Królestwo Monera

BAKTERIE TO KOMÓRKI PROKARIOTYCZNE

Bakterie są komórkami prokariotycznymi, zawierają zatem wszystkie, typowe dla tej grupy struktury. Elementami wspólnymi dla wszystkich bakterii są: błona komórkowa, cytoplazma, rybosomy 70 S i nukleoid. Prawie wszystkie bakterie zawierają ponadto ścianę komórkową. Niektóre komórki wytwarzają otoczki, rzęski, fimbrie, pile płciowe lub ciała chromatoforowe. Wiele bakterii zawiera plazmidy. Cytoplazma bakterii nie zawiera takich ultrastruktur, jak siateczka wewnątrzplazmatyczna, mikrociałka, plastydy, chloroplasty i struktury Golgiego. Często natomiast na jej obszarze występują materiały zapasowe (glikogen, wolutyna). Błona komórkowa bakterii, choć zbudowana według tego samego modelu płynnej mozaiki co błona komórek eukariotycznych, ma inny skład lipidowy. Przede wszystkim obserwuje się mniejszą różnorodność fosfolipidów oraz - u większości bakterii - brak cholesterolu. Poza tym, z powodu braku mitochondriów, z procesami oddychania tlenowego związane są fragmenty błony cytoplazmatycznej które tworzą mezosomy.

Materiał genetyczny komórki bakteryjnej występuje w części cytoplazmy zwanej obszarem jądrowym, czyli nukleoidem.(cząsteczka DNA to genofor). DNA nie jest oddzielony od reszty cytoplazmy, dzięki czemu wykorzystywanie informacji zawartej w tym materiale jest bardzo szybkie. DNA ma jedno miejsce origin, jest nagie (bez histonów),ma geny niepodzielone i zgrupowane w operonach. Z reguły nukleoid zawiera jedną kolistą dwuniciową cząsteczkę DNA, poskręcaną i przyczepioną do białkowo-rybonukleinowego rdzenia. Struktura ta nie przypomina chromosomów eukariotycznych.
Poza chromosomem w komórkach wielu bakterii mogą występować plazmidy - niewielkie koliste cząsteczki DNA związane między innymi z 'płcią' niektórych komórek, a także z opornością na antybiotyki. Replikacja, transkrypcja i translacja zachodzą w cytozolu. Przed bakteriofagami chronią enzymy restrykcyjne.

Dodatkowo mogą być rzęski, pile płciowe ( fimbrie)

Ze względu na kształt komórki bakteryjnej bakterie podzielić można na:

• Bakterie kuliste

• Bakterie cylindryczne

• Bakterie spiralne

1. Bakterie kuliste - mogą występować w środowisku pojedynczo; określa się je jako ziarniaki lub tworzyć połączenia:

• Po dwie komórki bakteryjne - dwójniaki

• Po cztery -czwórniaki

• Tworzyć skupiska łańcuszkowe - paciorkowce

• W formie gron - gronkowce

2. 
   Bakterie cylindryczne - występują w kształtach wydłużonych mogą mieć postać:

• Laseczek

• Pałeczek

• Mogą występować pojedynczo lub w formie łańcuszków.

3. Bakterie spiralne - ich wspólną cechą jest poskręcany kształt komórki. Bakterie te mogą występować w postaci:

• Przecinka - przecinkowce

• Śruby - śrubowce

• Sprężyny - krętki

1. ziarniak, b. dwoinka, c. czwórniak, d. paciorkowiec, e. pakietowiec, f. gronkowiec, g. pałeczka, h. laseczka, i. przecinkowiec, j. śrubowiec - krętek

Bakterie, określane jako Gram(+) i Gram(-) mają dwa podstawowe rodzaje ścian komórkowych. Nazwa pochodzi od różnicy w barwieniu się komórek bakterii z tych dwóch grup, uzyskanej przy zastosowaniu metody wprowadzonej pod koniec XIX wieku przez lekarza Duńczyka Grama. Późniejsze badania wykazały, że obserwowane różnice w wynikach barwienia są wynikiem fundamentalnych różnic w strukturze między dwoma typami ścian. . Rysunek ilustruje budowę ścian typu Gram(+) i Gram(-). Ściany Gram(+) są stosunkowo grube (15-50 nm), składają się z kilku warstw mureiny - substancji o charakterze białkowo-cukrowym - i stanowią typową zewnętrzną osłonę komórki. Ściany Gram(-), choć cieńsze (2 - 10 nm), mają o wiele bardziej złożoną budowę. Występuje w nich tylko jedna warstwa mureiny, pokryta od zewnątrz błoną białkowo-cukrowo-lipidową podobną do błony cytoplazmatycznej. Ściana Gram(-) nie jest wskutek tego tylko mechaniczną osłoną komórki, lecz w całości żywą, dynamiczną strukturą biologiczną. Rozróżnianie bakterii Gram - dodatnich i Gram - ujemnych   bo to wiąże się z zastosowaniem leczenia                                                                             
        Przebieg doświadczenia dla przejrzystości w punktach:
1. Przygotować hodowlę bakterii spodek z odrobiną kompotu pozostawić przez tydzień w ciepłym miejscu (temp. pokojowa). Po upływie tego czasu na powierzchni płynu powinna pojawić się mętna błona (w niej będą różne bakterie).
2. Przygotowanie preparatu mikroskopowego- na wysterylizowane (opalone nad płomieniem palnika i ostudzone) szkiełko podstawowe nanieść kroplę wody i odrobinę mikroorganizmów. Całą zawartość rozmazać na powierzchni szkiełka. Następnie po wysuszeniu preparatu w temp. pokojowej utrwalić go przez trzykrotne przesunięcie spodem szkiełka nad palnikiem.
3. Przeprowadzanie barwienia bakterii metodą Grama
utrwalony preparat należy umieścić nad naczyniem, do którego mogą spływać stosowane barwniki(np. preparat ułożyć na linijce położonej na szerokiej zlewce). Następnie należy polać preparat:
- fioletem goryczkowym i po 2 minutach opłukać wodą,
- płynem Lugola (jodyna) i po 2 minutach opłukać wodą,
- 95% etanolem, a potem fuksyną fenylową na ok. 2 minuty
- opłukać preparat wodą, przykryć szkiełkiem i oglądać pod mikroskopem świetlnym.

