Sciaga mikrobiologia.docx

MORFOLOGIA I FIZJOLOGIA BAKTERII

Bakterie są to organizmy jednokomórkowe należące do PROKARYOTA. Wyróżnia się 4 działy podzielone na 33 sekcje obejmujące poszczególne rodziny i rodzaje bakterii. Podstawą tego podziału są:

-różnice w budowie ściany komórkowej,

- homologia DNA/DNA i DNA/RNA,

-skład oligosacharydów,

-sekwencja aminokwasów enzymów metabolizmu podstawowego,

-profil białek i kwasów tłuszczowych w błonie i ścianie komórkowej.

KSZTAŁT KOMÓREK BAKTERII

Kształt i wielkość komórek bakterii są w znacznym stopniu zależne od:

• wieku i warunków hodowli,

• temperatury inkubacji,

• czasu trwania hodowli,

• rodzaju podłoża,

• składu chemicznego środowiska odżywczego,

• zmian w obrębie materiału genetycznego.

Na podłożach standardowych i w stałych warunkach hodowli komórki danego gatunku mają zawsze określony kształt będący ich istotną cechą diagnostyczną. W okresie starzenia się bakterii (w fazie zamierania) mogą pojawiać się formy inwolucyjne o zmienionych kształtach (powstają wskutek zaburzeń w mechanizmie wytwarzania błon podziałowych, nagromadzenia się w środowisku metabolitów lub produktów lizy komórek, niekorzystnych warunków rozwoju dla komórek np. pH środowiska, temperatury, natlenienia, braku substancji wzrostowych itp.).

BUDOWA KOMÓRKI BAKTERYJNEJ

rzęska/wić , ściana komórkowa, cytoplazma błona cytoplazmatyczna rybosomy nukleoid materiał zapasowy,plazmid fimbria/pili

NUKLEOID ,

Obszar komórki prokariotycznej będący odpowiednikiem jądra komórkowego u Eukaryota.

Nukleoid wraz z plazmidami zawiera pełną informację genetyczną komórki.

CYTOPLAZMA

Wodny roztwór związków wielkocząsteczkowych, soli mineralnych, cukrów prostych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych i związków wysokoenergetycznych, o charakterze koloidu, w którym zawieszone są biologicznie czynne struktury: nukleoid, plazmidy, rybosomy, materiał zapasowy (ziarnistości, wtręty, kryształki, kropelki).

RYBOSOMY

Rybosomy u Prokaryota są mniejsze niż u Eukaryota, mają niższą masę cząsteczkową i stałą sedymentacji Svedberga, wynoszącą 70S, w porównaniu do 80S u Eukaryota.

Różnice między rybosomami mają ogromne znaczenie przy leczeniu infekcji, gdyż niektóre antybiotyki wybiórczo hamują syntezę białek na chromosomach 70S,nie wpływając na działanie rybosomów 80S.

BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA

Wykazuje typową dla wszystkich błon elementarnych strukturę trójwarstwową i zbudowana jest z lipidów (20-35%) i białek (50-75%).

Składa się z podwójnej warstwy lipidowej.

Błona pełni kilka bardzo ważnych funkcji:

• jako półprzepuszczalna stanowi barierę osmotyczną komórki i kontroluje wnikanie i usuwanie różnych substancji,

• jest miejscem zakotwiczenia enzymów biorących udział w przenoszeniu elektronów i w fosforylacji oksydatywnej, a więc w tworzeniu i magazynowaniu energii,

• uczestniczy w procesach syntezy ściany komórkowej, składników otoczki śluzowej, pili, fimbrii, a także wydziela enzymy zewnątrzkomórkowe,

• stanowi centrum replikacji DNA.

ŚCIANA KOMÓRKOWA

Jest elastyczną strukturą nadającą komórce bakteryjnej określony kształt. Stanowi barierę ochronną przed czynnikami zewnętrznymi fizycznymi i chemicznymi, a także przed innymi mikroorganizmami. Jest przepuszczalna dla licznych substancji niskocząsteczkowych i soli mineralnych.

