Konspekt wykładu 2 z Mikrobiologii
Budowa komórki prokariotycznej
Budowa: dwuwarstwa fosfolipidowa i białka połączone oddziaływaniami niekowalencyjnymi (wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe, udział jonów Mg2+ i Ca2+ w stabilizacji błony) o charakterze kooperatywnym. Fosfolipidy błony komórkowej - pochodne glicerolu, zawierające dwie estrowo przyłączone cząsteczki kwasów tłuszczowych i fosforylowany alkohol, którym jest u większości bakterii glicerol. Główny fosfolipid większości bakterii to fosfatydyloglicerol. U bakterii gramujemnych główny fosfolipid to fosfatydyloetanoloamina. W duwarstwie zanurzone są integralne białka błonowe. Z błoną są też luźno związane białka peryferyczne.
Brak steroidów w błonach bakterii; zamiast nich hopanoidy, spełniają podobną rolę. Steroidy jedynie w błonach mikoplazm (Mycoplasma sp.), które są komensalami bądź pasożytami zwierząt, ludzi i roślin. Mikoplazmy nie są zdolne do syntezy steroli. Pobierają je ze swojego środowiska.
1.1. Błona komórkowa archeonów
Fosfolipidy błonowe archeonów - dietery glicerolu, u bakterii i eukariotów - diestry glicerolu. U archeonów zamiast kwasów tłuszczowych - łańcuchy hydrofobowe zbudowane z powtarzających się cząsteczek węglowodoru – izoprenu (lub hydroizoprenu), który ma pięć węgli w swojej cząsteczce. W błonach niektórych archeonów lipidy są tetraeterami diglicerolu, bowiem cząsteczki izoprenoidów są ze sobą połączone kowalencyjnie. Mamy wtedy błonę o strukturze jednowarstwowej, np. u wielu hipertermofilnych archeonów, które żyją w środowiskach o temperaturze przekraczającej 80oC.
1. Stanowi barierę oddzielającą cytoplazmę od środowiska zewnętrznego.
2. Zawiera systemy transportu (specyficzne kanały, przenośniki i pompy), które regulują skład środowiska wewnątrzkomórkowego.
3. Uczestniczy w sekrecji białek.
4. Zawiera białka, które są składnikami systemów przekształcania energii w fosforylacji oksydacyjnej i fotosyntezie.
5. Białka błonowe biorą udział w syntezie osłon komórki, np. białka wiążące penicylinę (PBP, ang. penicillin binding proteins) – w syntezie mureiny.
6. Uczestniczy w osmoregulacji –(np. akwaporyny).
7. Zawiera białka sensoryczne będące receptorami bodźców zewnętrznych.
8. W błonie, z którą związany jest nukleoid, rozpoczyna się proces replikacji DNA.
9. Różnego rodzaju wpuklenia błony biorą udział w fotosyntezie (np. tylakoidy sinic) oraz w procesach oddechowych (błony wewnątrzcytoplazmatyczne metylotrofów i bakterii nitryfikacyjnych).
2.1. Mureina (peptydoglikan) główny składnik ściany komórkowej większości bakterii. Nie mają go bakterie zaliczane do typu Planctomyces/Pirellula, (mają jedynie warstwę S), oraz mikoplazmy, należące do typu Gram-positve low GC.
Budowa: łańcuchy cukrowe, z na przemian ułożonych aminocukrów - N-acetyloglukozoaminy i kwasu N-acetylomuraminowego połączonych wiązaniami b-1,4 w łańcuchy kilkudziesięcioczłonowe. Do reszt kwasu muraminowego dołączone są krótkie peptydy, np. u E. coli- L-alanina, kwas D-glutaminowy, kwas diaminopimelinowy (DAP) i D-alanina.
Peptydy sąsiadujących łańcuchów cukrowych mogą być połączone - wiązanie powstaje między DAP jednego peptydu a D-alaniną drugiego (u E. coli). U Staphylococcus aureus dodatkowy mostek z pięciu glicyn. Im więcej peptydów bocznych ulega połączeniu, tym większe jest usieciowanie mureiny. Powstaje ogromna makrocząsteczka tworząca rodzaj woreczka wokół komórki, tzw. sakulus.