Co powinieneś zaobserwować?
Ściany komórkowe bakterii Gram - dodatnich barwią się trwale fioletem w obecności jodu, natomiast barwnik ten jest wypłukiwany etanolem ze ścian bakterii Gram - ujemnych .

Dlatego też w preparacie  zaobserwować można ciemno fioletowe bakterie gram - dodatnie i różowe bakterie gram - ujemne. Dlaczego tak się dzieje?
Te różne wyniki doświadczenia są wynikiem różnej budowy ściany komórkowej u bakterii. Bakterie gram - dodatnie mają grubszą ścianę zbudowaną z wielu warstw peptydoglikanu, która łatwo pochłania fiolet goryczkowy, natomiast bakterie gram - ujemne mają bardzo cienką ścianę kom. , na zewnątrz, której znajduje się druga błona kom. , podobna do wewnętrznej i nie barwi się ona fioletem.

FAKT TEN MA DUŻE ZNACZENIE W  ANTYBIOTYKOWYM LECZENIU CHORÓB BAKTERYJNYCH

Porównaj swój wynik z fotografia przedstawiająca te  bakterie:

U wielu bakterii na zewnątrz od ściany komórkowej występuje gruba, śluzowata otoczka, której średnica często przekracza średnicę znajdującej się wewnątrz komórki. Niekiedy wspólna otoczka obejmuje kilka komórek. Podstawowymi składnikami otoczek są polisacharydy. Otoczki bakterii wolno żyjących chłoną wodę z otoczenia, zabezpieczając komórki przed wyschnięciem. Otoczki bakterii chorobotwórczych są doskonałą ochroną przed reakcją obronną organizmu żywiciela. Reakcja ta, skierowana przeciwko otoczce, nie czyni większych szkód schowanej wewnątrz bakterii. Otoczkowe szczepy bakterii są więc o wiele groźniejsze niż ich pozbawieni otoczek kuzyni.

Wiele bakterii wykształca rzęski - organelle ruchu. Liczba rzęsek i ich rozmieszczenie zależą od gatunku bakterii. Rzęski bakterii zbudowane są inaczej niż rzęski komórek eukariotycznych; składają się z cząsteczek białka o nazwie flagelina, ułożonych w ten sposób, że puste wnętrze rzęski tworzy kanał na całej długości. Rzęski zakotwiczone są w błonie komórkowej. Oprócz rzęsek u większości bakterii występują licznie białkowe wyrostki krótsze i cieńsze niż rzęski - fimbrie. Biorą one udział w przyczepianiu się komórek do różnych powierzchni, a tzw. fimbrie płciowe - w rozpoznawaniu osobników przeciwnej 'płci'. Ciała chromatoforowe są odpowiednikami chloroplastów komórek roślinnych i występują u samożywnych bakterii fotosyntetyzujących. Ciała te mają strukturę o wiele prostszą niż chloroplasty. Najczęściej są to kuliste, owalne lub bardzo wydłużone pęcherzyki, zawierające barwniki fotosyntetyczne i odpowiednie zestawy enzymów. Warto w tym miejscu wspomnieć, że bakterie mogą wykazywać zabarwienie nie związane z fotosyntezą. Niektóre bakterie są intensywnie żółte, inne brązowe, jeszcze inne czerwone, jak pałeczka cudowna, której kolonie przypominające krople krwi pojawiają się niekiedy na obrazach.

Niektóre bakterie, głównie z grupy laseczek wytwarzają przetrwalniki, które mogą przez bardzo długi czas przeczekiwać niekorzystne warunki środowiskowe. Szczególnie przetrwalniki bakterii charakteryzują się ogromną wytrzymałością na wysuszenie, wysoką temperaturę oraz działanie promieni UV. Aby stać się przetrwalnikiem bakteria odwadnia się i otacza grubą ścianą (aby zahamować procesy metaboliczne i nie uszkodzić komórki przy niskiej temp.).

BAKTERIE ODŻYWIAJĄ SIĘ WSZYSTKIMI MOŻLIWYMI SPOSOBAMI

Wśród bakterii możemy zaobserwować występowanie różnych sposobów odżywiania się i oddychania. Choć będziemy te dwie czynności omawiać oddzielnie, trzeba pamiętać, że często sposób zachodzenia jednej z nich wpływa na przebieg drugiej. I tak np. bakterie fotosyntezujące siarkowe oddychają beztlenowe, a chemosyntezujące bakterie azotowe oddychają tylko tlenowo, ponieważ i tak muszą żyć w środowiskach zawierających tlen ze względu na konieczność pobierania tego gazu do chemosyntezy. Uwagę zwraca ogromna plastyczność biochemiczna wielu bakterii, które - w zależności od dostępności substratów w środowisku - mogą odżywiać się samożywnie lub cudzożywnie albo oddychać tlenowo lub beztlenowo. Celem odżywiania się jest dostarczenie organizmowi złożonych związków organicznych (węglowodanów, lipidów, białek), stanowiących punkt wyjścia do syntezy wszystkich niezbędnych substancji, a także źródło energii dla organizmu. Organizmy heterotroficzne (cudzożywne) muszą pobierać z otoczenia gotowe związki organiczne. Większość bakterii jest cudzożywna. Organizmy autotroficzne (samożywne) umieją wytworzyć związki organiczne z nieorganicznych. Źródłem węgla do budowy łańcuchów są cząsteczki dwutlenku węgla (CO₂).

Do wytworzenia złożonych związków organicznych z nieorganicznych niezbędny jest nakład energii. W przypadku autotroficznych bakterii fotosyntezujących energia ta pochodzi z fotonów światła słonecznego, natomiast w przypadku autotroficznych bakterii chemosyntezujących - z reakcji utleniania określonych związków nieorganicznych.

