Składniki strukturalne komórki bakteryjnej dzielą się na 2 typy:
- podstawowe struktury(ściana komórkowa, błona cytoplazmatyczna z jej pochodnymi, cytoplazma z rybosomami i różnymi inkluzjami, nukleoid);
- konstrukcje tymczasowe(torebka, błona śluzowa, wici, kosmki, przetrwalniki, które powstają tylko na określonych etapach cyklu życiowego bakterii).
Podstawowe struktury.
Ściana komórkowa znajduje się na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Błona cytoplazmatyczna nie jest częścią ściany komórkowej. Funkcje ściany komórkowej:
Ochrona bakterii przed szokiem osmotycznym i innymi szkodliwymi czynnikami;
Określanie kształtu bakterii;
Udział w metabolizmie bakterii.
Ściana komórkowa jest przesiąknięta porami, przez które transportowane są bakteryjne egzotoksyny. Grubość ściany komórkowej wynosi 10-100 nm. Głównym składnikiem ściany komórkowej bakterii jest peptydoglikan Lub mureina, składający się z naprzemiennych reszt N-acetylo-N-glukozaminy i kwasu N-acetylomuraminowego połączonych wiązaniami glikozydowymi.
W 1884 r. H. Gram zaproponował metodę barwienia bakterii fioletem goryczki, jodem, alkoholem etylowym i magentą. Wszystkie bakterie, w zależności od barwienia metodą Grama, dzielą się na 2 grupy: Gram-dodatnie i Gram-ujemne. Ściana komórkowa bakterii Gram-dodatnichściśle przylega do błony cytoplazmatycznej, jej grubość wynosi 20-100 nm. Zawiera kwasy teichojowe (polimery glicerolu lub rybitolu), a także niewielkie ilości polisacharydów, białek i lipidów. Ściana komórkowa bakterii Gram-ujemnych wielowarstwowy, jego grubość wynosi 14-17 nm. Warstwa wewnętrzna (peptydoglikan) tworzy cienką ciągłą siatkę. Warstwa zewnętrzna składa się z fosfolipidów, lipoprotein i białek. Białka błony zewnętrznej są ściśle związane z warstwą peptydoglikanu.
W pewnych warunkach bakterie są pozbawione zdolności do pełnej lub częściowej syntezy składników ściany komórkowej, w wyniku czego powstają protoplasty, sferoplasty i formy L bakterii. Sferoplasty to bakterie z częściowo zniszczoną ścianą komórkową. Występują u bakterii Gram-ujemnych. Protoplasty są formami całkowicie pozbawionymi ściany komórkowej. Wytwarzane są przez bakterie Gram-dodatnie. kształty L bakterie to mutanty bakteryjne, które częściowo lub całkowicie utraciły zdolność syntezy peptydoglikanu ściany komórkowej (bakterie z wadliwą ścianą komórkową). Wzięły swoją nazwę od nazwy Instytutu Listera w Anglii, gdzie zostały otwarte w 1935 roku.
Błona cytoplazmatyczna (CPM) i jej pochodne. Błona cytoplazmatyczna (plasmolemma) jest półprzepuszczalną strukturą lipoproteinową komórki bakteryjnej, która oddziela cytoplazmę od ściany komórkowej. Stanowi 8-15% suchej masy komórki. Jej zniszczenie prowadzi do śmierci komórki. Mikroskopia elektronowa ujawniła jego trójwarstwową strukturę. Błona cytoplazmatyczna jest kompleksem białek (50-75%) i lipidów (15-20%). Większość lipidów jest reprezentowana przez fosfolipidy. Ponadto w błonie stwierdzono niewielką ilość węglowodanów.
CPM bakterii spełnia następujące funkcje:
Funkcja bariery (molekularne „sito”);
Energia;
Selektywne przenoszenie różnych cząsteczek i jonów organicznych i nieorganicznych za pomocą specjalnych nośników - translokaz lub permeaz;
Replikacja i późniejszy podział chromosomu.
W procesie wzrostu komórki błona cytoplazmatyczna tworzy liczne wklęsłości (wklęsłości), tzw mezosomy.
Cytoplazma - Jest to zawartość komórki bakteryjnej, ograniczona przez błonę cytoplazmatyczną. Składa się z cytozolu i elementów strukturalnych.
Cytosol- frakcja jednorodna, w tym rozpuszczalne składniki RNA, enzymy, produkty przemiany materii.
Elementy konstrukcyjne- są to rybosomy, błony wewnątrzcytoplazmatyczne, inkluzje i nukleoidy.
Rybosomy- organelle, które przeprowadzają syntezę białek. Zbudowane są z białka i RNA. Są to granulki o średnicy 15-20 nm. Jedna komórka bakteryjna zawiera od 5 000 do 50 000 rybosomów. Rybosomy są miejscem syntezy białek.
W cytoplazmie prokariotów znajdują się różne inkluzje, reprezentujące substancje rezerwowe komórki. Z polisacharydów w komórkach osadza się glikogen, skrobia i substancja skrobiopodobna - ziarnista. Polifosforany zawarte są w granulkach tzw volutin, Lub metachromatyczny, ziarna.
nukleoid jest jądrem prokariota. Składa się z jednej dwuniciowej nici DNA, zamkniętej w pierścieniu, który jest uważany za chromosom bakteryjny. Nukleoid nie ma otoczki jądrowej.
