Građa prokariotske ćelije

Struktura i funkcija prokariotske

ćelije

• Prokariotska ćelija je

jednostavnije građena i ne

poseduje organele

obavijene membranom.

• Makromolekuli: proteini,

nukleinske kiseline, lipidi

i polisaharidi (univerzalni

za živi svet, zajednički

predak).

Elektronska mikrografija

bakterije (Heliobacterium,

1 x 3 μm)

Prokariotska ćelija

Nukleoid

• Sadrži genetički materijal ćelije, hromozom

• Hromozom najčešće kružan molekul DNK

• Sadrži jednu garnituru gena, haploidni genom

• Bacteria -nema histona, u strukturi učestvuje

HU protein (E. coli, strain U93)

• Archaea - kod nekih se nalaze proteini slični

histonima

Nukleoid

• boji se specifičnim

bojama za DNK

• zauzima oko 10%

volumena ćelije, iako

DNK čini svega 2-3%

suve težine ćelije

Domeni negativne

superspiralizacije

Kod E. coli oko 100 domena

Izolovani nukleoid iz E. coli

Ribozomi

70S ribozom, 2 subjedinice:

30S i 50S

30S - 16S rRNK i ~ 20 proteina

50S - 23S i 5S rRNK i ~ 34

proteina

• Ribozomi učestvuju u sintezi

proteina

• Često se uočavaju na iRNK,

polizomi

IDENTIFIKACIJA BAZIRANA NA ANALIZI

SEKVENCE 16s rDNK

rRNK molekul, kodiran visoko konzerviranom sekvencom rDNK (veoma slična i kod veoma udaljenih organizama).

Analiza sekvenci gena koji kodiraju rRNK (rDNK) široko sekoristi u taksonomiji, filogeniji (evolutivnoj srodnosti) za procenu stepena divergencije vrsta međi bakterijama.

Pionir u ovim istraživanjima Carl Woese je na osnovu ovih sekvenci predložio klasifikaciju koja se sastoji iz 3 domena (Domain system) - Archaea, Bacteria i Eucarya.

16s rDNK sekvenca ima hipervarijablne regione, kod koga

su sekvence izmenjene u toku dužeg perioda (evolutionary

time) a koji je prekidan visoko konzerviranim regionima.

• Prajmeri se dizajniraju

tako da se vezuju za

konzervirane regione a

umnožavaju varijabilne

regione.

• DNK sekvenca 16S rDNK

gena je determinisana za

veliki broj vrsta (ni jedan

drugi gen nije tako dobro

okarekterisan kod tako

velikog broja vrsta)

Visoka konzerviranost rRNK gena kod fragmenata 16S rRNK

gena poreklom od različitih organizama:

Čovek

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGTTAAAAAG

Kvasac

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGTTGCAGTTAAAAAG

Kukuruz

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTTAAGTTGTTGCAGTTAAAAAG

E. coli

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCG

Anacystis nidulans (cijanobakterija)

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGGAGAGGCAAGCGTTATCCGGAATTATTGGGCGTAAAGCG

(Thermotoga maritima (bakterija termofil 80ºC)

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGGGGCAAGCGTTACCCGGATTTACTGGGCGTAAAGGG

Methanococcus vannielii (arhea)

GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACCGACGGCCCGAGTGGTAGCCACTCTTATTGGGCCTAAAGCG

Thermococcus celer (ekstremofilna arhea optimum na 85 ºC)

GTGGCAGCCGCCGCGGTAATACCGGCGGCCCGAGTGGTGGCCGCTATTATTGGGCCTAAAGCG

Sulfolobus sulfotaricus (arhea )

GTGTCAGCCGCCGCGGTAATACCAGCTCCGCGAGTGGTCGGGGTGATTACTGGGCCTAAAGCG

Citoplazmatična membrana

Citoplazmatična membrana Bacteria

• Tanka struktura (8 nm), koja obavija citoplazmu.

