Strukturne komponente bakterijske celice so razdeljene na 2 vrsti:
- osnovne strukture(celična stena, citoplazemska membrana s svojimi derivati, citoplazma z ribosomi in raznimi vključki, nukleoid);
- začasne strukture(kapsula, sluznica, bički, resice, endospore, ki nastanejo le v določenih fazah bakterijskega življenjskega cikla).
Osnovne strukture.
celične stene ki se nahaja na zunanji strani citoplazemske membrane. Citoplazemska membrana ni del celične stene. Funkcije celične stene:
Zaščita bakterij pred osmotskim šokom in drugimi škodljivimi dejavniki;
Določanje oblike bakterij;
Sodelovanje pri presnovi bakterij.
Celična stena je prežeta s porami, skozi katere se prenašajo bakterijski eksotoksini. Debelina celične stene je 10–100 nm. Glavna sestavina bakterijske celične stene je peptidoglikan oz murein, sestavljen iz izmenjujočih se ostankov N-acetil-N-glukozamina in N-acetilmuramske kisline, povezanih z glikozidnimi vezmi.
Leta 1884 je H. Gram predlagal metodo za barvanje bakterij z encijan vijolično, jodom, etilnim alkoholom in magento. Vse bakterije, odvisno od barve po Gramu, delimo v 2 skupini: gram-pozitivne in gram-negativne bakterije. Celična stena gram-pozitivnih bakterij tesno prilega citoplazemski membrani, njegova debelina je 20-100 nm. Vsebuje teihojske kisline (polimeri glicerola ali ribitola), pa tudi majhne količine polisaharidov, beljakovin in lipidov. Celična stena gramnegativnih bakterij večplasten, njegova debelina je 14-17 nm. Notranja plast (peptidoglikan) tvori tanko neprekinjeno mrežo. Zunanjo plast sestavljajo fosfolipidi, lipoproteini in beljakovine. Beljakovine zunanje membrane so tesno vezane na plast peptidoglikana.
Pod določenimi pogoji so bakterije prikrajšane za popolno ali delno sintezo komponent celične stene, kar povzroči nastanek protoplastov, sferoplastov in L-oblik bakterij. Sferoplasti so bakterije z delno uničeno celično steno. Najdemo jih pri gramnegativnih bakterijah. Protoplasti so oblike popolnoma brez celične stene. Proizvajajo jih po Gramu pozitivne bakterije. L-oblike bakterije so bakterijski mutanti, ki so delno ali popolnoma izgubili sposobnost sinteze peptidoglikana celične stene (bakterije z okvarjeno celično steno). Ime so dobili po imenu Lister Institute v Angliji, kjer so jih odprli leta 1935.
Citoplazemska membrana (CPM) in njeni derivati. Citoplazemska membrana (plazmolema) je polprepustna lipoproteinska struktura bakterijske celice, ki ločuje citoplazmo od celične stene. Predstavlja 8-15 % suhe mase celice. Njegovo uničenje vodi v celično smrt. Elektronska mikroskopija je razkrila njegovo troslojno strukturo. Citoplazemska membrana je kompleks beljakovin (50-75%) in lipidov (15-20%). Glavnino lipidov predstavljajo fosfolipidi. Poleg tega so v membrani našli majhno količino ogljikovih hidratov.
CPM bakterij opravlja naslednje funkcije:
Pregradna funkcija (molekularno "sito");
Energija;
Selektivni prenos različnih organskih in anorganskih molekul in ionov s pomočjo posebnih prenašalcev – translokaz ali permeaz;
Replikacija in kasnejša delitev kromosoma.
Citoplazemska membrana v procesu celične rasti tvori številne invaginacije (invaginate), t.i. mezosomi.
citoplazma - To je vsebina bakterijske celice, omejena s citoplazmatsko membrano. Sestavljen je iz citosola in strukturnih elementov.
Cytosol- homogena frakcija, vključno z topnimi komponentami RNA, encimi, presnovnimi produkti.
Strukturni elementi- to so ribosomi, intracitoplazmatske membrane, vključki in nukleoidi.
Ribosomi- organele, ki izvajajo sintezo beljakovin. Sestavljeni so iz beljakovin in RNA. So granule s premerom 15-20 nm. Ena bakterijska celica vsebuje od 5.000 do 50.000 ribosomov. Ribosomi so mesto sinteze beljakovin.
V citoplazmi prokariontov najdemo različne vključke, ki predstavljajo rezervne snovi celice. Od polisaharidov se v celicah odlagajo glikogen, škrob in škrobu podobna snov - granuloza. Polifosfati so vsebovani v granulah, imenovanih volutin, oz metakromatski, zrna.
