MIKROORGANIZMY

Mikroorganizmy dzielimy na:

• prokariotyczne (pro- pierwotne, przedtem, karyon- jądro) organizmy przedjądrzaste, nie posiadają jądra otoczonego dwuwarstwową błoną jądrową.

• eukariotyczne (eu- prawdziwy, właściwy, karyon- jądro) jądro otoczone dwuwarstwową błoną jądrową.

Mikroorganizmy prokariotyczne: bakterie, archaea (archeony), [sinice to bakterie].

Mikroorganizmy eukariotyczne: pierwotniaki, glony jednokomórkowe i kolonijne (ale nie wielokomórkowe), grzyby.

Od 1970 r. funkcjonuje podział organizmów żywych na trzy domeny:

• bacteria

• archaea

• eukarya

Podział wprowadził Woeze (czyt. Weze), dokonał go na podstawie analizy sekwencji rybosomalnego RNA. Woeze wybrał do określenia pokrewieństwa filogenetycznego (ewolucyjnego) konserwatywną cząsteczkę rRNA (tj. taką która nie uległa dużym zmianom w toku ewolucji).

Wirusy nie są organizmami żywymi.

CECHA	BACTERIA	ARCHAEA	EUKARYA
Błona komórkowa	-	-	+
Ściana komórkowa	Peptydoglikan z kwasem muraminowym	Brak kwasu muraminowego	Brak kwasu muraminowego
Lipidy błony cytoplazmatycznej	Wiązania estrowe	Wiązania estrowe	Wiązania estrowe
tRNA	Inicjatorowy tRNA z N-formylometioniną	Inicjatorowy tRNA + metionina	Inicjatorowy tRNA + metionina
Geny podzielone	Brak	Czasem obecne	Obecne
Rybosomy	70S	70S	80S i 70 S
Polimeraza RNA zależna od DNA Liczba enzymów Struktura
		1	Kilka	3
		4 podjednostki	8-12 podjednostek	12-14 podjednostek
Metanogeneza	Brak	Obecna u niektórych	Brak

Różnica między komórką pro- a eukariotyczną polega na wielkości:

Prokariotyczna- śr. 5 mikrometrów

Eukariotyczna- śr. 20 mikrometrów

Stosunek powierzchni komórek do objętości u organizmów prokariotycznych jest bardzo duży, w porównaniu z organizmami eukariotycznymi.

Bakterie pobierają pokarm całą powierzchnią ciała. Duża powierzchnia ciała to duża szybkość pobierania pokarmu, a zatem szybki wzrost i szybki podział.

POWSTANIE KOMÓRKI EUKARIOTYCZNEJ Z PROKARIOTYCZNEJ

Wydaje się, że komórka eukariotyczna mogła powstać z komórki prokariotycznej 1,4 mld lat temu.

Dwie podstawowe hipotezy:

• inwaginacja- wpuklanie błony komórkowej

• endosymbioza

Inwaginacja

Wiele razy powstawał pęcherzyk, który w końcu zamknął kwas nukleinowy, który uległ ewolucji, ostatecznie pęcherzyk zamienił się w np. mitochondrium, chloroplast lub jądro.

Endosymbioza.

Mitochondrium powstało w wyniku wniknięcia do bakterii zdolnej do fermentacji (forma oddychania beztlenowego) drugiej bakterii zdolnej do oddychania tlenowego, która w toku ewolucji przekształciła się w mitochondrium. Bakterią, która wniknęła mogło być Agrobacterium, Rhizobium lub Riketsje.

Agrobacterium tumefaciens- patogen roślinny, tworzy tumory (narośla) na szyjce korzeniowej wielu roślin pestkowych (śliwa, róża) DNA bakteryjne wnika do genomu roślinnego, dzięki tym bakteriom wprowadzamy do roślin obce geny (transgeny) i otrzymujemy rośliny transgeniczne.

Rhizobium- bakterie brodawkowe, atakują rośliny motylkowe

Riketsje- bakterie chorobotwórcze.

Chloroplasty powstały w wyniku wniknięcia do bakterii zdolnej do fermentacji bakterii fotozyntetyzującej, np. sinicy, która w toku ewolucji przekształciła się w chloroplast.

Nie mamy wyjaśnienia jak zgodnie z tą hipotezą mogło powstać jądro.

HISTORIA MIKROBIOLOGII

Antony van Leevenhoek (XVII w.) skonstruował mikroskop dający 300 krotne powiększenie co dało mu możliwość obserwacji niektórych mikroorganizmów. W 1685r. zaobserwował pierwszą bakterie. Odkrycie to przyczyniło się do sformułowania teorii SAMORÓDZTWA, czyli że organizmy żywe powstają z martwej materii.

TYNDALIZACJA służy do niszczenia endospor, polega na 3 krotnym gotowaniu przez 3 kolejne dni i jej inkubacji w międzyczasie w temp. 30 st. C. W wyniku perwszego gotowania endospory nie są zabijane, a jedynie uszkadzane są ich osłony, co pozwale następnnie na ich wykiełkowanie w temp 30 st. C. Pierwsze gotowanie zabija formy wegetatywne bakterii, jednocześnie obecne endospory są stymulowane do kiełkowania, które zachodzi po przeniesieniu materiału do 30st. C. Z endospor kiełkują normalne bakterie, które są zabijane podczas drugiego gotowania. Trzecie gotowanie jest na wszelki wypadek.

Ludwik Pasteur (XIX w.) uważany za ojca mikrobiologii, chemik do którego zwrócili się o pomoc producenci wina z powodu jego zakażenia. Pasteur poradził im aby materiał wyjściowy podgrzać do określonej temperatury, by nie tracił właściwości smakowych a ewentualne zakażenie zostało zabite. Dziś proces ten, PASTERYZACJA, stosowany jest głównie w przemyśle spożywczym zwłaszcza w mleczarstwie. Ma on na celu zabicie ewentualnych mikroorganizmów chorobotwórczych i zmniejszenia ogólnej liczby bakterii. W przypadku mleka chodzi o zabicie groźnych dla człowieka prątków gruźlicy bydlęcej Mycobacterium bovis. Pasteryzację można przeprowadzać np. temp. 72 st. C przez 15 sekund. Podniesienie temperatury skraca czas pasteryzacji, natomiast obniżenie temp. wydłuża czas. Mleku UHT- ultra high temperature- 135 st. C; 1-3 sekundy.

Zasługi Pasteura:

• opisał fermentację alkoholową, mlekową i masłową

• wprowadził termin „organizmy beztlenowe” = „beztlenowce”

• pasteryzacja

• jego uczeń skonstruował pierwszy autoklaw, a on zaproponował, żeby materiały wrażliwa na wysoką temperaturę jałowić w autoklawie w temp. 121 st. C w podwyższonym ciśnieniu, a niewrażliwe jałowić w suszarce w temp. 160-180 st. C.

• wprowadził termin „pożywki selekcyjne”, które pozwalają na wzrost tylko określonych bakterii.

• z krwi kurcząt chorych na cholerę drobiu, wyizolował przecinkowca cholery, w wyniku hodowli na podłożu laboratoryjnym przecinkowiec cholery utracił chorobotwórczość, ale nie utracił właściwości immunologicznych tj. zdolności do indukcji syntezy przeciwciał- jest to BAKTERIA ATENUOWANA

• uważany za ojca immunologii

• obalił teorię samorództwa (w 1860r.)

• opracował szczepionkę na wściekliznę

• opracował szczepionkę przeciwko wąglikowi Bacillus anthracis- laseczka wąglika, atenuowany szczep uzyskał w hodowli w temp. 45 st. C (utrata genu na syntezę toksyn).

Robert Koch- niemiecki lekarz, żył w XIX wieku, otrzymał Mycobacterium tuberculosis- prątki gruźlicy- prątki Kocha w postaci czystej kultury bakteryjnej. CZYSTA KULTURA BAKTERYJNA- to taka, która pochodzi z jednej komórki bakteryjnej. Zasługi Kocha:

• w 1905 r. otrzymał Nagrodę Nobla za badania nad prątkami gruźlicy

• opracował metodę barwienia bakterii, które ze względu na bardzo dużą zawartość lipidów w ścianie komórkowej trudno się barwią, mówimy, że są KWASOOPORNE

• opracował 3 zasady, które powinien spełniać CZYNNIK ETIOLOGICZNY, czynnik powodujący choroby:

1. taki czynnik należy wyizolować z organizmu chorego

2. uzyskać go w postaci czystej kultury bakteryjnej

3. wprowadzenie czystej kultury bakteryjnej do organizmu zdrowego, powinno dać takie same objawy, które wystąpiły u organizmu, z którego zostały wyizolowane.

• wymyślił ezę, a jego uczeń Petry, płytkę Petriego.

W 1892 r. zidentyfikowano pierwsze wirusy- był to wirus mozaiki tytoniowej- wirus roślinny, w tym samym roku wyizolowano pierwszy wirus zwierzęcy- wirus pryszczycy. Początkiem XX wieku wyizolowano pierwszego wirusa bakteryjnego- BAKTERIOFAGA.

Rozwój mikrobiologii rozpoczął się wraz z rozwojem biologii molekularnej, po II wojnie światowej.

Pierwszym w pełni zsekwencjonowanym genomem organizmu żywego był genom bakterii Haemophillus infuensae.

ŚWIAT MIKROORGANIZMÓW

Mikroorganizmy występują wszędzie tam, gdzie jest woda w stanie ciekłym. Występują w temp. 100 st. C i więcej, przy pH=1, a także w solankach. Mikroorganizmy stanowią 50% biomasy, czyli żywej materii organicznej (35% - rośliny, 15% - zwierzęta). Pojawienie się mikroorganizmów na ziemi około 3,5 mld lat temu, poprzedziło nasze pojawienie się , Homo sapiens pojawił się 200 tyś. lat temu.

Mikroorganizmy zamieszkują powierzchnię naszego ciała, nabłonek dróg oddechowych i przewodu pokarmowego. W naszym organizmie liczącym 10¹³ komórek występuje 10¹⁴ bakterii. Są one przyczyną naszych chorób, ale są też niezbędne do życia. Żyją w przewodzie pokarmowym i dostarczają nam niezbędnych witamin.

Mikroorganizmy uczestniczą w procesach geochemicznych, czyli naturalnych procesach chemicznych zachodzących na ziemi, umożliwiają krążenie pierwiastków. CO_2­ asymilowany jest przez rośliny i mikroorganizmy fotosyntetyzujące i powstaje związek organiczny. Rośliny zjadane są przez zwierzęta roślinożerne, a te przez zwierzęta mięsożerne, a zatem wszystkie organizmy w sposób pośredni lub bezpośredni korzystają z CO₂.

CO₂ powraca do atmosfery w wyniku 2 procesów:

• 5-10% pochodzi z oddychania przez organizmy,

• 90-95% z procesów rozkładu związków organicznych do nieorganicznych, w procesie biodegradacji (mineralizacji)

Między konsumpcją CO₂ w procesie fotosyntezy a jego produkcją w procesie oddychania i mineralizacji istnieje równowaga. Równowaga ta zostaje zachwiana w wyniku działalności człowieka, tj. spalania naturalnych źródeł węgla (ropy, gazu, węgla kamiennego) uwalnia się wówczas do atmosfery CO₂ powodujący efekt cieplarniany.

Najbardziej obfity składnik na ziemi, celuloza, rozkładana jest przez mikroorganizmy. Nie jest degradowana przez zwierzęta z wyjątkiem ślimaków. Zdolność rozkładu celulozy posiadają grzyby, pierwotniaki oraz bakterie. Mikroorganizmy rozkładające celulozę (pierwotniaki i bakterie) żyją w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy; rozkładają one celulozę do kwasów tłuszczowych, które to są metabolizowane przez zwierzę, gospodarza.

Mikroorganizmy rozkładają związki organiczne. Tylko niewielka część tych związków jest odkładana i zachowywana jako skamieliny. Rozkładają też tzw. ksenobiontyki (sztuczne związki), herbicydy, pestycydy, toluen, kamforę, Wykorzystywane są w produkcji wina, śmietany, serów, kefirów, piwa, chleba, kwaśnej kapusty, kwaśnych ogórków. Dzisiaj uzyskuje się również ludzką insulinę w wyniku wyklonowania genu ludzkiego i wprowadzeniu go na plezmidzie do Escherichia coli. Rośliny transganiczne, które mają gen Bacillus thuringiensis, który koduje toksynę delta, zabójczą dla owadów.

EWOLUCJA ŻYCIA NA ZIEMI

Określono, że Ziemia liczy 4,6 mld lat. Najstarsze skały pochodzą sprzed 3,8 mld lat. Skały w których znaleziono pierwsze mikroorganizmy (pałeczkowate bakterie) pochodzą sprzed 3,6 mld lat. Sinice odnaleziono w skałach liczących 2,5 mld lat. Na początku atmosfera ziemi była pozbawiona tlenu, był w niej metan, wodór, amoniak itp. Przez pierwsze pół mld lat powierzchnia ziemi miał temp. powyżej 100 st. C, a więc nie było wody w stanie ciekłym. Musiało nastąpić ochłodzenie powierzchni ziemi, przypuszcza się, że pierwsze organizmy były termofilami. W atmosferze wspomnianych gazów w wyniku energii wyładowań elektrycznych, energii UV, wybuchów wulkanów, powstały pierwsze proste związki organiczne (cukry, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, nukleotydy). Dalszy etap to ich polimeryzacja do wielocukrów, białek, lipidów, kwasów nukleinowych. Proces ten jest możliwy w wyniku dehydratacji, ponieważ przypuszcza się , że życie powstało w wodzie, proces polimeryzacji mógł zajść na minerałach iglastych np. Al, Si.

Powstanie komórki.