Oprócz nukleoidu w komórce bakteryjnej znaleziono pozachromosomalne elementy genetyczne - plazmidy, które są małymi kolistymi cząsteczkami DNA zdolnymi do autonomicznej replikacji. Rola plazmidów polega na tym, że kodują one dodatkowe cechy, które dają komórce przewagę w określonych warunkach istnienia. Najczęstsze plazmidy, które określają oznaki antybiotykooporności bakterii (plazmidy R), syntezę enterotoksyn (plazmidy Ent) lub hemolizyn (plazmidy Hly).
DO konstrukcje tymczasowe obejmują kapsułkę, wici, pilusy, endospory bakterii.
Kapsuła - jest to warstwa śluzu pokrywająca ścianę komórkową bakterii. Substancja kapsułek składa się z nici polisacharydów. Kapsułka jest syntetyzowana na zewnętrznej powierzchni błony cytoplazmatycznej i jest uwalniana na powierzchnię ściany komórkowej w określonych obszarach.
Funkcje kapsułki:
Lokalizacja antygenów otoczkowych warunkujących wirulencję, specyficzność antygenową i immunogenność bakterii;
Ochrona komórek przed uszkodzeniami mechanicznymi, wysuszeniem, substancjami toksycznymi, infekcją fagami, działaniem czynników ochronnych makroorganizmu;
Zdolność komórek do przyczepiania się do podłoża.
wici - Są to narządy ruchu bakterii. Wici nie są żywotnymi strukturami i mogą, ale nie muszą, być obecne w bakteriach, w zależności od warunków wzrostu. Liczba wici i ich lokalizacja w różnych bakteriach nie jest taka sama. W zależności od tego wyróżnia się następujące grupy bakterii wiciowych:
- monotryczny- bakterie z jedną wicią polarną;
- amfitryczny- bakterie z dwoma polarnymi wiciami lub mające wiązkę wici na obu końcach;
- lofotryczny- bakterie, które mają wiązkę wici na jednym końcu komórki;
- peritrichous- bakterie z wieloma wiciami zlokalizowanymi po bokach komórki lub na całej jej powierzchni.
Skład chemiczny wici jest reprezentowany przez białko flagelina.
Struktury powierzchniowe komórki bakteryjnej obejmują również kosmki I pił. Struktury te biorą udział w adsorpcji komórek na podłożu (kosmki, pilusy wspólne) oraz w przenoszeniu materiału genetycznego (pilusy płciowe). Tworzą je specyficzne białka hydrofobowe pilin.
U niektórych bakterii w określonych warunkach powstają formy uśpione, które zapewniają przetrwanie komórek przez długi czas w niesprzyjających warunkach - endospory. Są odporne na niekorzystne czynniki środowiskowe.
Lokalizacja zarodników w komórce:
Centralny (czynnik sprawczy wąglika);
Subterminal - bliżej końca (czynnik sprawczy zatrucia jadem kiełbasianym);
Terminal - na końcu sztyftu (czynnik wywołujący tężec).
Nukleoid jest aparatem jądrowym bakterii. Reprezentowana przez cząsteczkę DNA odpowiadającą jednemu chromosomowi. Jest kołowo zamknięty, znajduje się w wakuoli jądrowej, nie ma błony i aparatu mitotycznego ograniczającego od cytoplazmy.
Niewielkie ilości polimerazy RNA i RNA są związane z DNA. DNA jest zwinięte wokół centralnego rdzenia RNA i ma wysoce uporządkowaną zwartą strukturę. Chromosomy większości prokariotów mają masę cząsteczkową w zakresie 1-3x109, stałą sedymentacji 1300-2000 S. Cząsteczka DNA zawiera 1,6x107 par nukleotydów. Różnice w aparacie genetycznym komórek prokariotycznych i eukariotycznych determinują jego nazwę: w pierwszym jest to nukleoid (formacja podobna do jądra), w przeciwieństwie do jądra w drugim.
Nukleoid bakterii zawiera główną informację dziedziczną, która jest realizowana w syntezie określonych cząsteczek białka. Systemy replikacji, naprawy, transkrypcji i translacji są związane z DNA komórki bakteryjnej.
Nukleoid w komórce prokariotycznej można wykryć w wybarwionych preparatach za pomocą mikroskopu świetlnego lub z kontrastem fazowym. Barwnik Felgena służy do barwienia substancji jądrowej, która specyficznie barwi DNA.
Metoda barwienia DNA Felgena
Rozmaz z hodowli bakterii utrwala się na 2-3 minuty alkoholem metylowym i umieszcza w zimnym 1% HCl na 1 minutę.
Poddano hydrolizie w temperaturze 60 0 C w 1% HCl przez 5-10 minut i przepłukano wodą destylowaną.
Rozmaz umieszcza się w odczynniku Schiffa na 40-60 minut, przemywa wodą wodociągową przez 2 minuty.
