Funkcije celične stene so, da:
Je osmotska pregrada
Določa obliko bakterijske celice,
Ščiti celico pred vplivi okolja,
Nosi različne receptorje, ki olajšajo pritrditev fagov, kolicinov in različnih kemičnih spojin,
Skozi celično steno v celico vstopajo hranila in sproščajo se presnovni produkti,
O-antigen je lokaliziran v celični steni in z njim je povezan endotoksin (lipid A) bakterij.
V bakterijah obstajata dve vrsti strukture celične stene. V obeh primerih temelji na peptidoglikanu mureinu. Pri nekaterih bakterijah (tip 1) predstavlja do 90 % mase celične stene in tvori večplastno (do 10 plasti) ogrodje, medtem ko je murein kovalentno vezan na teihojske kisline. Takšne bakterije, ko so obarvane z metodo po Gramu, trdno zadržijo kompleks encijan vijolice in joda; obarvajo se modro-vijolično in jih imenujemo grampozitivne.
Pri bakterijah s strukturo celične stene tipa 2 se plast lipopolisaharidov nahaja na vrhu 2–3 plasti murein peptidoglikana. Te bakterije, ko so obarvane z metodo po Gramu, ne morejo trdno zadržati kompleksa encijanove vijolice in joda in so zato razbarvane z alkoholom, obarvane z dodatnim barvilom - magenta v roza-rdeči barvi. Imenujejo se po Gramu negativni.
Zaradi razlik v strukturi celične stene so vse bakterije razdeljene v 4 dele:
Gracilicutes so bakterije s tanko celično steno, po Gramu negativne, mednje sodijo različne zavite, paličaste, kokalne oblike bakterij, pa tudi rikecije in klamidije;
Firmikute so bakterije z debelo celično steno, gram-pozitivne, mednje sodijo paličaste, kokalne oblike bakterij, pa tudi aktinomicete, korinebakterije in mikobakterije;
Tenericutes so bakterije brez toge celične stene (mikoplazma);
Mendosicutes so arhebakterije, za katere je značilna okvarjena celična stena, strukturne značilnosti ribosomov, membran in ribosomske RNA. Ta skupina bakterij nima medicinskega pomena.
Iz katere koli bakterijske celice je mogoče dobiti oblike, ki so popolnoma ali delno brez celične stene. Imenujejo se protoplasti oziroma sferoplasti in imajo, ne glede na začetni morfološki tip bakterije, zaradi odsotnosti celične stene sferično ali hruškasto obliko. Poleg tega obstajajo L-oblike bakterij, ki so za razliko od protoplastov in sferoplastov sposobne razmnoževanja, saj so popolnoma polnopravne mikrobne celice te vrste bakterij. L-oblike različnih bakterijskih vrst se morfološko ne razlikujejo. Ne glede na obliko prvotne celice (koki, paličice, vibrioni) so kroglaste tvorbe različnih velikosti. Obstajajo stabilne L-oblike, ki se ne vrnejo v prvotni morfotip, in nestabilne L-oblike, ki se vrnejo v prvotne, ko je odpravljen vzrok, ki je povzročil njihov nastanek. Med procesom reverzije se obnovi sposobnost bakterij, da sintetizirajo peptidoglikan (murein) celične stene. L-oblike različnih bakterij igrajo pomembno vlogo v patogenezi številnih kroničnih, ponavljajočih se nalezljivih bolezni (bruceloza, tuberkuloza, sifilis, kronična gonoreja itd.).
3. Citoplazemska membrana
Ob celični steni bakterij meji citoplazemska membrana, katere zgradba je podobna membranam evkariontov (sestoji iz dvojne plasti lipidov, predvsem fosfolipidov z vgrajenimi površinskimi in integralnimi proteini). Zagotavlja:
Selektivna prepustnost in transport topnih snovi v celico,
Prenos elektronov in oksidativna fosforilacija,
Izolacija hidrolitskih eksoencimov, biosinteza različnih polimerov.