Bakterie fotosyntezujące zawierają chlorofil a (sinice) lub bakteriochlorofil (pozostałe), karotenoidy oraz fikobiliny(fikoerytryna i fikocyjanina). Duża liczba tych ostatnich, o zabarwieniu czerwonym i brązowym, może prowadzić do zamaskowania zielonego bakteriochlorofilu (860nm), jak dzieje się to u bakterii purpurowych. Sinice przeprowadzają fotosyntezę w sposób podobny do roślin, tzn. z udziałem wody jako źródła atomów wodoru, a co za tym idzie - z wydzielaniem tlenu.

U bakterii zielonych i bakterii purpurowych źródłem atomów wodoru mogą być różne związki nieorganiczne lub organiczne. Często związkiem takim jest siarkowodór (nieorganiczny, H₂S), a produktem powstającym po odebraniu wodoru - czysta siarka. Są one bezwzględnymi beztlenowcami, a w tej reakcji nie wydziela się tlen tylko woda. Tlen jest dla nich toksyczny.

Bakterie chemosyntezujące wykorzystują jako źródło energii do syntezy związków organicznych ( glukozy) reakcje utleniania związków nieorganicznych, np. amoniaku, azotynów czy siarczynów.

Bakterie chemosyntetyzujące

Grupa bakterii	Utleniają	Do
utleniające związki amonowe /np.Nitrosomonas/	NH4^+	N02^-
utleniające azotyny /np.Nitrobacter/	NO2^-	NO3^-
siarkowe /np.Thiobacillus/	H2S, S, SO3^-2	S, SO3^-2, SO4^-2
wodorowe /np.Pseudomonas facilis/	H2	H2 O

Chemosynteza (gr. chemía + sýnthesis), to przykład procesu anabolicznego. Przeprowadzają go organizmy nazywane chemoautotrofami, głównie bakterie, których źródłem do asymilacji dwutlenku węgla (CO₂) są reakcje utlenienia prostszych związków nieorganicznych lub (co występuje bardzo rzadko) prostych połączeń węgla (jak na przykład metan). Pełni ona bardzo ważna rolę w obiegach pierwiastków ważnych biologicznie (azotu, węgla, fosforu). Tak jak u fotosyntetyzujących autotrofów, chemosynteza jest źródłem związków organicznych, czyli sześciowęglowych cukrów (jak na przykład glukoza) i ewentualnie związków trzywęglowych.

Chemosyntyzę dzielimy na dwa etapy:

1. utlenianie związku (związek nieorganiczny zredukowany + O₂ związek nieorganiczny zredukowany + energia ATP i NADPH2). Ten etap odpowiada fazie jasnej fotosyntezy i tylko energia z tego etapu bierze udział w następnym etapie

2. wytwarzanie związków organicznych (CO₂ + H₂O + energia - ATP i NADPH₂ → związek organiczny + O2. Ten etap odpowiada fazie ciemnej fotosyntezy i jest bardzo podobny do cyklu Calvina.

Bakterie chemosyntetyzujące podzielono na:

• nitryfikacyjne:

bakterie z rodzaju Nitrosomonas (wykorzystują utlenianie amoniaku do azotynów - soli kwasu azotowego(III)):

2NH₃ + 3O₂ --> 2HNO₂ + 2H₂O + ENERGIA (ok. 664 kJ)

bakterie z rodzaju Nitrobacter (wykorzystują utlenianie azotynów do azotanów - soli kwasu azotowego(V)):

2HNO₂ + O₂ --> 2HNO₃ + ENERGIA (ok. 151 kJ)

• siarkowe:

bakterie z rodzaju Beggiatoa (utleniają siarkowodór do czystej siarki:

2H₂S + O₂ --> 2H₂O + 2S + ENERGIA (ok. 273 kJ)

bakterie z rodzaju Thiotrix (utleniają czystą siarkę do kwasu siarkowego(VI):

2S + 2H₂O + 3O₂ --> 2H₂SO₄ + ENERGIA (ok. 1193 kJ)

• wodorowe:

bakterie z rodzaju Hydrogenomonas (utleniają wodór do wody):

2H₂ + O₂ --> 2H₂O + ENERGIA (ok. 479 kJ)

• żelaziste:

bakterie z rodzaju Ferrobacillus (utleniają sole żelaza(II) do soli żelaza(III)):

2Fe(HCO₃)₂ + 1/2O₂ + H₂O --> 2Fe(OH)₃ + 4CO₂ + ENERGIA (ok. 168 kJ)

• tlenkowęglowe:

bakterie utleniające tlenek węgla (CO) do dwutlenku węgla (CO₂):

CO + O₂ --> CO₂ + ENERGIA;

• metanowe:

bakterie utleniające metan do dwutlenku węgla:

CH₄ + O₂ --> CO₂ + 2H₂O + ENERGIA (ok. 445 kJ)

I teraz asymilacja CO₂

Chemosynteza ma małe znaczenie biologiczne ze względu na niską produkcję biomasy, natomiast jest ważna, gdy chodzi o utlenianie substancji trudno przyswajalnych przez rośliny, np. N₂, czy nawet trujących, jak np. H₂S i dlatego warunkuje obieg pierwiastków w przyrodzie.

RÓŻNORODNOŚĆ SPOSOBÓW ODDYCHANIA BAKTERII JEST OGROMNA

Przez oddychanie wewnątrzkomórkowe rozumiemy proces uwalniania energii z rozkładanych związków organicznych. Energia ta, gromadzona w ATP i innych związkach wysokoenergetycznych, śluzy do przeprowadzenia przez komórkę syntezy własnych składników, do aktywnego transportu substancji przez błonę komórkową oraz do poruszania się. Dwa podstawowe sposoby oddychania to oddychanie tlenowe oraz beztlenowe. W tym pierwszym związek organiczny (najczęściej glukoza) ulega skomplikowanemu procesowi rozkładu, w wyniku którego uwalniane są duże ilości energii oraz powstają końcowe produkty - CO₂ i H₂O.

Oddychanie beztlenowe u bakterii może być dwojakiego rodzaju. Pierwszy to szeroko znana i wykorzystywana przez człowieka fermentacja. W procesie tym wyjściowy związek organiczny zostaje tylko częściowo rozłożony, tak że produktami są inne, prostsze związki organiczne oraz niewielkie ilości energii.