Szkielet ściany komórkowej bakterii składa się z polimeru – peptydoglikanu, zwanego mureiną.

Lizozym – enzym odkryty przez Aleksandra Fleminga, występuje w łzach, śluzie jamy nosowej i białku jaja. Rozszczepia w mureinie wiązanie glikozydowe powodując jej rozpad na dwusacharydy GlcNAc-MurNAc. Jest więc (N-acetylo)-muramidazą.

Penicylina niszczy głównie komórki bakteryjne gramdodatnie, a także niektóre gramujemne.

Działa bakteriobójczo na komórki rosnące, gdyż zaburza syntezę ściany komórkowej, poprzez zahamowanie tworzenia poprzecznych wiązań peptydowych między łańcuchami cukrowymi..

Muroendopeptydazy, enzymy występujące u bakterii, które rozszczepiają wiązania peptydowe biorące udział w usieciowaniu mureiny.

ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMDODATNICH

Mureina stanowi 30-70% suchej masy ściany komórkowej, składa się z około 40 warstw. Do mureiny przyłączone są też różne kwasy tejchojowe (łańcuchy złożone z 8-50 cząsteczek glicerolu lub rybitolu połączonych mostkami fosfoestrowymi). Kwasy te stanowią warstwę plastyczną ściany komórkowej.

ŚCIANA KOMÓRKOWA BAKTERII GRAMUJEMNYCH

Sieć mureiny jest jednowarstwowa i stanowi mniej niż 10% suchej masy ściany komórkowej. Część dominującą ściany stanowi warstwa plastyczna, którą tworzy błona zewnętrzna zbudowana z fosfolipidów, białek, lipoproteidu Brauna, lipopolisacharydu /LPS/. Między błoną zewnętrzną a mureiną znajduje się tzw. przestrzeń peryplazmatyczna. Zawiera ona znaczną ilość enzymów biorących udział m.in. w rozkładzie substratów (metanol, glukoza), wykorzystywaniu związków nieorganicznych (siarczany, azotany), rozkładzie białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych.

W ścianie bakterii gramujemnych nie wykryto kwasów tejchojowych.

Lipopolisacharydy (LPS) mają duże znaczenie w diagnostyce bakteriologicznej i epidemiologii. Różne szczepy Salmonella typhimurium oraz Shigella desynteriae odpowiedzialne za infekcje jelitowe różnicuje się dzięki O-swoistemu bocznemu łańcuchowi lipopolisacharydów występujących w ich błonie zewnętrznej. Różnice wykrywa się metodami immunologicznymi i serologicznymi, które pozwalają na identyfikację szczepu i zlokalizowanie źródła infekcji (epidemii).

Lipopolisacharydy są najbardziej efektywnymi endotoksynami bakterii, wywołującymi gorączkę i biegunkę.

Róznice Fizjologiczne bakterii gram+ i gram-

Konsekwencją odmiennej budowy ściany komórkowej bakterii gramdodatnich i gramujemnych jest zasadnicza odmienność fizjologiczna obu tych grup bakterii.

RUCH BAKTERII

Bakterie mogą poruszać się różnymi sposobami. U większości aktywny ruch wywołany jest rotacją rzęsek. Możliwy jest też ruch ślizgowy (u bakterii śluzowych).

Rzęski

Rzęski są to wyrostki o średnicy 12-18 nm i długości do 20 μm. Za pomocą ciałka bazalnego są zaczepione jednym końcem w wewnętrznej osłonie komórki – błonie cytoplazmatycznej i łączą się z jej treścią protoplazmatyczną. Rzęski mają kształt lekko skręconej spirali o równej grubości na całej długości i składają się z helikalnie zwiniętych łańcuchów kurczliwego białka zwanego flagelliną.