Citoplazemska membrana omejuje bakterijsko citoplazmo, ki je zrnate strukture. Ribosomi in bakterijski nukleoid so lokalizirani v citoplazmi, lahko vsebuje tudi vključke in plazmide (ekstrakromosomska DNA). Poleg obveznih struktur imajo lahko bakterijske celice spore.
Vprašanje 3. Neobvezne strukturne komponente bakterijske celice
1. Polemika
Palice, ki tvorijo spore, imenujemo bacili.
Bakterijske spore so bakterijske celice v stanju anabioze in nastanejo v neugodnih okoljskih razmerah (nahajajo se terminalno, subterminalno ali centralno znotraj celice).
V procesu sporulacije celica skoraj popolnoma izgubi vodo, se skrči, celična stena pa postane gostejša. Pojavi se nova snov - kalcijev dipikolinat, ki tvori komplekse s celičnimi biopolimeri, odpornimi na temperaturo in ultravijolične žarke. V okolju lahko bakterijske spore vztrajajo več let, ko pa so izpostavljene ugodnim pogojem, spore absorbirajo vlago, kompleksi razpadejo, dipikolinat se uniči in spora se spremeni v vegetativno celico.
Tako spore ne bi smeli obravnavati kot način razmnoževanja, temveč le kot obliko obstoja bakterijske celice v neugodnih razmerah. V tem primeru transformacije potekajo po naslednji shemi: 1 celica - 1 spora - 1 celica in ne pride do povečanja števila bakterijskih celic.
Sporulacija je značilna predvsem za gram-pozitivne bakterije. Pri gramnegativnih bakterijah je enakovreden sporulaciji prehod v tako imenovano nekulturno stanje. V tej obliki tudi dolgo vztrajajo v okolju.
Pri barvanju po Gramu spore ne zaznavajo barvil, zato so brezbarvne na barvnem ozadju. Spore se obarvajo s posebnimi metodami obarvanja, na primer po Orzeshku ali Kleinu.
2. Flagella
Veliko bakterij ima flagele. Njihovo število in lokacija se med različnimi bakterijami razlikujeta. Monotrihije imajo samo en biček (rod Vibrio), lofotrihije imajo snop bičkov na enem polu celice (rod Pseudomonas), pri amfitrihijah pa se bički (en ali snop) nahajajo na obeh polih celice (rod Spirillum), in v peritrihiji - po celotni površini ( rod Escherichia, Salmonella ).
Bički so po svoji zgradbi spiralno zaviti filamenti, sestavljeni iz specifičnega proteina flagelina, ki po svoji strukturi spada med kontraktilne proteine, kot je miozin.
Pri barvanju z barvanjem po Gramu bički niso vidni. Mobilnost bakterije lahko preučujemo z mikroskopskimi metodami (fazno-kontrastna mikroskopija "visečih" ali "zdrobljenih" kapljicnih pripravkov) ali z inokulacijo v poltekoči agar ali posebno gojišče - Peškovo medij.
3. Resice
Na površini številnih bakterij so bile najdene beljakovinske tvorbe - resice (fimbrije, pili). Fimbrije segajo od površine celice in so narejene iz beljakovine, imenovane pilin. Obstaja več kot 60 vrst resic, od katerih so najbolj raziskane F-pili (spolni pili) in navadni pili (pili, odgovorni za adhezijo).
4. Kapsula
Bakterijska kapsula je zadebeljena zunanja plast celične stene. Kapsule so lahko zgrajene iz polisaharidov (pnevmokok) ali beljakovin (antraks). Večina bakterij, zlasti patogenih, tvori kapsulo šele v človeškem ali živalskem telesu. Vendar pa obstaja rod pravih kapsularnih bakterij (Klebsiella), katerih predstavniki tvorijo kapsulo tudi pri gojenju na umetnih hranilnih medijih. Nekatere bakterije imajo lahko mikrokapsulo (zaznano le z elektronsko mikroskopijo), na primer Escherichia, ali implicitno sposobnost tvorbe kapsul - tako imenovano "nežno" kapsulo, na primer Staphylococcus aureus, meningokoki.
