Morfologija i građa bakterijske ćelije

Oblik bakterija

• Bakterijska ćelija po svom obliku može biti: -loptasta, -štapićasta, -spiralna -oblika zvijezde (rod Astra)-oblika kocke (Rod Arcula)-nepravilnog oblika.

Loptaste bakterije ili koke (grčki coccus – zrno) –

Loptaste bakterije ili koke su osnovni oblik bakterijske ćelije. Rijetke su bakterije sa pravim loptastim oblikom, češće je taj oblik elipsoidan ili izdužen na jednom kraju u vidu plamena svijeće.

Bakterije se dijele poprečnim cijepanjem pa nakon diobe mogu ostati jedinke pojedinačno kao mikrokoki (micrococci) ili u parovima po dvije pa se nazivaju diplokoki (diplococci) ili u vidu lanaca kao streptokoki (streptococci).

Ukoliko se bakterije dijele u više ravni dijeljenja mogu da ostanu u grupama od po 4 pa se nazivaju tetrade ili u paketima po osam kada se zovu sarcinae a mogu biti u vidu grozdova pa se nazivaju stafilokoki (staphylococci).

Većina ovih bakterija ima promjer 0,5 do 1,0 µm.

Štapićaste bakterije ili bacili

• Štapićaste bakterije ili bacili– su bakterije u vidu pravog ili lagano savijenog štapića ili cilindra.

• Slično kao i loptaste bakterije i oni se dijele poprečnim cijepanjem od jedne bakterije u dvije. Nakon dijeljenja mogu ostati pojedinačni bacili ili po dva zajedno pa se nazivaju diplobacilidiplobacili ili u vidu lanaca kada se nazivaju streptobacilistreptobacili.

• Nekada se mogu rasporediti paralelno kao prsti na ruci pa formiraju formacije u vidu palisada ili mogu biti raspoređeni u vidu rimskih brojeva V, X, Y, odnosno razbacani kao drvca od šibice.

• Mogu biti duži ili kraći. Većina štapićastih bakterija ima dužinu od 1 do 10 m i širinu od 0,3 do 1 m.

(lat.bacillus – štapić)

Spiralne bakterije ili spirohete

• Spiralne bakterije ili spirohete – su štapićaste bakterije od kojih se razlikuju po tome što su savijene u vidu spirale ili opruge.

• Neke spiralne bakterije imaju 10 do 15 pa i više spiralnih zavoja (treponeme, borelije, leptospire).

• Druge imaju samo jedan ili najviše 3 spiralna zavoja pa se nazivaju spirile.

• Postoje i takve spiralne bakterije koje su rigidne i imaju samo jedan nepotpun spiralni zavoj pa se nazivaju vibrioni (jednina vibrio).

• Njihova veličina se najčešće kreće od 3 µm pa do 20 m a mogu biti daleko duže.

Nepravilni oblici bakterija

• Nepravilni oblici bakterija – su oblici koji nastaju pri izmjenjenim uslovima sredine u kojoj se bakterije razmnožavaju.

• Loptasti oblici mogu narasti do veličine od nekoliko mikrometara i onda se raspasti u sitne kuglice.

• Štapićasti oblici mogu da porastu u dužinu nekoliko puta pa da se tek onda fragmentiraju. Ovo su involutivni oblici bakterija. Posebno su česti u starijim kulturama, pri upotrebi dezinficijenasa ili antibiotika.

Građa bakterijske ćelije

• Bakterijska ćelija se sastoji od:• Hromozoma DNA• Ribozoma • Citoplazmatske membrane • Ćelijskog zida • Površinskih struktura

Makromolekule Primarne podjedinice Gdje se nalaze u ćeliji

Proteini amino kiseline Flagela, pili, ćelijski zid, citoplazmatska membrana, ribozomi, citoplasma

Polisaharidi šećeri (ugljikohidrati) kapsula, inkluzije, ćelijski zid

Fosfolipidi masne kiseline membrane

Nukleinske kiseline (DNA/RNA)

 nukleotidi DNA: nucleoid (chromosome), plasmidirRNA: ribosomi; mRNA, tRNA: citoplasma