Nukleoid je jedro prokariotov. Sestavljen je iz ene dvoverižne verige DNA, sklenjene v obroč, ki se obravnava kot bakterijski kromosom. Nukleoid nima jedrske ovojnice.
V bakterijski celici so poleg nukleoida našli ekstrakromosomske genetske elemente - plazmidi, ki so majhne krožne molekule DNA, sposobne avtonomnega podvajanja. Vloga plazmidov je, da kodirajo dodatne lastnosti, ki dajejo celici prednosti pod določenimi pogoji obstoja. Najpogostejši plazmidi, ki določajo znake odpornosti bakterij na antibiotike (R-plazmidi), sintezo enterotoksinov (Ent-plazmidi) ali hemolizinov (Hly-plazmidi).
TO začasne strukture vključujejo kapsulo, flagele, pili, endospore bakterij.
kapsula - je sluzasta plast nad celično steno bakterije. Snov kapsul je sestavljena iz niti polisaharidov. Kapsula se sintetizira na zunanji površini citoplazemske membrane in se na določenih območjih sprosti na površino celične stene.
Funkcije kapsule:
Lokacija kapsularnih antigenov, ki določajo virulentnost, antigensko specifičnost in imunogenost bakterij;
Zaščita celic pred mehanskimi poškodbami, izsušitvijo, strupenimi snovmi, okužbo s fagi, delovanjem zaščitnih faktorjev makroorganizma;
Sposobnost celic, da se pritrdijo na substrat.
Flagella - To so organi gibanja bakterij. Flagele niso vitalne strukture in so lahko prisotne v bakterijah ali pa tudi ne, odvisno od pogojev rasti. Število flagel in njihova lokacija pri različnih bakterijah nista enaka. Glede na to ločimo naslednje skupine flageliranih bakterij:
- monotrični- bakterije z enim polarnim bičkom;
- amfitrićen- bakterije z dvema polarnima bičkoma ali s snopom bičkov na obeh koncih;
- lofotričen- bakterije, ki imajo na enem koncu celice snop bičkov;
- peritrihous- bakterije s številnimi flagelami, ki se nahajajo na straneh celice ali na njeni celotni površini.
Kemično sestavo bičkov predstavljajo beljakovine flagelin.
Površinske strukture bakterijske celice vključujejo tudi resice in pil. Te strukture sodelujejo pri adsorpciji celic na podlago (resice, navadni pili) in pri prenosu genetskega materiala (spolni pili). Tvori jih specifična hidrofobna beljakovina pilin.
V nekaterih bakterijah se pod določenimi pogoji oblikujejo mirujoče oblike, ki zagotavljajo preživetje celic dolgo časa v neugodnih pogojih - endospore. So odporni na neugodne okoljske dejavnike.
Lokacija spor v celici:
Centralni (povzročitelj antraksa);
Subterminal - bližje koncu (povzročitelj botulizma);
Terminal - na koncu palice (povzročitelj tetanusa).
Nukleoid je jedrski aparat bakterij. Predstavljena z molekulo DNA, ki ustreza enemu kromosomu. Je krožno zaprt, nahaja se v jedrski vakuoli, nima membrane in mitotičnega aparata, ki bi omejeval citoplazmo.
Majhne količine RNK in RNK polimeraze so povezane z DNK. DNK je ovita okoli osrednjega jedra RNK in je visoko urejena kompaktna struktura. Kromosomi večine prokariontov imajo molekulsko maso v območju 1-3x10 9, sedimentacijsko konstanto 1300-2000 S. Molekula DNA vključuje 1,6x10 7 nukleotidnih parov. Razlike v genetskem aparatu prokariontske in evkariontske celice določajo njeno ime: v prvi je nukleoid (tvorba, podobna jedru), v nasprotju z jedrom v drugi.
Nukleoid bakterij vsebuje glavne dedne informacije, ki se realizirajo pri sintezi specifičnih beljakovinskih molekul. Sistemi podvajanja, popravljanja, prepisovanja in prevajanja so povezani z DNK bakterijske celice.
Nukleoid v prokariontski celici lahko odkrijemo v obarvanih preparatih s svetlobnim ali fazno kontrastnim mikroskopom. Felgenovo barvilo se uporablja za barvanje jedrske snovi, ki specifično obarva DNK.
Felgenova metoda obarvanja DNK
Razmaz bakterijske kulture fiksiramo 2-3 minute z metilnim alkoholom in za 1 minuto postavimo v hladno 1% HCl.
Podvržen hidrolizi pri 60 0 C v 1 % HCl 5-10 minut in izperjen z destilirano vodo.
Bris damo v Schiffov reagent za 40-60 minut, speremo v vodi iz pipe 2 minuti.
