnej mają tak zorientowane magnetosomy, że poruszają się wzdłuż linii magnetycznego pola ziemskiego w kierunku północnego bieguna magnetycznego, zaś komórki znajdujące się na półkuli południowej mają odwrotną orientację i poruszają się w kierunku południowego bieguna magnetycznego. Oznacza to poruszanie się w głąb zbiorników wodnych zarówno na jednej jak i na drugiej półkuli. Wydaje się, że zdolność bakterii do orientowania się w polu magnetycznym umożliwia im dotarcie tam, gdzie stężenie tlenu jest odpowiednio niskie (są one mikroaerofilami).

7. Formy przetrwalne bakterii

Endospory - tworzone przez bakterie należące do prawie 20 różnych rodzajów taksonomicznych., zaliczanych do typu Gram-positive low GC: Bacillus, Paenibacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Desulfotomaculum, Sporosarcina, Thermoanerobacter, Sporohalobacter, Anaerobacter, Syntrophospora, Heliobacterium, Heliophilum, Sporomusa, Alicyclobacillus, Amphibacillus, Desulfitobacterium. Żaden ze znanych archeonów nie jest zdolny do wytwarzania endospor

Najlepiej poznane endospory Bacillus i Clostridium. Kształt spory, ułożenie w komórce macierzystej, jej wielkość w stosunku do średnicy komórki macierzystej są charakterystyczne dla danego gatunku i dlatego mają znaczenie taksonomiczne.

Budowa endospory: najbardziej na zewnątrz znajduje się egzosporium, (okrywa zbudowana z białka), pod nią - płaszcz (złożony z warstw białek swoistych dla endospory), następnie korteks (luźno usieciowany peptydoglikan), otaczający rdzeń spory (zwany też protoplastem spory). Rdzeń zawiera ścianę, błonę cytoplazmatyczną, nukleoid itd.

Kwas dipikolinowy (DPA) i połączone z nim jony wapnia mogą stanowić do 10% suchej masy spory. Rdzeń jest silnie odwodniony. W dojrzałej endosporze rdzeń zawiera 10-30% wody zawartej w komórce wegetatywnej. Występują w nim wytwarzane w czasie sporulacji swoiste białka rdzenia zwane małymi białkami sporowymi rozpuszczalnymi w kwasach (ang. small acid-soluble spore proteins, SASPs). Pełnią one co najmniej dwie funkcje. Wiążą się ściśle z DNA i chronią go przed uszkodzeniami przez UV, wysychaniem i wysoką temperaturą. W czasie kiełkowania służą jako źródło węgla i energii nowej wegetatywnej komórce, powstającej z endospory.

Sporulacja obejmuje kilka złożonych etapów różnicowania komórki. Bakterie z rodzaju Bacillus są potencjalnie zdolne do tworzenia przetrwalników pod koniec logarytmicznej fazy wzrostu, (gdy zaczyna brakować substancji odżywczych lub gdy nagromadzone zostają produkty przemiany materii) lub gdy przeniesie się je z podłoża bogatego do ubogiego. Proces sporulacji został najlepiej poznany u B. subtilis. Biorą w nim udział produkty aż 200 genów i trwa on u tej bakterii aż 8 godzin. Endospora może w stanie suchym przetrwać w stanie uśpienia przez bardzo długi okres czasu.

Proces kiełkowania obejmuje trzy etapy: 1) aktywacja np. poprzez 10 - 30 min ogrzewanie w temperaturze subletalnej (różnej w zależności od gatunku); 2) kiełkowanie, które może być zainicjowane przez niektóre aminokwasy, rybozydy i cukry, jest procesem krótkotrwałym (kilka minut); endospora traci odporność na wysoką temperaturę i zw. chemiczne, zaczyna pobierać wodę. Dochodzi do utraty kwasu dipikolinowego i wapnia, rozkładane są białka SASP; 3) wzrost i przekształcenie w komórkę wegetatywną.

Cechy charakterystyczne endospor:

1) mają grube osłony

2) silnie załamują światło, więc można je zobaczyć w mikroskopie świetlnym;

3) nie barwią się w czasie zwykłego barwienia komórki barwnikami zasadowymi, można je    więc zobaczyć w wybarwionych komórkach jako ich niewybarwione części; endospory    barwi się specjalnymi barwnikami na gorąco;

4) w większości przypadków są wytwarzane jedna na komórkę, więc na ogół tworzenie    endospory nie jest sposobem rozmnażania; jednak niektóre bakterie tworzą kilka endospor    w komórce macierzystej, np. Anaerobacter sp.;

5) są odporne na wysoką temperaturę, wysychanie, promieniowanie i czynniki chemiczne.