Różne związki organiczne zderzały się ze sobą i w pewnym momencie zderzyły się białka z lipidami, które utworzyły pęcherzyk otoczony białkowo lipidową błoną, w którym zamknięte były związki niezbędne do utworzenia komórki. Pierwszym materiałem genetycznym komórki był najprawdopodobniej RNA, dlatego że ma właściwości katalityczne, enzymatyczne, tj. może prowadzić własną replikację (nie potrzebne były enzymy do tego procesu). Z biegiem czasu RNA został zastąpiony przez DNA, bo jest bardziej stabilny, oraz polimeraza RNA zależna od DNA popełnia 10 tyś. razy mniej błędów niż polimeraza RNA zależna od RNA.

Przypuszcza się, że pierwsze organizmy były chemolitotrofami, tj. zdobywały energię w wyniku utleniania zredukowanych związków nieorganicznych, np. wodoru, amoniaku. Źródłem węgla dla nich były najprawdopodobniej związki organiczne. Pierwsze organizmy nie były fotoautotrofami, gdyż do asymilacji dwutlenku węgla potrzebne są skomplikowane związki porfirynowe jakimi są chlorofile. Pierwsze fototroficzne bakterie, które prowadziły fotosyntezę tlenową (sinice) pojawiły się około 2,5 mld lat temu. Wytwarzały tlen, co zmieniło atmosferę z beztlenowej, na tlenową. Wytworzony tlen w wyniku działania UV przechodzi w ozon, a to z kolei umożliwiło wyjście organizmów z wody na ląd, gdyż ozon chronił je przed mutagennym działaniem promieni UV.

UNIWRSALNE DZRZEWO ŻYCIA

Na bardzo wczesnym etapie ewolucji komórki wyodrębniły się dwie linie organizmów, tj. prokariotyczna i eukariotyczna. Z eukariotycznej w niedługim czasie wytworzyły się archeony. Wszystkie organizmy pochodzą od komórki prokariotycznej. Nie można określić pojedynczego organizmu, który dał początek linii pro- i eukariotycznej. Pierwsze organizmy (komórki) były bardzo prymitywne; wymieniały one między sobą informację genetyczną w wyniku tzw. horyzontalnego (lateralnego, bocznego) transferu genów. Genom pierwszych komórek miał strukturę operonu i spełniał ściśle określone funkcji, a zatem i komórka przeznaczona była do ściśle określonej funkcji. Był to liniowy chromosom występujący w kilku kopiach, także mutacja jednej kopii nie niszczyła komórki, a przy podziale komórki na dwie każda z nich otrzymywała po kilka kopii chromosomu. Bardzo nieprecyzyjny był system translacji, co powodowało błędne odczytywanie kodonu, nie zachowane były przez to ramki odczytu. Jako pierwszy wykrystalizował system translacji i zaczął precyzyjnie dokonywać odczytu mRNA, co ustabilizowało białka w procesie transkrypcji i replikacji.

UNIWRSALNE DRZEWO FILOGENETYCZNE

Pierwszym bodźcem do rozwoju linii eukariotycznej było zwiększenie objętości komórki, co przyczyniło się do zwiększenia genomu. Genom stał się tak duży, że nie mógł się replikować w został podzielony na fragmenty (chromosomy). Aby ich replikacja odbywała się w sposób skoordynowany zostały otoczone błoną jądrową. Dalszy etap to wniknięcie komórki zdolnej do oddychania tlenowego (mitochondrium), a w przypadku komórki roślinnej dodatkowo do takiej komórki wnikała sinica (chloroplast).

Uniwersalne drzewa genetyczne skonstruował Woeze, w oparciu o analizę rRNA.

Pierwszym etapem analizy filogenetycznej jest określenie odległości filogenetycznej poszczególnych organizmów względem siebie (ile identycznych zasad a ile różnych). Następny etap to przedstawienie odległości genetycznych między organizmami w formie tzw. FILOGRAMU (DENDROGRAMU) czyli DRZEWA FILOGENETYCZNEGO. Na uniwersalnym drzewie filogenetycznym skonstruowanym w oparciu o podobieństwo sekwencji rRNA, organizmy zostały podzielone na 3 domeny.

W domenie Bacteria, najbliżej uniwersalnego przodka są bakterie grupy Aquifer, są to bakterie termofilne, które jako źródło energii wykorzystują utlenianie wodoru (z tego źródła czerpały pierwsze organizmy żyjące na ziemi).

W grupie Archeonów najbliżej uniwersalnego przodka są Microsporidia i Diplomonady [Giardia]. Organizmy te są eukariotami, ale nie posiadają mitochondrium, a ich genom jest tylko nieco większy od genomu E. Coli, czyli ma 6*10⁶ par zasad.

Poszczególne taksony można wyodrębnić na podstawie czy to cech fenotypowych, czy też cech genomowych. Analiza cech genomów poszczególnych taksonów pozwoliła wykryć charakterystyczne sekwencje lub ich brak w obrębie genomu i są to SEKWENCJIE PODPISU= INDELE. np. indelem jest obecność w mniejszej podjednostce rRNA (16S RNA) bakterii w pozycji 675 adeniny, która bardzo rzadko występuje w 18S rRNA Eukariota i nigdy u Archeonów.

WIELKOŚĆ KOMÓRKI BAKTERYJNEJ

Bakterie należą do najmniejszych organizmów żywych. Do najmniejszych należą bakterie rzędu Mycoplasatales, L-formy bakterii oraz Chlamydia- ich ciałka elementarne. Chlamydia- powodują jaglicę (chorobę oczu) oraz choroby przenoszone drogą płciową. Ich wielkość wynosi od 0,1 do 0,2 mikrometra. Największe bakterie to bakterie rodzaju Bagiatoae - bakterie siarkowe, bezbarwne- ok. 100 mikrometrów. Niedawno zidentyfikowano ogromne bakterie epulopiscium fishelsoni oraz Thiomargarita namibiensis.

Ostatnio znaleziono jeszcze mniejsze bakterie niż 0,1 mikrometra, nazwano je NANOBAKTERIAMI. Są to bakterie G-, które na zewnątrz komórki mają osłonkę apatytową- fosforan wapnia, w wyniku czego są oporne na działanie różnych czynników fizycznych i chemicznych. Ich czas generacji wynosi 3 dni (72 godziny). Stwierdzono je we krwi zwierząt i ludzi, w kamieniach nerkowych, w płynach stawów, gdzie są przyczyną chorób więzadeł. Bakterie te wykazują tropizm do nerek. Niektóre komórki nowotworowe zawierają receptory dla nanobakterii, co powoduje infekcję tych komórek i jest przyczyną zwapnienia komórek nowotworowych.

Bakterie mogą przyjmować 3 rodzaje kształtów:

1. kulisty- ziarniaki coccus, np. Staphylococcus - gronkowiec

2. cylindryczny- pałeczki, np. E. Coli, laseczki Bacillus antracis

3. cylindryczny spiralnie skręcony:

• jeżeli komórka stanowi niepełny skręt spirali mówimy o przecinkowcu, np. Vibro cholerae ;

• jeżeli komórka stanowi przynajmniej jeden skręt spirali mówimy o śrubowcu Spiryllum ;

• jeżeli komórka jest elastyczna mówimy o krętkach Spirochaetales

Niektóre bakterie np. prątki przyjmują kształt litery L, T, Y. Są bakterie nitkowate np. promieniowce Actinomycetales. U Chlamydobateriales nitki są otoczone pochewką. Bardzo zróżnicowane pod względem kształtu są sinice, mogą występować jako formy jednokomórkowe lub kolonijne, kształtu kolistego lub w formie nitek.

Niektóre bakterie pozbawione sztywnej ściany komórkowej są zróżnicowane pod względem kształtu są to BAKTERIE PLEOMORFICZNE. Do pleomorficznych bakterii należą bakterie rzędu Mycoplasmatales, mogące występować w postaci:

• drobnych ciałek o średnicy 0,2 mikrometra,

• większych ciał kulistych o średnicy kilku mikronów (mikrometrów)

• w formie gładkich nitek

Bakterie te nie mają ściany komórkowej, jej funkcję przyjmuje zmodyfikowana błona cytoplazmatyczna, zawierająca głównie cholesterol. Płaska cząsteczka cholesterolu wnika między długie łańcuch kwasów tłuszczowych, co zwiększa działanie sił van der Waalsa między cząsteczkami lipidów. Błona komórkowa tych bakterii zawiera dużo nienasyconych kwasów tłuszczowych w porównaniu z innymi bakteriami, co powoduje ich wzrost w postaci nitek.

Bardzo pleomorficzne są L-formy bakterii. Powstają naturalnie w starszych hodowlach bakteryjnych w wyniku braku substancji odżywczych, bądź nagromadzenia toksyn. Można je indukować penicyliną. L-formy bakterii G+ są całkowicie pozbawione ściany komórkowej (protoplasty), a u bakterii G- mają mniej peptydoglikanu i brak jest w nim wiązań poprzecznych (sferoplasty). Formy L-bakterii mogą występować w postaci:

• drobnych ziarenek 0,1 mikrometra,

• większych ciał ok. 1 mikrometra

• bardzo dużych od 1 do 10 mikronów.

Bakterie najczęściej dzielą się przez podział na dwie identyczne komórki potomne. Najczęściej bakterie rozchodzą się.

• Jeżeli bakterie dzielą sie w jednej płaszczyźnie podziałowej i po podziale nie rozchodzą się, powstają łańcuszki bakterii, np. u paciorkowca.

• Jeżeli bakterie dzielą się w różnych płaszczyznach podziałowych i nie rozchodzą się po podziale powstaje grono bakterii, np. u gronkowca.

• Jeżeli bakterie dzielą się w dwóch prostopadłych płaszczyznach i nie rozchodzą się powstają czworaczki, np. u Tetracoccus.

• Jeżeli bakterie dzielą się w 3 płaszczyznach podziałowych i nie rozchodzą się, tworzy się pakietowiec, np. Sarcina.

SKŁAD KOMÓRKI BAKTERYJNEJ

Ilościowo największym składnikiem jest woda 70-85% mokrej masy komórki. Jest środowiskiem do reakcji chemicznych, ale też uczestniczy w reakcjach chemicznych. Dużo w komórkach jest białek 40-60% suchej masy komórki. Są to białka strukturalne, budujące rzęski, fimbrie oraz białka enzymatyczne. Ich skład aminokwasowy jest podobny do białek innych organizmów. Charakterystyczną cechą jest obecność oligopeptydów. Wchodzą one w skład peptydoglikanu i otoczek bakteryjnych. W oligopeptydach występują nietypowe aminokwasy, np. kwas mezo-diaminopimelonowy oraz D-izomery aminokwasów, np. D-alanina.

LIPIDY I CIAŁA TŁUSZCZOWE

Ich ilość i skład zależy od rodzaju bakterii. Brak steroli poza bakteriami fotosyntetyzującymi. Występują one w błonach fotosyntetycznych tych bakterii, stwierdzono je również w błonie cytoplazmatycznej Mycoplasmatales. Brak nienasyconych kwasów tłuszczowych o dwóch lub więcej wiązaniach podwójnych, często występujących u Eukariota.

Bakterie bardzo często jako materiał zapasowy gromadzą glicerydy tj. estry glicerolu i kwasów tłuszczowych. U niektórych bakterii, np. prątków występują woski tj. estry jednowartościowych wyższych alkoholi z kwasami. U Mycobacterii (prątków) lipidy stanowią 60% suchej masy komórki, a więc kilka razy więcej niż u innych bakterii. Bardzo dużo jest ich w ścianie komórkowej i odpowiadają za kwasooporność tych bakterii. Kwasooporność wiąże się też z obecnością KWASU MYKOLOWEGO. Jest to długołańcuchowy 3-hydroksy kwas zbudowany z 70-90 atomów węgla, który w pozycji 2 ma przyłączony węglowodór alifatyczny zbudowany z 22-24 atomów węgla.

RYBOSOMY

Wnętrze komórki bakteryjnej gęsto upakowane jest rybosomami o wielkości 14-48 nm, ich liczba w komórkach szybko rosnących wynosi od 20-50 tysięcy. Podczas gdy w komórkach wolno rosnących osiągają one wartość ok. 5 tysięcy. Rybosomy bakteryjne zbudowane są z dwóch podjednostek: 30S +50S = 70S. Rybosomy zbudowane są z RNA (35% masy rybosomu) i białek (65%). Rybosomy nie są ułożone na retikulum plazmatycznym, gdyż u bakterii nie ma RE.

WAKUOLE GAZOWE

Niektóre bakterie zawierają wakuole gazowe o wielkości 30-300 nm, a nawet większe. Pozwalają one utrzymać się bakteriom na odpowiedniej wysokości w wodzie. Otoczone są pojedynczą warstwą białkową, w której aminokwasy hydrofobowe zlokalizowane są po stronie wewnętrznej błony. Pęcherzyki te przepuszczają powietrze w obie strony. Poprzez zmianę położenia bakterie te przenoszą się do środowiska, gdzie mają lepsze warunki odżywcze i tlenowe.

WEWNĄTRZKOMÓRKOWE MATERIAŁY ZAPASOWE

Liczne mikroorganizmy gromadzą wewnątrz komórki substancje służące jako materiał zapasowy. Są to: wielocukry, tłuszcze polifosforany, kwas poli-beta-hydroksymasłowy, siarka. Związki te są gromadzone gdy w podłożu są składniki do ich syntezy, ale jednocześnie wzrost bakterii jest zahamowany w wyniku braku jakiegoś składnika lub gromadzenia się toksyn. W warunkach sprzyjających wzrostowi substancje zapasowe włączone są w metabolizm komórki. Wielocukry, lipidy, kwas poli-beta-hydroksymasłowy mogą być źródłem węgla i energii. Siarka może być donorem elektronów, a polifosłorany źródłem fosforu.

U organizmów prokariotycznych jako materiał zapasowy gromadzi sie też skrobia i glikogen.