Kot posledica interakcije prostih aldehidnih skupin z brezbarvno fuksinsko žveplovo kislino se pojavi vijolična barva, ki je značilna za bazični fuksin.
Pri številnih bakterijah so v citoplazmi našli ekstrakromosomske genetske elemente, plazmide. So dvoverižna DNK, zaprta v obroče, sestavljena iz 1500–40.000 baznih parov in vsebuje do 100 genov.
Plazmidi lahko obstajajo v celici in v integriranem stanju z bakterijskim kromosomom, hkrati pa ohranijo sposobnost premikanja do avtonomije.
12 Struktura peptidoglikana v gram-pozitivnih in gram-negativnih bakterijah. Njegove biološke lastnosti in pomen za bakterijsko celico.
celične stene
Celična stena je zunanja struktura bakterij z debelino 30-35 nm, katere glavna sestavina je peptidoglikan (murein). Peptidoglikan je strukturni polimer, sestavljen iz izmenjujočih se podenot -acetilglukozamina in -acetilmuramske kisline, povezanih z glikozidnimi vezmi (slika 2).
Vzporedno nameščene polisaharidne (glikanske) verige so med seboj povezane s prečnimi peptidnimi mostovi (slika 3).
Polisaharidno ogrodje zlahka uniči lizocim, antibiotik živalskega izvora. Peptidne vezi so tarča penicilina, ki zavira njihovo sintezo in preprečuje nastanek celične stene. Kvantitativna vsebnost peptidoglikana vpliva na sposobnost barvanja bakterij po Gramu. Bakterije z veliko debelino mureinske plasti (90-95%) so trajno obarvane z encijan vijolično v modro-vijolično barvo in se imenujejo gram-pozitivne bakterije. Gramnegativne bakterije s tanko plastjo peptidoglikana (5-10%) v celični steni po delovanju alkohola izgubijo encijan vijolico in se dodatno obarvajo z magento v roza barvi. Celične stene pri gram-pozitivnih in gram-negativnih prokariontih se močno razlikujejo tako po kemični sestavi (tabela 1) kot po ultrastrukturi (slika 4).
Celična stena gram-pozitivnih bakterij vsebuje poleg peptidoglikana teihojske kisline (TA), lipide, polisaharide in beljakovine v manjši količini.
CITOPLAZMATSKA MEMBRANA (CPM)
CPM z debelino 7-10 nm obdaja citoplazmo bakterijske celice in je sestavljen iz dvojne plasti fosfolipidov, nevtralnih lipidov, glikolipidov itd., katerih funkcija je ohranjati mehansko stabilnost CPM in mu dati hidrofobne lastnosti.
Membranski proteini (integralni in periferni ) asimetrično vključeni v dvosloj fosfolipidov, jih delimo na strukturne in funkcionalne (encime).
Funkcije CPM:
1) notranja osmotska pregrada, ki uravnava selektivni vstop v celico in sproščanje različnih snovi navzven,
2) prometna funkcija;
3) biosintetska aktivnost;
4) energijske in dihalne funkcije;
5) pritrditev kromosoma in plazmidov.
Z invaginacijo CPM, intracelularno membranske tvorbe - mezosomi:
- lamelni (lamelni),
- cevasto (cevasto),
- vezikularni,
- mešano.
Po lokaciji v mezosomski celici:
1) periferni,
2) jedrski (nukleidosomi),
3) nastajajoče.
INTRACELIČNE ZGRADBE BAKTERIJ
Ribosomi(70 S je sestavljenih iz RNA (60-65%) in beljakovin (35-40%), so mesto sinteze beljakovin.
Kromatoforji v fotosintetskih bakterijah v obliki tubulov, veziklov, dvojnih membranskih plošč - tilakoidi.
klorosom - strukture podolgovate oblike, v katerih se nahajajo bakterioklorofili.
Fikobilizomi- hemisferične ali paličaste granule, ki se nahajajo na fotosintetskih membranah, vsebujejo vodotopne pigmente - fikobiliproteine.
karboksisomi(ali poliedrska telesa) - štiri- ali šeststrani vključki vsebujejo encim ribulozo difosfat karboksilazo.
Plinske vakuole (ali aerosomi) so sestavljeni iz plinskih mehurčkov in so regulatorji plovnosti vodnih bakterij.
magnetosomi ubakterije z magnetotaksijo.
INTRACITOPLAZMATSKI VKLJUČKI BAKTERIJ
citoplazma - okolje, ki povezuje znotrajcelične strukture v enoten sistem. Cytosol- poltekoča koloidna masa vode (70-80%), RNK, encimov.
