Bakteriecelle: Forskellige dele af en generaliseret bakteriecelle (forklaret med diagrammer) | Mikrobiologi
De forskellige dele af en generaliseret bakteriecelle er blevet vist i figur 2.3 og er blevet beskrevet som følger:
1. Flagella:
Bakteriel flagella er tynde trådlignende hårlignende spiralformede appendager, som rager gennem cellevæggen og er ansvarlige for bakteriens bevægelighed. De fleste af de bevægelige bakterier besidder flagella.
Dens længde er ca. 10-15μ. Bakteriel flagella er helt forskellig fra eukaryotisk flagella i struktur og virkningsmekanisme. De er meget tyndere end flagella eller cilia af eukaryote celler. Ingen cellemembran er til stede over den bakterielle flagella i modsætning til i eukaryotisk flagella.
Desuden er bakteriel flagella, i modsætning til eukaryot flagella, noget stiv og ikke piske frem og tilbage, snarere spinder de sig meget som en båds propel til bevægelse af cellen. Den bakterielle flagella har tre dele nemlig; (a) Basallegeme, (b) Kroge og (c) Filament (Figur 2.4).
(en) Basal Body:
Det danner basisdelen af flagellumet og er forankret i den cytoplasmatiske membran og cellevæg. Det giver forankring til flagella såvel som funktioner som en motor, hvorved flagellumets roterende bevægelse frembringes.
Den består af en lille central stang, der passerer gennem et ringsystem. I tilfælde af gram-positive bakterier, hvor cellevæggen alene består af et peptidoglycan-lag alene, har basallegemet kun ét par ringe; M-ringen og S-ringen, begge indlejret i cellemembranen.
Omkring disse ringe er en gruppe proteiner kaldet mod proteiner. Protonbevægelse på tværs af cellemembranen gennem disse mot proteiner frembringer den protonmotivekraft (energi), der kræves til rotation af disse to ringe, som i sidste ende virker som motoren til flagellumets propellerlignende rotation.
En anden gruppe af proteiner, der hedder fli-proteiner, er tilstede sandwichet mellem disse to ringe. De fungerer som motoromskifter og reverserer rotation af flagellum som reaktion på intracellulære signaler.
I tilfælde af gramnegative bakterier, hvori cellevæggen består af et ydre lipopolysaccharidlag (LPS) ud over det tyndere indre peptidoglycanlag, har basallegemet et par par ringe; L-ringen indlejret i LPS-laget og P-ringen i det tynde peptidoglycan-lag.
(b) Krog:
En kort krog forbinder basallegemet med flagellumets tråd. Det er lidt tykkere end filamentet. Den basale krops motoriske virkning overføres til glødetråden gennem krogen.
(c) filament:
Det er den lange hårlignende trådformede del af flagellumet, som kommer fra krogen. Det er flere gange længere end bakteriecellen. Det er lavet af en enkelt type protein, 'flagellin', hvis molekylvægt er ca. 40.000. Flagellinmolekyler danner kæder; tre sådanne kæder inter-twine at danne flagellum. I modsætning til et hår, der vokser ved sin base, vokser filamentet af en flagellum ved dets spids.
Aminosyrer passerer langs det hule center af filamentet og tilføjes til dets distale ende. Denne proces kaldes selvmontering, da alle oplysningerne til filamentets endelige struktur ligger i proteinunderenhederne selv. Filamentet er noget stift og ikke pisk frem og tilbage, snarere det spinner meget som en båds propel til bevægelse af cellen.
Spiroketterne mangler ekstern flagella. Men de bevæger sig ved hjælp af en flagella-lignende struktur placeret i deres celler lige under den ydre konvolut. Disse kaldes periplasmisk flagella, aksial flagella, aksiale fibriller eller endoflagella.
Flagella er arrangeret på forskellige måder i forskellige bakterier. Arrangementet af flagella på bakterieceller kaldes flagellation. Flagellation er af følgende fire typer (Figur 2.5).
(a) Monotrich flagellation (Mono: single; trichous: hår): En enkelt flagellum er til stede i den ene ende af cellen.
(b) Lophotrichous flagellation (Lopho: tuft; trichous: hår): En tuft eller klynge af flagella er til stede i den ene ende af cellen.
(c) Amphitrichous flagellation (Amphi: begge, trichous: hår): Flagella er til stede i begge ender af cellen, enten enkeltvis eller i tuft.
(d) Peritrichous flagellation (Peri: rundt; trichous: hår): Flagella er til stede over hele overfladen af cellen.
2. Fimbriae:
Fimbriae er tynde filamentøse hårlignende appendager, som strukturelt ligner flagella, men er ikke involveret i bakteriens motilitet (figur 2.3). I modsætning til flagella er de betydeligt kortere og mere talrige, men som flagella er de lavet af proteinmolekyler.
Fimbriae er til stede i få arter af bakterier, som hjælper dem med at binde sig til cellerne i andre organismer og forhindre dem i at blive vasket væk af strømmen af slim eller kropsvæske. Det hjælper således især de patogene bakterier til at etablere infektion i værtsorganet. De hjælper også til at danne pellikler eller biofilm på overflader.
3. Pili:
Pili er tynde filamentøse hårlignende appendager, som strukturelt svarer til flagella, men er ikke involveret i bakteriens motilitet (Figur 2.6). De er også strukturelt ligner fimbriae, men er generelt længere, og kun en eller nogle få pili er til stede på overfladen af en bakteriecelle.
Det er lavet af en enkelt type protein, 'pilin', hvis molekylvægt er ca. 17.000. Pilinmolekyler er arrangeret spiralformet til dannelse af en enkelt stiv filament med en central hulkern. I nogle bakterier overføres genetisk materiale gennem den hule kerne af pili under konjugation (parring med en anden bakterie).