Bakterie fermentacyjne

Przykłady bakterii	Fermentacja	Końcowe produkty
Lactobacillus	mlekowa	kwas mlekowy
Shigella	Enterobacteriacae	kwas mrówkowy
Clostridium	masłowa	wodór, kwas masłowy, kwas bursztynowy, kwas octowy, etanol
Clostridium	acetonowo-butanolowa	aceton, butanol
Propionibacterium	propionowa	kwas propionowy, kwas bursztynowy, kwas octowy, dwutlenek węgla

Właściwą fermentację mlekową wywołują bakterie mlekowe zaliczane do rodzajów:

1.Lactococcus - paciorkowce homofermentatywne (Lactococcus lactis paciorkowiec mlekowy, Lactococcus cremoris - paciorkowiec śmietanowy)
2.Leuconostoc - paciorkowce heterofermentatywne (Leuconostoc citrovorum - bywa używany jako dodatek do zakwasów przy wyrobie masła)
3.Lactobacillus - pałeczki homo- i heterofermentatywne (Lactobacillus bulgaricus - pałeczka bułgarska występująca w jogurcie, Lactobacillus viridescens - powoduje zielenienie mięsa peklowanego i surowych kiełbas).

Bakterie właściwej fermentacji mlekowej dzieli się na:

1.homofermentatywne - fermentują cukrowce wytwarzając głównie kwas mlekowy
2.heterofermentatywne - fermentują cukrowce wytwarzając obok kwasu mlekowego produkty uboczne
Nie wszystkie gatunki bakterii mlekowych odgrywają rolę dodatnią, niektóre są szkodliwe, a inne nawet chorobotwórcze

Drugi sposób oddychania beztlenowego bakterii bardzo przypomina oddychanie tlenowe, z tą różnicą, że zamiast tlenu występuje inny związek nieorganiczny, który ulega redukcji.

Bakterie oddychające beztlenowe z nieorganicznym akceptorem elektronów i wodoru

Grupa bakterii	Redukuje	Do
redukujące azotany (denitryfikujące) /np. Pseudomonas aeruginosa/	N03^-, NO2^-	N02^-, N2
redukujące siarczany /np.Desulfovibrio/	S04^-2	H2S
metanogenne /np. Methanobacterium/	C02	CH4
redukujące związki żelazowe /np. Shewanella putrefaciens/	Fe^+3	Fe^+2

Ten sposób oddychania beztlenowego określamy jako oddychanie z nieorganicznym akceptorem elektronów innym niż tlen.
W przeciwieństwie do fermentacji, pozwalającej na uzyskanie tylko niewielkiej części energii w porównaniu do oddychania tlenowego, drugi sposób oddychania beztlenowego daje ilości energii porównywalne z oddychaniem tlenowym. Bakterie beztlenowe mogą być beztlenowcami bezwzględnymi (dla których tlen jest śmiertelną trucizną) lub względnymi, które, w miarę potrzeb i możliwości, mogą przestawiać swój metabolizm z oddychania beztlenowego na tlenowe i odwrotnie.

Warto wspomnieć w tym rozdziale, że istnieją bakterie, które oprócz energii uzyskiwanej z oddychania tlenowego mogą wychwytywać energię słoneczną. Bakterie te nie przeprowadzają fotosyntezy, a uzyskana energia uzupełnia braki w okresach niedoboru tlenu w środowisku

BAKTERIE ROZMNAŻAJĄ SIĘ PRZEZ PODZIAŁ KOMÓREK

Bakterie są haploidalne. W ogromnej większości przypadków rozmnażają się przez podział komórki. Z podziałem komórki zsynchronizowane jest podwojenie materiału genetycznego zawartego w genoforze. Proces ten jest związany ze wzrostem ściany komórkowej, do której przyczepiony jest nukleoid. Komórki bakterii Gram(+) wytwarzają podczas podziału ścianę komórkową między komórkami potomnymi, podobnie jak komórki roślinne. Bakterie Gram(-) natomiast wytwarzają przewężenie oddzielające komórki potomne, nieco podobnie do komórek zwierzęcych. U nielicznych bakterii występuje pączkowanie - proces, w którym komórka potomna powstaje przez uwypuklenie ściany komórki macierzystej. Częstotliwość podziałów bakterii zależy od warunków środowiskowych i wielkości materiału genetycznego. W warunkach laboratoryjnych niektóre gatunki bakterii mogą dzielić się nawet co 20 minut, w naturze rzadko występują równie optymalne warunki, podziały zachodzą zatem rzadziej, ale i tak ich częstotliwość jest imponująca.

Chociaż u bakterii nie występuje płciowy sposób rozmnażania się, często spotyka się procesy płciowe. Różnica między rozmnażaniem a procesem płciowym w tym przypadku sprowadza się do tego, że w wyniku rozmnażania się powstają nowe komórki, natomiast proces płciowy nie zwiększa liczby komórek, choć powoduje wymienianie materiału genetycznego między komórkami, co prowadzi do zwiększenia różnorodności genetycznej bakterii i ich potencjalnie lepszego przystosowania do zmieniających się warunków środowiska. Istnieją trzy główne formy przenoszenia materiału genetycznego z danej komórki do innej.

Pierwszy to transformacja, czyli pobieranie przez bakterię DNA z otaczającego roztworu. Taki proces, niekiedy zachodzący w naturze, często jest sztucznie pobudzany w warunkach laboratoryjnych, w celu 'zmuszenia' bakterii do pobrania obcego DNA w doświadczeniach genetycznych. Drugi proces to koniugacja, podczas której fragmenty DNA z komórki dawcy są przekazywane do komórki biorcy przez cytoplazmatyczny mostek czasowo łączący te komórki. Wreszcie proces trzeci, czyli transdukcja, polega na przenoszeniu fragmentów DNA między komórkami bakteryjnymi przez bakteriofagi, które opuszczając komórkę 'pomyłkowo' zabierają, oprócz własnego, także odcinek DNA gospodarza.