Rezervne snovi nastane v celici kot posledica metabolizma. Po konsistenci jih delimo na tekoče (poli-β-hidroksibutirat), poltekoče (žveplo) in trdne (glikogen):
1. Organske rezervne snovi brez dušika
2. Granuloza
3. Glikogen
4. Zrnca ogljikovodika
5. Poli-β-hidroksimaslena kislina (poli-β-hidroksibutirat) najdemo samo v prokariontih
6. Polifosfati (volutinska ali metakromatinska zrnca)
7. Vključki žvepla
8. Vključki kalcijevega karbonata
9. Parasporalni vključki
GENSKI APARAT BAKTERIJ
Nukleoid
Značilnosti genetskega aparata prokariotov:
1) bakterijska jedra nimajo jedrske membrane in DNA je v stiku s citoplazmo;
2) ni delitve na kromosome in verigo DNA imenujemo bakterijski kromosom;
3) ni mitoze in mejoze.
Jedrski aparat bakterij se imenuje bakterijsko jedro ali nukleoid.
Bakterijski kromosom v obliki zaprtega obroča je velikanska superzvita molekula DNA, ki ni povezana s histoni. Replikacija DNA je polkonzervativna.
V citoplazmi - linearne ali krožne molekule ekstrakromosomske DNA – plazmidi (ekstrakromosomske determinante), odprto - sproščeno, zaprto - supercoiled.
Osnovne lastnosti bakterijskih plazmidov:
- sposobnost samostojnega podvajanja. Plazmidi s strogim nadzorom replikacije in oslabljena,
- konjugativnost (transmisivnost) - sposobnost samoprenašanja,
– integrabilnost,
- nezdružljivost
- površinska izključitev,
- kužnost,
– fenotipske lastnosti, ki jih dajejo bakterijam: odpornost na antibiotike, katione, anione, mutagene, bakteriocine. Celice s plazmidi so sposobne povzročiti biorazgradnjo snovi, sintetizirati bakteriocine, hemolizin, fibrinolizin, toksine, antigene, antibiotike, insekticide, pigmente, površinske antigene; pridobiti sposobnost konjugacije; povzročajo tumorje v rastlinah; izvajajo restrikcijo in modifikacijo DNK.
Plazmidi se lahko kombinirajo med seboj ali s fagovo DNA, da nastanejo kointegrira. Ena celica lahko vsebuje več vrst plazmidov. Če plazmidi ne morejo sobivati v isti celici, se imenujejo nezdružljivo.
Po lokaciji:
1) avtonomen,
2) integrirani se razmnožujejo hkrati z bakterijskim kromosomom - epizomi.
Plazmidi:
1) prenosljivi (F- in R-plazmidi), ki se prenašajo med konjugacijo;
2) neprepustna.
Funkcije plazmid:
1. Regulatorji kompenzirajo presnovne napake z integracijo v poškodovani genom.
2. Kodirniki prinašajo nove genetske informacije v celico.
Vrste plazmidov:
1. F-plazmidi nadzirajo sintezo F-tablet med konjugacijo.
2. R-plazmidi - faktor rezistence na več zdravil.
3. Nekonjugativni plazmidi.
4. Plazmidi bakteriocinogenije - sposobnost bakterij, da proizvajajo specifične snovi ( kolicini oz bakteriocini) ki povzročajo smrt bakterij filogenetsko sorodnih vrst.
5. Plazmidi patogenosti nadzorujejo lastnosti virulence.
6. Skriti (kriptični) plazmidi.
7. Biorazgradnja plazmida.
Bakterijski plazmidi so objekti za proučevanje replikacije in transkripcije DNA, uporabljajo se v genskem inženiringu in žlahtnjenju mikrobov.
Selitveni genetski elementi so posamezni deli DNK, ki izvajajo lasten prenos (transpozicijo) znotraj genoma. Njihove vrste:
1. Insercijska zaporedja (IS-elementi).
2. Transpozoni (Tn-elementi).
3. Zmerni ali okvarjeni bakteriofagi.
Zgradbo bakterij proučujemo z elektronsko mikroskopijo celih celic in njihovih ultratankih rezov. Glavne strukture bakterijske celice so: celična stena, citoplazemska membrana, citoplazma z vključki in jedro, imenovano nukleoid. Bakterije imajo lahko tudi dodatne strukture: kapsulo, mikrokapsulo, sluz, flagele, fimbrije, pili; Nekatere bakterije lahko tvorijo spore.
Bakterije se merijo v mikrometrih (µm). En mikrometer je enak 1000 nanometrov (nm). Posamezne komponente bakterij se merijo v nanometrih.