• Dvostruki fosfolipidni sloj, hidrofobne i relativno hidrofilne komponente koje su selektivna barijera.

• Lipidi - masne kiseline su za glicerol povezane estarskom vezom.

Citoplazmatična membrana Bacteria

Citoplazmatična membrana bakterija

• Steroli - ne nalaze se u prokariotskim membrana, rigdni, planarni molekuli daju čvrstinu eukariotskim membranama (5-25% ukupnih lipida)

• Izuzetak mikoplazme koje nemaju ćelijski zid a sterole uzimaju od domaćina.

• Antibiotici polieni (filipin, nistatin, kandicin) reaguju sa sterolima i destabilizuju membranu.

• Hopanoidi - slični sterolima i kod nekih bakterija i imaju sličnu ulogu

• Kod Archaea nisu otkriveni.

holesterol hopanoid diplopten

Mycoplasma (elektronska mikrografija)

Archaea

• Predstavljaju najsariju životnu formu koja je preživela od vremena kada su uslovi na Zemlji bili tako nepovoljni da su samo ekstremofili mogli da se razvijaju.

• Danas se mnoge vrste Archaea mogu se naći u ekstremnim staništima ( npr. topli izvori)

Tipični habitat Sulfolobus-a

Octopus Spring Obsidian Pool

•Topli izvori Nacionalnog parka Yellowstone, USA, su bila među prvim

mestima u kojima su otkrivene Archaea.

•Ovi bazeni imaju veoma male razlike u sadržaju minerala, temperaturi, etc., i

mogu sadržati različite zajednice archaean i drugih mikroorganizama.

•Biolozi potapaju mikroscopske pločice u topli izvor na koje se mogu prihvatiti

archaea.

Archaea su klasifikovane u 3 grupe:

Crenarchaeota, hipertermofili i acidofili, metabolišu S; (Sulfolobus solfataricus)

Euryarchaeota, hemoautotrofi, hipertermofilni anaerobi (toplim sumpornim izvori, vulkani (70- 113°C); metanogeni (svi anaerobi), ekstremni halofili (većina aerobi) i nekoliko sumpor-metabolšućih termofila;

Korarchaeota, novo prepoznata grupa, najbliža je univerzalnom pretku koji je mogao biti arhaea ili drugi oblik ekstremofila sposoban da kolonizuje mladu planetu a kasnije preživi u ekstremnim stainištima.

Korarchaeota,

KamchatkaKorHotSprings.jpg

• Archaea ne poseduju peptidoglukan u ćelijskom zidu.

• Različita građa ćelijske membrane u odnosu na bakterije i eukariote (neuobičajena etarska veza u lipidima).

• Pored oblika koka i bacila mogu biti i u obliku diska, trougla, kupe, itd..

• Struktura i funkcija gena kod njih je iznenađujuće slična strukturi i funkciji gena kod eukariota.

• Postoje i značajne razlike u nekim osnovnim biohemijskim procesima između archaea i bakterija.

Ćelijska membrana Archaea

izopren

Lipidi – umesto masnih kiselina nalazi se izopren (fitanil)

koji je sa glicerolom povezan etarskom vezom.

Hipertermofilne Archaea - jednoslojna membrana

(“monolayer”), fitanili povezani u bifitanil.

Funkcije citoplazmatične membrane

1. Barijera za prolaz molekula

2. Mesto gde se nalaze

proteini za transport, dobijanje

energije i hemotaksiju

3. Konzervacija energije

Transportni proteini u membrani bakterija

• Formiraju kanal za prolaz supstanci:

- uniporteri – transport jedne supstance u ćeliju.

- antiporteri – unose supstancu u jednom a iznose drugu u suprotnom.

- simporteri - nose supstancu sa (najčešće protonom H+), u istom pravcu.