STRUKTURY KOMÓRKOWE

1. OTOCZKA.

Niektóre gatunki bakterii na zewnątrz komórki posiadają warstwę substancji śluzowych tworzących tzw. otoczkę. Dokładny związek anatomiczny otoczki z resztą komórki nie jest znany, ale przypuszcza się, że otoczka to materiał wydzielany z komórki, który ze względu na dużą lepkość pozostaje w jej pobliżu dając na jej powierzchni otoczkę.

Bakterie wydzielają również na zewnątrz EGZOPOLISACHARYD [EPS], który ze względu na mniejszą lepkość pozostaje w podłożu hodowli, a nie w pobliżu komórki.

Otoczki zbudowane są z wielocukrów, polipeptydów, są także otoczki mieszane- polipeptydowo-wielocukrowe.

Funkcje otoczki:

• otoczka stanowi ochronę przed czynnikami fizycznymi i chemicznymi,

• chroni przed wysychaniem,

• służy do adsorpcji do powierzchni stałych,

• mogą być w niej odkładane substancje zapasowe oraz zbędne,

• otoczki niektórych bakterii patogennych, np. laseczki wąglika decydują o chorobotwórczości tych bakterii, utrata otoczki wiąże się z utratą chorobotwórczości,

• chroni bakterie przed fagocytozą przez makrofagi

• otoczki to dobre antygeny i wykorzystuje się je przy podziale bakterii na serotypy, antygeny to oznaczamy K.

2. RZĘSKI.

Wiele gatunków bakterii wykazuje zdolność aktywnego ruch dzięki obecności rzęsek. Rzęski bakteryjne różnią się od rzęsek i wici Eukariotycznych brakiem centralnej pary włókien. Rzęska ma długość 10-20 mikrometrów, a szerokość 10-50 nm. Zbudowana jest z białka kurczliwego - FLAGELINY. Flagelina syntetyzowana jest na rybosomach i poprzez kanał rzęski transportowana na rosnący koniec rzęski. Rzęska osadzona jest na ciałku podstawowym. Umiejscowienie rzęsek jest cechą taksonomiczną. Bakterie kuliste są pozbawione rzęsek, wyjątek Planosarcina urea.

Podstawowe typy urzęsienia:

• monotrychalny- pojedyncza rzęska na biegunie

• lofotrychalny- urzęsienie 2-biegunowe, z pojedynczą rzęską lub pękami rzęsek

• perytrychalny- rzęski wokół komórki, np. E. Coli

Rzęska składa się z 3 części:

• nici (to najdłuższa część rzęski, stanowi 98% rzęski)

• haczyka (łączy nić z ciałkiem podstawowym)

• ciałka podstawowego (u bakterii G- składa się z 2 par pierścieni nałożonych na pałeczkowatą część podstawową. Para pierścieni proksymalnych połączona jest z błoną cytoplazmatyczną. Pierwszy pierścień pary dystalnej połączony jest z peptydoglikanem, a drugi pierścień z błoną zewnętrzną. U bakterii G+, które nie mają błony wewnętrznej brak dysku dystalnego z dwoma pierścieniami)

U tzw. mutantów szorstkich (R) bakterii G- które syntetyzują zmieniony LPS, brak pierścienia połączonego z błoną zewnętrzną. Szczepy takie są nieruchliwe.

Bakterie śluzowe poruszają się po podłożu stałym, ruchem ślizgowym, wydzielając śluz. Mechanizm ten jest nieznany.

Krętki poruszają się węgorzowatym ruchem. W przestrzeni peryplazmatycznej występują rzęski przyłączone do obu biegunów tych bakterii. U niektórych stwierdzono błonę falującą wzdłuż całego ciala u innych oś o właściwościach kurczliwych.

U Archeonów flagellina jest glikozylowana i odkładana u podstawy rzęski.

Mikroorganizmy posiadające organ ruch odpowiadają na bodźce czynnym ruchem czyli tzw. TAKSJĄ. Organizmy nieurzęsione wykazują TROPIZM- odpowiadają na bodźce zmianami intensywności wzrostu. Bodźce korzystne to tzw. ATRAKTANTY, a bodźce niekorzystne to REPLENTY.

3. FIMBRIE.

Bakterie wytwarzają często fimbrie, które nie służą do ruchu bakterii. Zbudowane są z PILIN, która odkłada się u podstawy fimbrii. Są cieńsze, krótkie, liczniejsze i sztywniejsze niż rzęski.

Wyróżniamy dwie grupy fimbrii:

• koniugacyjne- płciowe, zwane pilusami lub pilami

• somatyczne- pospolite

Fimbrie koniugacyjne służą do przekazywania materiału genetycznego z tzw. komórki męskiej do tzw. komórki żeńskiej, w procesie zwanym koniugacją.

Fimbrie pospolite służą bakteriom do adsorpcji do powierzchni stałych, a bakteriom patogennym do adsorpcji do bakterii wrażliwych, takie fimbrie decydujące o adsorpcji decydują o pierwszym etapie infekcji, należą do czynników wirulencji. Takie fimbrie syntetyzuje np. dwoinka rzeżączki Neisseria gonorrhoeae. Fimbrie tej bakterii służą do adsorpcji do komórek układu moczowo-płciowego.

Fimbrie adhezyjne (pospolite) można identyfikować na podstawie tzw. aglutynacji erytrocytów, gdyż adsorbują się do czerwonych ciałek krwi.

Fimbrie typu P, tzw. uropatogennych szczepów E. Coli służą im do adsorpcji do powierzchni komórek nabłonkowych dróg moczowych. Adsorpcja to pierwszy element do wywołania zapalenia pęcherza i tzw. odmiedniczkowego zapalenia nerek.

W tzw. enterotoksogennych szczepach fimbrie pozwalają adsorbować się do powierzchni komórek nabłonkowych jelita cienkiego. Bakterie te wywołują tzw. biegunki podróżnicze.

W tzw. enteropatogennych szczepach E. Coli fimbrie służą do połączenia poszczególnych komórek co ułatwia tym bakteriom kolonizację komórek nabłonka jelita cienkiego.

OSŁONY KOMÓRKOWE

Cytoplazma wszystkich bakterii otoczona jest błoną cytoplazmatyczną. Występuje peptydoglikan, u bakterii G- peptydoglikan otoczony jest błoną zewnętrzną, której brak u bakterii G+. Na powierzchni niektórych bakterii, a u bardzo wielu Archeonów występuje tzw. warstwa powierzchniowa S, zbudowana z glikobiałka. Warstwa S u G- asocjuje z błoną zewnętrzną, u G+ z peptydoglikanem, a u archeonów z błoną cytoplazmatyczną. Warstwa S pełni funkcję ochronną.

ŚCIANA KOMÓRKOWA

U archeonów tzw. warstwa S utrzymuje kształt komórki, chroni przed czynnikami fizycznymi i chemicznymi. Umożliwia utrzymanie w komórce wysokiego ciśnienia osmotycznego, które u G- sięga 5 atm., a u G+ nawet 50 atm.

Ściana komórkowa to sztywna warstwa jej grubość u G- wynosi 2-10 nm, a u G+ 15-50 nm. Podstawowym składnikiem jest peptydoglikan (mukopeptyd, mureina). U G- zbudowany z 1-3 warstw i stanowi ok. 10% składu ściany tych bakterii. U G+ mureina jest wielowarstwowa (do 25) i stanowi 50-90% składu ściany komórkowej. U archeonów brak jest typowej mureiny, w jej miejsce jest tzw. pseudomureina , która zamiast kwasu muraminowego ma kwas N-acetylotallozaminouronowy połączony wiązaniem beta-1,3 z glukozaminą. Najczęściej u archeonów funkcję peptydoglikanu pełni warstwa S; czasami ściana archeonów zbudowana jest z różnego rodzaju cukrów.

Mureina zbudowana jest z łańcuchów cukrowych i oligopeptydowych. Łańcuchy cukrowe zbudowane są z naprzemiennie ułożonych reszt N-acetyloglukozaminy i reszczty kwasu N-acetylomuraminowego, które połączone są wiązaniem beta-1,4-glikozydowym. Czasem u niektórych bakterii brak jest grupy acetylowej przy glukozaminie. U niektórych bakterii grupa acetylowa przy kwasie muraminowym może ulegać utlenieniu i wtedy występuje w formie glikoliowej. U innych, np. gronkowca złocistego zachodzi dodatkowa acetylacja przy C6 kwasu muraminowego. Czasami na końcu łańcucha mureiny może zachodzić dodatkowo modyfikacja w formie wewnątrzcząsteczkowego wiązania 1,6 anhydro, co czyni ten cukier nieredukującym.

Grupa karboksylowa w kwasie muraminowym podstawiona jest krótkim peptydem, podczas gdy budowa cząsteczki cukrowej jest raczej stała w różnych gatunkach bakterii. Część peptydowa wykazuje dość dużą różnorodność zależnie od gatunku, wieku i warunków wzrostu. Peptyd przyłączony do kwasu muraminowego zawsze syntetyzowany jest w formie pentapeptydu z naprzemiennie ułożonych L i D aminokwasów.

Za podstawową strukturę można przyjąć peptyd Escherichia coli, który występuje też u bakterii G+, np. Bacillus subtillis i wielu innych bakterii.

Peptyd ten składa się z następujących aminokwasów, idąc od końca N:

• L-ala

• D-glu

• DAP - kwas mezo-diaminopimelinowy

• D-ala

• D-ala

U innych bakterii w miejsce DAP może występować inny aminokwas diaminowy, np. lizyna. Występowanie określonego aminokwasu diaminowego w pozycji 3 jest cechą charakterystyczną dla gatunku. Pozostałe aminokwasy mogą być zastąpione przez inne na etapie syntezy prekursorowej. Najczęściej dotyczy to L-Ala, która może być zastąpiona przez Leu lub Met. Kwas glutaminowy rzadko zastępowany jest przez inne aminokwasy, ale jego grupa karboksylowa często podstawiona jest grupą aminową i wtedy mamy D-glutaminę. Czasami na końcu łańcucha w miejsce D-Ala wbudowana jest glicyna, co uniemożliwia tworzenie się poprzecznego usieciowienia i prawdopodobnie sprzyja procesowi transformacji, a więc pobierania DNA.

Charakterystyczną cechą mureiny jest porzeczne usieciowienie polegające na tworzeniu wiązań peptydowych między dwoma sąsiednimi łańcuchami oligopeptydowymi.

• Jeżeli poprzeczne usieciowanie tworzone jest pomiędzy 4 aminokwasem (D-Ala) jednego łańcucha peptydowego, a 3 aminokwasem sąsiedniego łańcucha (aminokwas diaminowy) to taką mureinę nazywamy mureiną A. Wiązanie pomiędzy dwoma łańcuchami oligopeptydowymi może zachodzić bezpośrednio lub za pośrednictwem krótkiego mostka peptydowego.

• W mureinie B poprzeczne usieciowienie tworzone jest pomiędzy 4 aminokwasem (D-Ala), a 2 aminokwasem sąsiedniego pentapeptydu i takie usieciowienie zachodzi zawsze za pośrednictwem krótkiego mostka peptydowego.

Stopień poprzecznego usieciowienia jest różny u różnych bakterii. U G- wynosi 20-30%, a u G+ jest znacznie większe, np. u gronkowca złocistego ok 100%. Reakcję tworzenia poprzecznego usieciowienia przeprowadza ENSYM TRANSPEPTYDAZA. Poprzeczne usieciowienie jest bardzo ważne dla bakterii, zapewnia trwałość struktury peptrydoglikanu, ale taż pozwala na wzrost komórki. Nowo zsyntetyzowana mureina różni się od mureiny starej- zawiera więcej pentapeptydów, mniej poprzecznych wiązań i mniej lipoproteiny. W procesie dojrzewania tworzone są poprzeczne usieciowienia. Spada zatem liczba pentapeptydów, a zwiększa się liczba tetrapeptydów.

Podstawową jednostką strukturalną jest muropeptyd. Najprostszym muropeptydem jest disacharydopentapeptyd.

Gram podzielił bakterie na podstawie metody barwienia, opracowanej przez siebie, na 2 grupy:

1. gram dodatnie G+

2. gram ujemne G-

Sinice jakkolwiek mają błonę zewnętrzną, barwią się jak bakterie G+, dlatego, że ich peptydoglikam jest wielowarstwowy (8 warstw). Oprócz dwóch podstawowych grup znane są bakterie Gramozmienne, dotyczy to bakterii G+ (Bacillus sp, Clostridium sp), które w starszych hodowlach a także podczas stresu, temperatury i głodzenia barwią się jak bakterie G-. Ich mureina w tych warunkach jest cieńsza. Stwierdzono też, że ok. 10% Korynobakterii prątków wybarwia się jako G-. Badania wykazały, że bakterie te są na etapie tworzenia przegrody podziałowej, tzw. septy.

Funkcje mureiny:

• ochronna- broni przed czynnikami fizycznymi i chemicznymi

• pozwala utrzymać wysokie ciśnienie osmotyczne - turgor

• w niej zakotwiczone są rzęski i fimbrie

• odgrywa rolę podczas wzrostu i podziału komórki

Biologiczne funkcje mureiny:

• stymuluje odporność nieswoistą, zwłaszcza preparaty mureinowe prątków (Mycobacerium) wykazują taką aktywność i są wykorzystywane do ograniczania przerzutów po chirurgicznym usunięciu guzów, ale też mogą hamować wzrost guzów. Stymulacja mechanizmów odpowiedzi nieswoistej polega na wzmożonej proliferacji (namnażaniu) komórek macierzystych limfocytów B w szpiku kostnym, a także z aktywacją makrofagów;

• mureina ma właściwości somnogenne, tzn. wywołuje sen. Wykazano, że naturalny czynnik wywołujący sen zawiera kwas muraminowy i DAP, a więc składniki wchodzące w skład mureiny;

• pirogenne właściwości, tj. powoduje podwyższenie temperatury, aktywność ta łączy się z tym, że preparaty mureiny powodują uwalnianie endogennych pirogenów z makrofagów.