BAKTERIE ODGRYWAJĄ OGROMNĄ ROLĘ W PRZYRODZIE l GOSPODARCE CZŁOWIEKA

Rośliny produkują związki organiczne w procesie fotosyntezy. Część roślin zostaje zjedzona przez zwierzęta. Gdyby nie było bakterii i innych drobnoustrojów, powierzchnia Ziemi zostałaby pokryta wielometrową warstwą ciał martwych roślin i zwierząt. Nowe rośliny, pomimo dostępu światła, nie mogłyby urosnąć, ponieważ w glebie nie byłoby niezbędnych soli mineralnych. Brak roślin oznaczałby śmierć głodową zwierząt. I tak zakończyłaby się historia życia na Ziemi. Ten apokaliptyczny obraz ma na celu uzmysłowienie nam ogromnej i pozytywnej roli, jaką odgrywają bakterie, które pełnią rolę destruentów rozkładających martwą materię organiczną. Uwalniają tym samym niezbędne dla roślin pierwiastki chemiczne w przyswajalnej postaci soli. Bakterie biorą udział w kolejnych etapach tego procesu, zaczynając od tworzenia próchnicy. Bakterie są zatem niezbędnym ogniwem w obiegu materii w przyrodzie. Biorą udział w obiegu węgla, azotu, siarki, fosforu i innych pierwiastków w przyrodzie.

Rysunek obrazuje udział bakterii w obiegu azotu w przyrodzie. Szczególną uwagę warto zwrócić na bakterie oraz sinice, które mają zdolność do wiązania azotu atmosferycznego w postać amoniaku (NH₃), dającego po rozpuszczeniu w wodzie dostępny dla roślin kation amonowy (NH₄⁺). Taką zdolność wykazuje co najmniej kilkanaście gatunków bakterii Rhizobium, Azotobacter (tlenowa), Clostridium (beztlenowa) i sinice. Szczególnie ważne z punktu widzenia gospodarki rolnej są gatunki, takie jak bakterie z rodzaju Rhizobium, wchodzące w symbiozę z roślinami motylkowymi. Wymienione bakterie rozwijają się w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych rosnących na glebach ubogich w związki azotu. Brodawki tworzą się w wyniku zasiedlenia korzeni przez bakterie, które część wytworzonych soli azotu oddają roślinie. W zamian uzyskują organiczne produkty fotosyntezy i dlatego stosowane są jak zielony nawóz. W rolnictwie wykorzystuje się niekiedy bakterie jako źródło substancji zabijających owady - szkodniki roślin uprawnych.

Związki bakterii ze światem zwierząt są bardzo różnorodne. Kolejnymi przykładami symbiozy są bakterie żyjące w przeżuwaczach, np. krowa czy owca. W wielkiej komorze fermentacyjnej - jednym z żołądków, czyli żwaczu - zachodzi proces trawienia pobranego przez zwierzę pokarmu roślinnego przez bakterie i inne drobnoustroje, które mają zdolność do rozkładania celulozy. Te drobnoustroje stają się następnie pokarmem trawionym przez zwierzę.

Także u nieprzeżuwających (konie, króliki) ssaków i innych zwierząt żywiących się pokarmem roślinnym (wiele ptaków, owadów - termity trawiące drewno!) bakterie biorą udział w trawieniu.

U innych zwierząt i człowieka w przewodzie pokarmowym także spotyka się wiele bakterii (E. coli) zaangażowanych w rozkład nie strawionych substancji i dostarczających istotnych składników swoim gospodarzom (wit B i K). Stwierdzono, że zwierzęta eksperymentalnie pozbawione od urodzenia wewnętrznych drobnoustrojów nie rozwijają się prawidłowo i wykazują różne anomalie anatomiczne.

Dla wielu zwierząt, szczególnie jednokomórkowych pierwotniaków (pantofelka), bakterie stanowią podstawowe źródło pożywienia. Na skalę przemysłową wykorzystuje się bakterie do produkcji różnych substancji chemicznych, między innymi niektórych kwasów organicznych, wielu witamin i aminokwasów. Z obornika dzięki bakteriom można otrzymać biogaz (metan) wykorzystywany jako źródło energii, np. do poruszania silników.

Żyjąc w symbiozie z roślinami motylkowymi (bakterie brodawkowe - korzeniowe) przyłączają azot atmosferyczny wykorzystywany przez gospodarza w zamian za pobierane od tegoż żywiciela związki organiczne. Bakterie które bytują w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy pomagają im w trawieniu celulozy, zaś u człowieka przyczyniają się do syntezy witaminy K i witamin z grupy B.

Człowiek nauczył się wykorzystywać właściwości bakterii do potrzeb przemysłowo-rolniczych takich jak:

• przemysł spożywczy -produkcja jogurtów, serów, kiszonek (bakterie fermentacji mlekowej) Od bardzo dawna biochemiczne umiejętności bakterii wykorzystywano w procesach produkcji artykułów spożywczych, np. serów, kefirów i jogurtów. Wszelkie procesy kiszenia (np. kapusty, ogórków, kiszonki dla zwierząt) także opierają się na działalności bakterii fermentacyjnych

• przemysł farmaceutyczny- produkcja szczepionek i antybiotyków (głównie szczepy Streptomyces - promieniowce, wytwarzające między innymi streptomycynę i tetracyklinę. Pewne bakterie wykorzystuje się do produkcji węglowodanu dekstranu, stanowiącego podstawę płynu krwiozastępczego),

• inżynieria genetyczna - E. coli wprowadzono ludzkie geny kodujące hormony : insulinę, somatotropinę, białko krzepliwości krwi oraz białko odpornościowe interferon. Bakterie są źródłem enzymów restrykcyjnych, niezbędnych w inżynierii genetycznej narzędzi służących do przecinania cząsteczek DNA. W komórkach bakterii umieszcza się i namnaża fragmenty DNA innych organizmów tworząc tzw. biblioteki genów. Z komórek ciepłolubnych bakterii uzyskano bardzo ważny enzym umożliwiający namnażanie w warunkach laboratoryjnych DNA w dowolnie dużych ilościach (tzw. metoda PCR - łańcuchowa reakcja polimerazy). Inna bakteria, w naturze powodująca choroby roślin, wykorzystywana jest przez inżynierów genetycznych do przenoszenia genów z jednych roślin na inne, w celu otrzymania nowych odmian o korzystnych z punktu widzenia człowieka właściwościach. Do produkcji szczepionek

• produkcja acetonu, etanolu, aminokwasów, witamin, hormonów i enzymów (bakterie transgeniczne) - likwidacja zanieczyszczeń w biooczyszczalniach ścieków, Bardzo duże znaczenie mają bakterie w rozkładaniu szkodliwych substancji produkowanych przez ludzką cywilizację. Wiele detergentów i środków ochrony roślin jest rozkładanych przez bakterie. W biologicznych oczyszczalniach ścieków bakterie stanowią podstawowy składnik tak zwanego osadu czynnego, w którym następuje przerabianie substancji zawartych w ściekach na składniki ciała bakterii.