Sådanne pili kaldes frugtbarhed pili (F pili) eller sex pili. I nogle patogene bakterier virker pili ligner fimbriae i tilknytning til værtscellerne og etablering af infektion. Den agglutinerende virkning af pili resulterer i dannelsen af film af bakterier, som er synlige på overfladen af bouillonkulturer.
4. S-Layer:
S-lag (overfladelag) er et lag, der findes på overfladen af de fleste af de patogene bakterier, som består af et todimensionelt udvalg af proteiner med krystallinsk udseende i forskellige symmetrier, såsom hexagonal, tetragonal eller trimerisk (figur 2.7) .
Den krystallinske symmetri afhænger af sammensætningen af S-lagens proteiner. Det er forbundet med cellevægstrukturen (med peptidoglycanlaget i gram-positive bakterier og med LPS-laget i gram-negative bakterier).
Det virker som en ydre permeabilitetsbarriere, der tillader passage af stoffer med lav molekylvægt og eksklusive stoffer med høj molekylvægt. Det giver også beskyttelse mod de patogene bakterier mod værtsforsvarsmekanismen.
5. Kapsel (slimlag eller glycocalyx):
Mange bakterier har et viskøst, slimet eller gummiagtigt materiale uden for cellen, der omgiver cellevæggen (figur 2.8). Den er lavet af makromolekyler, som ikke er kovalent bundet til bakterierne.
Disse overflademacromolekyler er primært ladede polysaccharider (glycoproteiner eller glycolipider) og kaldes derfor 'glycocalyx' (glyco: kulhydrater; kalyx: en del af blomsten under kronbladene, der strækker sig udad fra stammen). Glycocalyx er defineret som det polysaccharidholdige materiale liggende uden for cellen som et løst netværk af polymerfibre, som strækker sig udad fra cellen.
De syntetiseres og udskilles af bakterierne, som binder til receptorerne på overfladen af værtsvævet. Glycocalyx findes ikke kun omkring nogle bakterieceller; det findes også omkring nogle plante- og dyreceller.
Glycocalyx kan være af tre typer som følger:
(a) kapsel:
Det er en polymercoat, der består af et tæt, veldefineret viskøst lag, som omgiver bakterierne i mange arter. Det viskøse lag kan visualiseres ved lysmikroskopi ved anvendelse af en særlig farvningsteknik.
Glycocalyx-polymerfibrene er organiseret i en stram matrix, der udelukker partikler som indisk blæk. Bakterier, som har kapsel, kaldes kapsler, mens de, der ikke har kapsel, kaldes ikke-kapslede bakterier.
(b) mikrokapsel:
Det er et viskøst lag, der omgiver bakteriecellerne, hvilket er så tyndt, at det ikke kan visualiseres ved lysmikroskopi.
(c) slime:
Det er en diffus masse af polymerfibre, der tilsyneladende er uden tilknytning til en enkelt celle. Det viskøse lag er så tykt, at mange celler er indlejret i slimmatrixen. Laget deformeres let og udelukker ikke partikler. Det er svært at blive visualiseret ved lysmikroskopi.
Funktionerne af kapsel og slime er angivet nedenfor:
1. Det forhindrer tørring af celler ved at binde vandmolekyler.
2. Det forhindrer binding af bakteriofager (vira, som angriber bakterier) på bakteriecellerne.
3. Det giver virulens (den sygdomsfremkaldende evne) ved at hæmme deres genkendelse og efterfølgende destruktion af fagocytter (hvide blodlegemer eller WBC).
4. Det hjælper de patogene bakterier til dets binding til receptorer på overfladen af værtsvæv, der skal inficeres.
5. Det giver sammenhæng mellem forskellige bakterieceller.
6. Skeder:
Skeder er lange hule rørformede strukturer, som omslutter kæder af bakterieceller, der danner 'trichomes' (figur 2.9). Kappe bakterier er almindelige i ferskvandshabitater, der er rige på organisk materiale, såsom forurenede vandløb, tricklingfiltre og aktiverede slamfordøjere i spildevandsrensningsanlæg. Hylder kan let visualiseres, når nogle af cellerne, der kaldes trichomernes flagelaterede svømmerceller, bevæger sig ud af kappen, efterlader den tomme kappe.
7. Pros-thecae:
Pros-thecae er cytoplasmatiske forlængelser fra bakterieceller, der danner appendages som hypha, stilk eller knopp. De er mindre i diameter end de modne celler, indeholder cytoplasma og er afgrænset af cellevæg. Bakterier med pros-thecae kaldes prosthecat bakterier.
I modsætning til celledeling i andre bakterier, der foregår via binær fission, producerer to ækvivalente datterbakterieceller, som i prostituaterne indebærer dannelse af en ny dattercelle med modercellen, der bevarer sin identitet, efter at celledeling er afsluttet.
'Hyphae' er cellulære appendager dannet ved direkte cellulær forlængelse af modercellen indeholdende cellevæg, cellemembran, ribosom og lejlighedsvis DNA. Det dannes ved forlængelsen af en lille udvækst af bakteriecellen på et enkelt punkt.
En sådan vækst på et enkelt punkt kaldes "polar vækst" i modsætning til den "interkalære vækst", der finder sted i alle andre bakterier, hvor bakteriernes vækst finder sted over hele overfladen. I slutningen af hypha dannes en knopp, der forstørrer og producerer et flagellum.
DNA'et i modercellen replikerer, og en kopi af det cirkulære DNA flyttes ned langs hyphaens længde ind i knoppen. Et krydseptum danner derefter adskillelse af den stadigudviklede knopp fra hyphaen og modercellen.