Najmanje 3 tipa transportera koji koriste enrgiju protonske

pumpe, ATP-a ili druge supstance bogate energijom

Jednostavni transporteri

“Proton motive force” -

protonska pumpa prokariotskih

i unutrašne membrane

mitohondrija i hloroplasta

Fosfotransferazni sistem Translokacija grupa

• Sistem fosfotransferaza kod E.coli,(24 proteina), proteini se alternativno fosforilišu ili defosforilišu.

• Energija iz fosfoenol piruvata (ekvivalentna 1 ATP).

• Glukoza je pripremljena za ulazak u centralni metabolizam.

ABC

transporteri

Ćelijski zid

• Ćelijski zid - uloga u formiranju oblika i čvrstine,

turgorski pritisak kod E. coli 2 at.

Ćelijski zid Bacteria

Gram pozitivne bakterije Gram negativne bakterije

Peptidoglikan – u sastavu zida svih bakterija

Na osnovu građe ćelijskog zida i različitog bojenja po Gramu

bakterije se dele na gram-pozitivne i gram-negativne.

Peptidoglikan

Umrežavanje

peptidoglikana

Inhibirano

penicilinom

Čvrstna zidu - tetrapeptidne unakrsne veze (cross-links) između lanaca peptidoglikana (glikan tetrapeptid).

Jednoslojan ćelijski zid kod gram

pozitivnih bakterija

90%

Građa ćelijskog zida gram pozitivnih bakterija

Teijhojna kiselina

Višeslojan ćelijski zid kod gram

negativnih bakterija

5-20%

Gram-negativne bakterije - Spoljašnji sloj ćelijskog

zida (“outer membrane”) LPS

• Dvostruki lipidni sloj, pored fosfolipida ima polisaharide i proteine (lipopolisaharidni sloj LPS).

Endotoksin

• LPS gram-negativnih bakterija je toksičan (patogene za čoveka i druge sisare su Salmonella, Shigella i Escherichia).

• Lipid A, endotoksin, i kod nekih nepatogenih bakterija ova komponenta zida ima toksična svojstva.

• Porin 3 identične subjedinice proteina - kanali za prolaz hidrofilnih supstanci (1nm).

• Nespecifični ili visoko specifični

Komponenta Funkcija

Lipopolisaharid LPS Permeabilna barijera

Mg++ mostovi Stabilizuju LPS i esencijalni su permeabilnost

Braun-ov lipoprotein Povezuje “outer membrane” za peptidoglikan (murein)

Omp C i Omp F porini Proteini koji formiraju pore ili kanale kroz “outer

membrane” za prolaz hidroflnih molekula

Omp A protein Receptor za neke viruse i bakteriocine; stabilizuje

povezivanje ćelija u toku konjugacije

• Strukturne razlike u građi ćelijskog zida gram-pozitivnih i gram-

negativnih Bacteria dovode do razlike u bojenju po Gram-u.

• Alkohol prolazi kroz lipidima bogatu “outer membrane” gram-

negativnih Bacteria i rastvara i ispira teško rastvorljiv kompleks kristal

violet-jod.

Ćelijski zid Archaea

N-acetil talosaminuronska kiselina

N-acetil glukozamin

Pseudopeptidoglikan

Ćelijski zidovi Archaea od polisaharida,

glikoproteina ili proteina

• Zid od glukoze, glukuronske kiseline, galaktozamina i acetata - Methanosarcina, Halococcus, ekstremno halofilna.

• Parakristalni sloj (S-sloj) od proteina ili glikoproteina - (ekstremni halofili, metanogenih i hipertermofila.

• Methanospirillum i Methanothrix - ćelije odvojene gustim “space” regionom kompleksne strukture u zajedničkom S-sloju.

S- sloj – parakristalna priroda sloja

Ekstremno halofilne Archaea,

Halobacterium

Ekstremno termofilne Archaea,

Pyrolobus

Ekstremno acidofilna Archaea

bez ćelijskog zida,

Thermoplasma

Struktura Bacteria Archaea

Citoplazma-

tična

membrana

Dvostruki fosfolipidni sloj, hidrofobne

masne kiseline i hidrofilni glicerol vezani

estarskom vezom.