Model građe bakterijske ćelije

Glikokaliks-kapsula

Glikokaliks je naziv za materije koje okružuju bakterijske ćelije (extracelularna polimerna supstanca). Po sastavu su želatinozni polimer polisaharida, polipeptida ili i jednog i drugog. On je viskozan i ljepljiv. Stvara se u unutrašnjosti ćelije a izlučuje se na njezinu površinu. Ako je čvrsto vezana za ćelijski zid naziva se glikokaliks čahura ili kapsula.-mikrokapsula (debljina <0,2 nm)-makrokapsula (debljine >0,2 nm)

• Hemijski sastav kapsule kod mnogih bakterija je različit. Kod većine je građena od polisaharida (levan, dekstran, celuloza).

• Kod drugih bakterija kapsula je građena od proteina kao kod roda Bacillus gdje je kapsula građena od polimera glutaminske kiseline.

Inkapsulirane bakterije su:Streptococcus pneumoniaeKlebsiella pneumoniaeBacillus anthracisHaemophilus influenzaeClostridium perfrigens

Biofilm

Biofilm je polisaharidni matriks koga produkuju i u kome žive bakterije u harmoničnoj zajednici.

Bakterije unutar biofilma odgovaraju na signale dobivene od drugih bakterija u zajednici koji utiču na njih da promjene svoj fenotip a sa njim i mnoge vitalne osobine kao što je otpornost na određene antibiotike.

Biofilm dakle štiti organizme od djelovanja drugih organizama, od fagocita kao i od djelovanja antibiotika.

Zubni kamenacStreptococcus mutans

formiranje biofilma sa 300-500 bakterija razgradnja šećera u dekstran

formiranje kamenca i cementa na površini zubne gleđiunutar kamenca bakterije pretvaraju šećere u mliječnu kiselinu

zubni karijes ili infekcija u ustima

FunFunkcijakcija PrimjerPrimjer

Adherencija na površine, tkiva ili substrate u prirodi

Streptococcus mutans –zubni kamenac

Rezistencija na djelovanje fagocita-fagocitozu

Streptococcus pneumoniae - lobar pneumonia

Rezistencija na ubijanje i razgradnju unutar fagocita

Bacillus anthracis – kožni anthrax

Rezistencija na djelovanje antitijela i lijekova

Pseudomonas biofilm kod pacijenata sa cystic fibrosis

Zaštita od isušenja Azotobacter vinewlandii -zemlja

Rezervoar hranljivih materija Streptococcus mutans – zubni kamenac

Ćelijski zid

• Ćelijski zid – je tanka, elastična ali vrlo čvrsta membrana. Debljina mu iznosi kod gram pozitivnih bakterija 15 do 50 nm a kod gram negativnih do 10 nm. Ćelijski zid je smješten ispod kapsule a iznad citoplazmatske membrane.

• Ćelijski zid svih bakterija ima jednu zajedničku strukturu. To je peptidoglikan (mukopolisaharid ili murein).peptidoglikan (mukopolisaharid ili murein). Njena osnovna struktura je N acetyl muraminska kiselina.

• Ta struktura obezbjeđuje rigidnost ćelijskog zida koja je neophodna za održavanje integriteta bakterijske ćelije.

• Peptidoglikan je velika makromolekula, jedan heteropolimer koji je sačinjen od brojnih lanaca. Te lance sačinjavaju naizmjenično poređani N-acetyl-glikozamin i N-acetyl-muraminska kiselina koji su međusobno povezani glikozidnim vezama. Ovi lanci sačinjavaju skelet peptidoglikana.

Za svaku molekulu N-acetyl-muraminske kiseline vezan je po jedan tetrapeptid koji se sastoji od L-alanina, D-glutaminske kiseline, M-diaminopimelinske kiseline i D-lizina ili D-alanina.

Ove dvije posljednje aminokiseline se svojim aminogrupama povezuju sa drugim mukopolisaharidskim lancem. Na taj način se formira jedna mreže koja pokriva cijelu bakterijsku površinu i naziva se mureinski sakulus.