Celična stena je močna, elastična struktura, ki daje bakterijam določeno obliko in zadržuje visok osmotski tlak v celici. Sodeluje pri procesu celične delitve in transportu metabolitov. Gram-pozitivne bakterije imajo debelejšo celično steno kot gram-negativne bakterije, ki dosežejo 50 nm ali več. Celična stena gram-pozitivnih bakterij vsebuje majhno količino polisaharidov, lipidov in beljakovin. Večino mase (40-90%) celične stene teh bakterij predstavlja peptidoglikan (sinonimi: murein, muco peptid), kovalentno povezan s teihojskimi kislinami (iz grškega teichos - stena). Celična stena gramnegativnih bakterij vsebuje manj peptidoglikana (5-10%).
Slika 2.2. Struktura gram-pozitivnih (a) in gram-negativnih (b)
bakterije (shema).
K - kapsula; CS - celična stena; NM - zunanja membrana; PG, peptidoglikan; CM - citoplazemska membrana; M - mezosomi; P - ribosom; B - volutin; H - nukleoid; F - flagellum; P - pili; PD - delitvena pregrada. Puščica označuje delitev gramnegativne bakterije s tvorbo konstrikcije.
Peptidoglikan predstavljajo vzporedne molekule glikana, sestavljene iz ostankov N-acetilglukozamina in N-acetilmuramske kisline, povezanih s p (1->4) glikozidno vezjo. Molekule glikana so povezane z navzkrižnimi peptidnimi vezmi. Od tod tudi ime tega polimera - peptidoglikan. Osnova peptidne vezi so tetrapeptidi, sestavljeni iz izmeničnih L- in D-aminokislin, na primer L-alanin - D-glutaminska kislina - mezodiaminopimelična kislina - D-alanin. Peptidoglikan gram-pozitivnih bakterij pogosto vsebuje LL-diaminopimelično kislino ali lizin namesto mezodiaminopimelične kisline. Glikanski elementi (acetilglukozamin in acetilmuramska kislina) in tetrapeptidne aminokisline (mezodiaminopimelična in D-glutaminska kislina, D-alanin) so značilna lastnost bakterije, saj jih pri živalih in ljudeh ni. Sposobnost gram-pozitivnih bakterij, da zadržijo encijan vijolično v kombinaciji z jodom (modro-vijolična barva bakterij) med obarvanjem po Gramu, je povezana z lastnostjo večplastnega peptidoglikana za interakcijo z barvilom. Obdelava razmaza bakterij, obarvanega po Gramu, z alkoholom povzroči zoženje por v peptidoglikanu in s tem zadrži madež v celični steni. Nasprotno pa gramnegativne bakterije po izpostavljenosti alkoholu izgubijo barvilo, se ob tretiranju s fuksinom razbarvajo in pordečijo zaradi nižje vsebnosti peptidoglikana (5-10 % mase celične stene).
Celična stena gram-negativnih bakterij vključuje zunanjo membrano (slika 2.2), ki je z lipoproteinom povezana s spodnjo plastjo peptidoglikana. Zunanja membrana ima videz valovite troslojne strukture, podobne notranji membrani, imenovane citoplazemska membrana. Glavna sestavina teh membran je bimolekularna (dvojna) plast lipidov. Zunanja membrana je asimetrična mozaična struktura, ki jo predstavljajo lipopolisaharidi, fosfolipidi in beljakovine. Na zunanji strani je lipopolisaharid (LPS), sestavljen iz treh komponent: lipida A, osnovnega dela ali jedra (iz latinščine core - jedro) in O-specifične polisaharidne verige, ki nastane s ponavljanjem identičnih zaporedij oligosaharidov. Lipopolisaharid je »usidran« v zunanjo membrano lipidoma (slika 2.3), kar daje toksičnost lipopolisaharidu, ki ga zato identificiramo z endotoksinom. Lipid A zapusti osnovni del lipopolisaharida. Najbolj stalni del lipopolisaharidnega jedra je ketodeoksioktonska kislina. O-specifična veriga, ki se razteza od jedra lipopolisaharida, določa serološko skupino, serovar (vrsto bakterij, odkrito z uporabo imunskega seruma) določenega bakterijskega seva. Tako je pojem lipopolisaharida povezan z idejami o O-antigenu, po katerem se lahko bakterije razlikujejo.
Slika 2.3. Zgradba celične stene in citoplazemske membrane gramnegativnih bakterij (shema).
JI - lipid; P - beljakovine; LPS je lipopolisaharid.