W wyniku oddziaływania wolnych grup aldehydowych z bezbarwną fuksyną, kwasem siarkawym, powstaje fioletowa barwa charakterystyczna dla zasadowej fuksyny.
W cytoplazmie wielu bakterii znaleziono pozachromosomalne elementy genetyczne, plazmidy. Są to dwuniciowe DNA zamknięte w pierścieniach, składające się z 1500-40 000 par zasad i zawierające do 100 genów.
Plazmidy mogą istnieć w komórce iw stanie zintegrowanym z chromosomem bakteryjnym, zachowując jednocześnie zdolność do przejścia do autonomii.
12 Budowa peptydoglikanu u bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych. Jego właściwości biologiczne i znaczenie dla komórki bakteryjnej.
Ściana komórkowa
Ściana komórkowa to zewnętrzna struktura bakterii o grubości 30-35 nm, której głównym składnikiem jest peptydoglikan (mureina). Peptydoglikan jest polimerem strukturalnym składającym się z naprzemiennych podjednostek -acetyloglukozaminy i kwasu acetylomuraminowego połączonych wiązaniami glikozydowymi (ryc. 2).
Równolegle położone łańcuchy polisacharydowe (glikanowe) są połączone ze sobą poprzecznymi mostkami peptydowymi (ryc. 3).
Szkielet polisacharydowy jest łatwo niszczony przez lizozym, antybiotyk pochodzenia zwierzęcego. Wiązania peptydowe są celem dla penicyliny, która hamuje ich syntezę i zapobiega tworzeniu się ściany komórkowej. Ilościowa zawartość peptydoglikanu wpływa na zdolność bakterii do barwienia wg Grama. Bakterie o znacznej grubości warstwy mureiny (90-95%) są trwale wybarwione fioletem goryczki na niebiesko-fioletowy kolor i nazywane są bakteriami Gram-dodatnimi. Bakterie Gram-ujemne z cienką warstwą peptydoglikanu (5-10%) w ścianie komórkowej po działaniu alkoholu tracą fiolet gencjanowy i dodatkowo wybarwiają się na kolor magenta na różowo. Ściany komórkowe Gram-dodatnich i Gram-ujemnych prokariotów różnią się znacznie zarówno składem chemicznym (tabela 1), jak i ultrastrukturą (ryc. 4).
Oprócz peptydoglikanu ściana komórkowa bakterii Gram-dodatnich zawiera kwasy teichojowe (TA), lipidy, polisacharydy i białka w mniejszej ilości.
MEMBRANA CYTOPLAZMATYCZNA (CPM)
CPM o grubości 7-10 nm otacza cytoplazmę komórki bakteryjnej i składa się z podwójnej warstwy fosfolipidów, lipidów obojętnych, glikolipidów itp., których zadaniem jest utrzymanie mechanicznej stabilności CPM i nadanie mu właściwości hydrofobowych.
Białka błonowe (integralne i obwodowe ) asymetrycznie zawarte w dwuwarstwie fosfolipidów, dzielą się na strukturalne i funkcjonalne (enzymy).
Funkcje CPM:
1) wewnętrzna bariera osmotyczna regulująca selektywne wchodzenie do komórki i uwalnianie różnych substancji na zewnątrz,
2) funkcja transportowa;
3) aktywność biosyntetyczna;
4) funkcje energetyczne i oddechowe;
5) przyłączenie chromosomu i plazmidów.
Z inwazją CPM, wewnątrzkomórkową formacje błonowe - mezosomy:
- blaszkowaty (lamelarny),
- rurowy (rurowy),
- pęcherzykowy,
- mieszane.
Według lokalizacji w komórce mezosomalnej:
1) obwodowy,
2) jądrowe (nukleidosomy),
3) pojawiające się.
STRUKTURY WEWNĄTRZKOMÓRKOWE BAKTERII
Rybosomy(70S składają się z RNA (60-65%) i białka (35-40%), są miejscem syntezy białek.
Chromatofory u bakterii fotosyntetyzujących w postaci kanalików, pęcherzyków, płytek z podwójną błoną - tylakoidy.
chlorosom - podłużne struktury, w których znajdują się bakteriochlorofile.
Fikobilisomy- półkuliste lub pałeczkowate granulki znajdujące się na błonach fotosyntetycznych zawierają rozpuszczalne w wodzie pigmenty - fikobiliproteiny.
Karboksysomy(lub ciała wielościenne) - inkluzje cztero- lub sześcioboczne zawierają enzym karboksylazę difosforanu rybulozy.
Pęcherzyki gazowe (lub aerosomy) składają się z pęcherzyków gazu i są regulatorami wyporu bakterii wodnych.
magnetosomy ubakterie z magnetotaksją.
INTRACYTOPLAZMATYCZNE WŁĄCZENIA BAKTERII
Cytoplazma -środowisko, które wiąże struktury wewnątrzkomórkowe w jeden system. Cytosol- półpłynna masa koloidalna wody (70-80%), RNA, enzymy.