RUCH WEWNĄTRZKOMÓRKOWYCH PATOGENÓW OPARTY NA TWORZENIU OGONA AKTYWNEGO

Niektóre wewnątrzkomórkowe organizmy, np. Shigella wykorzystują ruch oparty na tworzeniu ogona aktywnego do poruszania się w i między komórkami ssaków.

PENICYLINA

Penicylina to antybiotyk beta-laktamowy, ponieważ zawiera pierścień beta-laktamowy. Została zidentyfikowana przez Fleminga w 1928 roku, w stanie krystalicznie czystym przez Florey'a i Chain'a w 1942 roku za co uzyskali Nagrodę Nobla w 1945r.

Penicylin hamuje tworzenie wiązań poprzecznych między sąsiednimi łańcuchami polipeptydowymi. Działa tylko na bakterie rosnące. Powoduje śmierć komórki kiedy bakterie umieścimy w środowisku hipotonicznym; utrzymują życie w środowisku hipertonicznym.

Mechanizm działania:

Penicylina wykazuje podobieństwo strukturalne do dwóch ostatnich D-alanin. Enzym TRANSPEPTRYDAZA, który uczestniczy w tworzeniu wiązania poprzecznego w obecności odpowiednio dużego stężenia penicyliny wiąże się z penicyliną a nie z dwoma ostatnimi D-alaninami. Brak enzymu do przeprowadzenia reakcji transpeptydacji prowadzi do niepowstawania wiązań poprzecznych i tym samym osłabienia struktury ściany komórkowej.

Znanych jest wiele mutantów opornych na działanie penicyliny. Są też mutanty oporne na penicylinę, syntetyzujące o wiele więcej transpeptydazy, tak że jeśli część połączy się z penicyliną reszta tworzy wiązanie poprzeczne. Szczepy oporne na penicylinę syntetyzujące enzym niewiążący penicyliny, ale przeprowadza reakcję transpeptydacji.

AUTOLIZYNY BAKTERYJNE

Hodowle niektórych bakterii ulegają spontanicznej lizie po osiągnięciu stacjonarnej fazy wzrostu (stare hodowle). Autoliza bakterii wiąże się z degradacją mureiny przez endogenne enzymy. Prawie każde wiązanie w mureinie podlega działaniu różnych enzymów:

• N-acetyluglukozaminidazy rozrywają wiązania między C1 N-acetyloglukozaminy a C4 kwasu N-acetylomuraminowego.

Wiele enzymów rozrywa wiązanie w części polipeptydowej to jest zarówno w obrębie oligopeptydu jak i mostka poprzecznego.

Amidazy- odcinają peptyd od reszty kwasu muraminowego.

Rola autolizyn:

Wzrostowi komórki towarzyszy synteza następnych podjednostek mureiny które wstawiane są do istniejącej mureiny co wiąże się z hydrolizą wiązań już istniejących i wstawianiem w to miejsce nowych elementów strukturalnych.

Liza jest zachwianiem równowagi między syntetazami a hydrolazami na rzecz hydrolaz.

POLIMERY ZWIĄZANE Z MURINĄ U BAKTERII G+

Do polimerów tych należą:

• kwasy tejchojowe

• kwasy tejchuronowe

• kwasy lipotejchojowe

Kwasy tejchojowe.

To polimery glicerolu lub rybitolu połączone wiązaniami fosfodiestrowymi. W cząsteczce takiej występuje od 25-40 podjednostek. Czasami do rybitolu lub glicerolu przyłączony jest aminokwas lub mono-, di- lub trisacharyd. Polimery te związane sa poprzez krótki odcinek kotwiczący z C6 kwasu N-acetylomuraminowego za pośrednictwem wiązania fosfodiestrowego. Wysoka zawartość fosforanów nadaje kwasom tejchojowym i ścianie komórkowej bakterii G+ kwaśny charakter i ujemny ładunek na powierzchni komórki. Kwasy tejchohowe stanowią około 50% suchej masy bakterii G+, czasem jeszcze więcej suchej masy ściany komórkowej.

Kwasy tejchuronowe.

Niektóre bakterie syntetyzują tylko kwasy tejchojowe (Gronkowiec złocisty) a inne (B. Megaterium) wyłącznie kwasy tejchuronowe niezależnie od obecności fosforanów. Inne zaś (B. Subtilis) oba typy tych polimerów. Krasy tejchuronowe to polimery zbudowane z powtarzających się jednostek- występujących na przemian reszty cukrowej i reszty kwasu uronowego. Ujemny ladunek tych kwasów wynika z obecności grup karboksylowych kwasów uronowych. Kwasy te połączone są z C6 kwasu N-acetylomutaminowego za pośrednictwem wiązania fosfodiestrowego.

Kwasy lipotejchojowe.

To polimery glicerolu połączone wiązaniami fosfodiestrowymi, które na końcu łańcucha zaiwrają glikolipid, którym kwasy te zakotwiczone są w błonie cytoplazmatycznej. Składają się te polimery z 20-24 reszt glicerolu. Przenikają one mureinę i wystają na zewnątrz.

Rola tych wszystkich polimerów polega na wiązaniu niezbędnych kationów dwuwartościowych zwłaszcza Ca²⁺ i Mg²⁺.

BIAŁKA ŚCIANY KOMÓRKOWEJ

U bakterii G+ zidentyfikowano wiele składników białkowych w ścianie komórkowej. Na powierzchni Streptococcus pyogynes (powoduje szkarlatynę, anginę, ropnię) występuje cienka warstw białka M, które chroni bakterie przed fagozytozą, a więc jest czynnikiem chorobotwórczości (wirulencji) tych bakterii. Umożliwia też adsorpcję na powierzchni komórek.

Bakterie niesyntetyzujące mureiny- należą do nich bakterie:

• rzędu Mycoplasmatales

• L-formy bakterii

• chlamydia

Bakterie te mają zmodyfikowaną błonę cytoplazmatyczną, która przynajmniej częściowo przejmuje funkcje ściany komórkowej.

Mycoplasmatales - w blonie komórkowej mykoplazm jest cholesterol, którego płaska cząsteczka wnika między długie łańcuchy kwasów tłuszczowych i stabilizuje błonę cytoplazmatyczną. Zwiększa też oddziaływania między cząsteczkami lipidów.

Formy L-bakterii - w ich błonie cytoplazmatycznej stwierdzono mniej białek na rzecz lipidów co też stabilizuje błonę komórkową.

Ściany komórkowej nie stwierdzono u Areonu Thermoplasma sp., który żyje w pH=1-2 ,a jego optymalna temperatura wzrostu to 59 st. C. Ochronę przed czynnikami środowiskowymi zapewniają glikolipidy i glikobiałka bogate w mannozę z której zbudowana jest ich błona cytoplazmatyczna. Łańcuchy cukrowe występują po zewnętrznej stronie błony.

BŁONA ZEWNĘTRZNA U BAKTERII G-

U bakterii G- na zewnątrz mureiny występuje dwuwarstwowa błona zewnętrzna o grubości 7,5 nm. W jej skład wchodzą fosfolipidy takie jak w błonie wewnętrznej jakkolwiek ich proporcje są różne. Generalnie w błonie zewnętrznej jest więcej nasyconych kwasów tłuszczowych aniżeli nienasyconych. Ogólnie im niższa temperatura wzrostu od optymalnej dla tych bakterii tym większa zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych. Im wyższa temperatura powyżej optymalnej tym wyższa zawartość nasyconych kwasów tłuszczowych. U E. Coli i innych bakterii jelitowych Enterobacteriaceae fosfolipidy występują wyłącznie w zewnętrznej warstwie błony wewnętrznej. W zewnętrznej warstwie występuje charakterystyczny składnik LPS.

U bakterii niejelitowych zewnętrzna warstwa poza LPS zawiera większą lub mniejszą ilość fosfolipidów które stanowią lokalne dwuwarstwowe łaty. Odgrywają one ważną rolę w transporcie substancji o charakterze hydrofobowym do wnętrza komórki. Brak fosfolipidów w warstwie zewnętrznej błony zewnętrznej u bakterii jelitowych czyni je opornymi na związki hydrofobowe np. soli żółci i jest przystosowaniem do życia w naszym przewodzie pokarmowym.

Błona zewnętrzna zawiera też inne liczne białka które stanowią 50% suchej masy błony zewnętrznej. Białka te w przeciwieństwie do białek błony cytoplazmatycznej rzadko pełnią funkcje enzymatyczne. Stabilizują głównie błonę zewnętrzną, przenikają całą błonę zewnętrzną - są to tak zwane białka transbłonowe (przezbłonowe).

W błonie zewnętrznej są też białka zwane porynami, które tworzą pory przez które przenikają substancje o charakterze hydrofilnym. Wyróżniamy poryny:

• niespecyficzne, przepuszczające substancje tylko zgodnie z ich wielkością

• specyficzne, które przepuszczają tylko określone substancje.

Lipoproteina- częścią lipidową zakotwiczona jest w warstwie wewnętrznej błony zewnętrznej, a częścią polipeptydową zakotwiczona w mureinie.

LIPOPOLISACHARYD (LPS)

Stanowi od 3-5% suchej masy komórki bakteryjnej. Nie ma bakterii G- która nie posiadałaby LPS, a więc jest on niezbędny do życia tych bakterii. LPS zbudowany jest z 3 części:

1. Lipidu A - u E. Coli zbudowany jest z D-glukozamino-D-glukozaminy połączonych wiązaniami beta-1,6-glikozydowymi. Każdy z tych cukrów posiada po 1 reszcie fosforanowej, każdy z nich jest acylowany dwoma resztami kwasu beta-hydroksymasłowego 14 węglowego. Kwasy te przy końcu nieredukującym są dodatkowo acylowane reszta kwasu laurynowego i mirystynowego. Budowa lipidu A u bakterii jest cechą charakterystyczną dla garunku a więc ma znaczenie taksonomiczne. Poszczególne gatunki bakterii różnią się budową części cukrowej jak i rodzajem przyłączonych do nich kwasów tłuszczowych.

2. Rdzenia oligosacharydowego - u Salmonella sp. zbudowany jest z części zewnętrznej i wewnętrznej.

3. Antygenu O (Łańcuchów O-swoistych) - Zbudowane są z cukrów obojętnych, aminocukrów i np. deoksyheksozy. Łańcuchy O-swoiste zbudowane są z powtarzających się podjednostek jednego rodzaju cukru lub różnych rodzajów cukrów. Powtarzające się podjednostki zbudowane są z 3-6 cukrów.

Dzikie szczepy bakterii jelitowych oraz innych bakterii G- wytwarzające kompletny LPS to tzw. szczepy gładkie S. Mutanty które nie wytwarzają O-swoistych łańcuchów bocznych to tzw. szczepy szorstkie R. Są też mutanty głęboko szorstkie które syntetyzują niekompletny rdzeń - oznaczane są od Ra do Re.

Łańcuch O-swoiste syntetyzowane są w komórce i transportowane na zewnątrz przy udziale alkoholu 55 węglowego zwanego baktoprenolem.

Biologiczne właściwości LPS:

LPS i poszczególne jego części wykazują właściwości antygenowe. O właściwościach antygenowych G- decydują O-swoiste łańcuchy boczne, a jeśli ich nie ma to rdzeń. LPS to endotoksyna, a więc jest czynnikiem wirulencji (chorobotwórczości). Endotoksyna, bo jest to toksyna związana z komórką. Powoduje on:

• podwyższenie temperatury

• spadek ciśnienia krwi

• spadek stężenia glukozy

• stan zapalny

• czasem szok toksyczny

• czasem tzw. wykrzepianie (tworzenie skrzepów) w naczyniach włosowatych zwłaszcza płuc i wątroby

Bakterie poza endotoksynami wytwarzają egzotoksyny. To białka wydzielane na zewnątrz o bardzo zróżnicowanej budowie i działaniu np.:

• enterotoksyny (działają na jelita)

• neurotoksyny (działają na układ nerwowy)

Najgroźniejszą toksyną jest egzotoksyna botulinowa (neurotoksyna) powodująca paraliż wiotki, produkowana przez Clostridium botulinum (bywa też stosowana jako botoks).

PRZESTRZEŃ PERYPLAZMATYCZNA

To przestrzeń pomiędzy błoną cytoplazmatyczną a błoną zewnętrzną, a więc występuje u bakterii G-. W przestrzeni tej występują białka stanowiące około 4% suchej masy komórki. W przestrzeni tej występują białka uczestniczące w transporcie substancji z i do komórki. Białka uczestniczące w procesie hemotaksji, oddychania, w metabolizmie związków transportowanych do komórki np.:

• amylazy (redukują amylozę i dekstryny do maltozy)

• fosfatazy

• nukleazy (rybo- i deoksy-)

Bardzo ważną funkcję pełnią oligosacharydy w przestrzeni peryplazmatycznej, których ilość w tej przestrzeni zwiększa się gdy bakterie znajdą się w środowisku o podwyższonym ciśnieniu osmotycznym czyli znacznie wyższym niż wewnątrz komórki.

PROTOPLASTY I SPEROPLASTY

Protoplasty to struktury powstałe z bakterii G+ po usunięciu z tych bakterii ściany komórkowej. Są okrągłe, nieruchliwe i nie dzielą się. Otrzymuje się je działając na te bakterie penicyliną lub lizozymem (neuroaminidaza). Działając na G- lizozymem lub penicyliną ale w obecności związku chelatującego kationy dwuwartościowe EDTA otrzymuje się sferoplasty, które nie mają mureiny ale osłonięte są błoną zewnętrzną.

BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA

Wykształcenie półprzepuszczalnej błony cytoplazmatycznej selektywnie przepuszczającej różne substancje i oddzielającej różne substancje od środowiska było ważnym momentem w historii życia na ziemi. Bez takiej bariery życie w ciągle zmieniających się warunkach środowiska nie byłoby możliwe.