Proteini

Izopren vezan za glicerol etarskom vezom.

Hipertermofili – jednoslojna (bifitanil).

Proteini

Ćelijski zid Peptidoglikan (murein) N-acetil glukozamin

N-acetil muraminska kis.

β(1,4) glikozidna veza osetljiva na lizozim.

Peptid (L- i D-alanin, D-glutaminska kis.,

lizin ili diaminopimelinske kis. DAP).

Gram+ bakterije 90% pepidoglikana.

Teihojna kiselina (polimeri glicerolfosfata

ili ribitolfosfata).

Gram- bakterije 10% peptidoglikana.

Lipopolisaharidni sloj

Polisaharid - sr` polisaharida (heptoze,

glukoze, galaktoze i N-acetilglukozamina) i

O-polisaharid (galaktozu, glukozu,

ramnozu i manozu, kolitoza)

Lipid - lipid A (endotoksin).

Porini – proteini sa 3 identi~ne subjedinice.

Periplazma -12-15nm, proteini.

Pseudopeptidoglukan N-acetil glukozamin

N-acetil talosa minuronska kis.

β(1,3) glikozidna veza otporna na lizozim

Peptid (L-alanin, glutaminska kis., lizin).

Polisaharidi

Glikoproteini

Proteini

S- sloj (halofili, metanogeni, hipertermo).

Funkcija ćelijskog zida

Protoplasti

• Neki prokarioti su slobodno-živeći protoplasti.

• Oni mogu preživeti bez ćelijskog zida.

• Čvrstu membranu ili sredina sa optimalnim osmotskim pritiskom (toplokrvni organizmi).

• Grupa patogenih Bacteria, mikoplazme, mogu živeti bez ćelijskog zida.

Površinske strukture i inkluzije kod

prokariota

Površinske strukture

• Prokariotske ćelije na svojoj površini mogu imati

različite strukture, kapsule i sluzave omotače,

fimbrije i pile.

• Uloga ovih struktura: zaštita od fagocitoze,

isušivanja, prihvatanje za podlogu (domaćina).

Površinski omotači

Kapsula

Glikokaliks

kolonije Bacillus anthracis

Površinske strukture

Fimbrije Pili

Genetička informacija se često nalazi na plazmidima

Ćelijske inkluzije Rezervne materije:

- glikogen (boji se rastvorom joda)

- polifosfat (metahromatične granule)

- poli--hidroksi butirat PHB

Granule sa fosfatom i sumporom

• Elementarni S se akumulira u

velikoj količini (u toku

oksidacije SO4, H2S, S i

tiosulfata).

• Depoi granula fosfata ili

polifosfata (metahromatične

granule).

Granule sa S kao rezultat oksidacije H2S

(purpurna sumporna bakterija Isochromatium buderi).

Inkluzije - Magnetozomi

• Magnetotaksiju -orijentaciju i kretanje

duž linije geo-magnetnog polja.

• Brojne, primarno akvatične bakterija, i

neke alge.

Magnetozomi izolovani iz

Magnetospirillum magnetotacticum (50 nm)

Gasne vezikule Oržavaje na površini ili u slojevima sa intenzitetom svetla

optimalnim za proces fotosinteze

• Izduženog oblika, 5-20% ćelije, od šupljikavog proteina (300-700nm).

• Membrana od proteina (2 nm) nepropustljive za vodu i druge rastvore a poropustljive za većinu gasova.

• Sastav gasa u vezikuli odgovara gasu spoljašnje sredine (u vezikuli 1 atm).

Gasne vezikule kod cijanobakterije Anabaena

i Microcystic

Anabaena

Microcystic

Endospore

• Diferencirane strukture koje produkuju neke gram-

pozitivne bakterije zemljišta.

• Otporne na visoku temperaturu, hemijske i fizičke agense

(boje, kiseline, dezinfekcione supstance, zračenje).