Glavni namen kapsul je zaščita bakterij pred fagocitozo. Pri barvanju brisov z barvanjem po Gramu imajo prave kapsularne bakterije značilno medsebojno razporeditev (na razdalji ena od druge). S svetlobno mikroskopijo kapsule niso jasno vidne, zato se prisotnost kapsul v bakterijah odkrije s posebnimi metodami obarvanja, na primer z metodo Giemsa. Za identifikacijo kapsul in bakterij, ki jih tvorijo v telesu, uporabljajo bodisi mikroskopijo brisov, pripravljenih iz patološkega materiala, bodisi brise - odtise iz organov mrtvih živali.
Vprašanje 4. Prehranske in presnovne značilnosti bakterij
1. Kemične sestavine bakterijske celice
Po kemijski sestavi in naravi biopolimerov (proteini, polisaharidi, nukleinske kisline, lipidi) se prokariontske celice ne razlikujejo od evkariontskih celic. Glavne kemične sestavine bakterijske celice so organogeni (kisik, vodik, ogljik, dušik, fosfor).
Proces, med katerim bakterijska celica prejme iz okolja sestavine, potrebne za gradnjo svojih biopolimerov (organelov), se imenuje prehrana.
2. Prehrana bakterij
Bakterijske celice nimajo posebnih prehranjevalnih organov, torej so holofitne. Oskrba mikrobne celice s hranili se lahko pojavi:
Zaradi osmoze in difuzije vzdolž koncentracijskega gradienta brez porabe energije;
Zaradi pasivnega transporta, ki prav tako poteka vzdolž koncentracijskega gradienta s pomočjo nosilnih proteinov, vendar brez porabe celice energije, in se razlikuje od difuzije z večjo hitrostjo;
Zaradi aktivnega transporta, ki poteka proti koncentracijskemu gradientu s porabo energije in morebitno delno razgradnjo substrata, ga izvajajo nosilni proteini oziroma encimi – permeaze.
Glede na vire ogljika, potrebnega za gradnjo biopolimerov, bakterije delimo v naslednje skupine:
Avtotrofi so mikroorganizmi, ki uporabljajo ogljikov dioksid kot edini vir ogljika in ne potrebujejo kompleksnih organskih spojin.
Heterotrofi so mikroorganizmi, ki kot vir ogljika uporabljajo različne organske spojine, ki vsebujejo ogljik (ogljikove hidrate, ogljikovodike, aminokisline, organske kisline) biološkega in nebiološkega izvora.
Glede na vir energije delimo mikroorganizme na:
Fototrofni, sposobni izkoriščati sončno energijo,
Kemotrofno, pridobivanje energije z redoks reakcijami.
Poleg te klasifikacije so mikroorganizmi glede na naravo donorjev elektronov razdeljeni na fototrofne litotrofe in v skladu s tem na kemotrofne litotrofe, tj., ki uporabljajo anorganske spojine kot donorje elektronov, ter na foto- in kemoorganotrofe, ki uporabljajo samo organske. spojine. Slednja skupina vključuje veliko večino bakterij, vključno z vrstami, ki so patogene za človeka.
Glede na vire dušika obstajajo:
mikroorganizmi, ki vežejo dušik (sposobni asimilirati atmosferski molekularni dušik),
Mikroorganizmi, ki asimilirajo anorganski dušik iz amonijevih soli, nitratov ali nitritov in se v skladu s tem imenujejo amonifikatorji, reduktorji nitratov in reduktorji nitritov.
Vendar pa večina mikroorganizmov, ki so patogeni za človeka, lahko asimilira samo dušik iz organskih spojin.
Mikroorganizmi, ki so sposobni sintetizirati vse organske spojine, ki jih potrebujejo (ogljikovi hidrati, aminokisline itd.) Iz navedenih sestavin, se imenujejo prototrofi.