Nu bryder knoppen fra modercellen og svømmer væk som en dattercelle. Senere taber dattercellen sin flagellum og vokser gradvist til at blive en modercelle klar til dannelse af hyphae og knoppe.
'Stængler' er cellulære bilag, der anvendes af visse vandbakterier til fastgørelse til fast substrat. I enden af stilken er der en struktur kaldet "holdfast", hvorved stilken er fastgjort til underlaget. Udover at give vedhæftning øger stængen også overfladearealet af bakteriecelle, hvilket hjælper det med næringsoptagelse og fjernelse af affald.
I nogle bakterier forbliver stænglerne af flere individer knyttet til rosettes. Celleopdeling i stalkede bakterier opstår ved forlængelse af cellen i retningen modsat retningen af stilken efterfulgt af fission. En enkelt flagellum er dannet ved stangen modsat stenglen.
Den såkaldte flagellerede dattercelle kaldes en "swarmer". Den adskiller sig fra den ikke-flagellerede modercelle, svømmer rundt og lægger sig til en ny overflade, der danner en ny stilk i den flagellerede pol. Flagellumet er så tabt.
'Knopper' er cellulære appendager, som direkte udvikler sig som datterceller fra modercellerne uden den mellemliggende dannelse af hyphae.
8. cellevæg:
Cellevæg er den stive struktur, der umiddelbart omgiver cellemembranen af bakterieceller. Cellemembranen af bakterieceller er et phospholipid-dobbeltlag, der ligner det for alle andre dyre- og planteceller (figur 2.11).
Mens dyreceller mangler cellevæg, har celler fra celler og bakterier cellevæg, som omgiver cellemembranen. Imidlertid består cellevæggen af bakterieceller i modsætning til cellevæggen af planteceller, der hovedsageligt består af cellulose, hovedsageligt af peptidoglycan-lag (figur 2.10).
Tidligere blev peptidoglycan også kaldt murein eller mucopeptid. Peptidoglycan består hovedsageligt af aminosyrer og sukkerarter (peptid: kæde af aminosyrer, glycan: sukker). To sukkerarter, N-acetylglucosamin (NAGA) og N-acetylmuraminsyre (NAMA) bindes til hinanden skiftevis gennem glycosidbindinger (β-1-4 kobling) til dannelse af lange parallelle sukkerkæder.
Vedhæftet til NAMA-molekylerne er korte sidekæder af fire eller fem aminosyrer bundet til hinanden gennem peptidbindinger. Aminosyrerne er sædvanligvis alanin, glutaminsyre og enten lysin eller diaminopimelinsyre (DAP). Disse korte peptider danner tværbindinger mellem tilstødende sukkerkæder til dannelse af et netværk eller lag.
Selvom de glycosidiske bindinger i sukkerkæderne er meget stærke, kan disse alene ikke give stivhed i alle retninger. Høj stivhed opnås kun når disse kæder er tværbundet af peptidbindingerne i de tværbindende korte peptider.
Sammensætningen af cellevæggen er ikke ens for alle bakterierne; Der findes snarere bemærkelsesværdige forskelle i sammensætningen, baseret på hvilke bakterier der er blevet grupperet som angivet nedenfor:
A. Baseret på gramfarvning:
Baseret på forskellene i sammensætning af cellevæg, differentieres bakterier i to grupper som følger: En særlig farvningsteknik kaldet 'gramfarvning', opkaldt efter Dr. Christian Gram, der udviklede den.
(1) Gram-positive bakterier:
Efter farvning af en bakterie med krystalviolet, hvis dens cellevæg modstår affarvning ved vask med et affarvningsmiddel (ethanol eller acetone), er det en gram-positiv bakterie. Eksempler: Bacillus, Staphylococcus.
(2) gramnegative bakterier:
Efter farvning af en bakterie med krystalviolet, hvis cellevæggen tillader affarvning ved vask med et affarvningsmiddel (ethanol eller acetone), er det en gram-negativ bakterie. Eksempler: Escherichia, Salmonella, Vibrio.
Differentiering af bakterier i gram-positive og gram-negative grupper giver det vigtigste spor for at fortsætte yderligere i korrekt retning for identifikation af ukendte bakterier.
Gram-positiv cellevæg:
Den gram-positive cellevæg er meget enkel. Den fremstilles hovedsageligt af et tykt lag af peptidoglycan, som udgør ca. 90% af cellevæggen. Dette tykke lag gør de gram-positive bakterier resistente over for osmotisk lysis.
Væggen kan også indeholde teichosyre, lipoteichoesyre og M-protein, som er de vigtigste overfladeantigener af gram-positiv cellevæg. Teichoinsyren er negativt ladet og er delvist ansvarlig for den negative ladning af bakteriens celleoverflade. Det hjælper også i passage af ioner gennem cellevæggen.
Lipoteichoesyren er teichoinsyre, som er bundet til membranlipiderne. M-proteinet hjælper nogle bakterier med at forårsage sygdomme ved at forhindre deres opslukning af WBC. Antibiotika, penicillin (produceret af svampen, Penicillium notatum) og cephalosporin dræber gram-positive bakterier ved at forhindre peptidoglycan syntese. Lysozym (et enzym fundet i tåre, spyt, ægalbumin og slim af fisk) dræber gram-positive bakterier ved at bryde glycosidbindingen (β-1-4-binding) mellem NAGA og NAMA.
Gram-negativ cellevæg:
Den gram-negative cellevæg er meget kompleks og mere skrøbelig end gram-positiv cellevæg. Den har et tyndt lag af peptidoglycan, som kun udgør ca. 10% af cellevæggen. Det er omgivet af et tykt beskyttende overtræk kaldet lipopolysaccharid (LPS) lag, der modstår indtrængning af nogle potentielt giftige kemikalier i bakteriecellen.