Substancje zapasowe powstaje w komórce w wyniku metabolizmu. Ze względu na konsystencję dzielą się na płynne (poli-β-hydroksymaślan), półpłynne (siarka) i stałe (glikogen):
1. Bezazotowe organiczne substancje rezerwowe
2. Ziarniniak
3. Glikogen
4. Granulki węglowodorowe
5. Kwas poli-β-hydroksymasłowy (poli-β-hydroksymaślan) występujący tylko u prokariotów
6. Polifosforany (wolutyna lub granulki metachromatyny)
7. Wtrącenia siarki
8. Wtrącenia węglanu wapnia
9. Inkluzje parasporalne
APARAT GENETYCZNY BAKTERII
nukleoid
Cechy aparatu genetycznego prokariotów:
1) jądra bakteryjne nie mają błony jądrowej, a DNA ma kontakt z cytoplazmą;
2) nie ma podziału na chromosomy, a nić DNA nazywana jest chromosomem bakteryjnym;
3) nie ma mitozy i mejozy.
Nazywa się aparat jądrowy bakterii jądro bakteryjne lub nukleoid.
Chromosom bakteryjny w postaci zamkniętego pierścienia to gigantyczna superskręcona cząsteczka DNA niezwiązana z histonami. Replikacja DNA jest semikonserwatywna.
W cytoplazmie - liniowe lub koliste cząsteczki pozachromosomalnego DNA – plazmidy (determinanty pozachromosomalne), otwarty - zrelaksowany, Zamknięte - superskręcony.
Podstawowe właściwości plazmidów bakteryjnych:
- zdolność do autonomicznej replikacji. plazmidy ze ścisłą kontrolą replikacji I osłabiony,
- koniugatywność (przekazywalność) - zdolność do samoprzekazywania,
– integralność,
- niezgodność
- wykluczenie powierzchowne,
- zakaźność,
– cechy fenotypowe, jakie nadają bakteriom: oporność na antybiotyki, kationy, aniony, mutageny, bakteriocyny. Komórki z plazmidami są zdolne do powodowania biodegradacji substancji, syntetyzowania bakteriocyn, hemolizyny, fibrynolizyny, toksyn, antygenów, antybiotyków, insektycydów, barwników, antygenów powierzchniowych; nabyć umiejętność koniugacji; wywoływać nowotwory u roślin; przeprowadzić restrykcję i modyfikację DNA.
Plazmidy mogą łączyć się ze sobą lub z DNA faga, tworząc kointegruje się. Jedna komórka może zawierać kilka rodzajów plazmidów. Jeśli plazmidy nie mogą współistnieć w tej samej komórce, nazywa się je niekompatybilny.
Według lokalizacji:
1) autonomiczny,
2) zintegrowane są reprodukowane jednocześnie z chromosomem bakteryjnym - episomy.
plazmidy:
1) przenoszone (plazmidy F i R), przenoszone podczas koniugacji;
2) nieprzepuszczalny.
Funkcje plazmid:
1. Regulatory kompensują defekty metaboliczne poprzez integrację z uszkodzonym genomem.
2. Kodery wprowadzają do komórki nowe informacje genetyczne.
Typy plazmidów:
1. Plazmidy F kontrolują syntezę pigułek F podczas koniugacji.
2. Plazmidy R - czynnik oporności wielolekowej.
3. Plazmidy niekoniugatywne.
4. Plazmidy bakteriocynogenne - zdolność bakterii do wytwarzania określonych substancji ( kolicyny Lub bakteriocyny) które powodują śmierć bakterii filogenetycznie spokrewnionych gatunków.
5. Plazmidy chorobotwórcze kontrolują właściwości wirulencji.
6. Ukryte (tajemnicze) plazmidy.
7. Biodegradacja plazmidu.
Plazmidy bakteryjne są obiektami do badania replikacji i transkrypcji DNA, są wykorzystywane w inżynierii genetycznej i hodowli drobnoustrojów.
Migrujące elementy genetyczne to pojedyncze odcinki DNA, które dokonują własnego transferu (transpozycji) w obrębie genomu. Ich rodzaje:
1. Sekwencje insercyjne (elementy IS).
2. Transpozony (elementy Tn).
3. Umiarkowane lub wadliwe bakteriofagi.
Strukturę bakterii bada się za pomocą mikroskopii elektronowej całych komórek i ich ultracienkich skrawków. Głównymi strukturami komórki bakteryjnej są: ściana komórkowa, błona cytoplazmatyczna, cytoplazma z inkluzjami oraz jądro, zwane nukleoidem. Bakterie mogą mieć również dodatkowe struktury: otoczkę, mikrokapsułkę, śluz, wici, fimbrie, pilusy; Niektóre bakterie są zdolne do tworzenia przetrwalników.
Bakterie są mierzone w mikrometrach (µm). Jeden mikrometr to 1000 nanometrów (nm). Poszczególne składniki bakterii są mierzone w nanometrach.