• Organizmy prokariotyczne odgrywają niezwykle ważną rolę w środowisku przyrodniczym jako destruenci rozkładający martwą materię organiczną i przyczyniając się w ten sposób do tworzenia próchnicy glebowej. Procesy rozkładu uwalniają i wprowadzają do obiegu biosferycznego szereg pierwiastków takich jak: węgiel, tlen, azot, siarka czy fosfor. Poza tym są to bardzo ważne ogniwa łańcucha pokarmowego, gdyż tworzą podstawowe źródło pożywienia dla takich organizmów jak pierwotniaki i inne zwierzęta wyższe.

• jako organizmy owadobójcze w rolnictwie

• wykorzystanie złóż ropy, żelaza czy siarki, które zostały utworzone w odległych epokach geologicznych przez bakterie

Istnieje jednak szereg negatywnych skutków działania bakterii dla człowieka i innych organizmów żywych.

Przesunięcie informacji dotyczących bakterii chorobotwórczych na koniec rozdziału poświęconego bakteriom jest świadomym zabiegiem. Spośród wielkiej różnorodności gatunków bakterii tylko skromny procent stanowią te, które powodują choroby. Znanych jest około 200 gatunków bakterii powodujących choroby roślin. Objawami tych chorób mogą być między innymi: więdnięcie, nekrozy, zgnilizny i powstawanie rakowatych narośli. Bakteryjne choroby zwierząt natomiast często przypominają choroby ludzi bądź są z nimi tożsame.

Przyczyną występowania objawów bakteryjnych chorób zakaźnych jest namnażanie się bakterii w tkankach i wydzielanie przez nie substancji o charakterze toksycznym, przede wszystkim jadów - np. jad kiełbasiany produkowany przez Clostridium botulinum , są także przyczyną zachodzenia procesów gnilnych pogarszających jakość żywności, szczególnie owoców i warzyw. Aby temu zapobiec, stosuje się różne zabiegi: pasteryzację, zamrażanie, solenie, słodzenie, czy dodawanie związków chemicznych hamujących rozwój bakterii.

Jady bakteryjne dzielimy na dwie grupy: wydzielane poza komórkę egzotoksyny oraz uwalniane z komórki w czasie jej rozpadu endotoksyny. Podczas gdy bakterie nie wnikają do narządów, ich jady mogą wraz z krwią rozprzestrzeniać się po organizmie. Często zakażenie nie powoduje rozwoju choroby bądź powoduje po długim okresie nosicielstwa. Dopiero rozwój bakteriologii i medycyny w XIX i XX wieku doprowadził do opanowania klęski epidemii bakteryjnych. W wiekach średnich epidemie cholery czy dżumy dziesiątkowały ludność całych kontynentów. Obecnie, dzięki szczepieniom ochronnym i innym działaniom prewencyjnym, a także dzięki wprowadzeniu leków takich jak antybiotyki i sulfonamidy, zakażenia bakteryjne zostały w znacznym stopniu ograniczone, choć nadal pozostają groźne. Do najważniejszych chorób bakteryjnych człowieka należą: cholera, gruźlica- Mycobacterium tuberculosis (prątek gruźlicy), dur brzuszny, czerwonka bakteryjna, szkarlatyna, borelioza (przenoszona przez kleszcze), rzeżączka wywoływana przez Neisseria gonorrhoeae (dwoinka rzeżączki - gonokok) oraz kiła powodowana przez bakterie Treponema pallidum (krętek blady) - choroby przenoszone drogą płciową,

• błonica - Corynebacterium diphtheriae (maczugowiec błonicy)

• wrzody żołądka i dwunastnicy - Helicobacter pylori

• tężec - Clostridium tetani ( laseczka tężca) - choroba przyranna

• zapalenie opon mózgowych - Neisseria meningitidis (dwoinka zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych)

• zapalenie płuc - Streptococcus pneumoniae

• angina - (paciorkowce grupy A)

Oprócz typowych chorób możemy wyróżnić zatrucia, w których nie namnażanie się bakterii w organizmie człowieka, lecz obecność wydzielanych egzotoksyn jest przyczyną stanu chorobowego. Do najczęstszych należą zatrucia pokarmowe, powodowane przez bakterie z rodzaju Salmonella, do najgroźniejszych - zatrucie toksyną produkowaną przez laseczkę tężca oraz jadem kiełbasianym wydzielanym przez laseczkę jadu kiełbasianego.

• zatrucie pokarmowe:

• słabe - Staphylococcus aureus (gronkowiec złocisty)

• ostre - Salmonella (pałeczki) - niektóre szczepy mogą powodować tez dur brzuszny

• trąd - Mycobacterium leprae

• gorączka plamista Gór Skalistych - Rickettsia rickettssi

Systematyka

Archeony (Archaebacteria)

Organizmy prokariotyczne odkryte w 1977 roku, które tworzą odrębną linie od bakterii właściwych, a w swojej budowie komórkowej mają nawet więcej cech wspólnych z Eucaryota niż Eubacteria jak np. brak peptydoglikanu w ścianie komórkowej, brak wrażliwości na streptomycynę i chloramfenikol oraz posiadanie metioniny jako pierwszego aminokwasu w syntezie białka (u Eubacteria jest to formylometionina) czy białek histonowych (tworzą struktury podobne do nukleosomów).