LPS-laget består af 1) et lipoproteinlag og 2) en ydre membran. Én overflade af lipoproteinlaget er direkte bundet til peptidoglycanlaget, og den anden overflade strækker sig ind i den ydre membran.
Det fungerer som et anker mellem peptidoglycanlaget og den ydre membran. Den ydre membran er et proteinindlejret phospholipid-dobbeltlag med en enhedsmembranstruktur svarende til cellemembranen. Det ydre membrans indre blad er et lag af phospholipidmolekyler alene.
I modsætning til enhedsmembranen erstattes nogle af fosfolipidmolekylerne i det ydre blad imidlertid med LPS molekyler. Hvert LPS molekyle er lavet af en lipiddel kaldet 'lipid A' kovalent bundet til et hårlignende polysaccharid.
Når gram-negative patogene bakterier dræbes inde i værtsens krop, frigives lipid A, som er en intern komponent af gram-negative bakterier, hvilket fremkalder toksiske reaktioner og sygdomssymptomer. Derfor kaldes lipid A også 'endotoxin' (endo: internt).
I modsætning hertil er 'exotoxin' det giftige stof syntetiseret inde i bakteriecellerne og frigivet til udenfor, hvilket forårsager sygdom, hvis den findes i eller går ind i værtsens krop. I modsætning til andre normale lipider som triglycerider, der er lavet af tre fedtsyrer bundet til en glycerol, er lipid A fremstillet af fedtsyrer bundet til et disaccharid sammensat af to NAGA-phosphater.
Fedtsyrerne i lipid A er almindeligvis kapronsyre, laurinsyre, myristinsyre, palmitinsyre og stearinsyrer. Polysaccharidet, der er bundet til lipid A i den anden ende af disaccharidet, er fremstillet af to portioner; 1) det indre kernepolysaccharid og 2) det ydre O-polysaccharid.
Ydermembranen indeholder også proteiner kaldet 'poriner', som indeholder tre identiske underenheder. Hver underenhed er cylindrisk med en central pore, gennem hvilken materialer kan passere. Porinerne gør således den ydre membran relativt permeabel.
Poriner er af to typer; 1) uspecifikke poriner, der danner vandfyldte kanaler for små stoffer af enhver art, der skal passere igennem og 2) specifikke poriner, som har specifikke bindingssteder for specifikke stoffer at passere igennem.
Flere materialer (opløsninger, sprøjter, nåle osv.) Er dog fri for patogene mikrober ved varmsterilisering, men beholder stadig rester af cellevæggen af gramnegative bakterier, der produceres ved at dræbe dem. Hvis det introduceres i værtsorganet, kan dette væggeaffald fremkalde sygdomssymptomer. Denne ødelagte cellevægsaffald, som kan fremkalde sygdomssymptomer, kaldes 'pyrogen'.
B. Baseret på sur hurtigt farvning:
Baseret på forskellene i sammensætningen af cellevæggen differentierer bakterier i to grupper som følger en anden speciel farvningsteknik kaldet "sur-hurtig farvning":
(1) Syrefaste bakterier:
En bakterie, som er ekstremt vanskelig at blive farvet, men en gang farvet, er det lige så svært at fjerne pletten ud af sine celler, selv med kraftig anvendelse af syrealkohol som affarvningsmiddel, er en syrefast bakterier (syreholdende bakterier bakterie).
Eksempler: Mycobacterium spp. [M. tuberkulose (TB bakterier), M. leprae (spedalske bakterier), M. smegmatis (naturlige bakterier af smegma), M. marinum (TB bakterier af marine fisk)]. De har en tyk voksagtig cellevæg lavet af lipidmaterialer.
(2) Ikke-syrefaste bakterier:
En bakterie, der er let at være farvet og også er let at blive affarvet af syrealkohol som dekoleringsmiddel, er en ikke-syre-hurtig bakterie (ikke-syre-elskende bakterier). Eksempler: Alle andre bakterier undtagen Mycobacterium spp. I disse bakterier er cellevæggen ikke tyk voksagtig.
Differentiering af bakterier til syrefaste og ikke-syrefaste grupper giver den vigtigste indikation for identifikation af Mycobacterium spp.
Vægmangelvarianter:
Nogle bakterier eksisterer naturligt uden cellevæg. Mycoplasma, som er den mindste bakterier, har ingen cellevæg. Det er beskyttet mod osmotisk lysis ved tilstedeværelsen af steroler i cellemembranen og ved at vedtage en parasitisk eksistens i et osmotisk gunstigt miljø af eukaryote værter.
Tilsvarende mangler nogle marine bakterier cellevæg, hvor den osmotiske lysis forhindres af saltvandskoncentrationen af havvand. De fleste af de gram-positive bakterier mister deres cellevæg (peptidoglycan) i nærvær af lysozym.
Men deres celler overlever, hvis de er til stede i et isotonisk miljø, såsom pusfyldte sår. Disse vægmangelige bakterier bestående af kun protoplasma indesluttet af cellemembran kaldes protoplast eller L-former (L for Lister Institute i London).
Når lysozym er fjernet, kan de genoptage vækst ved at syntetisere deres cellevæg. Hvis protoplastet beholder stykker af cellevæg, sådan at cellen tager amoeboid form, der udstikker ud, hvor der ikke er nogen cellevæg, kaldes den "sfæroplast".
Spheroplast er også dannet, når peptidoglycan af gram-negativ cellevæg fjernes ved behandling med lysozym. Her er protoplasmaet indesluttet af to lag, cellemembranen og LPS-laget.