Peptidoglikan Gram pozitivnih bakterija se razlikuje od peptidoglikana Gram negativnih bakterija po međupeptidnom mostu

• Mureinski sakulus svih vrsta bakterija je sličan.

• Razlike su u jedinjenjima koja ispunjavaju mureinski sakulus, odnosno koja se nalaze u mureinskom sakulusu.

• Količina peptidoglikana u mureinskom sakulusu je različita kod pojedinih bakterija.

• Gram pozitivne bakterije imaju mnogo više peptidoglikana u Gram pozitivne bakterije imaju mnogo više peptidoglikana u svom ćelijskom zidu nego gram negativne bakterije.svom ćelijskom zidu nego gram negativne bakterije.

• Građa ćelijskog zida bakterija je veoma značajna za medicinu. U građi ćelijskog zida sudjeluju takvi hemijski spojevi kao što su N-N-acetyl-glikozamin, N-acetyl-muraminska kiselina, M-diamino-acetyl-glikozamin, N-acetyl-muraminska kiselina, M-diamino-pimelinska kiselina, D-alanin, kojih normalno nema u ćelijama i pimelinska kiselina, D-alanin, kojih normalno nema u ćelijama i tkivima ljudi, životinja i biljakatkivima ljudi, životinja i biljaka. Ove strukture mogu biti ciljne u borbi protiv mikroorganizama.

• Ćelijski zid gram pozitivnih bakterija – je čvrsta, rigidna membrana, debljine od 20 do 50 nm. Najvećim dijelom je građen od peptidoglikana (60% do 100%).

• U ćelijskom zidu većina gram pozitivnih bakterija sadrži i teihoičnu teihoičnu kiselinukiselinu. U peptidoglikanu nekih gram pozitivnih bakterija ta kiselina učestvuje i do 50%. Ona je jednakomjerno raspoređena u ćelijskom zidu. Vezana je za polisaharide i kao takva ima jako antigensko djelovanje. Ona sačinjava površinske antigene mnogih vrsta gram pozitivnih bakterija.

•U ćelijskom zidu nekih gram pozitivnih bakterija se mogu naći i proteini. Tako se kod streptokoka nalaze M, T i R proteini.

Ćelijski zid gram negativnih bakterija

• Ćelijski zid gram negativnih bakterija – je znatno tanji od ćelijskog zida gram pozitivnih bakterija i njegova debljina iznosi 10 do 14 nm. Građa mu je složenija. Sastoji se od dvije membrane: spoljašnje i unutrašnje.

• Spoljašnja membrana ima veliki medicinski značaj. U njoj se nalazi endotoksin i somatski ili «O» antigeni gram negativnih bakterija.

• Spoljašnja membrana je garađena od dva listića: gornjeg i donjeg listića.

• Gornji listić gradi površni dio ćelijskog zida. On je u kontaktu sa spoljnom sredinom kod bakterija bez kapsule, odnosno u kontaktu je sa kapsulom kod inkapsuliranih bakterija.

• Hemijski je građen od lipopolisaharida (LPS) koji se sastoji od dvije komponente: od lipida A i druge komponente koja je građena od dugačkih lanaca šećera i glikofosfata.

Lipid A je toksin, vezan je za bakterijsku ćeliju i ne izlučuje se u okolini. Zbog toga se naziva endotoksin gram negativnih bakterija. Druga komponenta ima antigenska svojstva i u organizmu izaziva stvaranje specifičnih «O» antitijela.Donji listić spoljašnje membrane se sastoji od fosfolipida.

Unutrašnja membrana je vrlo tanka, debljine je oko 2 do 4 nm. Građena je isključivo od peptidoglikana. Proteinskim strukturama je vezana za spoljašnju membranu.

Funkcije ćelijskog zida

• On štiti bakterijsku ćeliju od mehaničkih oštećenja, kao i od osmotskih promjena koje vladaju u spoljnoj sredini.