Archeony w większości są ekstremofilami tzn. żyją w skrajnych warunkach środowiskowych. I tak:

• halofile żyją w silnie zasolonych (do 60%) zbiornikach wodnych takich jak Morze Martwe,

• acydofile - środowisko kwaśne o pH = 1 (pH = 7 - śmierć bakterii),

• alkalifile - środowisko silnie zasadowe,

• termofile - temperatury wysokie do 75°C,

• psychrofile - temperatury niskie (optimum - 4°C),

• hipertermofile - żyją w gorących źródłach gdzie temperatura przekracza 100°C).

Archaebacteria za względu na swe wyjątkowe właściwości wykorzystywane są do produkcji enzymów dodawanych do proszków do prania lub wykorzystywanych w biologii molekularnej (np. do reakcji PCR).

Riketsje i Chlamydie

Riketsje - grupa organizmów większych od wirusów ale zdecydowanie mniejszych od bakterii o rozmiarach od 300 do 2000 nm. Są to bezwzględne pasożyt, które podobnie jak wirusy rozmnażają się tylko w komórkach żywiciela. W genomie zawierają DNA i RNA, otoczone są ścianą komórkową, która nadaje im kształt pałeczkowaty.
Większość riketsji pasożytuje na stawonogach takich jak wszy, kleszcze pchły czy roztocza. Do głównych chorób człowieka jakie wywołują należy dur plamisty i gorączka plamista Gór Skalistych, na którą zmarł ich odkrywca Howard Ricketts (1910 rok).

Chlamydie różnią się od riketsji kształtem kulistym. Są także gramujemnymi bakteriami pasożytującymi. Zakażają prawie wszystkie gatunki ptaków i ssaków, a także ok. 20% ludzi. Powodują głównie choroby przenoszone drogą płciową oraz jaglicę (przyczyna ślepoty) W odróżnieniu od riketsji nie przenoszą się za pośrednictwem stawonogów.

WŚRÓD BAKTERII SĄ TEŻ TAKIE, KTÓRE POTRZEBUJĄ TLENU DO ODDYCHANIA l FOTOSYNTEZUJĄ

Sinice

są przyczyną zakwitów wód. Sinice to samożywne bakterie. Od świata zewnętrznego oddzielone są ścianą komórkową zbudowaną z mureiny, podobnie jak pozostałe bakterie. W zewnętrznej części cytoplazmy zawierają barwniki: zielony - chlorofil a (chlorofilu b brak), niebieski - fikocjan, czerwony - fikoerytrynę i żółty - karoten. Często chlorofil jest maskowany przez pozostałe barwniki, które nadają sinicom charakterystyczny kolor sinoniebieski lub czerwonawy. Zwykle wewnętrzną część cytoplazmy zajmuje nukleoid, funkcjonalny odpowiednik nie istniejącego jądra. Materiałem zapasowym jest wielocukier, zwany skrobią sinicową, o budowie zbliżonej do glikogenu. W komórkach niektórych sinic występują również wodniczki gazowe; są to pęcherzyki wypełnione gazem o składzie podobnym do powietrza. Najprawdopodobniej ułatwiają sinicom unoszenie się w wodzie.

Sinice żyją w postaci jednokomórkowej lub mogą tworzyć kolonie, które powstają w ten sposób, że komórki po podziale nie rozchodzą się, lecz pozostają w skupieniach, połączone wydzielanym śluzem. Niektóre tworzą proste lub rozgałęzione wielokomórkowe nici.

Mogą one poruszać się ruchem ślizgowym po podłożu lub wykonywać wahadłowe ruchy górnym końcem ciała, podczas gdy drugi jest przytwierdzony do podłoża. Wiele sinic potrafi wiązać wolny azot z powietrza; funkcję tę spełniają specjalne komórki zwane heterocystami. . Zawierają one zestaw enzymów niezbędnych do przeprowadzenia tego procesu. Sinice rozmnażają się wegetatywnie przez podział komórek lub rozerwanie nici. Wiele z nich tworzy specjalne komórki przetrwalne, które po okresie spoczynku zaczynają się dzielić, dając początek nowej kolonii. Dotychczas nie stwierdzono u sinic żadnej formy rozmnażania płciowego.

Sinice są prawdziwymi pionierami świata organicznego. Mogą osiedlać się w najbardziej niegościnnych środowiskach. Najczęściej żyją w wodach słodkich, rzadziej można je spotkać w morzach. Występują w glebie, na skatach, na korze drzew, na lodowcach, a nawet w gorących źródłach, gdzie temperatura może dochodzić do +70°C. Niektóre gatunki wchodzą w skład porostów, żyją w symbiozie z wodnymi paprociami (Azolla), sagowcami, wątrobowcami i glewikami. Niektóre, w postaci tzw. cyanelli, wnikają do komórek organizmów heterotroficznych, np. współżyją z korzenionóżkami lub z orzęskami. Wiele słodkowodnych sinic, takich jak Anabaena, Microcystis czy Aphamzomenon, pojawia się masowo tworząc tzw. zakwity wody. Dzieje się tak, gdy wody, w których żyją, są bardzo bogate w związki pokarmowe, zwłaszcza w fosfor. Typowym czasem zakwitów sinicowych jest późne lato. Miliony kolonii tych bakterii, unosząc się w wodzie, tworzą gęstą sinozieloną zupę; zużywają całkowicie tlen zawarty w wodzie, mogą też wydzielać trujące substancje, powodując nierzadko śmierć ryb, a czasem też ssaków wodnych. Sinice mogą być też pożyteczne. Gatunki, które mają zdolność wiązania wolnego azotu z powietrza, są wprowadzane do gleby jako nawóz. W Indiach udało się dzięki temu podnieść plony ryżu o około 15 - 20%. W południowo-wschodniej Azji przysmakiem są niektóre gatunki sinic z rodzaju trzęsidło; śluzowate kolonie suszy się i je jako tzw. chleb dobrego boga gór Tenga. Prochlorofity, organizmy bardzo rzadkie i niezwykłe
W przybrzeżnych wodach ciepłych mórz żyje zwierzę zwane osłonicą. W 1977 roku odkryto w jej ciele drobne kuliste komórki. Okazało się, że jest to bakteria; nazwano ją prochloronem. Ma ona budowę podobną do sinic, z jedną bardzo ważną różnicą - w jego cytoplazmie zawarty jest chlorofil a i b, podobnie jak w chloroplastach roślin lądowych.