Funktioner af cellevæggen:
(a) Beskyttelsesform Lysis:
Det beskytter bakteriecellerne mod osmotisk lysis, da de fleste forbliver i hypotoniske omgivelser. Dette er fordi; koncentrationen af opløste opløste stoffer inde i bakteriecellerne er betydeligt højere end i miljøet. Dette udvikler et betydeligt turgortryk inde i cellerne, som kan sammenlignes med trykket inde i et autodæk. Cellevæggen hjælper med at modstå dette tryk.
(b) Form og stivhed:
Det giver form og stivhed til bakteriecellerne.
9. Periplasmisk rum:
Det er det tynde mellemrum mellem cellevæggen og cellemembranen (figur 2.10 og 2.11). Den er fyldt med plasma kaldet periplasma. Periplasma indeholder flere proteiner, hvoraf tre er vigtige.
De er 1) hydrolytiske enzymer, som hjælper med den oprindelige nedbrydning af fødevaremolekyler af bakterier, 2) bindende proteiner, som begynder processen til transport af substrater og 3) kemoreceptorens, som er involveret i bakteriens kemotaksrespons. Chemotaxis betyder bevægelse hen imod eller væk fra et kemikalie.
10. Cellemembran:
Det er en tynd membran under cellevæggen, der helt omslutter protoplasmaet. Det kaldes også 'cytoplasmisk membran' eller 'plasmamembran'. Det er et proteinindlejret phospholipid-dobbeltlag (figur 2.11).
To typer proteiner er indlejret i dobbeltlaget. En type proteiner holdes fastholdigt i dobbeltlaget og kaldes 'integrerede proteiner'. De andre typer af proteiner er løst forankret på overfladen af dobbeltlaget og kaldes 'perifere proteiner'.
Membranets komponenter er ikke statiske; De er snarere dynamiske og er altid i bevægelsesstatus som en "væske". Proteinerne tilvejebringer membranen med et 'mosaik' udseende.
Det er derfor; enhedsmembranen udtrykkes sædvanligvis gennem en "væskemosaikmodel". Fosfolipid-dobbeltlaget består af to modsatte modstående lag, der hver består af et lag af phospholipidmolekyler. Hvert phospholipidmolekyle har et hoved og et par haler der kommer frem fra det.
Hovedet er opladet og hydrofilt (vand-elskende), for hvilket det forbliver i retning af det vandige miljø. Halerne er opladede og hydrofobe (vandheder), for hvilke de forbliver skjult inde i membranen væk fra det vandige miljø. En sådan membran kaldes 'enhedsmembran'.
Steroler, der er til stede i enhedsmembranen af alle eukaryoter som styringsmidlet, er fraværende i enhedsmembraner af næsten alle bakterier. Imidlertid er molekyler svarende til steroler, der kaldes 'humanoider', til stede i flere bakterier, som spiller en rolle svarende til sterols i eukaryoter. Et af de vigtige humanoider er 'diplopten', som har 30 carbonatomer.
Funktioner af cellemembran:
a) permeabilitetsbarriere:
Det indre af cellen (cytoplasmaet) består af en vandig opløsning af salte, sukkerarter, aminosyrer, vitaminer, coenzymer og en lang række andre opløselige materialer. Den hydrofobiske natur af cellemembranen gør den til en tæt barriere.
Selvom nogle små hydrofobe molekyler kan passere gennem membranen ved diffusion, går ikke hydrofile og ladede molekyler (de fleste vandopløselige molekyler) let igennem det. Disse molekyler transporteres på tværs af det ved specifikke transportsystemer.
Selv et stof så lille som en hydrogenion (H + ) diffunderer ikke over cellemembranen. Det eneste molekyle, der trænger ind i membranen, er vand, som er tilstrækkeligt lille og uladet til at passere mellem phospholipider molekyler.
Cellemembranen er således en kritisk barriere, der adskiller cellens indre fra dets miljø og forhindrer passiv lækage af cytoplasma bestanddele ind i eller ud af cellen. Hvis membranen er brudt, ødelægges cellens integritet, det interne indhold lækker ind i miljøet, og cellen dør.
(b) Selektiv Barriere:
Cellemembranen er også en meget selektiv barriere. Specifikke proteiner, der kaldes 'membrantransportsystemer', der er til stede på og i cellemembranen, tillader og letter transport af specifikke stoffer på tværs af det ved aktiv og passiv transport.
Strukturelt er membrantransportsystemerne proteiner lavet af 12 alpha-helixer, der vind frem og tilbage gennem membranen for at danne en kanal, gennem hvilken stoffet der skal transporteres bæres ind i eller ud af cellen.
Disse proteiner kan binde til specifikke stoffer, der skal transporteres, og flytte dem ind i eller ud af cellen over membranen efter behov. Dette gør det muligt for en bakteriecelle at koncentrere specifikke stoffer inde i cellen og fjerne specifikke stoffer fra cellen til ydersiden.
Der er tre typer membrantransportproteiner, såsom 1) Uniporters, som kun transporterer en type molekyle i en retning over membranen, 2) Symptorer, som transporterer en type molekyle og altid transporterer en anden type molekyle sammen med det i samme retning og 3) Antiporters, som transporterer en type molekyle og altid transporterer en anden type molekyle i modsat retning.
Transport af stoffer kan foregå på tre måder, som f.eks. 1) Enkel transport, hvor transporten sker over membranen ved hjælp af energien fra protonmotivstyrken. 2) Gruppetranslokation, hvor det transporterede stof ændres kemisk under passagen over membranen og 3) ABC-transport (ATP-bindende kassette), hvori et periplasmisk bindende protein i periplasma binder specifikt til stoffet, et membran-spændende protein, der spænder over membranen, transporterer det over membranen og et cytoplasmatisk ATP-hydrolyserende protein til stede i cytoplasma forsyner energi til transporthændelsen.