Ściana komórkowa jest mocną, elastyczną strukturą, która nadaje bakteriom określony kształt i ogranicza wysokie ciśnienie osmotyczne w komórce. Bierze udział w procesie podziału komórek i transporcie metabolitów. Bakterie Gram-dodatnie mają grubszą ścianę komórkową niż bakterie Gram-ujemne, osiągając 50 nm lub więcej. Ściana komórkowa bakterii Gram-dodatnich zawiera niewielką ilość polisacharydów, lipidów i białek. Większość masy (40-90%) ściany komórkowej tych bakterii stanowi peptydoglikan (synonimy: mureina, mukopeptyd), związany kowalencyjnie z kwasami teichojowymi (z gr. teichos – ściana). Ściana komórkowa bakterii Gram-ujemnych zawiera mniej peptydoglikanu (5-10%).
Ryc.2.2. Struktura Gram-dodatnich (a) i Gram-ujemnych (b)
bakterie (schemat).
K - kapsułka; CS - ściana komórkowa; NM - membrana zewnętrzna; PG, peptydoglikan; CM - błona cytoplazmatyczna; M - mezosomy; P - rybosom; B - wolutina; H - nukleoid; F - wici; P - pił; PD - przegroda podziału. Strzałka wskazuje podział bakterii Gram-ujemnych przez tworzenie przewężeń.
Peptydoglikan jest reprezentowany przez równoległe cząsteczki glikanu, składające się z reszt N-acetyloglukozaminy i kwasu N-acetylomuraminowego połączonych wiązaniem glikozydowym p(1->4). Cząsteczki glikanów są połączone krzyżowymi wiązaniami peptydowymi. Stąd nazwa tego polimeru – peptydoglikan. Podstawą wiązania peptydowego są tetrapeptydy składające się z naprzemiennych L- i D-aminokwasów, na przykład L-alanina - kwas D-glutaminowy - kwas mezodiaminopimelinowy - D-alanina. Peptydoglikan bakterii Gram-dodatnich często zawiera kwas LL-diaminopimelinowy lub lizynę zamiast kwasu mezodiaminopimelinowego. Elementy glikanowe (acetyloglukozamina i kwas acetylomuraminowy) oraz aminokwasy tetrapeptydowe (kwasy mezodiaminopimelinowy i D-glutaminowy, D-alanina) są charakterystyczną cechą bakterii, ponieważ nie występują u zwierząt i ludzi. Zdolność bakterii Gram-dodatnich do zatrzymywania fioletu goryczki w połączeniu z jodem (niebiesko-fioletowy kolor bakterii) podczas barwienia metodą Grama jest związana z właściwością wielowarstwowego peptydoglikanu do interakcji z barwnikiem. Traktowanie rozmazu bakterii barwionego metodą Grama alkoholem powoduje zwężenie porów w peptydoglikanie, a tym samym zatrzymuje zabarwienie w ścianie komórkowej. Przeciwnie, bakterie Gram-ujemne tracą barwnik po ekspozycji na alkohol, odbarwiają się i czerwienieją po potraktowaniu fuksyną ze względu na niższą zawartość peptydoglikanu (5-10% masy ściany komórkowej).
Ściana komórkowa bakterii Gram-ujemnych zawiera błonę zewnętrzną (ryc. 2.2) połączoną lipoproteiną z leżącą pod spodem warstwą peptydoglikanu. Błona zewnętrzna ma wygląd falistej, trójwarstwowej struktury, podobnej do błony wewnętrznej, zwanej błoną cytoplazmatyczną. Głównym składnikiem tych błon jest dwucząsteczkowa (podwójna) warstwa lipidów. Błona zewnętrzna to asymetryczna mozaikowa struktura reprezentowana przez lipopolisacharydy, fosfolipidy i białka. Na zewnątrz znajduje się lipopolisacharyd (LPS), składający się z trzech składników: lipidu A, części podstawowej, czyli rdzenia (z łac. Lipopolisacharyd jest „zakotwiczony” w zewnętrznej błonie lipidoma (ryc. 2.3), co nadaje toksyczność lipopolisacharydowi, który jest zatem identyfikowany z endotoksyną. Lipid A opuszcza podstawową część lipopolisacharydu. Najbardziej stałą częścią rdzenia lipopolisacharydowego jest kwas ketodeoksyoktonowy. Łańcuch O-specyficzny rozciągający się od rdzenia lipopolisacharydu określa grupę serologiczną, odmianę serologiczną (rodzaj bakterii wykrywany za pomocą surowicy odpornościowej) określonego szczepu bakterii. Tak więc koncepcja lipopolisacharydu jest związana z ideami dotyczącymi antygenu O, według którego można różnicować bakterie.
Ryc.2.3. Budowa ściany komórkowej i błony cytoplazmatycznej bakterii Gram-ujemnych (schemat).
JI - lipid; P - białko; LPS to lipopolisacharyd.