• Ćelijski zid obezbjeđuje i čuva oblik bakterijske ćelije. • On je hidrofobna membrana ali propušta u bakterijsku ćeliju razne

soli malih molekula. • Kod gram pozitivnih bakterija teihoinska kiselina uz jone

magnezijumu utiče na prolaz jona kroz peptidoglikanski sloj ćelijskog zida.

• Somatski ili O antigen kod Gram negativnih bakterija odgovoran je

za groznicu, upalu i šok.

Citoplazmatska membrana je ovojnica koja obavija citoplazmu ćelije. Svojom gornjom površinom graniči sa peptidoglikanskim slojem ćelijskog zida. Između gornje površine citoplazmatske mebrane i peptidoglikanskog sloja ćelijskog zida nalazi se jedan prostor ispunjen različitim enzimima koji se naziva periplazmatski prostor.

• Citoplazmatska membrana je veoma tanka ovojnica, debljine je oko 8 nm. Ona je elastična i savitljiva.

• Sastoji se od dva listića. Oba listića su građena od fosfolipida, strukturnih proteina i proteina sa enzimskom funkcijom.

• Između dva listića citoplazmatske membrane nalazi se jedan hidrofoban sloj sastavljen od masnih kiselina.

• Proteini sa enzimskom funkcijom čine jedan enzimski sistem koji nazivamo permeaza sistem. Taj sistem omogućava transport aminokiselina i šećera iz okoline u bakterijsku ćeliju.

Olakšana difuzija

Aktivni transport

Grupna translokacija

• Citoplazmatska membrana na pojedinim mjestima sa unutrašnje strane ima svoje invaginacije u citoplazmi.

• Te vrećaste ili granularne strukture se nazivaju mezozomi, koji učestvuju u pravljenju septuma u citoplazmi prilikom odjeljivanja ćelije kćerke od ćelije majke. Mezozomi luče također brojne enzime u citoplazmu bakterije.

• Funkcije citoplazmatske membrane –

• Citoplazmatska membrana je polupropusna selektivna membrana. Ona je osmotska barijera za bakterijsku ćeliju. Citoplazmatska membrana svojim enzimima upravlja transportom materija pri ulasku i izlasku iz bakterijske ćelije.

• U citoplazmatskoj membrani se nalaze enzimi koji regulišu biosintezu ćelijskog zida.

• Citoplazmatska membrana luči i egzo-enzime koji djeluju u periplazmatskom prostoru ili u neposrednoj okolini bakterijske ćelije. Ovo su hidrolitični enzimi koji mogu razgrađivati veće u manje molekule koje mogu biti transportovane u bakterijsku ćeliju.

• Vrši transport elektrona kroz citohromski sistem što je bitno za metaboličke funkcije bakterijske ćelije.

Igra ulogu u diobi bakterijske ćelije jer obezbjeđuje za ćeliju kćerku odjeljivanje dijela dezoksiribonukleinske kiselina (DNA).

Citoplazma

• Citoplazma – je sve ono što obavija citoplazmatska membrana. To je gusta, granulirana tečnost koja, kada se posmatra elektronskim mikroskopom, sadrži različite strukture.

• Citoplazma se sastoji od nukleinskih kiselina i nukleoproteina, polisaharida i lipoproteina. Svi ti pojedinačni dijelovi čine jednu dosta pravilnu suspenziju u vodenom rastvoru.

• U citoplazmi se nalaze rastvoreni različiti joni, aminokiseline, razni proteini, purini, pirimidini, vitamini i različiti enzimi. Oko 80% citoplazme čini voda.

• Pored nabrojanog u protoplazmi se nalaze različite inkluzije ili sitna zrnca.

• Citoplazmatske inkluzije – su različite veličine, neke se mogu vidjeti običnim mikroskopom a neke samo elektronskim mikroskopom.

• Među inkluzije koje se mogu vidjeti običnim mikroskopom spadaju metahromatska zrnca (granule polifosfata), zrnca β-hidroksi-maslačne kiseline, zrnca glikogena i skroba.

• Među submikroskopske inkluzije spadaju ribozomi i nukleusni materijal.