Beljakovine matriksa zunanje membrane prodrejo vanjo tako, da proteinske molekule, imenovane porin, mejijo na hidrofilne pore, skozi katere prehajajo voda in majhne molekule do 7 kD. Med zunanjo in citoplazemsko membrano je periplazemski prostor ali periplazma, ki vsebuje encime. Ko je sinteza bakterijske celične stene motena pod vplivom encima lizocima ali penicilina, pa tudi zaščitnih dejavnikov telesa, nastanejo celice spremenjene, pogosto sferične oblike; protoplasti so bakterije brez celične stene, sferoplasti pa bakterije z delno ohranjeno celično steno. Po odstranitvi zaviralca sinteze celične stene lahko tako spremenjene bakterije reverzirajo, to je, da pridobijo polno celično steno in obnovijo prvotno obliko. Bakterije sferoplastnega ali protoplastnega tipa, ki so pod vplivom antibiotikov ali drugih dejavnikov izgubile sposobnost sintetiziranja peptidoglikana in so sposobne razmnoževanja, imenujemo L-oblike. L-oblike lahko nastanejo tudi kot posledica mutacij. So osmotsko občutljive sferične celice v obliki bučke različnih velikosti, vključno s tistimi, ki prehajajo skozi bakterijske filtre. L-oblike lahko tvorijo številne bakterije, ki povzročajo nalezljive bolezni.
Citoplazemska membrana je troslojna struktura in obdaja zunanji del bakterijske citoplazme. Po zgradbi je podobna citoplazemski membrani živalskih celic; sestoji iz dvojne plasti lipidov, predvsem fosfolipidov z vgrajeno površino in integralnih beljakovin, kot da prodirajo skozi strukturo membrane. Nekateri od njih so permeaze, ki sodelujejo pri transportu snovi. Citoplazemska membrana je dinamična struktura z mobilnimi komponentami, zato jo predstavljamo kot gibljivo, tekočo strukturo. Sodeluje pri uravnavanju osmotskega tlaka, transportu snovi in energijskem metabolizmu celice (zaradi encimov transportne verige elektronov, ATPaze itd.).
Pri čezmerni rasti v primerjavi z rastjo celične stene citoplazemska membrana tvori invaginate, t.j. invaginacije v obliki kompleksno zvitih membranskih struktur, imenovanih mezosomi. Manj kompleksne zvite strukture imenujemo intracitoplazmatske membrane. Vloga mezosomov in intracitoplazmatskih membran ni povsem pojasnjena. Menijo, da so vključeni v delitev celic, zagotavljanje energije za sintezo celične stene, izločanje snovi, tvorbo spor, to je v procesih, ki jih spremlja velika poraba energije.
Citoplazma bakterij zavzema večji del celice in je sestavljena iz topnih beljakovin. Bakterijski ribosomi imajo sedimentacijski koeficient 70 S, v nasprotju z ribosomi, značilnimi za evkariontske celice (80 S). Zato nekateri antibiotiki, katerih delovanje temelji na zaviranju sinteze beljakovin z vezavo na bakterijske ribosome, ne vplivajo na sintezo beljakovin evkariontskih celic. V citoplazmi so različni vključki - polisaharidi, polimaslena kislina in polifosfati (volutin). Kopičijo se s presežkom hranil v okolju in delujejo kot rezervne snovi za prehranske in energetske potrebe. Volutinska zrna se odkrijejo v bacilu davice v obliki intenzivno obarvanih polov celice.
Nukleoid (tvorba, podobna jedru) je ekvivalent jedru pri bakterijah. Nukleoid se nahaja v osrednjem območju bakterije v obliki dvoverižne DNA, sklenjene v obroč in tesno zapakirane kot tuljava. Za razliko od evkariontov jedro bakterij nima jedrske membrane, nukleola in bazičnih beljakovin (histonov). Običajno bakterijska celica vsebuje en kromosom, ki ga predstavlja molekula DNA, zaprta v obroč. Če je delitev motena, lahko vsebuje 4 ali več kromosomov.
Nukleoid se zazna pod svetlobnim mikroskopom po barvanju z metodami, specifičnimi za DNA, po Feulgenu ali Giemsi. Na elektronskih difrakcijskih vzorcih ultratankih rezov bakterij ima nukleoid obliko svetlobnih con s fibrilarnimi, nitastimi strukturami DNA.
Poleg nukleoida, ki ga predstavlja en kromosom, vsebuje bakterijska celica zunajkromosomske dejavnike dednosti – plazmide (glej poglavje 5.2).