Białka macierzy błony zewnętrznej wnikają w nią w taki sposób, że cząsteczki białek zwane porinami graniczą z hydrofilowymi porami, przez które przechodzą woda i małe cząsteczki o masie do 7 kD. Pomiędzy błoną zewnętrzną i cytoplazmatyczną znajduje się przestrzeń peryplazmatyczna lub peryplazma, zawierająca enzymy. Kiedy synteza ściany komórkowej bakterii zostaje zaburzona pod wpływem enzymu lizozymu lub penicyliny, a także czynników ochronnych organizmu, powstają komórki o zmienionym, często kulistym kształcie; protoplasty to bakterie bez ściany komórkowej, a sferoplasty to bakterie z częściowo zachowaną ścianą komórkową. Po usunięciu inhibitora syntezy ściany komórkowej, tak zmienione bakterie mogą się odwrócić, czyli uzyskać pełnoprawną ścianę komórkową i przywrócić jej pierwotny kształt. Bakterie typu sferoplastów lub protoplastów, które utraciły zdolność syntezy peptydoglikanu pod wpływem antybiotyków lub innych czynników i są zdolne do rozmnażania, nazywane są formami L. Formy L mogą również powstać w wyniku mutacji. Są to wrażliwe osmotycznie, kuliste, kolbowate komórki o różnej wielkości, w tym przechodzące przez filtry bakteryjne. Formy L mogą tworzyć wiele bakterii wywołujących choroby zakaźne.
Błona cytoplazmatyczna jest strukturą trójwarstwową i otacza zewnętrzną część cytoplazmy bakteryjnej. W strukturze jest podobny do błony cytoplazmatycznej komórek zwierzęcych; składa się z podwójnej warstwy lipidów, głównie fosfolipidów, z wbudowanymi białkami powierzchniowymi i integralnymi, jakby przenikającymi przez strukturę błony. Niektóre z nich to permeazy biorące udział w transporcie substancji. Błona cytoplazmatyczna jest strukturą dynamiczną z elementami ruchomymi, dlatego też przedstawiana jest jako struktura ruchoma, płynna. Bierze udział w regulacji ciśnienia osmotycznego, transporcie substancji i metabolizmie energetycznym komórki (za sprawą enzymów łańcucha transportu elektronów, ATPazy itp.).
Przy nadmiernym wzroście w stosunku do wzrostu ściany komórkowej, błona cytoplazmatyczna tworzy inwazje, tj. wklęsłości w postaci kompleksowo skręconych struktur membranowych zwanych mezosomami. Mniej złożone skręcone struktury nazywane są błonami wewnątrzcytoplazmatycznymi. Rola mezosomów i błon wewnątrzcytoplazmatycznych nie została w pełni wyjaśniona. Uważa się, że biorą udział w podziale komórkowym, dostarczaniu energii do syntezy ściany komórkowej, wydzielaniu substancji, tworzeniu zarodników, czyli w procesach, którym towarzyszy duży wydatek energetyczny.
Cytoplazma bakterii zajmuje większość komórki i składa się z rozpuszczalnych białek. Rybosomy bakteryjne mają współczynnik sedymentacji 70 S, w przeciwieństwie do rybosomów charakterystycznych dla komórek eukariotycznych (80 S). Dlatego niektóre antybiotyki, których działanie polega na hamowaniu syntezy białek poprzez wiązanie ich z rybosomami bakteryjnymi, nie wpływają na syntezę białek w komórkach eukariotycznych. W cytoplazmie znajdują się różne inkluzje - polisacharydy, kwas polimasłowy i polifosforany (wolutyna). Kumulują się wraz z nadmiarem składników pokarmowych w środowisku i pełnią rolę substancji rezerwowych dla potrzeb żywieniowych i energetycznych. Ziarna wolutyny są wykrywane w prątku błonicy w postaci intensywnie wybarwionych biegunów komórki.
Nukleoid (formacja podobna do jądra) jest odpowiednikiem jądra u bakterii. Nukleoid znajduje się w centralnej strefie bakterii w postaci dwuniciowego DNA, zamkniętego w pierścieniu i ciasno upakowanego jak zwój. W przeciwieństwie do eukariontów jądro bakterii nie ma błony jądrowej, jąderka i podstawowych białek (histonów). Zwykle komórka bakteryjna zawiera jeden chromosom, reprezentowany przez cząsteczkę DNA zamkniętą w pierścieniu. Jeśli podział jest zaburzony, może zawierać 4 lub więcej chromosomów.
Nukleoid jest wykrywany pod mikroskopem świetlnym po wybarwieniu specyficznymi dla DNA metodami według Feulgena lub Giemsy. Na wzorach dyfrakcji elektronów ultracienkich skrawków bakterii nukleoid ma postać jasnych stref z włóknistymi, nitkowatymi strukturami DNA.
Oprócz nukleoidu reprezentowanego przez jeden chromosom, komórka bakteryjna zawiera pozachromosomalne czynniki dziedziczności - plazmidy (patrz rozdział 5.2).