(c) ekstracellulær hydrolyse:
Cellemembranen hemmeligheder mange enzymer til udefra for ekstracellulær nedbrydning af store fødevarepartikler i molekyler, som kan passere ind i cellen gennem membranen.
(d) Respiration:
Bakterier har ikke mitokondrier. Derfor udføres cellulær respiration for at få energi fra fødevarematerialer i cellemembranen, som indeholder respiratoriske kæders enzymer. Det er en enhed til energibesparelse i cellen.
Membranen kan eksistere i en energisk "ladet" form, hvori en adskillelse af protoner (H + ) fra hydroxylioner (OH-) forekommer på tværs af dens overflade. Denne ladningsadskillelse er en form for metabolisk energi, analog med den potentielle energi, der er til stede i et opladet batteri.
Membranens energierede tilstand, der betegnes som en protonmotivkraft (PMF), er ansvarlig for at køre mange energiforsyningsfunktioner i cellen, herunder nogle former for transport, motilitet og biosyntese af celleens energimone, ATP .
(e) fotosyntese:
Phototrophic bakterier udfører fotosyntese af særlige organeller kaldet "chromatophores", som er dannet af cellemembranets fantasi. Disse organeller indeholder enzymer og pigmenter til fotosyntese.
(f) Absorption af næringsstoffer:
Næringsstoffer i omgivelserne absorberes direkte i bakteriecellerne gennem cellemembranen. 'Mesosomer' er membranøse invaginationer af cellemembranen i cytoplasma, hvilket øger overfladen for effektiv absorption.
g) reproduktion:
Bakterier reproduceres ved binær fission. Hver celle opdeles i to datterceller. I processen danner cellemembranen den nye cellevæg mellem at dele datterceller.
11. Cytoplasma:
Det viskøse væskelignende stof, der fylder rummet inde i cellemembranen, kaldes cytoplasma (figur 2.10 og 2.11). Det er en væske lavet af vand, enzymer og små molekyler. Suspenderet i væsken er en relativt gennemsigtig region af kromosomalt materiale kaldet "nucleoid", ribosomgranuler og cytoplasmiske indeslutninger, som opbevarer energi.
12. Nucleoid:
Det er den aggregerede masse af DNA, der udgør bakteriens kromosom (Figur 2.12). Da bakterier er prokaryoter, er deres DNA ikke begrænset i en membranbundet kerne, som det er i eukaryoter.
Det er dog ikke spredt gennem cellen, men det har en tendens til at aggregere som en særskilt struktur i bakteriecellen og kaldes 'nucleoid' (figur 2.12). Ribosom er fraværende i nukleoidområdet, fordi nukleoid DNA eksisterer i en gelignende form, der udelukker partikelformigt materiale.
De fleste bakterier indeholder kun et enkelt kromosom, som består af et enkelt cirkulært dobbeltstrenget DNA, selv om nogle bakterier har lineært kromosomalt DNA. Normalt drejes det kromosomale DNA i vid udstrækning og foldes til "super-coiled DNA" for at rumme det i det lille rum af nukleotiden.
Super-coiled DNA er mere kompakt end det fri cirkulære DNA. Bakterier indeholder kun en enkelt kopi af hvert gen på deres kromosom og er derfor genetisk 'haploid'. I modsætning hertil indeholder eukaryoter to kopier af hvert gen i deres kromosomer og er således genetisk diploide.
Gen kan defineres som et hvilket som helst segment af et DNA, som er ansvarlig for en bestemt karakter af værtsorganismen. Hver karakter af en organisme er specificeret af et bestemt gen, som består af et bestemt segment af DNA'et.
Det kromosomale DNA af bakterier indeholder de væsentlige 'husholdningsgener', som er nødvendige for bakteriernes overlevelse. Dette DNA fordeles mellem de to datterceller under celledeling.
Foruden de kromosomale gener findes der også ikke-kromosomale gener uden for kromosomet. For eksempel indeholder plasmiderne specifikke gener, som giver særlige egenskaber til bakterier. Summen af alle de gener, der er til stede i en celle, kaldes dens "genom".
13. Plasmider:
Disse er få ikke-kromosomale DNA, der findes i cytoplasma hos nogle bakterier (figur 2.12). Hvert plasmid består af et lille cirkulært stykke dobbeltstrenget DNA, der kan replikere uafhængigt af kromosomet. Mange plasmider er ret små, men nogle er ret store.
Imidlertid er intet plasmid så stort som kromosomet. Plasmider har ikke gener nødvendige for bakteriel vækst eller overlevelse. De kan have gener, der er ansvarlige for resistensen mod antibiotika, til fremstilling af toksiner eller til fremstilling af overfladebiprodukter, der er afgørende for vedhæftning og etablering af infektion.
Plasmiderne indeholder således de gener, der tillægger bakterier særlige egenskaber, i modsætning til det kromosomale DNA, som indeholder de essentielle husholdningsgener, der er nødvendige for bakteriens grundlæggende overlevelse.
Nogle plasmider, som kan integreres i det værtschromosomale DNA kaldes 'episomer'. Plasmider kan også elimineres fra værtsbakteriecellen ved processen kaldet 'hærdning'. Nogle plasmider anvendes i vid udstrækning i genmanipulation og genteknologi.