Nekatere bakterije (pnevmokoki, Klebsiella itd.) Tvorijo kapsulo - sluzasto tvorbo, trdno povezano s celično steno, z jasno določenimi zunanjimi mejami. Kapsula je razločljiva v brisih-odtisih patološkega materiala. V čistih kulturah bakterij se kapsula tvori manj pogosto. Odkrije se s posebnimi metodami obarvanja, ki ustvarjajo negativni kontrast snovi kapsule. Običajno je kapsula sestavljena iz polisaharidov (eksopolisaharidov), včasih polipeptidov, na primer pri bacilu antraksa. Kapsula je hidrofilna, preprečuje fagocitozo bakterij. Mnoge bakterije tvorijo mikrokapsule, sluzasto tvorbo, ki jo lahko vidimo z elektronskim mikroskopom. Sluz je treba razlikovati od kapsule - mukoidnih eksopolisaharidov, ki nimajo jasnih zunanjih meja. Pri adheziji (lepljenju na podlago) sodelujejo bakterijski eksopolisaharidi, imenujemo jih tudi glikokaliks.
Poleg dejstva, da bakterijske eksopolisaharide sintetizirajo bakterije z izločanjem njihovih sestavin, obstaja še en mehanizem za njihov nastanek - pod delovanjem zunajceličnih encimov na disaharide. Posledično nastanejo dekstrani in levani. Ovojnica in sluz ščitita bakterije pred poškodbami, izsušitvijo, saj sta hidrofilni in dobro vežeta vodo ter preprečujeta delovanje zaščitnih faktorjev makroorganizma in bakteriofagov.
Bakterijske flagele določajo njihovo gibljivost. Flagele so tanke nitke, ki izvirajo iz citoplazemske membrane; njihova dolžina je večja od dolžine celice. Debelina flagele je 12-20 nm, dolžina 3-12 mikronov. Število bičkov pri bakterijah različnih vrst se razlikuje od enega (monotrich) pri Vibrio cholerae do deset ali več sto bičkov, ki segajo vzdolž oboda bakterije (peritrih), pri Escherichia coli, Proteus itd.
Slika 2.4. Escherichia coli. elektronogram.
i - flagella; 2 - resice; 3 - F-pijala z adsorbiranimi sferičnimi bakteriofagi (priprava V.S. Tyurina).
jaz mm"
Lofotrihi imajo na enem koncu celice šop bičkov, amfitrihi imajo en biček ali šop bičkov na nasprotnih koncih celice. Bički so pritrjeni na citoplazmatsko membrano in celično steno s posebnimi diski. Glede na kemično sestavo so flagele sestavljene iz beljakovine - flagellina (iz angleške flagella - flagellum), ki ima antigensko specifičnost. Podenote flagelina so zvite. Flagele odkrijemo z elektronsko mikroskopijo pripravkov, razpršenih s težkimi kovinami (slika 2.4), ali v svetlobnem mikroskopu po obdelavi pripravkov s posebnimi metodami (na primer po srebrovanju).
Fimbrije in pili so filiformne tvorbe (glej sliko 2.4), tanjše in krajše (3-20 nm * 0,3-10 mikronov) kot flagele. Fimbrije segajo od površine celice in so sestavljene iz beljakovine, imenovane pilin. Med fimbrijami različnih vrst so fimbrije odgovorne za adhezijo, to je pritrditev bakterij na prizadeto celico (na primer pili 1 navadnega tipa - navadni pili); fimbrija, odgovorna za prehrano, presnovo vode in soli; spolno (F-drank) ali konjugativno, drank. Pili splošnega tipa so številni in dosežejo več sto v eni celici. Izraz "pili" se pogosteje uporablja za označevanje posebnih pilijev - spolnih pilijev, ki jih tvorijo tako imenovane celice moškega darovalca, ki vsebujejo transmisivne plazmide (F, R, Col); njihovo število je 1-2 na celico. Posebnost spolnih pilijev je interakcija s posebnimi "moškimi" sferičnimi bakteriofagi.
Spore so svojevrstna oblika spečih firmikutnih bakterij, to je bakterij z grampozitivno strukturo celične stene. Spore nastanejo v neugodnih pogojih za obstoj bakterij, ki jih spremlja sušenje, pomanjkanje hranil itd. V tem primeru se znotraj ene bakterije tvori ena spora. Zato tvorba trosov prispeva k ohranjanju vrste in ni način razmnoževanja, kot pri gobah. Aerobne bakterije, ki tvorijo spore, pri katerih velikost tros ne presega premera celice, se imenujejo bacili, anaerobne bakterije, ki tvorijo spore, pri katerih velikost tros presega premer celice in imajo zato obliko vretena, pa se imenujejo klostridij. (iz latinščine Clostridium - vreteno).