To znalezisko potwierdziło istnienie prokariotycznych organizmów, których przodkowie mogli wniknąć do bliżej dziś nieznanych cudzożywnych organizmów eukariotycznych i przekształcić się w ich chloroplasty (endosymbioza).

N A T U R A L N E S U B S T A N C J E B A K T E R I O - I W I R U S O B Ó J C Z E

PRZECIWCIAŁA = IMMUNOGLOBULINY = GAMMA-GLOBULINY

DOPEŁNIACZ = KOMPLEMENT

Białkowe składniki osocza krwi uczestniczące w procesie unieszkodliwiania obcych komórek (np. bakterii), m.in. przez wiązanie się z nimi i ułatwienie fagocytozy, a także przez przyciąganie komórek układu odpornościowego do ogniska zapalnego.

INTERFERON - Czynnik nieswoistej obrony w zakażeniach wirusowych. Jest to heterogenna grupa białek kodowanych przez kilka genów, mających jednak identyczny mechanizm działania. Interferon alfa wytwarzany jest przez leukocyty, interferon beta przez fibroblasty, zaś interferon gamma przez uczulone limfocyty T-4 pod wpływem antygenu. Interferon zapobiega replikacji wirusa i działa cytostatycznie. Jest w zasadzie swoisty gatunkowo, ale nie wykazuje swoistości dla wirusa, który indukował jego wytwarzanie. Komórka podejmuje syntezę interferonu w krótki czas po zakażeniu. Uwolniony interferon wnika do otaczających, niezakażonych komórek, gdzie indukuje wytwarzanie enzymatycznych białek, blokujących translację kwasów nukleinowych wirusa.

1. LIZOZYM = MURAMIDAZA - Kationowe białko o charakterze enzymatycznym, występuje w dużym stężeniu m.in. w makrofagach, przez które jest wydzielany. Rozkłada mukopeptydy wchodzące w skład osłon komórkowych bakterii Gram (+), co w efekcie prowadzi do bakteriolizy. Występuje w ślinie (pies), łzach i na powierzchni błon śluzowych nosa, w białku świeżych jaj.

INTERLEUKINY - Białka przekazujące informację między różnymi komórkami układu odpornościowego.

TRANSFERYNA I LAKTOFERYNA - Wiążą jony żelaza, które konieczne są dla drobnoustrojów chorobotwórczych. Transferyna znajduje się w surowicy, a laktoferyna w płynach i wydzielinach ustrojowych.

PROPERDYNA - Białko krwi o działaniu bakteriobójczym wobec bakterii Gram (-) oraz niektórych wirusów.

ŚLUZY I INNE WYDZIELINY

A N T Y B I O T Y K I

Najskuteczniejszą formą obrony przed bakteriami są antybiotyki (substancje wytwarzane przez niektóre bakterie i grzyby powodujące hamowanie wzrostu innych bakterii). Antybiotyki blokują rybosomy, organelle produkujące białko danej komórki, uniemożliwiając tworzenie potomnych komórek bakteryjnych.

1.INHIBITORY SYNTEZY ŚCIANY BAKTERYJNEJ - Penicylina, Ampicylina.

2.USZKADZAJĄCE PRZEPUSZCZALNOŚĆ BŁONY KOMÓRKOWEJ - Polimiksyna B.

3.INHIBITORY BAKTERIOSTATYCZNE SYNTEZY BIAŁEK - Tetracyklina, Erytromycyna.

4.INHIBITORY BAKTERIOBÓJCZE SYNTEZY BIAŁEK - Neomycyna, Gentamycyna, Streptomycyna.

Antybiogram - wynik badania wrażliwości danego drobnoustroju na antybiotyki.

W hodowli badanych bakterii umieszczono papierowe krążki, nasycone różnymi antybiotykami. Ciemne koncentryczne pola oznaczają strefy zahamowanego rozwoju bakterii; z wielkości tych stref, mierzonych wobec krążka kontrolnego, wynika przydatność poszczególnych antybiotyków w zwalczaniu hodowanych bakterii. Lekarz otrzymuje z laboratorium antybiogram w postaci opisu, zaliczającego badane bakterie do wrażliwych, średnio wrażliwych i niewrażliwych na poszczególne antybiotyki.

S U L F O N A M I D Y

Działanie ich polega na włączeniu się do metabolizmu drobnoustrojów w miejsce kwasu para-aminobenzoesowego i blokowaniu w ten sposób ich namnażania - bakteriostatyczne.

!!! Obieg azotu

W obiegu azotu uczestniczą następujące bakterie:

wiążące azot atmosferyczny (Azotobacter, Clostridium, Rhizobium, sinice),

przekształcające amoniak i sole amonowe do azotynów (Nitrosomonas, Nitrosospira),

utleniające azotyny do azotanów (Nitrobacter),

!!!!Korzyści

• są pokarmem dla licznych organizmów (wchodzą w skład łańcuchów pokarmowych),

• uczestniczą w oczyszczaniu wód i ścieków,

• przebywając w przewodzie pokarmowym zwierząt ułatwiają trawienie (bakterie symbiotyczne),

• wykorzystywane są w gospodarce człowieka do otrzymywania kiszonek, produkcji octu, alkoholu,

• wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym do produkcji antybiotyków,

• wykorzystywane są w przemyśle mleczarskim przy produkcji jogurtów, kefirów,

• wykazują również działanie negatywne, wywołując liczne choroby.

!!!!Choroby wywoływane przez bakterie:

• u roślin np.: mokra zgnilizna, czarna nóżka, rak bakteryjny drzew, parch bakteryjny,

• u zwierząt np.: nosacizna, wąglik, gruźlica, zgnilec pszczół,

• u człowieka np.: trąd, dżuma, angina, gruźlica, tężec, kiła, rzeżączka, salmonelloza, zatrucia jadem kiełbasianym, zapalenie opon mózgowych.

1

---