Błona cytoplazmatyczna to błona dwuwarstwowa o grubości 2-8 nm. Zbudowana jest z białek i fosfolipidów. Względnie hydrofilowy glicerol zlokalizowany jest po zewnętrznej stronie błony. Hydrofobowe kwasy tłuszczowe skierowane są do środka błony. Białka stanowią 60-70% składników błony, fosfolipidy 30-40%. Błona cytoplazmatyczna stabilizowana jest przez wiązania wodorowe, interakcje hydrofobowe, siły Van der Vaalsa, ponadto jony Ca²⁺ i Mg²⁺ stabilizują błonę poprzez tworzenie wiązań jonowych z ujemnymi ładunkami fosfolipidów.

Białka występujące w błonie to białka:

• powierzchniowe - stanowią 20-30% białek błonowych, są one luźno związane z błoną, są łatwo z niej ekstrahowalne, rozpuszczalne w wodzie.

• transbłonowe - stanowią 70-80% wszystkich białek błony. Przenikają one całą błonę, są nierozpuszczalne w wodzie i trudno z niej ekstrahowalne. Mają one charakter amfipatyczny. Ich region hydrofobowy zakotwiczony jest w warstwie lipidowej a część hydrofilowa wystaje z powierzchni błony.

Często do białek błonowych przyłączane są cukry.

W błonie komórkowej zachodzi proces:

• oddychania

• fotosyntezy

• syntezy lipidów

• syntezy elementów składowych ściany komórkowej

MEZOSOMY

To pęcherzykowate struktury powstałe w wyniku inwaginacji błony komórkowej. Przyjmuje się, że mogą one pełnić rolę w oddychaniu. Ponieważ widoczne są w pobliżu septy podziałowe przyjmuje się, że mogą pełnić one rolę w podziale komórkowym. Stwierdzono je również jako struktury przyłączone do chromosomów, a więc można też przyjąć, że są one artefaktami powstałymi w wyniku przygotowania preparatów do mikroskopu elektronowego.

W błonie cytoplazmatycznej bakterii nie ma steroli (5-25% wszystkich lipidów błony cytoplazmatycznej organizmów eukariotycznych). Wyjątek to błona cytoplazmatyczna Mycoplasm i błony fotosyntetyzujące aparatu fotosyntetyzującego u bakterii fototroficznych. Płaska cząsteczka cholesterolu stabilizuje błonę cytoplazmatyczną organizmów eukariotycznych.

BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA ARCHEONÓW

Nie ma w niej kwasów, w ich miejscu występuje węglowodór 5-cio węglowy zwany izoprenem, który występuje w formie tzw. fitanolu zbudowanego z 4 podjednostek izoprenu lub 8 podjednostek izoprenu (bifitanol). Kiedy w błonie cytoplazmatycznej występuje bifitanol wówczas błona taka jest jednowarstwowa a więc bardziej odporna na rozerwanie. W błonie archeonów nie ma wiązań estrowych. Występują wiązania eterowe.

FUNKCJA BŁONY KOMÓRKOWEJ W TRANSPORCIE SUBSTANCJI

Wiąże się z jej selektywną przepuszczalnością. Hydrofobowa natura błony cytoplazmatycznej sprawia, że przenikają przez nią łatwo substancje hydrofobowe rozpuszczalne w tłuszczach np. alkohole, kwasy tłuszczowe. Nie przenikaja zaś substancje polarne, hydrofilowe np. aminokwasy, kwasy organiczne, jony i muszą one być przez błonę transportowane. Nawet mały jon H⁺ nie przenika przez błonę biernie, dlatego, że występuje w formie naładowanej H₃O⁺.

Pokarm pobierany przez bakterie G+ napotyka 2 przeszkody: błonę cytoplazmatyczną i mureinę. U bakterii G- jeszcze błona zewnętrzna przeszkadza. Błona zewnętrzna i mureina stanowią rolę sita molekularnego i przepuszczają mniejsze cząsteczki, a zatrzymują większe.

Błona cytoplazmatyczna jest głównym organem pobierania pokarmu. Jakkolwiek błona cytoplazmatyczna stanowi barierę w pobieraniu pokarmu to jednak substancje przez nią przenikają. Stężenie niektórych z nich wewnątrz komórki jest 1000 razy większe niż na zewnątrz. W transporcie substancji uczestniczy 3 grupy białek transbłonowych, które przenikają błonę cytoplazmatyczną. Są to:

• uniportery - przenoszą 1 substancję

• symportery - do transportu jednej substancji wymagają drugiej, a obie transportowane są w tym samym kierunku.

• antyportery - do transprtu jednej substancji wymagają drugiej ale każda transportowana jest w innym kierunku.

Wyróżniamy 4 sposoby transportu przez błonę:

1. Bierna dyfuzja.

2. Ułatwiona dyfuzja.

W tych dwóch przypadkach o transporcie substancji decyduje różnica stężeń po obu stronach błony. Tylko niewiele związków jest transportowanych na zasadzie biernej dyfuzji, są to np. woda, gazy i małe cząsteczki jak cukry 4-węglowe i 5-węglowe. W dyfuzji ułatwionej w transporcie substancji uczestniczą białka transportujące zwane permeazami przenikające całą błonę. Wiążą one substancję transportowaną i transportują do komórki ulegając zmianom konformacyjnym. Tą drogą transportowanych jest bardzo niewiele związków np. glicerol. Ułatwiona dyfuzja odgrywa bardzo ważną rolę w transporcie związków np. aminokwasów, cukrów u organizmów eukariotycznych.

3. Aktywny transport.

To transport, który umożliwia transportowanie substancji wbrew gradientowi stężeń. Jest szczególnie ważny u tzw. oligotrofów, a więc organizmów żyjących w środowiskach ubogich w pokarm i zdolnych do odżywiania się ekstremalnie niskimi stężeniami związków. Są to organizmy żyjące w wodzie a także w glebie. Ponieważ transport ten zachodzi wbrew gradientowi stężeń wymaga nakładu energii. Źródłem energii może być ATP lub inne związki fosforanowe wysokoenergetyczne, ale także siła protonomotoryczna oraz tzw. gradient sodowy. Różne związki mogą być transportowane u jednej bakterii przy udziale energii pochodzącej z różnych źródeł. Na przykład arabinoza czy ryboza albo histydyna u E. Coli transportowane są kosztem energii zawartej w ATP. Laktoza zaś przy udziale siły protonomotorycznej. Kosztem tej siły jony sodu usuwane są z komórki, a protony transportowane do komórki. Wytworzony w ten sposób gradient protonowy pozwala na transportowanie niektórych cukrów i aminokwasów. Drogą transportu aktywnego transportowanych jest wiele jonów.

4. Transport poprzez grupę translokacyją.

Transport ten może zachodzić również wbrew gradientowi stężeń a różni się od transportu aktywnego tym, że przenoszone substancje wcześniej muszą ulec modyfikacji. W transporcie tym uczestniczy 5 białek transportujących. Niektóre są niespecyficzne i transportują różne substancje, a niektóre wykazują specyficzność w stosunku do określonych związków.

TRANSPORT GLUKOZY U E. COLI

Glukoza musi ulec wcześniejszej fosforylacji przy udziale wysokoenergetycznej reszty fosforanowej. Ich źródłem jest fosfoenolopirogronian, który przenosi resztę fosforanową na enzym (białko) 1 , a sam przechodzi w pirogronian. Trzy pierwsze białka to białka cytoplazmatyczne. Białko 2b zakotwiczone jest w błonie cytoplazmatycznej a 2c jest białkiem transbłonowym, przenika całą błonę, przenosi resztę fosforanową na glukozę i w tej ufosforylowanej formie przenosi ją do komórki. białka 1 iHPr to białka niespecyficzne. Białka 2a, 2b, 2c wykazują specyficzność do określonego związku. Tą drogą u bakterii transportowane są też puryny i pirymidyny.

• białko 1 -(reszta fosforanowa)-> białko HPr -> białko 2a -> białko 2b -> białko 2c -> glukoza

GENOM BAKTERYJNY

Bakterie są organizmami haploidalnymi. Cały ich genom jest więc haploidalny (jeden zestaw chromosomów). Genom bakteryjny to DNA chromosomalny (chromosom) oraz DNA pozachromosomalny zwany plazmidem. Do końca lat 80. przyjmowno, że chromosom bakteryjny to struktura kolista. Pod koniec lat 80 wykryto pierwsze chromosomy liniowe u bakterii Borrelia burgdorferi oraz Streptomyces sp. U większości poznanych bakterii chromosomy są koliste.

WIELKOŚĆ CHROMOSOMÓW BAKTERYJNYCH

Najmniejszy chromosom stwierdzono u jednej z najmniejszych bakterii - Mycoplasma pneumoniae. Ma on wielkość 0,6*10⁶ pz. (3,3*10⁹ pz u człowieka). U E. Coli od 4,5*10⁶ do 5,5*10⁶ pz, a największy jest u bakterii śluzowej Myxococcus xanthus 9,5*10⁶ pz. Kolisty chromosom bakterii to tak zwana forma CCC (Circle, Covalent, Closed) - kolista, kowalentnie zamknięta. Jest też forma spiralnie skręcona. Jeżeli pęknie jedna z tych nici formy CCC to powstanie forma OC (open-closed). Jeżeli nastąpi pęknięcie obu nici to powstanie forma liniowa.

DNA u E. Coli ma długość ok. 1mm i mieści się w komórce o długości 2-3 mikronów. Superspiralnie skręcona forma CCC chromosomu E. Coli tworzy dodatkowo 50 superspiralnie skręconych domen, które stabilizowane są przez białka histonopodobne. Z DNA chromosomu związane są też inne białka uczestniczące w replikacji, transkrypcji, metabolizmie DNA i RNA. Ujemny ładunek reszt fosforanowych w DNA neutralizowany jest przez kationy metaliczne Ca2+ i Mg2+ oraz kationy organiczne - poliaminy.

U niektórych bakterii występuje więcej niż 1 chromosom- u Agrobacterium tamefaciens występuje jeden chromosom kolisty i jeden liniowy.

LICZBA KOPII CHROMOSOMU

W szybko dzielących się bakteriach zwykle występuje więcej niż jedna kopia chromosomu. E. Coli jest szybko rosnącą bakterią, jej chromosom występuje w formie kopii; jej kom. dzieli się co 20 minut a jej chromosom co 40 minut. Jak E. Coli zaczyna się dzielić to jeden chromosom jest zreplikowany już do połowy i kończy się dzielić a jego druga kopia zostaje zreplikowana do połowy.

Bakterie to organizmy haploidalne. Genom bakteryjny w przeciwieństwie do eukariotycznych zawiera głównie sekwencje kodujące. Niekodujące to kilka, kilkanaście procent genomu bakteryjnego, podczas gdy w naszym genomie sekwencje kodujące stanowią od 3-5% genomu. Pozostałe sekwencje są niekodujące. U bakterii mało jest sekwencji powtórzonych. Powtórzone są geny, których produkty potrzebne są w dużych ilościach. Ale u niektórych bakterii np. E. Coli geny kodujące rRNA występują w 7 kopiach. W genomie bakterii stwierdzono również potwierdzone sekwencje niekodujące stanowiące zaledwie kilka procent genomu.

W genomie bakterii jak i u eukariota występują elementy transpozycyjne, które mogą przenosić się z jednego miejsca genomu do drugiego i pełnią ważną rolę w zmienności bakterii. Należą do nich:

• sekwencje insercyjne - Isy - mają one długość 700-1400 pz, zakończone na oby końcach sekwencjami odwróconymi powtórzonymi o długości do około 40 pz. Sekwencje te kodują jedynie enzym transpozazę, który umożliwia im transpozycję z jednego miejsca genomu do innego.

• transpozony - Tn - to sekwencje o długości większej niż 1000 pz, zakończone na obu końcach (oflankowane) sekwencjami IS-owymi, bądź też sekwencjami powtórzonymi o długości kilku tysięcy par zasad. Elementy transpozycyjne typu transpozonów poza transpozazą noszą też geny np. kodujące oporność bakterii na antybiotyki i często na kilka.

• fag Mu - to fag łagodny, który replikuje się jako element transpozycyjny. Jego nazwa pochodzi stąd, że wbudowując się w nowe miejsce genomu może powodować mutację w wyniku inaktywacji genu.

PLAZMIDY

To niezależne od chromosomu replikony tzn. replikują się one niezależnie od chromosomu. Ich wielkość wynosi od kilku tysięcy do 2 mln pz. Największe plazmidy stwierdzono u niektórych Rhizobiów. Najczęściej plazmidy występują w formie kolistej tj. CCC super spiralnie skręconej.

Pod koniec lat 70. wykryto pierwsze plazmidy liniowe u tych samych bakterii u których wykryto pierwsze chromosomy. Plazmidy nie kodują cech niezbędnych do życia bakterii np. polimerazy DNA czy RNA, białek rybosomy, enzymów cyklu Krebsa. Kodują natomiast cech, które nadają bakteriom przewagę selekcyjną w podłożu:

• kodują oporność na antybiotyki,

• na metale ciężkie,

• enzymy pozwalające bakteriom wykorzystywanie nietypowych źródeł węgla np. toluenu, naftalenu, ksylenu.

U Rhizobiów (niektórych) kodują zdolność tworzenia brodawek korzeniowych i wiązania azotu, a u Agrobacterium tumefaciens plazmid Ti (Tumor inducing). U wielu bakterii chorobotwórczych na plazmidach zakodowane są czynniki decydujące o ich chorobotwórczości (czynnik wirulencji), np. u Yersinia pestis (pałeczka dżumy) czynniki decydujące o chorobotwórczości tej bakterii zlokalizowane są na 3 plazmidach. Ponieważ plazmidy nie kodują cech niezbędnych do życia bakterii, dlatego też można je z komórki usunąć a bakteria będzie żyła. Mówimy wówczas o wyleczeniu bakterii z plazmidu.