14. Ribosomer:
Disse er granulære legemer til stede i cytoplasmaet, hvor proteinsyntese finder sted (figur 2.3). De er så mange, at deres tilstedeværelse giver cytoplasma et mørkt udseende. Størrelsen af hvert bakteriel ribosom er 70 S (70 Svedberg), som består af to underenheder af 50S og 30S størrelse. I modsætning hertil er størrelsen af hvert eukaryotisk ribosom 80S bestående af to underenheder af 60S og 40S størrelse.
15. Gas Vacuoles:
Gasvakuoler er spindelformede gasfyldte strukturer, der findes i cytoplasmaet (figur 2.3 og 2.13). De er hul cylindriske rør, lukket med en hul konisk hætte i hver ende. Deres tal i en celle kan variere fra få til hundrede.
Their length and width vary in different bacteria, but the vacuoles of any given bacteria are more or less of constant size. They are hollow, but rigid. They are impermeable to water and solutes, but are permeable to most gases. Therefore, the composition of the gas inside them is the same as that of the gas, in which the organism is suspended.
Gas is present in the vacuoles at about 1 atm. tryk. Therefore, rigidity of gas vacuole membrane is essential for the vacuole to resist the pressure exerted on it from outside. Due to this, it is composed of proteins able to form a rigid membrane rather than of lipids, which would form a fluid, highly mobile membrane.
There are two types of proteins, which make the membrane. They are 1) GvpA and 2) GvpC (Gas vacuole protein A and C). GvpA is the major gas vacuoles protein, which is small and highly hydrophobic (Figure 2.13). It is the shell protein and makes up 97% of the total protein of the gas vacuoles.
Gas vacuoles are made of several GvpA protein molecules aligned as parallel 'ribs' forming a watertight surface. GvpA proteins fold as a (3-sheet and thus, give considerable rigidity to the overall vacuole structure. GvpC is a larger protein, but is present in much smaller amount.
It strengthens the shell of the gas vacuoles by acting as cross-linker, binding several GvpA ribs together like a clamp. The final shape of the gas vacuoles, which can vary in different organisms from long and thin to short and fat is a function of how the GvpA and GvpC proteins are arranged to form the intact vacuoles.
As the gas vacuoles are filled with gases, their density is about 5- 20% of that of the cell proper. Thus, the intact gas vacuoles decrease the density of the bacteria cells, thereby conferring buoyancy to them.
Most of the floating aquatic bacteria have gas vacuoles, which confer buoyancy and help them to float on the surface of water or anywhere in the water column. Gas vacuoles also act as a means of motility, allowing cells to float up and down in the water column in response to environmental factors.
For example, aquatic phototrophic organisms benefit from gas vacuoles, which help them to adjust their position rapidly in the water column to regions where light intensity for photosynthesis is optimal. The gas vacuole membrane cannot resist high hydrostatic pressure and can collapse, leading to a loss of buoyancy. Once collapsed, gas vacuoles cannot be reinflated.
16. Inclusions:
The non-living reserve materials suspended in the cytoplasm are called 'inclusions' (Figure 2.3). Most of the inclusions are bounded by a thin non-unit membrane consisting of lipids separating them from the surrounding cytoplasm.
Their function is the storage of energy or structural building blocks. Different bacteria contain different types of inclusions.
Some of the common inclusions found in bacteria cells are described below:
(a) Poly-β-hydroxybutyric Acid (PHB) Granules:
These are granules consisting of poly- β-hydroxybutyric acid (PHB), which is a lipid-like substance. Monomers of β-hydroxybutyric acid are bonded to each other in a chain by ester linkages to form the polymer of poly- β-hydroxybutyric acid. The polymers aggregate into granules.
(b) Poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) Granules:
It is a collective term used to describe all classes of carbon/energy storage polymers found in bacterial cytoplasm. The most common PHA granules are the PHB granules. The length of the monomers in a polymer can vary, from as short as C 4 (in PHB granules) to as long as C 18 (in other granules) in many bacteria.
(c) Volutin Granules:
These are granules composed of polyphosphates. The basic dye, toluidine blue becomes reddish violet, when it combines with the polyphosphate granules. This phenomenon of color change is called 'metachromasy'. Therefore, volutin granules are also called 'metachromatic granules'.
(d) Glycogen Granules:
These are starch-like polymers made of glucose subunits. Glycogen granules are usually smaller than PHB granules. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.
(e) Sulphur Granules:
These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.
(f) Magnetosomes:
Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe 3 O 4 . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.
The membrane proteins play a role in precipitating Fe 3+ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe 3 0 4 in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.
Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.
There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.
17. Endospore:
It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.
Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:
I. Aerobic rod-shaped bacteria
1. Bacillus spp.
II. Anaerobic rod-shaped bacteria
2. Clostridium spp.
3. Desulfotomaculum spp.
Structure of Endospore:
The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).
(en) Exosporium:
It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.
(b) Spore coat:
It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.
(c) cortex:
It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.
(d) Core:
It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.
Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.
Egenskaber ved Endospore Core:
Kernen i en moden endospore adskiller sig meget fra den vegetative celle, hvorfra den dannes.
Egenskaberne af endosporekernen er som følger:
(a) Et kemisk stof, som er karakteristisk for endosporer, men ikke til stede i vegetative celler, er dipicolinsyre (DPA). Det er placeret i kernen.
(b) Sporer er også høje i calciumioner, hvoraf de fleste er kombineret med dipicolinsyre. Kalsiumdipikolinsyrekomplekset repræsenterer ca. 10% af den tørre vægt af endosporen.
(c) Udover at have et rigeligt indhold af calcium-dipicolinsyre (Ca-DPA) er kernen i en delvist dehydreret tilstand. Kernen i en moden endospor indeholder kun 10-30% af vandindholdet i den vegetative celle, og konsistensen af kerne-cytoplasma er således den for en gel.