• Spore bakterija – su ovalne formacije koje nastaju u citoplazmi nekih bakterija pod određenim uslovima. One ostaju u citoplazmi sve dotle dok se bakterijska ćelija ne dezintegriše i tada se mogu naći u spoljnoj sredini.

• Bakterije koje imaju sposobnost da stvaraju spore nazivaju se sporogene bakterije.

• Spore uglavnom stvaraju samo štapićaste bakterije i to rodova Bacillus i Clostridium. Od loptastih bakterija koje proizvode spore poznat je samo rod Sporosarcina.

Spora bakterija je složene građe. U presjecima spore elektronskim mikroskopom se vidi unutrašnji dio spore ili srž spore.

Srž spore je građena od jedra spore i protoplasta spore. Srž spore obavija citoplazmatska membrana, a oko nje znatno deblji sloj ili zid spore.

Zid spore obavija kora spore ili cortex spore. Korteks je omotan sporinim omotačem oko koga se nalazi tanka membrana koja se naziva exosporium.

• Po svom hemijskom sastavu spora se razlikuje od hemijskog sastava ćelije u kojoj je nastala:

• U spori se nalazi znatno više enzima nego u bakterijskoj ćeliji među kojima su i enzimi koji su karakteristični samo za sporu kao što je sintetaza dipikolinske kiselinesintetaza dipikolinske kiseline koju ne posjeduje bakterijska ćelija.

• U spori se nalazi i nešto peptidoglikana kao i kompletan pribor za sintezu proteina i proizvodnju energije.

• Pod optimalnim uvjetima za život bakterije autolizom peptidoglikana započinje klijanje spore

Formiranje aksijalnog filamenta

Formiranje septuma prespore

“Obuhvatanje “ prespore

Sinteza korteksa Stvaranje

omotača

Sazrijevanje

Liza ćelije majke

Klijanje spore

-aktivisanjeaktivisanje (toplota, abrazije, aciditet, kompleksi koji se sastoje od slobodnih sulfhidlilnih grupa);

-inicijacijainicijacija (nastaje kada se na receptore za isklijavanje vežu efektori (L-alanin, adenozin) koji ukazuju da se u okolini bakterije nalazi dosta hranljivih materija. To aktivira autolizin koji oštećuje peptidoglikanski korteks, usljed čega iz spore izlazi voda, kalcijum dipikolinat se oslobađa a hidrolitički enzimi oštećuju niz sastojaka spore.

-isklijavanjeisklijavanje (oštećenje korteksa i spoljnih slojeva dovodi do pojave nove vegetativne ćelije. Nakon toga slijedi period aktivne biosinteze, koja se završava diobom ćelije)

Egzospore u bakterija

Rod Methylosinus i sojevi fotosintetičke bakterije Rhodomicrobium vannielli stvaraju egzospore kroz proces stvaranja pupa na vegetativnoj bakteriji, i njegovog odjeljivanja.

Ove spore u svom omotaču ne sadrže Ca dipikolinat koji se nalazi kod endospora.

• Flagellae bakterija – ili bičevi su končaste, duge, elastične i veoma pokretne formacije koje izrastaju iz ćelija nekih bakterija. Takve bakterije se nazivaju flagelarne bakterije.

• Flagele su obično debljine 12 do 15 nm a dužina im može biti 15 do 25 nm pa i više. Opisane su bakterije sa flagelama dužine preko 70 nm. U tečnoj sredini i na površini mekih podloga flagele se dobro razvijaju dok čvrste podloge, soli hroma, fenol, i neki drugi agensi inhibiraju razvoj flagela.

Flagele su polučvrsti spiralni rotori pomoću kojih se bakterija kreće svrdlastim pokretima zahvaljujući protoku protona u ćeliju niz gradijent koji je proizvod primarne protonske pumpe.Sastoji se od nekoliko hiljada molekula proteinske jedinice nazvane –flagelinflagelin. Flagela je vezana za tijelo bakterijske ćelije složenom strukturom koje se sastoji od koljena-kuke i bazalnog tijela.