Umiejscowienie i liczba rzęsek jest dla bakterii cechą charakterystyczną i ma znaczenie taksonomiczne. U bakterii cylindrycznych rzęski mogą być osadzone biegunowo lub bocznie.

Wyróżniamy bakterie:

• bezrzęse (atrychalne) – większość ziarniaków,

• jednorzęse (monotrychalne) – mają jedną biegunową rzęskę np. Vibrio,

• dwurzęse (ditrychalne) – po jednej rzęsce na obu biegunach,

• lofotrychalne – mają pęczek rzęsek na jednym biegunie np. Pseudomonas,

• amfitrychalne – mają pęczek rzęsek na obu biegunach np. Spirillum,

• okołorzęse (perytrychalne) – rzęski są rozmieszczone wzdłuż komórki lub na całej jej powierzchni np. Proteus, Bacillus, Clostridium.

ROZMNAŻANIE BAKTERII

Bakterie rozmnażają się przez prosty podział komórki (rozszczepianie), przy czym z jednej komórki macierzystej powstają, po wytworzeniu poprzecznej błony, dwie komórki potomne. Pierwszy etap to podział substancji jądrowej. Występuje on w fazie intensywnego wzrostu komórki. Kolisty chromosom bakteryjny ulega w wyniku replikacji podwojeniu. Po skończonym podziale nukleoidu następuje właściwy podział komórki bakteryjnej, tworzy się poprzeczna przegroda (septum) rosnąca od zewnątrz do środka komórki. Stanowi ona następnie ścianę komórkową odgradzającą nowo powstałe komórki. Istotny jest brak wrzeciona kariokinetycznego, jakie podczas mitozy tworzy się u Eukaryota. Podział komórki bakteryjnej jest pod tym względem znacznie prostszy. Jest to rozmnażanie bezpłciowe.

Bakterie rozmnażają się w postępie geometrycznym: gdzie n oznacza liczbę podziałów.

Powstałe komórki mogą się od siebie oddzielić lub pozostać luźno powiązane tworząc łańcuchy komórek (Bacillus subtilis).

U bakterii nie stwierdzono rozmnażania płciowego, wykryto natomiast procesy płciowe umożliwiające pewną wymianę materiału genetycznego między różnymi komórkami bakteryjnymi.

KONIUGACJA

Wykazano, że określone szczepy jednego gatunku bakterii łączą się w pary, zróżnicowane płciowo. Przenoszenie dziedzicznych cech szczepu dawcy na szczep biorcy przez bezpośredni kontakt w parach określa się mianem koniugacji. Połączenie się 2 bakterii zachodzi poprzez mostek cytoplazmatyczny utworzony przez pili płciowe. Koniugują tylko bakterie F+ (dawca, zawiera czynnik płciowy F i może wytwarzać pili płciowe) z bakterią F- (biorca, nie ma czynnika F). Podczas koniugacji biorca może uzyskać czynnik F i zacznie wytwarzać pili płciowe, stanie się dawcą.

TRANSFORMACJA Przekazanie cech genetycznych szczepom biorcy z pominięciem łączenia w pary, za pomocą wolnego rozpuszczalnego DNA uzyskanego od dawcy.

Doświadczenie Griffitha przeprowadzone na dwoinkach zapalenia płuc. Podanie myszom żywych bakterii R (nieotoczkowe, łagodne) nie powodowało śmierci zwierząt. Podobnie, podanie martwych bakterii S (zjadliwych). Podanie wymieszanych martwych zjadliwych bakterii S i żywych nieotoczkowych bakterii R powodowało śmierć myszy. W procesie tym nastąpiło przeniesienie fragmentu DNA z jednego nukleoidu do drugiego albo przeniesienie plazmidu z jednej komórki do drugiej. To obce DNA zostało pobrane z otoczenia, gdzie znalazło się np. po rozpadzie martwych komórek innych bakterii.