Niektóre bakterie (pneumokoki, Klebsiella itp.) tworzą kapsułkę - formację śluzową, mocno związaną ze ścianą komórkową, z wyraźnie określonymi granicami zewnętrznymi. Kapsułka jest rozpoznawalna w rozmazach-odciskach z materiału patologicznego. W czystych kulturach bakterii kapsułka tworzy się rzadziej. Jest wykrywany za pomocą specjalnych metod barwienia, które tworzą negatywny kontrast substancji kapsułki. Zwykle kapsułka składa się z polisacharydów (egzopolisacharydów), czasami polipeptydów, na przykład w prątku wąglika. Kapsułka jest hydrofilowa, zapobiega fagocytozie bakterii. Wiele bakterii tworzy mikrokapsułki, śluzowatą formację, którą można zobaczyć pod mikroskopem elektronowym. Śluz należy odróżnić od kapsułki - śluzowatych egzopolisacharydów, które nie mają wyraźnych granic zewnętrznych. Egzopolisacharydy bakteryjne biorą udział w adhezji (przyklejaniu się do podłoża), nazywane są także glikokaliksem.
Oprócz faktu, że egzopolisacharydy bakteryjne są syntetyzowane przez bakterie poprzez wydzielanie ich składników, istnieje inny mechanizm ich powstawania - pod działaniem enzymów zewnątrzkomórkowych na disacharydy. W rezultacie powstają dekstrany i lewany. Torebka i śluz chronią bakterie przed uszkodzeniem, wysychaniem, ponieważ są hydrofilowe i dobrze wiążą wodę oraz zapobiegają działaniu czynników ochronnych makroorganizmów i bakteriofagów.
Wici bakteryjne determinują ich ruchliwość. Wici to cienkie włókna pochodzące z błony cytoplazmatycznej; ich długość jest większa niż długość komórki. Grubość wici wynosi 12-20 nm, długość 3-12 mikronów. Liczba wici u bakterii różnych gatunków waha się od jednej (monotrich) u Vibrio cholerae do dziesięciu lub setek wici rozciągających się wzdłuż obwodu bakterii (peritrich), u Escherichia coli, Proteus itp.
Ryc.2.4. Escherichia coli. elektronogram.
ja - wici; 2 - kosmki; 3 - F-pił z zaadsorbowanymi sferycznymi bakteriofagami (przygotowanie V.S. Tyurina).
ja mm"
Lophotrichous mają wiązkę wici na jednym końcu komórki, amphitrichos mają jedną wici lub wiązkę wici na przeciwległych końcach komórki. Wici są przymocowane do błony cytoplazmatycznej i ściany komórkowej za pomocą specjalnych dysków. Zgodnie ze składem chemicznym wici składają się z białka - flageliny (z angielskiej wici - wici), która ma specyficzność antygenową. Podjednostki flageliny są zwinięte. Wici są wykrywane za pomocą mikroskopii elektronowej preparatów spryskanych metalami ciężkimi (ryc. 2.4) lub w mikroskopie świetlnym po obróbce preparatów specjalnymi metodami (np. po srebrzenie).
Fimbriae i pilusy to formacje nitkowate (patrz ryc. 2.4), cieńsze i krótsze (3-20 nm * 0,3-10 mikronów) niż wici. Fimbrie wystają z powierzchni komórki i składają się z białka zwanego piliną. Wśród fimbrii różnych typów, fimbrie są odpowiedzialne za adhezję, czyli przyczepianie się bakterii do zaatakowanej komórki (np. pilusy 1 wspólnego typu - pilusy wspólne); fimbria odpowiedzialna za odżywianie, metabolizm wody i soli; seksualny (F-pił) lub koniugacyjny, pił. Pili typu ogólnego są liczne i osiągają kilkaset w jednej komórce. Określenie „pili” jest częściej używane w odniesieniu do specjalnych pilusów - pilusów płciowych, utworzonych przez tzw. męskie komórki dawcy zawierające przenośne plazmidy (F, R, Col); ich liczba wynosi 1-2 na komórkę. Charakterystyczną cechą pilusów płciowych jest interakcja ze specjalnymi „męskimi” kulistymi bakteriofagami.
Zarodniki to specyficzna forma uśpionych bakterii Firmicute, czyli bakterii o Gram-dodatnim typie budowy ściany komórkowej. Zarodniki powstają w niesprzyjających warunkach dla istnienia bakterii, czemu towarzyszy wysychanie, niedobory składników odżywczych itp. W tym przypadku jeden zarodnik tworzy się wewnątrz jednej bakterii. Dlatego tworzenie zarodników przyczynia się do zachowania gatunku i nie jest metodą rozmnażania, jak w przypadku grzybów. Bakterie tlenowe tworzące przetrwalniki, w których wielkość przetrwalników nie przekracza średnicy komórki, nazywane są pałeczkami, a bakterie beztlenowe przetrwalnikujące, w których wielkość przetrwalników przekracza średnicę komórki i dlatego przybierają postać wrzeciona, nazywane są Clostridium (z łac. Clostridium - wrzeciono).