2.2. Bakterie gramdodatnie - mureina gruba, wielowarstwowa (do 25 warstw), silnie usieciowana, stanowi 90% składników ściany W peptydzie w trzeciej pozycji często lizyna zamiast DAP. Do kwasu muraminowego przyłączone kwaśne polisacharydy zwane kwasami tejchojowymi (polimery fosfoglicerolu bądź fosforybitolu); także kwasy lipotejchojowe, (które połączone są z lipidami błony komórkowej) oraz białka, np. białko M Streptococcus pyogenes, (paciorkowca ropnego) wywołującego szkarlatynę, anginę i ropnie, będące czynnikiem wirulencji, bowiem podobnie jak otoczki, zapobiega fagocytozie i może służyć jako adhezyna. W ścianie różnych bakterii gramdodatnich mogą występować dodatkowe polimery. W ścianie prątków występują woski, zawierające arabinogalaktan oraz kwasy mikolowe
2.3. Bakterie gramujemne - cienka warstwa mureiny (b. często jednowarstwowa), słabiej usieciowana, stanowi tylko około 10% ściany. W peptydzie w trzeciej pozycji występuje często DAP. Mureina pokryta błoną zewnętrzną.
2.4. Błona zewnętrzna. Zbudowana z fosfolipidów, białek i lipopolisacharydu. Fosfolipidy tworzą wewnętrzną warstwę błony zewnętrznej, natomiast lipopolisacharyd (LPS) – warstwę zewnętrzną. LPS składa się on z najgłębiej leżącego lipidu A, polisacharydu rdzeniowego i najbardziej na zewnątrz położonego polisacharydowego łańcucha O-swoistego, zwanego antygenem O. LPS jest endotoksyną. powodującą różne schorzenia u ssaków. Czynnikiem w głównym stopniu odpowiedzialnym za jego toksyczność jest lipid A.
W błonie zewnętrznej poryny tworzą wypełnione wodą kanały umożliwiające bierny transport jonów i niskocząsteczkowych związków hydrofilowych, np. glukozy, aminokwasów, kationów. Kanały te mogą być niespecyficzne (np. białka OmpF czy OmpC u E. coli), bądź specyficzne (wyposażone w swoiste miejsce wiążące), np. białko LamB, (pobieranie maltozy i maltodekstryn).
Błona zewnętrzna jest zakotwiczona w peptydoglikanie poprzez lipoproteinę Brauna. Przestrzeń między błoną zewnętrzną i błoną cytoplazmatyczną to przestrzeń peryplazmatyczna (peryplazma). Występują tam:
a) enzymy hydrolityczne biorące udział w rozkładzie substancji pokarmowych;
b) białka wiążące, biorące udział w procesie transportu;
c) białka ochronne, inaktywujące egzogenne substancje toksyczne, np. beta-laktamazy;
d) receptory uczestniczące w chemotaksji;
e) pewne enzymy chemolitotrofów uczestniczące w utlenianiu niektórych związków nieorganicznych.
Bakterie gramdodatnie wrażliwe na działanie lizozymu (hydroliza wiązań b-1,4-glikozydowych w mureinie), gramujemne wrażliwe po usunięciu błony zewnętrznej, która je chroni przed różnymi związkami szkodliwymi.
2.5. Sposób barwienia bakterii metodą Grama (Christian Gram, 1884) wynika z budowy ściany komórkowej. Jedne bakterie wybarwiają się na kolor fioletowy (zwane są gramdodatnimi), natomiast zaś inne na różowo (gramujemne). W czasie barwienia we wnętrzu komórki tworzone są nierozpuszczalne kompleksy fioletu krystalicznego z KJ. Kompleksy te można łatwo wyekstrahować etanolem z wnętrza bakterii gramujemnych, gdyż mają one cienką warstwę mureiny, a etanol niszczy ich błonę zewnętrzną. Komórki odbarwiają się (a następnie zostają dobarwione safraniną na różowo). Gruba warstwa mureiny bakterii gramdodatnich, nie pozwala na wypłukanie tych kompleksów. Nie budowa chemiczna ściany jest odpowiedzialna za sposób barwienia metodą Grama, lecz jej fizyczna struktura. Komórki drożdży (ściany zbudowane są z grubej warstwy chityny) barwią się gramdodatnio.
2.6. Kwas muraminowy i kwas diaminopimelinowy występują wyłącznie w ścianie komórkowej bakterii, podobnie jak D-izomery aminokwasów (kwasu glutaminowego i alaniny). Nie ma ich w ścianach Eukarya i Archaea.
2.7 Ściana komórkowa archeonów
1. Pseudomureina złożona z N-acetyloglukozoaminy i kwasu N- acetylotalozoaminouronowego (połączonych wiązaniami 1,3) i krótkich peptydów; .np. u archeonów metanogennych
2. Ściana polisacharydowa.
3. Warstwa S, złożona z podjednostek białkowych lub glikoproteinowych o symetrii sześciokątnej;
4. Ściana białkowa lub glikoproteinowa.