Dehydrering af kernen øger endestillets varmebestandighed såvel som giver kemikaliebestandighed, såsom hydrogenperoxid (H 2 O 2 ) og forårsager, at enzymerne i kernen forbliver inaktive.
(d) Ud over sporets lave vandindhold er pH-værdien af kerne-cytoplasma ca. en enhed lavere end den vegetative celle.
(e) Kernen indeholder høje niveauer af kerne-specifikke proteiner kaldet "små syreopløselige spore proteiner" (SASP'er). Disse syntetiseres under spekulationsprocessen og har to funktioner. For det første binder de tæt til DNA'et i kernen og beskytter det mod potentielle skader fra UV-stråling, udtørring og tørvarme. For det andet fungerer de som kilden til kulstof og energi til udplantningen af ny vegetativ celle ved spiringprocessen.
Spore Cycle:
Under ugunstige forhold produceres en spore inden for en vegetativ celle ved dehydrering og sammentrækning af celleindholdet (Figur 2.14). Denne spore, der er dannet inde i bakteriecellen, kaldes 'endospore'. Hvis uønskede tilstande forværres, bryder cellen ud af endosporen, som nu bliver en uafhængig sovende celle kaldet 'spore'.
Processen, hvorved en vegetativ celle producerer en spore, kaldes 'sporogenese' eller 'sporulation'. Sporet forbliver i den inaktive sovende form, indtil de ugunstige forhold fortsætter. Efter tilbagesendelse af gunstige betingelser kommer sporen tilbage til den vegetative form og bliver aktiv igen.
Lagene der dækker sporebrydningen og sporet giver anledning til en metabolisk aktiv vegetativ celle. Processen, hvormed en spore ændrer sig til en vegetativ celle, kaldes 'spiring'.
Den cykliske proces med forandring fra vegetativ form til spore under ugunstige forhold og tilbage til vegetativ form under gunstige betingelser kaldes 'sporcyklus'.
De to halvdele af sporcyklusen er angivet nedenfor:
A. Sporulation:
Sporulation involverer en meget kompleks række hændelser i celledifferentiering (Figur 2.14). Mange genetisk rettede ændringer i cellen ligger til grund for omdannelsen fra en fugtig, metabolisk aktiv celle til en tør, metabolisk inaktiv, men ekstremt resistent spore.
De strukturelle ændringer, der forekommer i sporulerende celler, kan opdeles i flere trin. Hele sporuleringsprocessen tager cirka få timer. Genetiske undersøgelser har vist, at så mange som 200 gener er involveret i en typisk sporulationsproces.
Under sporulation ophører syntesen af nogle proteiner involveret i funktionen af vegetative celler, og syntese af specifikke sporeproteiner starter. Disse proteiner kaldes 'små syreopløselige spore proteiner' (SASP'er).
Dette opnås ved aktivering af en række sporespecifikke gener, herunder spo, ssp (som koder for SASP'er) og mange andre gener som reaktion på den negative miljømæssige tilstand. Proteinerne kodet af disse gener katalyserer seriens hændelser, der ændrer en vegetativ celle til en spore.
Sporet får sin varmebestandighed ved hjælp af flere mekanismer, som endnu ikke er tydeligt forklaret. Det er imidlertid klart, at de uigennemtrængelige lag, såsom spore cortex og spore coat beskytter sporet mod enhver fysisk skade.
En vigtig faktor, der påvirker en spores varmebestandighed, er mængden og tilstanden af vand i den. Under sporulation reduceres protoplasmaet til et minimumsvolumen som følge af akkumuleringen af Ca 2+, små syreopløselige sporeproteiner (SASP'er) og syntese af dipikolinsyre, hvilket fører til dannelsen af en gelignende struktur.
På dette stadium danner en tykk cortex omkring protoplastkernen. Sammentrækning af cortex resulterer i en krympet, dehydreret protoplast med et vandindhold på kun 10-30% af en vegetativ celle. Proteoplastens vandindhold og koncentrationen af SASP bestemmer sporens varmebestandighed.
Hvis sporet har lav koncentration af SASP og høj vandindhold, viser det lavt varmebestandighed. Hvis den har en høj koncentration af SASP og lavt vandindhold, viser den høj varmebestandighed. Vand bevæger sig frit ind og ud af sporet. Det er således ikke uigennemtrængeligheden af spore coat, snarere det gelignende materiale i spore protoplast, der udelukker vand.
B. Spiring:
En endospor kan forblive sovende i mange år, men kan konvertere tilbage til en vegetativ celle relativt hurtigt. Denne proces involverer tre trin; aktivering, spiring og udvækst. 'Aktivering' indebærer aktivering af sporet og gør den klar til spiring.
"Spiring" indebærer tab af mikroskopisk refraktivitet af sporet og tab af modstand over for varme og kemikalier. Sporen taber calciumdipikolinsyre og cortex-komponenter. Desuden nedbrydes SASP'erne.
'Udvækst' involverer synlig hævelse på grund af vandoptagelse samt syntese af nyt DNA, RNA og proteiner. Cellen kommer frem fra den ødelagte sporefrakke og begynder efterhånden at opdele. Cellen forbliver derefter i vegetativ vækst, indtil miljøbetingelserne er gunstige.
Mens der steriliseres et materiale, der gør det bakteriefri, dræbes de tilstødende bakterier i en eller anden metode. Men hvis materialet indeholder sporeformere, bliver det svært at sterilisere det. Jo mere er antallet af sporer i materialet, jo højere er det stress, der kræves for at sterilisere det.
For kolonier af sporeformende bakterier dyrket på agarplader eller skråninger, når bakteriernes alder stiger, danner de sporer på grund af aldring, næringsstofmangel og ophobning af metabolitter.