ENDOSPORY BAKTERYJNE

Niektóre gatunki bakterii tworzą wewnątrz komórek wegetatywnych specjalne struktury zwane endosporami. Są to najbardziej oporne na działanie wysokiej temperatury formy żywe, które wytrzymują godzinne lub znaczenie dłuższe gotowanie. Są one oporne również na promieniowanie UV i szerg innych czynników fizycznych i chemicznych. Tworzone są przez tlenowce i fakultatywne beztlenowce rodzaju Bacillus i np. beztlenowe bakterie rodzaju Clostridium sp. Endospory generalnie nie służą rozmnażaniu bakterii. Wysoka oporność endospor na wysoką temperaturę musi być uwzględniana przy przygotowywaniu żywności, która może być zainfekowana bakteriami tworzącymi endospory. Spośród tych bakterii wiele to groźne patogeny np. Clostridium botulinum, Clostridium tetani, Bacillus anthracis.

Endospory nie przepuszczają barwników, silnie załamują światło, a zatem w preparatach barwionych widoczne są jako niezabarwiona część zna tle zabarwionej cytoplazmy. Endospora to farma spoczynkowa, która służy do przerwania niekorzystnych warunków. W tym stanie endospory mogą przetrwać kilka tysięcy lat a nawet milionów. U bakterii tworzących endospory można wyróżnić:

1. Fazę wzrostu wegetatywnego - komórka rośnie i dzieli się

2. Fazę sporulacji - tworzenie spor

Spory są tworzone kiedy bakteriom zaczyna brakować substancji odżywczych będących źródłem C, N, P. Warunkiem wejścia w stan sporulacji jest nieuszkodzony DNA zdolny do replikacji. Sporulacja jest ostatnią deską ratunku bakterii w trudnych warunkach, a to z tego względu, że proces ten wymaga dużego nakładu energii. Wcześniej bakteria próbuje wyjść z trudnej sytuacji odżywczej wydzielając np. antybiotyki, bakteriocyny, które zabijają konkurentów o pokarm. Lizują bakterie, które nie są w stanie wejść w stan sporulacji. Wytworzone enzymy pozwalające im zdobyć brakujące substancje np. nukleazy rozkładające DNA lub RNA czy fosfatazy dostarczające bakteriom fosforu.

U Bacillus subtilis proces sporulacji trwa 7 godzin w 37 st. C i uczestniczy w tym około 200 genów.

Fazy tworzenia się spor:

• Faza 0 - proces sporulacji zaczyna się od zahamowania wegetatywnego wzrostu komórki kiedy są obecne 2 kopie chromosomu.

• Faza 1 - to kondensacja dwóch rozciągniętych wzdłuż osi komórki chromosomów które są tak ułożone, że ich początek replikacyjny znajduje się na biegunie komórki.

• Faza 2 - to tworzenie się asymetrycznej septy podziałowej w wyniku dośrodkowego wzrostu błony cytoplazmatycznej i ściany komórkowej, która przebiega na 1/3 długości chromosomu. Pozostała część 2/3 chromosomu będzie przetransportowana do prespory przy udziale enzymy translokazy.

• Faza 3 - to otoczenie septą podziałową (w której zanika ściana komórkowa), a także cytoplazmą, wyodrębnionej części komórki. W ten sposób zostaje wyodrębniona prespora wewnątrz komórki macierzystej zwanej sporangium.

• Faza 4 - to utworzenie korteksu wokół prespory. Korteks stanowi 1/2 objętości spory. Najbardziej wewnętrzna warstwa korteksu to zarodek (prymordium) peptydoglikanu bakterii, która powstanie z endospory. Jego budowa jest taka sama jak mureiny u wegetatywnej bakterii. Pozostałe warstwy korteksu zbudowane są z luźnego peptydoglikanu o mniejszej liczbie wiązań poprzecznych.

• Faza 5 - to tworzenie białkowego płaszcza zbudowanego z wielu warstw białka. U niektórych bakterii np. B. anthracis na zewnątrz płaszcza występuje egzosporium, który zbudowany jest z cienkiej warstwy białka.

• Faza 6 - to dojrzewanie prespory w sporę, kiedy pojawia się oporność na temperaturę i różne czynniki fizyczne i chemiczne.

• Faza 7 - uwalnianie spory z komórki macierzystej (sporangium) w wyniku lizy komórki macierzystej.

Środkowa część spory to protoplast spory (rdzeń spory). Cytoplazma spory ma strukturę żelu i zawiera około 15% dipikolinianu wapnia odpowiedzialnego za oporność spory na wysoką temperaturę, a także obecna jest dehydratacja spory co również nadaje sporze oporność na wysoką temperaturę. W endosporze jest od 10-30% wody. To też prowadzi do oporności na wysoką temp. pH cytoplazmy jest o 1 niższe niż cytoplazmy komórki wegetatywnej. W porze występuje dużo małych rozpuszczalnych w kwasie białek, SASPów (small, acid solvable proteins), które wiążąc się z DNA chronią go przed działaniem promieni UV, a podczas kiełkowania spory białka te służą jako źródło węgla i energii.

Endospora to forma spoczynku, która może wytrwać bardzo długo. W odpowiednich warunkach spora zaczyna kiełkować. Kiełkowanie spory zachodzi po jej aktywowaniu np. poprzez umieszczenie w temp. 37 st. C przy pH kwaśnym w obecności związków zawierających grupy -SH (sulfhydrylowe). Tak zaktywowane spory będą kiełkować w obecności niektórych metabolitów np. cukrów, aminokwasów, aldehydów. Związki te przyłączają się do odpowiednich receptorów na powierzchni endospory i przekazują sygnał do cytoplazmy co umożliwia transkrypcję genów których produkty niezbędne są do kiełkowania. Osłony spory pękają, wnika do nich woda, usuwany jest dipikolinian wapnia, zachodzi synteza białek, RNA i z endospory powstaje komórka wegetatywna.

Ułożenie spor to cecha taksonomiczna. Najczęściej ułożone są centralnie lub subterminalnie, a u laseczek tężca (Clostridium tetani)- terminalnie.

BACILLUS ANTHRACIS - LASECZKA WĄGLIKA

Wywołuje wąglik. To choroba odzwierzęca, chorują na nią głównie weterynarze, rzeźnicy. Czynnikiem chorobotwórczym jest otoczka zbudowana z kwasu D-glutaminowego. Produkuje ona toksyny.

BACILLUS THURINGIENSIS

Jest najlepiej poznanym patogenem owadów. Produkuje endospory. Bakterie te podczas tworzenia endospory wytwarzają na zewnątrz endospory tj. w sporangium białko krystaliczne, które po przetworzeniu w ciele larwy owada staje się aktywną delta toksyną. W alkalicznym pH jelita owada białko krystaliczne ulega rozpuszczeniu, a obecne tam proteazy odcinają z N-końca białko, 57 aminokwasów w wyniku czego nieaktywna pretoksyna przechodzi w aktywną toksynę, która powoduje powstawanie porów w jelicie owada, a zatem jego śmierć. Do niedawna delta toksynę otrzymywano z Bacillus thuringiensis i rozpylano nad plantacjami oraz lasami zainfekowanymi owadami, w celu ich zwalczenia. Toksyna ta jest nietrwała i szybko ulega inaktywacji. Dzisiaj znane są rośliny transgeniczne zwłaszcza bawełny i tytoniu, które noszą gen delta toksyny tej bakterii a zatem cała ta roślina wytwarza toksynę zabójczą dla owadów.

Clostridium perifringers - laseczka zgorzeli gazowej, wytwarza kolagenazę rozkładającą kolagen.

INNE FORMY PRZETRWALNIKOWE BAKTERII

Nitkowate bakterie z rodzaju Streptomyces wytwarzają nitkowate przetrwalniki zwane konidiami. Bakterie te są G+ i wykazują dużą zawartość G i C w DNA to jest od 63-78%. Powoduje to dużą stabilność DNA.

Nitki promieniowców nie są podzielone na poszczególne komórki, są zatem komórczakami. Nitki tworzą gęstą sieć podobną do grzybni zwaną pseudogrzybnią. W starszych hodowlach na podłożu stałym powstają tak zwane nitki powietrzne zwane sporofitami. Wystają ponad powierzchnię kolonii i na nich powstają spory zwane konidiami. Tworzone są w wyniku powstawania przegród poprzecznie oddzielających z komórczaka poszczególne komórki, które otoczone są grubymi osłonami. Spory, sporofory są zabarwione. Jakkolwiek kilka promieniowców występuje w wodzie to jednak kilka z nich w glebie Wytwarzana przez nie geosmina nadaje charakterystyczny zapach glebie.

Charakterystyczną cechą promieniowców jest zdolność wytwarzania antybiotyków. U około 50% promieniowców stwierdzono produkcję antybiotyków. Ponad 50 antybiotyków produkowanych przez tą bakterię znalazło zastosowanie w praktyce.

Po co bakterii antybiotyk?

Antybiotyki są produkowane w starych hodowlach, a więc kiedy zaczyna brakować substancji odżywczych. Być może antybiotyki służą do eliminacji konkurentów o pokarm.

Głównie rozwijają się w glebie sinice. Są tlenowcami, w glebie o pH obojętnym lub lekko alkalicznym. Bakterie te nie mają specyficznych wymagań żywieniowych. Jako źródło C i energii wykorzystują:

• cukry

• alkohole

• kwasy organiczne

• aminokwasy

• związki aromatyczne

Większość z nich wytwarza z zewnątrz hydrolazy, króre pozwalają im korzystać z polisacharydów (skrobia, celuloza, hemiceluloza), białek, lipidów, a niektóre z nich korzystają z węglowodorów np. ligniny.

Niektóre sinice wytwarzają formy przetrwalnikowe zwane akinetami. Są one tworzone w okresie suszy, gdy zaczyna brakować substancji odżywczych, w niskiej temperaturze, w ciemnościach. Są to duże komórki intensywnie zabarwione o grubych ścianach ułożone terminalnie lub subterminalnie.

Tylko 1 gatunek bakterii Methylosinus trichosporium (bakteria utleniająca metan) wytwarza formy przetrwalnikowe w wyniku pączkowania. Są to egzospory. Ich odporność na wysoką temperaturę jest porównywalna z endosporami.

Niektóre gatunki bakterii tworzą okrągłe, grubościenne komórki zwane cystami. Powstają wtedy gdy brak jest substancji odżywczych. W cysty zostaje przekształcona cała cylindryczna komórka wegetatywna a nie tylko jej część jak w endosporach. Cysty wytwarzane są przez Azotobacter vinelandii. Cysty tej bakterii w przeciwieństwie do endospor, nie są całkowicie śpiącymi formami bo mogą utleniać egzogenne źródła C. Są one oporne na szreg czynników fizycznych i chemicznych, ale nie są oporne na wysoką temperaturę jak endospory. Tworzenie cyst stymuluje butanol i beta-hydroksy maślan. Cysta otoczona jest dwuwarstwowym płaszczem:

• zewnętrzna luźna warstwa - egzyna

• wewnętrzna warstwa - intyna

Mikrocysty - tworzone są przez bakterie śluzowe Myxobacteriales, które poruszają się ruchem ślizgowym na stałym podłożu wydzielając na zewnątrz śluz i których genom należy do jednych z największych (Myxococcus xantus - 9,5*10⁶ pz). Przy braku substancji odżywczych bakterie te zaczynają się poruszać jedna za drugą ruchem cyrkulacyjnym i skupiają się w jednym miejscu. Bakterie te wytwarzają duże ilości śluzu (egzopolisacharyd). Skupienia te tworzą ciała owocujące, przyjmujące różne kształty, często GRZYBKA. Nóżka tego grzybka to głównie egzopolisacharyd, a w główce gromadzą się bakterie, które zmniejszają swoją objętość, otaczają się grubymi osłonami i w ten sposób powstają mikrocysty. Czasami mikrocysty otoczone są wysychającym śluzem i zamarłymi bakteriami tworząc skupienie zwane cystami. Służą do przetrwania niekorzystnych wrunków.

WZROST MIKROORGANIZMÓW

Wzrost mikroorganizmów - to przyrost ich liczby lub przyrost ich masy. Szybkość wzrostu - to szybkość przyrostu liczby komórek lub ich masy. U szybko dzielących się bakterii replikacja chromosomu zachodzi cały czas między jednym, a drugim podziałem, a u bakterii wolno rosnących przez część tego okresu, ale znacznie większą część okresu międzypodziałowego. Jest to więc inaczej niż u organizmów eukariotycznych.

W okresie międzypodziałowym z pobieranych związków syntetyzowane są:

• białka

• lipidy

• kwasy nukleinowe

• nukleotydy

Zachodzi też budowanie struktury komórki:

• zachodzi wzrost błony komórkowej

• ściany komórkowej

• chromosom jest replikowany

Po podwojeniu się objętości komórki następuje jej podział najpierw na 2 identyczne komórki potomne. Czas między jednym a drugim podziałem to czas generacji. Jest to czas potrzebny do podwojenia liczby bakterii czy też masy bakterii. Przyrost bakterii następuje w tempie geometrycznym tj. (1,2,4,8,...). Czas generacji możemy obliczyć znając początkową liczbę bakterii i końcową ich liczbę, która powstała w czasie t (g= t/n). Szybkość podziału czyli liczbę podziałów na godzinę obliczyć można ze wzoru v= n/t .