Mikroorganizmi, ki ne morejo sintetizirati nobene od potrebnih spojin in jih v končni obliki asimilirati iz okolja ali gostiteljskega organizma (človeka, živali), se za to spojino imenujejo avksotrofi. Najpogosteje gre za patogene ali pogojno patogene mikroorganizme za človeka.
Obvezni organeli so: jedrski aparat, citoplazma, citoplazemska membrana.
Neobvezno(manjša) strukturni elementi so: celična stena, kapsula, spore, pili, flagele.
1.V središču bakterijske celice je nukleoid- jedrska tvorba, ki jo najpogosteje predstavlja en obročasti kromosom. Sestavljen je iz dvoverižne verige DNA. Nukleoid ni ločen od citoplazme z jedrno membrano.
2.citoplazma- kompleksen koloidni sistem, ki vsebuje različne vključke presnovnega izvora (zrna volutina, glikogena, granuloze itd.), Ribosome in druge elemente sistema za sintezo beljakovin, plazmide (ekstranukleoidna DNA), mezosomi(nastanejo kot posledica invaginacije citoplazemske membrane v citoplazmo, sodelujejo pri energetski presnovi, sporulaciji in tvorbi medceličnega septuma med delitvijo).
3.Citoplazemska membrana navzven omejuje citoplazmo, ima troslojno strukturo in opravlja vrsto pomembnih funkcij – barierno (ustvarja in vzdržuje osmotski tlak), energijsko (vsebuje veliko encimskih sistemov – dihalni, redoks, izvaja prenos elektronov), transportno (prenos različnih snovi v celico in iz celice).
4.Celične stene- je lastna večini bakterij (razen mikoplazm, aholeplazem in nekaterih drugih mikroorganizmov, ki nimajo prave celične stene). Ima številne funkcije, predvsem zagotavljanje mehanske zaščite in stalne oblike celic; Sestavljen je iz dveh glavnih plasti, od katerih je zunanja bolj plastična, notranja pa toga.
Glavna kemična spojina celične stene, ki je specifična samo za bakterije – peptidoglikan(mureinske kisline). Pomembna značilnost za taksonomijo bakterij je odvisna od strukture in kemične sestave bakterijske celične stene - Odnos do barvanja po Gramu. V skladu s tem ločimo dve veliki skupini: gram-pozitivne ("gram +") in gram-negativne ("gram -") bakterije. Stena gram-pozitivnih bakterij po barvanju po Gramu zadrži kompleks joda z encijan vijolica(obarvan modro-vijolično), gramnegativne bakterije po tretiranju izgubijo ta kompleks in pripadajočo barvo ter se obarvajo rožnato zaradi obarvanja s fuksinom.
Značilnosti celične stene gram-pozitivnih bakterij.
Močna, debela, nezapletena celična stena, v kateri prevladujeta peptidoglikan in teihojska kislina, brez lipopolisaharidov (LPS) in pogosto brez diaminopimelične kisline.
Značilnosti celične stene gramnegativnih bakterij.
Celična stena je veliko tanjša od stene gram-pozitivnih bakterij in vsebuje LPS, lipoproteine, fosfolipide in diaminopimelično kislino. Zgradba je bolj zapletena – obstaja zunanja membrana, zato je celična stena troslojna.
Ko gram-pozitivne bakterije obdelamo z encimi, ki uničujejo peptidoglikan, se pojavijo strukture popolnoma brez celične stene - protoplastov. Obdelava gram-negativnih bakterij z lizocimom uniči samo plast peptidoglikana, ne da bi popolnoma uničila zunanjo membrano; takšne strukture imenujemo sferoplasti. Protoplasti in sferoplasti imajo sferično obliko (ta lastnost je povezana z osmotskim tlakom in je značilna za vse brezcelične oblike bakterij).
L- oblike bakterij.