• Broj i razmještaj flagela na bakterijskoj ćeliji može da bude različit. • Bakterijska ćelija može da posjeduje samo jednu ili veoma veliki broj

flagela.

• Ukoliko posjeduje samo jednu flagelu naziva se monotrihijalnamonotrihijalna a ako posjeduje više flagela naziva se politrihijalnapolitrihijalna.

• Flagele mogu biti smještene na jednom ili oba pola ili na čitavoj

površini. Amfitrih- Amfitrih- po jedan bič na oba kraja ćelije; lofotrih- dva ili više bičeva na jednom ili na obadva kraja ćelije.

• Ukoliko bakterija ima samo jednu flagelu na jednom polu naziva se monopolarna – monotrihijalna bakterija a ako ima više flagela na jednom polu onda se naziva monopolarna – politrihijalna bakterija. Ukoliko ima više flagela na oba pola naziva se politrihijalna – bipolarna bakterija.

Ukoliko je bakterija obrasla flagelama na cijeloj površini naziva se peritrihijalna bakterija.

• Kretanje flagela je veoma brzo, one se kreću kao propeleri na brodu tako da se flagelarne bakterije mogu kretati brzinom od 25 do 50 25 do 50 mmm u sekundi. m u sekundi.

• Koliko je to brzo kretanje možemo vidjeti ako uporedimo brzinu kretanja u odnosu na veličinu bakterija.

• One za jednu sekundu pređu put koji je 5 do 10 puta duži od dužine njihovog tijela. Kada bi se čovjek kretao takvom brzinom onda bi za jedan sekund prevalio put od (5 -10 x 180 cm = 9 do 18 m) dužine 9 do 18 m što je više nego ostvareni svjetski rekord u trčanju na 100 m.

• Pili ili fimbrije – su končaste izrasline na površini nekih flagelarnih bakterija kao i bakterija bez flagela. Oni izrastaju iz citoplazmatske membrane, probijaju se kroz ćelijski zid i izlaze na površinu bakterijske ćelije.

• Prečnik im je manji od prečnika flagela i iznosi 3 do 10 nm a dužina 0,5 do 1m. Mogu se vidjeti samo pomoću elektronskog mikroskopa. Za razliku od flagela pili su pravi. Oni su znatno brojniji od flagela i može ih biti 100 ili više na jednoj bakterijskoj ćeliji. Obično izrastaju po čitavoj površini bakterije. Češće se nađu na gram negativnim nego na gram pozitivnim bakterijama.

Pili su građeni od posebnog proteina koji se naziva pilinpilin.

Bakterije koje imaju pile često ih gube ali je taj proces reverzibilan. Bakterije koje imaju genetsku osobinu da produkuju pile mogu da ih produkuju u tečnim podlogama, međutim, kada se kultivišu na čvrstim podlogama izgube sposobnost produkcije pila.

-obični piliobični pili -funkcija im je u adherenciji bakterija za osjetljive površine;-seks piliseks pili -spajanje bakterijskih ćelija pri prelasku DNA iz jedne ćelije u drugu.

Najvažnije razlike izmedju eukariota i prokariota

• Karakteristike eukarioti prokarioti• Predstavnici Alge, fungi, protozoa, bakterije• biljke, životinje

• Veličina >5mm 1 x 3 µm

• Struktura nukleusa

• nukleus klasična membrana nema membrane

• hromozomi savijena DNA jedna, zatvoren prsten DNA

• Citoplazmatske strukture:• mitohondrija prisutna nema• goldžijev aparat prisutan nema• endoplazmatski retikulum prisutan nema• ribosomi 80 S 70 S

• citoplazmatska membrana sadrži sterole ne sadrži sterole

• Ćelijski zid odsutan ili sastavljen komleksne strukture iz,od celuloze ili hitina proteina i peptidoglikana

lipida

• Reprodukcija seksualna i aseksualna aseksualna (binarna fisija)

• Pokretljivost flagela, ako su prisutna flagela, ako su prisutna• su kompleksna su jednostavna• Respiracija preko mitohondrija preko citoplazmatske

membrane• P.Murray i sar. Medical Microbiology, 1994.