Mechanizm ciepłooporności endospor i ich brak wrażliwości na szkodliwe czynniki środowiskowe nie jest w pełni wyjaśniony. Niewątpliwie największe znaczenie mają następujące czynniki: 1) mała zawartość wody; 2) białka SASP, które wiążą się ściśle z DNA i chronią go przed uszkodzeniami UV, chemicznymi i cieplnymi i wysychaniem, 3) duża zawartość kwasu dipikolinowego (nie występującego w komórkach wegetatywnych), występującego w połączeniu z wapniem.

W wyniku dehydratacji i nagromadzenia w cytoplazmie białek SASP, i kompleksów Ca²⁺ z dipikolonianem cytoplazma przybiera postać gęstego żelu, co jak się wydaje, odgrywa dużą rolę w ciepłooporność endospor.

Wykrywanie endospor:

1) przy zastosowaniu specjalnego barwienia;

2) w mikroskopie kontrastowo-fazowym silnie załamują światło;

3) jeśli hodowla jest zdolna przeżyć 10-min. ogrzewanie w 70 - 80^o C i 45 min. traktowanie    etanolem w 20^o C, to znaczy, że wytwarza endospory.

Inne formy przetrwalne bakterii

Cysty - oporne głównie na wysychanie, mechaniczne naprężenia i promieniowanie, a nie na wysoką temperaturę. Cała komórka zostaje przekształcona w cystę, a nie tylko jej część, jak to ma miejsce w przypadku endospor. Otoczone są one grubymi osłonami, np. u Azotobacter - dwie warstwy: egzyna i egzosporium.

Egzospory są tworzone między innymi przez promieniowce i Methylococcaceae. Oporne na wysychanie. Na końcu strzępki powietrznej może być tworzonych wiele egzospor, a więc można uznać, że ich tworzenie jest sposobem rozmnażania tych organizmów

Miksospory tworzone są przez bakterie śluzowe (Myxobacteriales) w określonym etapie ich złożonego cyklu życiowego. Są one mniejsze od komórek wegetatywnych i toczone grubą błoną. Są oporne na wysuszenie, promieniowanie UV i względnie odporne na podwyższoną temperaturę.

Akinety - grubościenne formy przetrwalne niektórych sinic, np. Anabaena. Umożliwiają przetrwanie suszy, niskiej temperatury, braku światła i braku pokarmu. Zwykle większe od komórek wegetatywnych; mają grube ściany.

Tabela 1Charakterystyka chromosomów wybranych bakterii i archeonów

Mikroorganizm	Charakterystyka organizmu		Rozmiar chromo-somu/ów [kb]	Liczba chromo-somów^1	Kształt chromo-somu
Bakterie
Mycoplasma    genitalium		najmniejszy genom komórkowy, brak ściany (Gram-positive low GC)	580	1	kolisty
Borrelia    burgdorferi		krętek wywołujący boreliozę; (Spirochetes)	910	1	liniowy
Rhodobacter    sphaeroides		warunkowy fototrof (-Proteobacteria)	3884 (2973 + 911)	2	koliste
Bacillus    subtilis		laseczka (Gram-positive low GC)	4214	1	kolisty
Escherichia    coli K12		pałeczka (γ-Proteobacteria);	4640	1	kolisty
Streptomyces    coelicolor		promieniowiec wytwarzający antybiotyki; (Gram-positive high GC)	8667	1	liniowy
Archeony
Methanococcus    jannaschii		metanogen rosnący w wysokich temperaturach	1660	1	kolisty
Pyrococcus    abyssii		rośnie w wysokich temperaturach	1770	3	koliste
Halobacterium    sp. NRC1		rośnie w dużym stężeniu soli	2570	1	kolisty

¹ Nie uwzględniano plazmidów

Sekwencjonowanie DNA i nie tylko:

www.tigr.org/tdb/mdb/mdbcomplete.html

www.ncbi.nlm.nih.gov/

1

1

---