Pod vplivom številnih dejavnikov, ki negativno vplivajo na bakterijsko celico (antibiotiki, encimi, protitelesa itd.), L- transformacija bakterije, kar povzroči trajno ali začasno izgubo celične stene. L-transformacija ni le oblika variabilnosti, ampak tudi prilagoditev bakterij na neugodne življenjske razmere. Zaradi sprememb antigenskih lastnosti (izguba O- in K-antigenov), zmanjšanja virulence in drugih dejavnikov L-oblike pridobijo sposobnost dolgotrajnega obstoja ( vztrajati) v telesu gostitelja, kar ohranja počasen infekcijski proces. Zaradi izgube celične stene so L-oblike neobčutljive na antibiotike, protitelesa in različna kemoterapevtska zdravila, katerih točka uporabe je bakterijska celična stena. Nestabilen L-oblike so zmožne vzvratno v klasične (prvotne) oblike bakterij, ki imajo celično steno. Obstajajo tudi stabilne L-oblike bakterij, odsotnost celične stene in nezmožnost obrata v klasične oblike bakterij sta genetsko določeni. V številnih pogledih so zelo podobni mikoplazmam in drugim Mollicutes- bakterije, ki nimajo celične stene kot taksonomske značilnosti. Mikroorganizmi, ki spadajo med mikoplazme, so najmanjši prokarionti, nimajo celične stene in imajo, tako kot vse bakterijske brezstenske strukture, sferično obliko.
Na površinske strukture bakterij(izbirno, kot celična stena), vključite kapsula, bički, mikrovili.
Kapsula ali sluznica obdaja membrano številnih bakterij. Označite mikrokapsula, zaznan z elektronsko mikroskopijo v obliki plasti mikrofibril, in makrokapsula, ki jih je mogoče zaznati s svetlobnim mikroskopom. Kapsula je zaščitna struktura (predvsem pred izsušitvijo), pri številnih mikrobih je dejavnik patogenosti, preprečuje fagocitozo in zavira prve stopnje zaščitnih reakcij - prepoznavanje in absorpcijo. U saprofiti kapsule nastajajo v zunanjem okolju, v patogenih, pogosteje v telesu gostitelja. Obstaja več metod za barvanje kapsul, odvisno od njihove kemične sestave. Kapsula je pogosto sestavljena iz polisaharidov (najpogostejša barva je Ginsu), manj pogosto iz polipeptidov.
Flagella. Gibljive bakterije lahko drsijo (premikajo se vzdolž trdne površine kot posledica valovitih kontrakcij) ali lebdijo, premikajo se zaradi filamentom podobnih spiralno ukrivljenih beljakovin ( flagellinaceae po kemični sestavi) tvorbe – flagele.
Glede na lokacijo in število bičkov ločimo več oblik bakterij.
1.Monotrični - imajo en polarni flagelum.
2. Lophotrichs - imajo polarno nameščen snop bičkov.
3. Amphitrichy - imajo flagele na diametralno nasprotnih polih.
4. Peritrihous - imajo flagele vzdolž celotnega oboda bakterijske celice.
Sposobnost namenskega gibanja (kemotaksija, aerotaksija, fototaksija) je pri bakterijah genetsko pogojena.
Fimbrije ali migetalke- kratki filamenti, ki v velikem številu obdajajo bakterijsko celico, s pomočjo katerih se bakterije pritrdijo na substrate (na primer na površino sluznice). Tako so fimbrije dejavniki adhezije in kolonizacije.
F- pili (faktor plodnosti)- aparat bakterijska konjugacija, se nahajajo v majhnih količinah v obliki tankih beljakovinskih vlaken.
Endospore in sporulacija.
Sporulacija- metoda ohranjanja določenih vrst bakterij v neugodnih okoljskih razmerah. Endospore nastanejo v citoplazmi, so celice z nizko presnovno aktivnostjo in visoko odpornostjo ( odpornost) sušenju, kemičnim dejavnikom, visoki temperaturi in drugim neugodnim okoljskim dejavnikom. Za identifikacijo spor se pogosto uporablja svetlobna mikroskopija. po besedah Ožeška. Visoka odpornost je povezana z visoko vsebnostjo kalcijeva sol dipikolinske kisline spore v lupini. Lokacija in velikost spor pri različnih mikroorganizmih se razlikujeta, kar ima diferencialno diagnostični (taksonomski) pomen. Glavne faze "življenjskega cikla" spor sporulacija(vključuje pripravljalno fazo, fazo predspore, oblikovanje lupine, zorenje in mirovanje) in kalitev, ki se konča s tvorbo vegetativne oblike. Proces sporulacije je genetsko določen.