5. Brak ściany; np. Thermoplasma sp., Ferroplasma sp.
3. Warstwa S (ang. surface layer) - najbardziej zewnętrzna struktura komórki, tzn. np. u bakterii gramujemnych pokrywa błonę zewnętrzną. Występuje w różnych grupach taksonomicznych bakterii i archeonów. Składa się z powtarzających się podjednostek białkowych bądź glikoproteinowych jednego rodzaju (na ogół połączonych wiązaniami typu niekowalencyjnego), ułożonych bardzo regularnie w formie kwadratów bądź sześciokątów foremnych, co nadaje warstwie charakter parakrystaliczny. Chroni komórkę przed bakteriofagami i drapieżnymi bakteriami, a patogeny przed niektórymi mechanizmami obronnym gospodarza. Nie pozwalana przejście związków wielkocząsteczkowych.
4. Otoczki
1) wielocukrowe, (najczęstsze), np. Streptococcus pneumoniae (dwoinka zapalenia płuc); Leuconostoc mesenteroides;
2) polipeptydowe, a więc złożone z aminokwasów, np. Bacillus anthracis - kwas D- glutaminowy, B. subtilis – D- i L- izomery tego aminokwasu.
3) glikoproteinowe, np. Neisseria meningitidis (dwoinka zapalenia opon mózgowych).
4.1 Rola otoczek:
1) ochrona przed wysychaniem (95% wody);
2) ochrona bakterii pasożytniczych przed fagocytozą;
3) ochrona przed bakteriofagami;
4) mogą one wpływać na dyfuzję różnych cząsteczek do i z komórki; np. pewnych antybiotyków, jonów metali (Mg2+, Hg2+)
5) materiał zapasowy.
6) adhezja bakterii do podłoży stałych; co jest ważne dla kolonizacji danego środowiska.
Śluzy mogą brać udział w przyczepianiu się pewnych patogenów do swojego gospodarza, np. powstawanie płytki nazębnej. Streptococcus mutans i S. sobrinus (bakterie gramdodatnie o niskiej zawartości GC) syntetyzują polisacharydy glukany (wykorzystując do tego celu sacharozę), które działają jak cement, wiążący bakterie w płytkę nazębną. Bakterie znajdujące się w płytce fermentują cukry, uwalniają do środowiska kwasy organiczne (a przede wszystkim kwas mlekowy), które są bezpośrednią przyczyną próchnicy.
4.2. Pochewki (ang. sheats), długie rurki otaczające łańcuchy takich bakterii jak np. Sphaerotilus natans, które mogą być wyposażone w “zaczepy” (ang. holdfasts). Pochewki chronią bakterie, zaczepy (bezkształtna, lepka masa na biegunie komorki) umożliwiają im przyczepienie się do podłoża stałego. Takie zaczepy, występujące na jednym biegunów komórki i umożliwiające przyczepianie się do różnych powierzchni, mogą mieć także bakterie nie wytwarzające pochewek, np. Caulobacter.
4.3. Wykorzystanie otoczek - dekstrany wykorzystywane w produkcji płynu zastępującego osocze krwi; ksantan wytwarzany przez Xanthomonas campestris jest wykorzystywany w przemyśle spożywczym jako zagęszczacz, czynnik żelujący i inhibitor krystalizacji.
5. Fimbrie i pilusy Cienkie białkowe filamenty odchodzące od powierzchni komórki w stronę środowiska zewnętrznego. Budowa rurkowata. Służą bakteriom do adhezji do powierzchni stałych oraz do wzrostu w formie błonek w środowiskach płynnych. W przypadku patogenów stanowią więc czynniki wirulencji. Na przykład u Neisseria gonorrhoeae (dwoinka rzeżączki) końce fimbrii mają adhezyny, które umożliwiają związanie z komórkami gospodarza. Jeden gatunek może mieć kilka typów fimbrii. Fimbrie rosną od podstawy. Pilusy - strukturalnie podobne do fimbrii. Biorą udział w procesie koniugacji u bakterii gramujemnych, prowadzącym do wymiany materiału genetycznego między bakteriami. Najlepiej zbadany jest pilus F występujący na męskich komórkach E. coli. Synteza pilusów F jest kodowana przez plazmid F (ang. Fertitity).
6. Ruch prokariotów. 1) Ruch rzęskowy, 2) ruch ślizgowy (ang. gliding motility), 3) ruch drgający (ang. twitching motility), 4) ruch zależny od aktyny.
Dzięki możliwości przemieszczania się bakterie mogą docierać do miejsc, które są dla nich z jakichś powodów korzystne. Na przykład dzięki rzęskom Helicobacter pylori (Proteobacteria) może przebić się przez warstwę śluzu i dotrzeć do komórek nabłonkowych żołądka. Tak więc zdolność do ruchu jest jednym z czynników wirulencji tej bakterii. Helicobacter pylori wywołuje stany zapalne żołądka, chorobę wrzodową żołądka i dwunastnicy, a także chorobę nowotworową żołądka.