• Mogu biti dormantne izuzetno dug vremenski period.

Endospore

Fluorescentna

fotomikrografija sporulacije

Bacillus subtilis, zelena zona

potiče od specifičnog

bojenja proteina u omotaču

spore.

Sporulacija

Spore

• 10-30% vode.

• 10% težine Ca- dipikolinata.

• pH je za jedinicu niži od pH vegetativne ćelije.

• Specifični proteini “small acid-soluble spore proteins (SASPs)” sintetišu se u toku sporulacije, tesno se vezuju za DNK i štite je od štetnih efekata.

• U procesu germinacija predstavljaju izvor C i energije.

Struktura endospora

• Egzosporium - spoljašnji tanki omotači od više slojeva proteina.

• Korteks –peptidogikan sa malo unakrsnih veza i “core” ili protoplast spore (membrane, citoplazme, nukleoida).

• Endospore se mogu obojiti specifičnim metodom bojenja.

Germinacija endospore

Strukture za kretanje - flagela

(a) peritriha

(b) monotriha

(c) Lofotriha

amfitriha (nije prikazano) čuperak flagela na oba pola ćelije

Broj i položaj flagela je osobina vrste

Bakterijske flagele

Salmonella enteritidis 10,000X

Desulfovibrio species. 15,000X

Gram negativne bakterijae sa aksialnim filamentima (endoflagella),

Treponema pallidum (izazivač sifilisa) i Borrelia bergdorfi (izaziva Lyme's

bolest). Kod spiroheta strukture slične flagelama, aksijalni filamenti, koje se nalaze

u periplazmatičnom prostoru, polaze sa polova ćelije i spiralno je bavijaju.

Strukture za kretanje – aksijalni filament

Struktura flagela

• Filament -

proteina

flagelina.

• Struktura flagela

malo varira kod

prokariota.

Način kretanja peritriha

Način kretanja monotriha

Pokretljivost klizanjem • Mnogo sporije kretanje, filamentozni su ili štapićasti.

• Cijanobakterije, gram-negativne bakterije (Myxococcus xanthus i druge miksobakterije) i Cytophaga i Flavobacterium.

• Cijanobakterija - sekrecija polisaharidne sluzi kojom se prihvataju za površinu podloge i kreću.

• Nefotosintetičke klizeće bakterije Flavobacteriun johnsoniae, specifični proteini uronjeni u citoplazmu i ćelijski zid.

Filamentozne klizeće bakterije na

površini čvrste podloge (agar)

Gram negativna klizajuća bakterija

Flavobacterium johnsoniae

Mutant koji ne može da se

kreće klizanjem

Hemotaksija

Ćelija ima receptore za atraktante ili repelente koji prenose signal

mehanizmom signalne transdukcije na proteine regulatore

motornih proteina flagele

Pozitivna aerotaksija bakterija koje se

približavaju algi koja oslobađa

kiseonik (alga, bela mrlja).

• Pozitivna hemotaksija –

kretanje usmereno ka

interesantnoj supstanci

(na osnovu periodičnog

uzorkovanja hemijskih

supstanci iz spoljnje

sredine).

• Ukoliko se radi o

nepovoljnim uslovima

kretanje se odvija u

suprotnom pravcu.

Fototaksija

• Fototrofi se kreću u pravcu svetla - fototaksija.

• Fotaksija omogćuje orijentaciju i najefikasniju fotosintezu.

• Fenomen je analog pozitivnoj hemotaksiji atraktant je svetlo.

• Regulatorni sitemi uključeni u hemotaksiju odgovorni su i za fototaklsiju (proteini citoplazme, Che kontrolišu pravac rotacije flagela).

• Visoko pokretni organizam Rhodospirillum

centenum, cela kolonija pokazuje fototaksiju.

• Fotoreceptori, analogi hemoreceptorima, ocenjuju

gradijente svetlosne energije.