WZROST BAKTERII HODOWLI OKRESOWEJ

Hodowla okresowa to taka do której nie ma dopływu świeżej pożywki, ani odprowadzenia starej (produkty toksyczne). Bakterie takiej hodowli dzielą się do momentu, kiedy nie zostanie wyczerpany jakiś składnik odżywczy lub nie zgromadzi się jakiś składnik toksyczny hamujący wzrost bakterii. Wzrost bakterii w hodowli obrazowo można przedstawić w postaci krzywej półlogarytmicznej tj. odkładając na osi X czas a na osi Y logarytm z liczby bakterii. Krzywa ta zwana jest krzywą wzrostu bakterii. Krzywa ta ma kształt sigmoidalny i wyróżniamy w niej kilka waz wzrostu:

1. Faza Lag:

• od wprowadzenia inoculum (pewnej liczby) bakterii do świeżej pożywki do momentu pierwszych podziałów

• w fazie tej bakterie pobierają składniki odżywcze, syntetyzują składniki struktury komórkowej, rosną, ale nie dzielą się; ich liczba utrzymuje się na stałym poziomie.

• długość fazy lag zależy od wielu czynników:

• Jeżeli inoculum pochodzi z fazy stacjonarnej to lag jest dłuższa, a jeśli z fazy lag to jest bardzo krótka

• Im większe różnice w składzie podłoża między nowym podłożem, a tym z którego pochodzi inoculum tym dłuższa faza lag. Może to się wiązać z koniecznością syntezy enzymów niezbędnych do wykorzystywania związków których nie było w starej pożywce. Faza lag jest długa jeśli inoculum pochodzi z podłoża bogatego, a przeniesione jest do podłoża ubogiego.

• Faza lag jest długa gdy inoculum było trzymane w lodówce.

2. Faza młodości fizjologicznej - to faza kiedy niektóre bakterie zaczynają się dzielić.

3. Faza logarytmiczna - to faza kiedy wszystkie bakteri dzielą się z maksymalną szybkością.

4. Faza stacjonarna - to faza gdy liczba bakterii nowopowstałych = liczbie bakterii zamierających co wiąże się z gromadzeniem się jakiegoś składnika toksycznego lub zaczyna brakować jakiegoś składnika odżywczego.

5. Faza zamierania - liczba bakterii nowopowstałych jest mniejsza od liczby bakterii zamierających, ale spadek ten nie jest tak ostry jak w fazie logarytmicznej. Pewna liczba bakterii jednak przeżywa. Przyczyną fazy zamierania są te same powody jak w fazie stacjonarnej.

JAK MOŻNA MIERZYĆ WZROST HODOWLI?

Wzrost hodowli można mierzyć obliczając liczbę tworzonych przez nie kolonii metoda rozcieńczeń czyli cfu - jednostek tworzących kolonię.

Wzrost hodowli można też określić na podstawie przyrostu gęstości hodowli metoda kolorymetryczną.

Hodowlę bakteryjną obserwuje się jako zmętniałą gdy miano bakterii wynosi 10⁷.

Można określić wzrost hodowli na podstawie suchej masy bakterii, susząc w temp. 90-100 stopni C przez noc. Sucha masa odpowiada 10-20% mokrej masy.

HODOWLA CIĄGŁA

Jest to taka hodowla w której jest stały dopływ świeżej pożywki i ciągły odpływ starej, który jest ściśle kontrolowany. Pożywki bakterii utrzymywane są w logarytmicznej fazie wzrostu. Do hodowli ciągłej służą chemostaty i turbidostaty.

W chemostatach wzrost bakterii utrzymywany jest na poziomie nieco poniżej optymalnego poprzez zmniejszanie stężenia jednego z niezbędnych składników do poziomu nieco poniżej optymalnego.

W turbodostatach wzrost bakterii zachodzi na poziomie maksymalnym, a wzrost ten kontrolowany jst poprzez utrzymywanie stałej objętości hodowli bakteryjnej.

SYNCHRONIZACJA PODZIAŁÓW KOMÓRKOWYCH

Bakterie hodowli okresowych dzielą się w różnym czasie. Do synchronicznych podziałów służy kilka metod:

• bakterie możemy przefiltrować przez sito o określonej wielości uzyskując w filtrach bakterie tej samej wielkości, a więc i w tej samej fazie wzrostu.

• można utrzymywać stężenie np. tyminy na poziomie minimalnym dla wzrostu, a następnie dodając optymalne stężenia tej zasady; wówczas wszystkie zasady tych bakterii zaczną replikować DNA i zaczną dzielić się w jednakowym czasie.

W procesach biotechnologicznych hodując bakterie wyróżnia się 2 fazy wzrostu:

1. Trofofazę - gdy bakterie rosną i dzielą się

2. Idiofazę - gdy bakterie nie dzielą się, ale syntetyzują metabolity wtórne np. antybiotyki. Gaza ta jest szczególnie ważna w procesach biotechnologicznych.

METABOLITY PIERWOTNE

• to białka, lipidy, kwasy nukleinowe syntetyzowane są one podobnie we wszystkich komórkach. Służą one do wzrostu bakterii i podziału.

METABOLITY WTÓRNE

• nie są istotne dla wzrostu bakterii i reprodukcji. Ich synteza zależy od warunków wzrostu zwłaszcza od podłoża. Są one syntetyzowane w bardzo dużych ilościach w jakich materiały pierwotne nie są syntetyzowane. Są one specyficzne dla określonych gatunków mikroorganizmów, podczas gdy metabolity pierwotne są wspólne dla wielu różnych bakterii.

WPŁYW CZYNNIKÓW ŚRODOWISKOWYCH NA WZROST BAKTERII

Wiele różnych czynników środowiskowych wpływa na wzrost bakterii. Są to:

• temperatura

• stężenie O₂

• pH

• zawartość wody

• itp. ;P

WPŁYW TEMPERATURY NA WZROST BAKTERII

Temperatura to jeden z ważniejszych wpływających na wzrost bakterii. Możemy wyróżnić 3 temperatury kardynalne:

• minimalną - poniżej której nie zachodzi wzrost bakterii

• optymalną - w której wzrost i szybkość podziałów jest największa

• maksymalną - powyżej której wzrost nie zachodzi

Zwykle temperatura optymalna jest bliższa maksymalnej niż minimalnej. Temperatury kardynalne nie są ściśle ustalone i zależą od warunków wzrostu, od czynników środowiskowych.

Podczas gdy temperatura powyżej maksymalnej powoduje denaturację białek, to nie jest bliżej znany mechanizm działania minimalnej. Przyjmuje się, żę temperatura poniżej optymalnej powoduje „zamarzanie” błony cytoplazmatycznej. Przechodzi ona w stan żęlu i przestaj funkcjonować transport substancji odżywczych i elektronów.

Podział grup organizmów w zależności od temperatur kardynalnych:

1. Psychrofile - to organizmy żyjące w niskich temperaturach. Oceany, które stanowią ponad połowę powierzchni ziemi wykazują średnią temperaturę +5 st. C. Zamieszkują je psychrofile. Dużą część Ziemi stanowią zamarznięta Arktyka i Antarktyda, ale i tutaj o ile pojawi się nieco niezamarzniętej wody rozwijają się psychrofile.

2. Organizmy psychotolerancyjne - tolerują zimną temperaturę. Występują w wodach i glebie klimatu umiarkowanego i na produktach spożywczych przechowywanych w lodówce. Optymalna temperatura dla nich to 20-40 st. C. Rosną także przy 0 st. C, ale bardzo słabo. Należą tu: bakterie, glony, grzyby, pierwotniaki.

3. Mezofile - to organizmy żyjące w wodach i glebach klimatu umiarkowanego, a także tropikalnego oraz w organizmach ludzi i zwierząt stałocieplnych.

4. Termofile i hipertermofile - to organizmy ciepłolubne występujące na odsłoniętych powierzchniach wystawionych na działanie światła słonecznego, które mogą osiągnąć temp. 50-70 st. C. Występują one w silosach, kompostnikach, gorących źródłach wodnych, przy ujściach wulkanów, gejzerach.

Molekularne mechanizmy adaptacji do niskiej temperatury:

Psychrofile syntetyzują enzymy najbardziej aktywne w niskiej temperaturze i czasami inaktywowane w temperaturze umiarkowanej. Transport przez błony cytoplazmatyczne u psychrofili funkcjonuje w niskiej temperaturze. Ich blona cytoplazmatyczna zawiera dużo nienasyconych kwasów tłuszczowych, często długołańcuchowych z wieloma wiązaniami podwójnymi. Bakterie przechowujemy zwykle w niskich temperaturach, możemy je przechowywać na skosach w temp lodówki +4 st. C co obniża ich metabolizm. Możemy je przechowywać w -20 do -70 st. C, ale wówczas należy zawiesić je w tzw. krioprotektantach np. glicerolu w proporcji 1:1. Glicerol wnika do komórki i zapobiega powstawaniu kryształków lodu, które rozerwałyby komórkę.

Molekularne podstawy adaptacji do wysokich temperatur:

Białka tych organizmów wykazują dużą hydrofobowość, dużą ilość wiązań wodorowych i disiarczkowych, dużą gęstość upakowania i są stabilizowane przez chaperony oporne na wysoką temperaturę. Błona cytoplazmatyczna termofili i hipertermofili zawiera więcej nasyconych kwasów tłuszczowych. Zawierają one fitanol lub bifitanol - pochodne węglowodoru 5-węglowego - izoprenu.

Thermus aquaticus - żyjąca w gorących źródłach wodnych i w wodnych urządzeniach grzewczych. Z bakteri tej uzyskano polimerazę DNA zwaną polimerazą Taq oporną na wysoką temperaturę i stosowaną w reakcji PCR (polimerase chain reaction) - reakcji łańcuchowej polimerazy w której amplifikuje się DNA.

WPŁYW pH NA MIKROORGANIZMY

Każdy organizm wykazuje określony zakres pH przy którym zdolny jest do wzrostu. Jest to zwykle pH od 5-9, a więc takie pH jakie wykazuje większość naturalnych środowisk.

Jednak niektóre bakterie rosną przy pH mniejszym niż 2 i większym niż 10. Organizmy które rosną przy pH kwaśnym to organizmy kwasolubne - Acidofile. Należą do nich grzyby. Rosną one przy pH=5 i niższym. Do znanych bakterii kwasolubnych należą bakterie rodzaju Thiobacillus oraz Archeony rodzaju Sulfolubus i Thermaplasma. Utleniają one siarczki do kwasu siarkowego (VI) co zakwasza podłoże. Ważną rolę u bakterii kwasolubnych pełni błona cytoplazmatyczna. Jeżeli pH zwiększy się do obojętnego błona cytoplazmatyczna pęka i komórki lizują. Wysokie stężenie H+ stabilizuje zatem błonę cytoplazmatyczną tych organizmów.

Niektóre organizmy rosną przy pH 10-11. Są to organizmy zasadolubne - Alkalofile. Występują one w wodach i glebach bogatych w węglany. Większość z nich to tlenowe bakterie z rodzaju Bacillus, a wiele z nich to Archeony. Niektóre organizmy zasadochłonne wykorzystywane są w przemyśle gdzie tworzą hydrolityczne proteazy o wysokiej aktywności przy pH zasadowym, które wykorzystywane są jako dodatek w detergentach.

Optymalne pH wzrostu to pH zewnątrzkomórkowe. Wewnątrz komórki panuje zwykle pH obojętne i tylko w niektórych organizmach kwaso- lub zasadolubnych pH cytoplazmy jest o 1 lub 1,5 jednostki inne od obojętnego.

WODA A MIKROORGANIZMY

Bakterie mogą rosnąć w środowisku o określonej aktywności wodnej. Zazwyczaj rosną w środowisku (podłożu) o aktywności wodnej 0,98. Aktywność wodna to stosunek stężenia wody w formie gazowej nad daną substancją do stężenia wody w formie gazowej nad czystą wodą.

Halofile - to organizmy które nie tylko tolerują obecność NaCl w podłożu ale także wymagają ich obecności do wzrostu. Wyróżniamy:

• halofile łagodne - stężenie 1-5% NaCl

• halofile umiarkowane - stężenie 6-15% NaCl

• halofile ekstremalne - stężenie 16-30% NaCl

Jak bakterie żyjąc w tak zasolonym środowisku mogą pobierać wodę?!

• Organizmy te pobierają z podłoża bądź syntetyzują specjalne związki zwane zgodnymi - kompatybilne. Są to dobrze rozpuszczalne w wodzie związki które podnoszą ciśnienie osmotyczne komórki, ale nie interferują (przeszkadzają) z metabolizmem komórkowym. Najczęściej są to jony K+, cukry,poliole, batoina glicyny, prolina i jej pochodne. Znaną bakterią halotolerancyjną jest gronkowiec złocisty. Fakt ten wykorzystuje się do jego izolacji hodując materiał pobrany np. z gardła na podłożu 7,5% NaCl. W takich warunkach inne bakterie obecne w tym środowisku nie urosną, wyrosną jedynie gronkowce.

PODZIAŁ BAKTERII ZE WZGLĘDU NA WYMAGANIA TLENOWE

Mikroorganizmy różnią sie zapotrzebowaniem na tlen.

• Tlenowce (aerofile) - rożną przy stężeniu 21% tlenu (jak w powietrzu)

• Mikroaerofile - przy stężeniu od 2-10% tlenu. Tlen dla tych organizmów służy jako końcowy akceptor elektronów w ich oddychaniu tlenowym.

• Gakultatywne tlenowce (E. Coli) - nie wykorzystują tlenu do wzrostu, ale lepiej rosną w jego obecności.

• Tlenotaktyczne - rosną równie dobrze w warunkach tlenowych jak i beztlenowych

• Bezwzględne beztlenowce - organizmy dla których tlen jest zabójczy.

Generalnie mikroorganizmy wykazuja ograniczona tolerancję na tlen. Widać to najlepiej na bezwzględnych beztlenowcach dla których tlen jest zabójczy, ale również zdeklarowane tlenowce rosną słabo, a nawet giną w warunkach hiperoksy (przetlenowanie). Przyczyną tego są wysoce reaktywne formy tlenu, które są znacznie silniejszymi utleniaczami niż tlen. Powstają one kiedy tlen wchodzi w kolizję z FADH₂ zanim FADH_2­ przekaże elektrony na następny element łańcucha oddechowego to jest białka żelazo-siarkowe. W wyniku zderzenia tlenu z FADH₂­ elektron zostaje przeniesiony na tlen i powstaje anionorodnik ponadtlenkowy.