6.1 Ułożenie rzęsek i ich liczba – charakterystyczne dla danej bakterii.
1. biegunowe (ma jednym, biegunie lub na obu)
2. perytrychalne, gdy rzęski są rozłożone na całej powierzchni komórki; np. Enterobacteriaceae, Bacillaceae.
Urzęsienie monotrychalne - jedna rzęska (np. Vibrio cholerae); amfitrychalne – dwubiegunowe, jednorzęse; urzęsienie lofotrychalne – to urzęsienie politrychalne jedno- lub dwubiegunowe, (np. Helicobacter pylori ma urzęsienie lofotrychalne - trzy rzęski na jednym biegunie)
Hak pusta w środku, giętka struktura, łącząca włókno z ciałem podstawowym. Ciało podstawowe - centralny rdzenia i przechodzące przez niego kilka pierścieni, które zakotwiczają rzęską w osłonach bakterii. Ciało podstawowe rzęski powstaje de novo w młodych komórkach. Rzęska wydłuża się w ten sposób, że do jej końca dystalnego dołączane są nowe cząsteczki flagelliny, transportowane przez kanał występujący we włóknie.
Rzęski są strukturami półsztywnymi, które nie zginają się, lecz poruszają ruchem obrotowym, tak jak śmigło. Motorem tego ruchu są białka Mot, znajdujące się w ciele podstawowym. Energia pochodzi z siły protonomotorycznej. Przepływ protonów w poprzek błony poprzez kompleks białek Mot napędza ruch rzęski. Obliczono, że jeden obrót rzęski wymaga przemieszczenia aż 1000 protonów. Bakterie poruszają się bardzo szybko. Niektóre z nich mogą pokonywać do 60 długości swojego ciała w ciągu 1 sekundy.
Ruch bakterii urzęsionych perytrychalnie. Każda rzęska porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Tworzą pęczek na jednym końcu komórki. który posuwa ją do przodu. Z częstością raz na sekundę takie łagodne pływanie zostaje przerwane. Zmiana kierunku ruchu niektórych rzęsek w pęczku (a więc ich obroty zgodne ze wskazówkami zegara) powoduje rozplecenie pęczka rzęsek i koziołkowanie komórki. Ponowne obroty pęczka rzęsek przeciwne do ruchu wskazówek zegara powodują ruch komórki po prostej, ale już teraz w innym kierunku. Zachodzące na przemian pływanie komórki i koziołkowanie powoduje, że komórka porusza się w przypadkowych kierunkach po liniach prostych.
6.4. Taksje bakterii to ruch bakterii w kierunku działającego bodźca lub ruchy ucieczki przed bodźcem. Chemotaksji - bodziec to związek chemiczny, w fototaksji – światło itp. Atraktanty to czynniki przyciągające bakterie, a repelenty – to czynniki działające odpychająco.
Flagelliny archeonów są białkami o różnej budowie. Nie są tak konserwowane jak flagelliny bakterii. Flagelliny archeonów ulegają potranskrypcyjnej modyfikacji i są glikozylowane. Włókno jest znacznie cieńsze niż u bakterii. Rzęski archeonów rosną od podstawy, a więc inaczej niż bakteryjne. Analizy kompletnych genomów archeonów wykazały, że nie ma w nich genów wykazujących homologię z genami kodującymi białka uczestniczące w wytwarzaniu rzęsek u bakterii. Flagelliny archeonów wykazują raczej podobieństwo do pilin typu IV.
Ruch ślizgowy (ang. gliding motility) wykazują różnego rodzaju bakterie, gramujemne np. bakterie śluzowe (Myxobacteriales, Proteobacteria), nitkowate sinice (Cyanobacteria), Cytophaga sp. i Flavobacterium (należące do odrębnych typów wśród Bacteria). Jest to ruch bez udziału rzęsek, gdy komórka ma kontakt z powierzchnią ciał stałych, a więc to przystosowanie do siedlisk bardziej suchych i do ruchu w obrębie ciał stałych, takich jak gleba, osady, rozkładające się drewno. Różne mechanizmy tego typu ruchu nie zostały one w pełni poznane:
a) W komórkach Cytophaga między błoną komórkową a błoną zewnętrzną leżą małe, obracające się cząstki, prawdopodobnie zbudowane z białka, które działają jak łożyska kulkowe, powodując ślizganie komórki po powierzchniach stałych.
b) Ruch ślizgowy sinic i bakterii śluzowych jest napędzany w wyniku wydzielania ...
ktoskogoznasz