Nekulturne oblike bakterij.
Številne vrste gram-negativnih bakterij, ki ne tvorijo spor, imajo posebno prilagoditveno stanje - oblike, ki jih ni mogoče gojiti. Imajo nizko presnovno aktivnost in se ne razmnožujejo aktivno, tj. Na trdnih hranilnih gojiščih ne tvorijo kolonij in jih kultura ne zazna. So zelo odporni in lahko ostanejo sposobni preživeti več let. S klasičnimi bakteriološkimi metodami se ne odkrijejo, le z genetskimi metodami ( verižna reakcija s polimerazo - PCR).
Slika prikazuje strukturo generalizirana bakterija- tipična prokariontska celica. Slika A prikazuje dobro znano paličasto bakterijo Escherichia coli. Običajno je popolnoma neškodljivo.
Njegovo prisotnost v vodi lahko uporabimo kot zelo zanesljiv indikator onesnaženje vode z iztrebki. Od vseh bakterij je E.coli najbolje raziskana. Poleg tega je ena od bakterij, katerih genetski zemljevid je popolnoma vzpostavljen. Upoštevajte, da ima E. coli veliko manj vidnih znotrajceličnih struktur kot evkariontska celica (sliki 5.10 in 5.11). Na sl. Slika 2.7 prikazuje še eno paličasto bakterijo, ki ima za razliko od E. coli biček.
Bakterijska celična stena
Bakterijska celična stena- struktura je precej trpežna in vam omogoča, da ohranite svojo obliko; to je posledica prisotnosti mureina, molekule, zgrajene iz vzporednih polisaharidnih verig, ki so v rednih intervalih premrežene s kratkimi verigami aminokislin. Tako je vsaka celica tako rekoč obdana z mrežasto vrečko, ki pravzaprav predstavlja eno ogromno molekulo. Celična stena ščiti celico pred zlomom, ko vanjo vstopi voda (na primer kot posledica osmoze). Vodni ioni in majhne molekule vstopajo v celico skozi drobne pore v celični steni.
Leta 1884 je danski biolog Christian Gram je razvil metodo barvanja, s pomočjo katerega so ugotovili, da se bakterije delijo v dve naravni skupini, kar je, kot je zdaj znano, posledica razlik v zgradbi njihovih celičnih sten. Nekatere bakterije, ki se obarvajo po Gramu, imenujemo gram-pozitivne, druge, ki se ne obarvajo, pa gram-negativne.
Pri gram-pozitivnih bakterijah, kot so Staphylococcus, Bacillus in Lactobacillus, so druge komponente, predvsem polisaharidi in beljakovine, vgrajene v mureinsko mrežo, zaradi česar je celična stena razmeroma debela. Gramnegativne bakterije, kot so Salmonella, E. coli in Azotobacter, imajo tanjše in bolj zapletene celične stene (slika 2.8). Mureinska plast teh bakterij je na zunanji strani prekrita z gladko, tanko membrano podobno plastjo lipidov in polisaharidov, ki ščiti celice pred lizocimom, protibakterijskim encimom, ki ga najdemo v solzah, slini in drugih bioloških tekočinah ter v belini piščančje jajce.
lizocim cepi polisaharidni okvir mureina, kar vodi do predrtja celične stene in celične lize, tj. do njenega osmotskega nabrekanja in rupture. Lipidno-polisaharidna plast določa tudi odpornost gram-negativnih bakterij na penicilin. Ta antibiotik blokira tvorbo navzkrižnih povezav v mureinu rastočih gram-pozitivnih bakterij, zaradi česar so njihove celice bolj občutljive na osmotski šok.