Organizmy tlenowe posiadają enzymy rozkładające te wysoce reaktywne formy tlenu, które powodują utlenianie białek (zawierają S), nukleotydów, kwasów, a zwłaszcza tłuszczowych. Bezwzględne beztlenowce nie maja niektórych enzymów rozkładających wysoce reaktywne formy tlenu.

Do enzymów rozkładających wysoce reaktywne formy tlenu należą: katalaza, peroksydaza, dysmutaza ponadtlenkowa.

• Hodowle tlenowców - wymagają one intensywnego wytrząsania bo tlen jest słabo rozpuszczalny w wodzie.

• Hodowle beztlenowców - do hodowli beztlenowców używa się pożywek pozbawionych tlenu poprzez ich zagotowanie i wypełnienie naczynia hodowlanego aż po sam korek. Do podłoża oddaje się związki absorbujące tlen np. pirogallol, chlorek miedziowy, a także czynniki redukujące np. kwas askorbinowy czy siarczki. Posiewu bezwzględnych beztlenowców dokonuje sie w strumieniu azotu, który odcina dostęp powietrza.

PROMIENIOWANIE

Świat stale bombardowany jest promieniowaniem różnego typu przy ogólnej zasadzie - krótsza fala -> większa energia, dłuższa fala -> mniejsza energia. Głównym źródłem promieniowania na ziemi jest słońce. Dostarcza ono promieni widzialnych (źródło fotosyntezy), podczerwonych (źródło ciepła), promieni UV (czynnik mutagenny), promieniowanie radiowe.

Tylko niewielka część promieniowania UV dociera do powierzchni ziemi. Znaczna jego część adsorbowana jest przez tlen w wyniku czego powstaje ozon. Dla organizmów szczególnie szkodliwe są promienie UV o długości 260 nm absorbowane przez DNA. UV powoduje najczęściej powstawanie dimerów tyminy T-T lub rzadziej dimerów T-C (powstają obok siebie w tej samej nici). Powoduje też oksydacyjną dezaminację cytozyny w wyniku czego przechodzi ona w związek podobny do uracylu, a zatem para G-C zamienia się w parę U-A co powoduje mutację.

CYKL ŻYCIOWY BAKTERII

Przez cykl życiowy bakterii rozumiemy całokształt procesów zachodzących między jednym, a drugim podziałem. Syntetyzowane są wówczas różne składniki komórkowe, a chromosom ulega replikacji. Replikacja kolistego chromosomu rozpoczyna się w regionie zwanym origine - początku replikacji, w skrócie Ori C. Jest to region obejmujący 145 pz i w regionie tym wyróżniamy 4 sekwencje 9-cio nukleotydowe oraz 3 sekwencje 13-to nukleotydowe bogate w pary A=T co ułatwia rozplecenie dwuniciowego DNA.

Etapy replikacji:

1. Przyłączenie białka dna A do sekwencji 9-cio nukleotydowej (przyłącza się 40 monomerów dnaA). DNA owija się wokół białka dnaA, co powoduje rozplecenie struktury dwuniciowej w regionach 13-to nukleotydowych bogatych w A=T w wyniku czego powstają widełki replikacyjne, a więc miejsca gdzie DNA się rozplata i jest syntetyzowany. Do jednoniciowego DNA przyłączają się specjalne białka co zapobiega odtwarzaniu się struktury dwuniciowej, a do widełek replikacyjnych przyłączają się białka dnaB przy udziale białka dnaC i dnaT. Białko dnaB to helikaza, która powoduje rozkręcanie dwuniciowego DNA. Powoduje to wprowadzenie dodatkowych superskrętów w DNA. By dalsza replikacja była możliwa topoizomeraza II powoduje dwuniciowe cięcie w DNA i nici DNA wiążą się ponownie.

2. Przyłączenie prymazy - polimeraza RNA, która syntetyzuje starterowy RNA o długości 5 nukleotydów, który służy do syntezy DNA jako starter (primer).

3. Na nici wiodącej synteza DNA zachodzi przy udziale polimerazy DNA III. Zachodzi w sposób ciągły w kierunku od 5' do 3'. Na nici opóźnionej synteza zachodzi w postaci krótkich fragmentów Okazaki o długości 1000 pz.

Replikacja u E. Coli jest dwukierunkowa i kończy się w regionie Ter (Terminacja) o długości 800 pz, który jest położony naprzeciwko OriC. W regionie tym występują 2 sekwencje Ter o długości 22 nukleotydów działające jak bramki i każda z nich przepuszcza polimerazę z odpowiedniego końca. W OriC chromosom połączony jest z błoną cytoplazmatyczną.

Potomne nici DNA łączą się jak ogniwa łańcucha. Topoizomeraza II lub specyficzna rekombinaza tną połączone kopie DNA, następuje ich rozdzielenie i ponowne połączenie.

SPOSOBY ROZMNAŻANIA BAKTERII

Większość bakterii dzieli sie przez podział, w wyniku czego powstają 2 identyczne komórki potomne. Przed podziałem, chromosom ulega replikacji, powstają dwie kopie chromosomu. Syntetyzowane są poszczególne struktury komórkowe (rybosomy). Objętość komórki podwaja sie i komórka dzieli się.

U bakterii nitkowatych rzędu Actinomycetales bakterie dzielą sie przez rozpad nitek na poszczególne komórki, a należące do nich bakterie rodzaju Streptomyces dodatkowo mogą rozmnażać się tworząc formy poprzeczne zwane kondiami.

Bakterie pochewkowate Chlamydobacteriales, których nitki otoczone są pochewką rozmnażają sie przez tworzenie na końcu nitki specjalnej komórki zaopatrzonej w rzęskę lub kilka rzęsek, bądź też podział końca komórki na wiele urzęsionych pływek, które odpływają, osadzają sie i tracą rzęski i przez podziały tworzą nowe formy nitkowate. Najlepiej poznanymi bakteriami z tej grupy są bakterie Spherotilus i Leptothrix. Pierwsze z nich wytwarzają pochewki, które zawierają tlenek żelaza II, te drugie wytwarzają pochewki inkrustowane FeO i MnO2. Bakterie te żyją w płynących wodach i pochewki te chronią je przed pochłonięciem przez Bdelovibrio. A także chroni nitki przed rozerwaniem przez płynącą wodę.

ODŻYWIANIE I METABOLIZM

Charakterystyczną cechą żywych organizmów jest wzrost, który zachodzi w wyniku pobierania substancji odżywczych, bakterie syntetyzują polimery: białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe. Całokształt procesów zachodzących w komórkach to metabolizm, dzielący się na anabolizm (reakcje syntezy) i katabolizm (reakcje rozpadu), które dostarczają komórkom głównie ATP, a także mniejszych składników do różnych procesów biochemicznych.

Podział organizmów ze względu na źródło energii:

• Fototrofy - organizmy korzystające z energii świetlnej

• Chemotrofy - organizmy korzystające z energii zawartej w związkach chemicznych. Chemotrofy mogą korzystać z energii zawartej w zredukowanym związku nieorganicznym, np. H_2­S, amoniak - z tego źródła mogą korzystać tylko organizmy prokariotyczne, są to chemolitotrofy. Organizmy korzystające z energii zawartej w związkach organicznych to chemoorganotrofy.

Energia (świetlna i chemiczna) nie jest bezpośrednio wykorzystywana, jest gromadzona w formie ATP, który wykorzystywany jest jako źródło energii.

Materiał odżywczy wykorzystywany jest jako materiał do budowy nowych składników i struktur komórkowych, do rekonstrukcji struktur istniejących, a także jako materiał energetyczny. Pokarm występuje głównie w postaci związku wielkocząsteczkowego, a więc bakterie muszą go wcześniej rozłożyć do związków prostszych. Uczestniczą w tym enzymy wydzielane na zewnątrz komórki. Enzymy rozkładające białka to proteazy, lipidy to lipazy i esterazy, wielocukry to polizydazy, a kwasy nukleinowe to nukleazy. Peptydazy dzielimy zależnie od tego między jakimi aminokwasami rozkładane jest wiązanie peptydowe. Polimerazy dzielimy wg rodzaju wiązania jakie rozkłada między cukrami. Nukleazy: rybonukleazy i deoksynukleazy.

Obecność określonych enzymów zależy od środowiska w którym żyją organizmy. W przewodzie pokarmowym zwierząt roślinożernych żyją bakterie wytwarzające celulazę. Celulazy i hemicelulazy wytwarzane są przez bakterie glebowe. Wiele grzybów, a także niektóre bakterie wytwarzają enzymy rozkładające ligninę.

Poza enzymami zewnątrzkomórkowymi związki wielkocząsteczkowe rozkładane są też przez enzymy związane z błoną cytoplazmatyczną lub enzymy występujące w peryplazmie u G-, np. nukleazy, fosfatazy, karboksalazy.

Pokarm nie jest pobierany jako związek wielkocząsteczkowy, lecz jako produkty ich rozkładu.

ŹRÓDŁA WĘGLA

Bakterie dzielimy według źródła pobieranego przez nie węgla na:

• Autotrofy - pobierają węgiel w postaci utlenionych związków węgla, tj. kwasu węglowego i jego bezwodnika tj. dwutlenku węgla, które przy przetworzeniu w związek organiczny muszą być zredukowane. Proces redukcji CO2 wymaga nakładu energii którą może być energia świetlna lub chemiczna, zawarta w zredukowanym związku nieorganicznym. Autotrofy wykorzystujące energię świetlną to fotoautotrofy, a proces redukcji CO2 przy udziale energii świetlnej to fotosynteza. Fotosynteza zachodzi u bakterii inaczej niż u roślin - zachodzi w warunkach beztlenowych (wyjątek sinice). Bakterie fotoautotroficzne kiedy znajdą się w warunkach tlenowych i w ciemności, mogą korzystać ze związków organicznych jako źródła węgla i energii. Niektóre bakterie asymilują CO2 przy udziale energii zawartej w zredukowanych związkach nieorganicznych- są to tzw. chemolitoautotrofy, a proces odżywiania się to chemosynteza. Chemosynteza występuje tylko u prokariota.

• Heterotrofy - większość mikroorganizmów. Wymagają przynajmniej jednego związku jako źródła węgla i energii. Organizmy wymagające tylko jednego źródła węgla i energii to PROTOTROFY. AUKSOTROFY to organizmy, które poza jednym źródłem węgla i energii potrzebują dodatkowego związku organicznego, np. aminokwasów, witamin. Naturalnym auksotrofem jest pałeczka duru brzusznego Salmonell enterica, wymaga do wzrostu tryptofanu, a np. Proteus vulgaris (pałeczka odmieńca) wymaga amidu kwasu nikotynowego. Pasożyty ludzi i zwierząt, a także bakterie żyjące w bogatych środowiskach wymagają do wzrostu wielu związków organicznych. Organizmy o małych wymaganiach żywieniowych chętnie korzystają z gotowych aminokwasów, witamin, gdyż nie muszą tracić energii na ich syntezę. Auksotrofy to np. bakterie mlekowe żyjące w mleku.

ŹRÓDŁA AZOTU

Bakterie mogą wykazywać typ odżywiania azotowego charakterystyczny dla roślin korzystając z amoniaku i azotanów, jako źródła azotu. Bakterie wykorzystujące typ odżywiania charakterystyczny dla zwierząt wykorzystują jako źródła azotu aminokwasy, witaminy. Niewielka grupa prokariota może korzystać z azotu cząsteczkowego, który przy udziale nirogenazy redukowany jest do amoniaku, wbudowanego do aminokwasów. Zdolność taką wykazują Rizobia (bakterie brodawkowe), które tworzą symbiozę z roślinami motylkowatymi, np. koniczyną. Bakterie rodzaju Frankia (promieniowce), które tworzą symbiozę z olszą, oliwnikiem. Szereg bakterii wiążących azot asymbiotycznie, np. Azotobacter sp., sinice, np. Anabena gleocaps. Bakterie żyjące w glebie i wodzie korzystają głównie z amoniaku i soli amonowych.

ŹRÓDŁA SIARKI, FOSFORU I INNYCH PIERWIASTKÓW

Większość bakterii korzysta z siarczanów SO₄^2- jako źródła siarki. SO₄^2- przed włączeniem do związku organicznego musi być zredukowany do siarczku S^2- , wymaga to nakładu 2 cząsteczek ATP na jedną cząsteczkę SO₄^2- . Bakterie chętnie korzystają z bardziej zredukowanych związków siarki SO₃^2- czy też tiosiarczanu S₂O₃^2- , chętnie korzystają z gotowych związków organicznych zawierających siarkę np. cysteinę, metioninę, biotynę.

Źródłem fosforu są fosforany związków nieorganicznych.

Kationy metali pobierane są w postaci kationów soli mineralnych, a tylko niektóre bakterie korzystają ze związków organometalicznych, np. pałeczka grypowa Haemophilus influensa korzysta z grupy hemowej jako źródła żelaza.

ODDYCHANIE U BAKTERII

CYKL KREBSA

CHEMOLITOTROFY

BAKTERIE UTLENIAJĄCE NH3 i NO2

BEZTLENOWE UTLENIANIE AMONIAKU

BAKTERIE UTLENIAJĄCE ŻELAZO

ODDYCHANIE BEZTLENOWE

METABOLIZM ASYMILACYJNY I DYSYMILACYJNY

REDUKCJA AZOTANÓW - DENITRYFIKACJA

METANOTROFY I METYLOTROFY

FERMENTACJA - WAŻNIEJSZE PROCESY FERMENTACYJNE

PRODUKCJA ETANOLU PRZEZ CLOSTRIDIA

ZWALCZANIE MIKROORGANIZMÓW

INNE

---