TRANDUKCJA Jest to proces przenoszenia fragmentu DNA z jednej komórki do drugiej przez bakteriofaga łagodnego (w czasie cyklu lizogenicznego). Fag taki wbudowuje część bakteryjnego DNA w swój własny kwas nukleinowy i przenosi go jako trwałą cechę na szczep biorcy.

ENDOSPORY I FORMY PRZETRWALNE Formy przetrwalne są formami rozwoju umożliwiającymi bakteriom przeżycie warunków, które mogłyby być zabójcze dla normalnych postaci wegetatywnych. Zdolność do wytwarzania endospor (przetrwalników) ma tylko mała grupa bakterii. Są to bezwzględne lub względne tlenowe bakterie z rodzaju Bacillus, Sporosarcina oraz bezwzględne beztlenowe z rodzaju Clostridium.

Przetrwalniki nie służą rozmnażaniu, a jedynie przetrwaniu, gdyż każda komórka może wytworzyć w swym wnętrzu tylko 1 przetrwalnik.

Przetrwalniki bakterii są odporne na różne czynniki zewnętrzne:

- wysoka temperatura – bakterie giną po 10-minutowym ogrzewaniu w 80°C (pasteryzacja), endospory wytrzymują nawet wielogodzinne gotowanie i mogą kiełkować kiedy trafią na korzystne warunki środowiska, ciepłooporność jest proporcjonalna do zawartości kwasu dipikolinowego,

- niska temperatura – są odporne nawet na zamrażanie, głównie dzięki grubym ścianom i minimalnej zawartości wody,

- promieniowanie – dzięki dużej liczbie mostków dwusiarczkowych w zewnętrznych osłonkach białkowych,

- wysuszenie – mogą przetrwać latami, a nawet wiekami bez wody,

- czynniki chemiczne (wysokie i niskie pH, duże stężenie NaCl).

Przetrwalniki zawierają o około 40% więcej białka i prawie 4-krotnie mniej węglowodanów niż komórki wegetatywne. Charakterystycznym dla endospor związkiem (występującym tylko w nich) jest kwas dipikolinowy (kwas pirydyno-2,6-dikarboksylowy, DPA). Kwas ten wiąże jony wapnia w stosunku 1:1 tworząc dipikolinian wapnia, który może stanowić do 15% suchej masy spory. Związek ten odgrywa znaczną rolę w ciepłooporności endospor. Przetrwalniki nie zawierają β-hydroksymaślanu, który w komórkach wegetatywnych stanowi prawie 30% suchej masy.

PROCES TWORZENIA ENDOSPORY TO SPORULACJA. Komórka bakterii w wyniku sporulacji staje się sporangium, w którym przetrwalnik, w zależności od gatunku zajmuje pozycję środkową albo mniej lub bardziej biegunową (cecha taksonomiczna). Ponieważ przetrwalniki te są często większe od komórki macierzystej, dojrzałe sporangia przyjmują kształt maczugi lub wrzeciona.

SPORULACJA Endospory powstają wewnątrz komórki bakteryjnej, a proces ich tworzenia rozpoczyna się, gdy warunki żywieniowe stają się niekorzystne (wyczerpanie źródła węgla lub azotu, lub obu jednocześnie).

I stadium:

Błona cytoplazmatyczna lekko uwypukla się do wnętrza komórki tworząc przegrodę.

II stadium:

DNA dzieli się na 2 części dając genofor sporangium i genofor prespory zlokalizowany bliżej bieguna komórki.

III stadium:

DNA prespory wraz z częścią cytoplazmy zostaje oddzielone, a następnie jest otaczane dwiema błonami cytoplazmatycznymi.

IV stadium:

Wewnętrzna błona tworzy ścianę komórkową przetrwalnika. Błona zewnętrzna daje do środka korteks. Zaczynają powstawać osłony białkowe wytwarzane przez komórkę macierzystą.