Proces sporulacije poteka skozi vrsto stopenj, med katerimi se ločita del citoplazme in kromosoma, obdana s citoplazemsko membrano; nastane prospora, nato nastane večplastna slabo prepustna lupina. Sporulacijo spremlja intenzivna poraba prospore, nato pa nastajanje lupine spor dipikolinske kisline in kalcijevih ionov. Po nastanku vseh struktur spore pridobijo toplotno stabilnost, kar je povezano s prisotnostjo kalcijevega dipikolinata. Sporulacija, oblika in lokacija trosov v celici (vegetativno) je vrstna lastnost bakterij, ki jih omogoča razlikovanje med seboj. Oblika spora je lahko ovalna, sferična; lokacija v celici je terminalna - na koncu palice (povzročitelj tetanusa), subterminalna - bližje koncu palice (povzročitelji botulizma, plinske gangrene) in osrednja (antraksni bacil).
Posebni elementi spore, vključno z večplastno lupino in kalcijevim dipikolinatom, določajo njegove lastnosti: v tleh lahko vztraja dolgo časa, na primer povzročitelji antraksa in tetanusa - desetletja. V ugodnih razmerah kalijo skozi tri faze: aktivacija, iniciacija, rast. V tem primeru iz ene spore nastane ena bakterija. Aktivacija - pripravljenost za kalitev. Pospeši se pri segrevanju pri temperaturi 60-80 ° C. Začetek kalitve traja nekaj minut. Za rast je značilna hitra rast, ki jo spremlja uničenje lupine spore in sproščanje sadike.
Vsakdo, ki je moral uničiti bakterijske celice v blagih pogojih, na primer z lizocimom ali detergenti, je opazil osupljivo sliko preoblikovanja lahko gibljive suspenzije bakterijskih celic v viskozno želeju podobno maso, katere preprosto mešanje zahteva trud. To je posledica dejstva, da kompaktno zapakirani velikanski kromosomi bakterijskih celic (dolžina kromosomske DNA E. coli je približno 4,6 milijona bp) po uničenju celične membrane gredo v okolje in se v njem prosto porazdelijo. V lizatih bakterijskih celic je njihova DNA močno povezana z beljakovinami, katerih sproščanje zahteva večkratno fenolno deproteinizacijo. Tako preprost eksperiment jasno kaže, da je v bakterijskih celicah njihov posamezen kromosom zelo zbit in morda prostorsko urejen.
Elektronsko mikroskopska študija delov bakterijskih celic je pokazala kompaktno porazdelitev DNK v bakterijski celici. Ker so takšne strukture na daleč spominjale na jedra evkariontov, so jih poimenovali nukleoidi ali plazemska DNK. Nukleoidi so predstavljeni kot difuzno obarvane regije brez ribosomov (slika I.1a). V tem primeru so podolgovati odseki DNK na zunanjem delu nukleoida usmerjeni v okoliško citoplazmo. S pomočjo specifičnih protiteles so ugotovili, da so molekule RNA polimeraze, DNA topoizomeraze I in histonu podobnega proteina HU povezane z nukleoidi. Razširjene regije DNA vzdolž periferije nukleoidov se običajno razlagajo kot segmenti bakterijskega kromosoma, ki sodelujejo pri transkripciji. Te regije so sestavljene iz zank DNA bakterijskega kromosoma, ki so glede na fiziološko stanje celice v transkripcijsko aktivnem stanju ali pa so potegnjene v nukleoide, ko je transkripcija potlačena.
Model funkcionalno aktivnega nukleoida A. Reiterja in A. Changa je prikazan na sl. I.1, b. Razpršena površinska struktura nukleoidov, vidna pod elektronskim mikroskopom, odraža mobilno stanje aktivno prepisanih zank DNA. V tem modelu je mogoče zaslediti analogijo s strukturo kromosomov, kot so ščetke za svetilke pri živalih.
Nukleoid bakterijske celice ni statična znotrajcelična tvorba ali predelek, ki bi ga bilo mogoče jasno morfološko definirati. V različnih fazah rasti bakterijske celice nukleoid nenehno spreminja obliko, kar je povezano s transkripcijsko aktivnostjo določenih bakterijskih genov. Tako kot pri evkariontskih kromosomih je tudi nukleoidna DNA povezana s številnimi proteini, ki vežejo DNA, zlasti histonom podobnimi proteini HU, H-NS in IHF ter topoizomerazami, ki imajo velik vpliv na delovanje bakterijskih kromosomov in njihovo znotrajcelično zbijanje. Podrobni molekularni mehanizmi kondenzacije bakterijske DNA za tvorbo labilnih "kompaktosomov" (podobnih stabilnim evkariontskim nukleosomom) niso znani.
Vse več je zanimanja za bakterijski tako imenovani LP-kromatin (low protein chromatin), za katerega je značilna relativno nizka vsebnost beljakovinske komponente. Podoben LP kromatin najdemo v virusih, mitohondrijih, plastidih in dinoflagelatih (flagelatih).