Proces sporulacji przebiega przez szereg etapów, podczas których część cytoplazmy i chromosom są oddzielane, otoczone błoną cytoplazmatyczną; tworzy się prospora, następnie tworzy się wielowarstwowa słabo przepuszczalna otoczka. Zarodnikowaniu towarzyszy intensywne spożywanie przez prosporę, a następnie formowanie otoczki zarodników kwasu dipikolinowego i jonów wapnia. Po utworzeniu wszystkich struktur zarodnik uzyskuje stabilność termiczną, co jest związane z obecnością dipikolinianu wapnia. Zarodnikowanie, kształt i umiejscowienie zarodników w komórce (wegetatywne) to cecha gatunkowa bakterii, która umożliwia ich odróżnienie. Kształt sporu może być owalny, kulisty; lokalizacja w komórce jest końcowa - na końcu pałeczki (czynnik sprawczy tężca), podterminalna - bliżej końca patyka (czynniki sprawcze zatrucia jadem kiełbasianym, zgorzel gazowa) i centralna (bałteria wąglika).
Specyficzne elementy zarodnika, w tym wielowarstwowa otoczka i dipikolinian wapnia, decydują o jego właściwościach: może utrzymywać się w glebie przez długi czas, na przykład patogeny wąglika i tężca - przez dziesięciolecia. W sprzyjających warunkach kiełkują w trzech etapach: aktywacji, inicjacji, wzrostu. W tym przypadku jedna bakteria powstaje z jednego zarodnika. Aktywacja - gotowość do kiełkowania. Przyspiesza po podgrzaniu do temperatury 60-80 ° C. Inicjacja kiełkowania trwa kilka minut. Wzrost charakteryzuje się szybkim wzrostem, któremu towarzyszy zniszczenie skorupy zarodników i uwolnienie sadzonki.
Każdy, kto miał do czynienia z niszczeniem komórek bakteryjnych w łagodnych warunkach, na przykład lizozymem lub detergentami, zauważył niezwykły obraz przemiany łatwo poruszającej się zawiesiny komórek bakteryjnych w lepką galaretowatą masę, której proste wymieszanie wymaga wysiłek. Wynika to z faktu, że zwarto upakowane olbrzymie chromosomy komórek bakteryjnych (długość chromosomalnego DNA E. coli wynosi około 4,6 mln pz) po zniszczeniu błony komórkowej przedostają się do środowiska i są w nim swobodnie rozprowadzane. W lizatach komórek bakteryjnych ich DNA jest silnie związane z białkami, których uwolnienie wymaga wielokrotnych deproteinizacji fenolowych. Tak prosty eksperyment wyraźnie wskazuje, że w komórkach bakteryjnych ich pojedynczy chromosom jest silnie zagęszczony i prawdopodobnie przestrzennie uporządkowany.
Badanie mikroskopem elektronowym skrawków komórek bakteryjnych wykazało zwartą dystrybucję DNA w komórce bakteryjnej. Ponieważ takie struktury przypominały jądra eukariontów, nazwano je nukleoidami lub plazmowym DNA. Nukleoidy są przedstawione jako rozproszone zabarwione regiony wolne od rybosomów (ryc. I.1a). W tym przypadku wydłużone odcinki DNA na zewnętrznej części nukleoidów są kierowane do otaczającej cytoplazmy. Za pomocą swoistych przeciwciał stwierdzono, że cząsteczki polimerazy RNA, topoizomerazy DNA I i histonopodobnego białka HU są związane z nukleoidami. Rozszerzone regiony DNA wzdłuż obrzeży nukleoidów są zwykle interpretowane jako segmenty chromosomu bakteryjnego zaangażowane w transkrypcję. Regiony te składają się z pętli DNA chromosomu bakteryjnego, które w zależności od stanu fizjologicznego komórki znajdują się w stanie aktywnym transkrypcyjnie lub są wciągane do nukleoidów, gdy transkrypcja jest tłumiona.
Model funkcjonalnie aktywnego nukleoidu autorstwa A. Reitera i A. Chang pokazano na ryc. I.1, b. Rozproszona struktura powierzchni nukleoidów, widoczna pod mikroskopem elektronowym, odzwierciedla ruchomy stan aktywnie transkrybowanych pętli DNA. W tym modelu można prześledzić analogię ze strukturą chromosomów, takich jak szczotki do lamp u zwierząt.
Nukleoid komórki bakteryjnej nie jest statyczną formacją wewnątrzkomórkową ani przedziałem, który można jasno zdefiniować morfologicznie. Podczas różnych faz wzrostu komórek bakteryjnych nukleoid nieustannie zmienia kształt, co jest związane z aktywnością transkrypcyjną niektórych genów bakteryjnych. Podobnie jak w chromosomach eukariotycznych, nukleoidowy DNA jest związany z wieloma białkami wiążącymi DNA, w szczególności z białkami histonopodobnymi HU, H-NS i IHF oraz topoizomerazami, które mają ogromny wpływ na funkcjonowanie chromosomów bakteryjnych i ich zagęszczenie wewnątrzkomórkowe. Szczegółowe mechanizmy molekularne kondensacji bakteryjnego DNA w celu utworzenia nietrwałych „kompaktosomów” (podobnych do stabilnych nukleosomów eukariotycznych) są nieznane.
Wzrasta zainteresowanie bakteryjną tzw. LP-chromatyną (low protein chromatin), która charakteryzuje się stosunkowo niską zawartością składnika białkowego. Podobną chromatynę LP można znaleźć w wirusach, mitochondriach, plastydach i wiciowcach (wiciowce).