V stadium:

Zakończeniu ulega wytwarzanie korteksu oraz osłon białkowych. Materiał jądrowy ulega uporządkowaniu w pobliżu błony przetrwalnika.

VI stadium:

Przetrwalnik dojrzewa. Osłonki ulegają przemianom, które powodują, że stają się nieprzepuszczalne i ciepłooporne. Ustają przemiany metaboliczne, wejście w stan anabiozy.

VII stadium:

Uwolnienie endospory na skutek lizy sporangium.

BUDOWA PRZETRWALNIKA BAKTERYJNEGO

Rdzeń Cytoplazma otoczona błoną cytoplazmatyczną, czyli protoplast przetrwalnika. Zawiera chromosom i wszystkie struktury potrzebne do syntezy białek oraz wytwarzania energii na drodze glikolizy.

Ściana przetrwalnika Warstwa znajdująca się najbliżej na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Jest zbudowana z mureiny i po wykiełkowaniu endospory w komórkę wegetatywną staje się ścianą komórkową.

Korteks Najgrubsza warstwa osłony przetrwalnika, zbudowana z mureiny o mniejszej liczbie mostków poprzecznych niż ściana komórkowa. Zawiera kwas dipikolinowy. Jest bardzo wrażliwa na działanie lizozymu, a jego autoliza odgrywa rolę przy kiełkowaniu.

Płaszcz Wewnętrzny i zewnętrzny płaszcz endospory, zbudowany jest z białka kreatynopodobnego, z wieloma mostkami dwusiarczkowymi. Jest nieprzepuszczalny zapewniając dużą oporność na antybiotyki i środki dezynfekcyjne. Osłony te mogą stanowić do 50% objętości i 40-60% suchej masy endospory.

Egzosporium Występuje tylko u niektórych gatunków Bacillus błona lipoproteinowa, zawierająca niektóre węglowodany.

DROŻDŻE MORFOLOGIA I FIZJOLOGIA Drożdże nie stanowią homogennej grupy taksonomicznej. Są grzybami, ze względu na pokrewieństwo filogenetyczne i zdolność do rozmnażania na drodze generatywnej, zaliczanymi do 3 klas:

Klasa I: Ascomycetes Rozmnażają się generatywnie przez wytwarzanie zarodników wewnątrz worka (askospory) oraz wegetatywnie przez pączkowanie wieloboczne. Mogą formować grzybnię. Z wyjątkiem Schizosaccharomyces nie wytwarzają enzymu ureazy. Ściana komórkowa 3-warstwowa, z glukanu i mannanu. Nie wytwarzają pigmentu. Należą tu drożdże fermentujące i nie fermentujące sacharydów. Rodziny: Ascoidiaceae, Spermophtoraceae, Endomycetaceae, Schizosaccharomycetaceae, Saccharonycodaceae, Lipomycetaceae i Saccharomycetaceae.

Klasa II: Basidiomycetes Wytwarzają zarodniki podstawkowe (bazydiospory), formują dikariotyczną grzybnię, podzieloną septami. Wegetatywnie rozmnażają się przez pączkowanie biegunowe. Wytwarzają ureazę, nie fermentują sacharydów. Ścian komórkowa ma budowę włóknistą, czasami ze śluzowatą powierzchnią, zbudowana jest głównie z chityny i mannanu. Rzadko wytwarzają pigmenty. Rodziny: Filobasiadiaceae, Teliosporaceae, Sirobasidiaceae i Tremellaceae.

Klasa III: Deuteromycetes (Fungi imperfecti) Obejmuje gatunki drożdży, u których nie zaobserwowano cyklu rozmnażania płciowego i nie będące haploidalnymi przedstawicielami gatunków zarodnikujących. Mogą wykazywać cechy zarówno Ascomycetes, jak i Basiomycetes. Należą tu m.in. rodzaje Candida, Brettanomyces, Cryptococcus,Kloeckera,Trichosporon. Komórki drożdży nie zawierają chlorofilu, a więc nie są zdolne do przeprowadzania fotosyntezy. Są chemoorganotrofami. Mogą być albo saprofitami albo pasożytami. Są powszechne we wszystkich środowiskach, w których znaleźć można węglowodany oraz pH kształtuje się w zakresie 5-6. Wielkość i kształt komórek drożdży zależy od gatunku, fazy rozwojowej, stanu fizjologicznego, warunków środowiska (hodowli) i aktualnej funkcji komórki w populacji. Zwykle komórki mają 1 do 8 μm długości i 1 do 6 μm szerokości. Generalnie można wyróżnić 6 podstawowych kształtów, często charakterystycznych dla poszczególnych rodzajów: kulisty (Torulaspora, Rhodotorula), elipsoidalny, cytrynkowaty (Saccharomycodes, Nadsonia, Kloeckera, Hanseniaspora), butelkowaty (Pityrosporum), cylindryczny (Schizosaccharoyces) i nitkowaty.

BUDOWA KOMÓRKI DROŻDŻY

Ściana komórkowa drożdży ma budowę warstwową. Głównymi substancjami budulcowymi ściany są: białka, mannan i glukan. Zadaniem błony komórkowej jest m.in. utrzymanie odpowiedniego kształtu komórki. Cytoplazma w młodej komórce drożdżowej ma jednolitą strukturę i wypełnia całą objętość komórki. W miarę procesu starzenia cytoplazma staje się ziarnista, pojawiają się wodniczki wypełnione sokiem komórkowym (wodny roztwór soli organicznych, białek, cukrowców i innych związków).

Jądro komórkowe ma kształt owalny i średnicę około 2,5 μm. Charakteryzuje się gruzełkowatą strukturą, w jego skład wchodzą nukleoproteidy.

Substancje zapasowe są odkładane w cytoplazmie dojrzałych komórek drożdżowych w postaci:

-wolutyny — substancji o charakterze białkowym,

-glikogenu — węglowodanu, który gromadzi się w komórkach drożdży hodowanych na podłożach zawierających cukry, a jego obecność świadczy o dobrym odżywieniu komórek.

-tłuszczu — substancji zapasowej występującej w postaci kropli silnie załamujących światło, wypiera glikogenu komórek starych.

ROZMNAŻANIE DROŻDŻY

WEGETATYWNE Drożdże rozmnażają się wegetatywnie przez pączkowanie, podział (rozszczepienie) lub połączenie obu tych procesów. Przed tymi procesami następuje mitotyczny podział jądra, po nim zachodzi podział cytoplazmy. W wyniku tego procesu komórka potomna jest identyczna z komórką macierzystą. Pączkowanie jest najbardziej rozpowszechnione wśród drożdży i polega na wytworzeniu pączka na powierzchni komórki, który po osiągnięciu odpowiednich rozmiarów może się od niej oderwać. Na powierzchni obu komórek pozostają ślady po oderwaniu się pączka – tzw. blizny. Na komórce macierzystej może ich być ponad 30. Pączkowanie może być wielobiegunowe, gdy nowe pączki tworzą się na całej powierzchni komórki macierzystej, jednobiegunowe – na jednym biegunie komórki lub dwubiegunowe – na przeciwległych biegunach komórki. Rozszczepienie obserwuje się u Endomycetaceae i Schizosaccharomycetaceae, najpowszechniej występujące drożdże rozszczepkowe należą do rodzaju Schizosaccharomyces. Ich komórki są cylindryczne, przed podziałem rosną na długość, po czym na środku tworzy się przegroda, zamykająca dośrodkowo światło komórki. Następnie komórki się rozdzielają.

W niekorzystnych warunkach drożdże mogą też tworzyć różne formy przetrwalne. Należą tu m.in. blastospory, balistospory, chlamydospory, artrospory

...