2.1: Бактерії - вступ

Бактерії еволюціонували близько 600 мільйонів років тому і, ймовірно, відповідали за вироблення земної атмосфери (ціанобактерій). Бактерії були виявлені в 17 ^{столітті} після розробки мікроскопа.

• Одноклітинний організм
• Широко розпорошені в навколишньому середовищі
• Непомітні неозброєним оком, але помітні за своїми діями - кипить молоко, рани стають септичними, м'ясо гниє і т.д.
• Клітини прокаріотичного типу (інші організми - клітини еукаріотичного типу)

Основні відмінності між прокаріотичними та еукаріотичними клітинами

прокаріотичні клітини	Еукаріотичні клітини
Немає ядерної мембрани: хромосома (и) в безпосередньому контакті з цитоплазмою	Хромосоми укладені в двошарову ядерну мембрану
Проста будова хромосом	Складна хромосомна структура; ДНК, пов'язана з білками гістонів
Розподіл клітин не передбачає мейозу	Розподіл клітин включає мітоз і мейоз
Якщо вони присутні, клітинні стінки містять пептидоглікан, без целюлози або хітину	Якщо вони присутні, клітинні стінки містять целюлозу або хітин, ніколи не пептидоглікан
Відсутність мітохондрій або хлоропластів	Мітохондрії зазвичай присутні, хлоропласти в фотосинтетичних клітині
Клітини містять рибосоми тільки одного розміру	Клітини містять два типи рибосом, один в цитоплазмі і менший тип в мітохондріях
Джгутики, якщо вони присутні, мають просту будову	Джгутики, якщо вони присутні, мають складну будову

Примітка: бактерії - це мікроорганізми, але не всі мікроорганізми є бактеріями. Водорості, гриби, лишайники, найпростіші, віруси та субвірусні агенти - це все мікроорганізми (причому більшість з них - клітини еукаріотичного типу

Бактеріальна активність

Патогенні (викликають захворювання) бактерії:

• Холера (блювота, профузна діарея)
• Ботулізм (параліч м'язів)
• Правець (неконтрольовані скорочення скелетних м'язів)
• Стафілококові харчові отруєння (блювота, діарея)
• Шига-токсин (веротоксин) (класична дизентерія)
• Черевний тиф (септицемія: бактерії в крові, руйнування тканини господаря)
• Лихоманка Оройя (Bartonella bacilliformis - руйнує еритроцити)
• Ендотоксичний шок (компонент клітинної стінки ліпополісахаридів викликає вивільнення запальних агентів господаря, що призводять до шоку і смерті)
• Реактивний артрит (відповідь у деяких людей на сальмонельозну інфекцію)

Більшість бактерій не завдають шкоди людині, і можуть бути досить корисними:

• Виробництво антибіотиків
• Ферментні добавки для миючих засобів
• Інсектициди
• Виробництво біорозкладних пластмас
• «Біомінг» - вилуговування металів з низькосортних руд
• Використання в харчовій промисловості
  • Вершкове масло
  • Сир
  • Йогурт
  • Оцет
  • Какао
  • Кава
• родючість ґрунту

Класифікація та іменування бактерій

Відмінності між бактеріями можуть включати

• форма
• розмір
• будова
• хімічна діяльність
• необхідні поживні речовини
• форма необхідної енергії
• необхідне оточення
• реакція на певні барвники

Сім'я, рід, види, штам

Бактерії в одній родині, загалом мали б:

• аналогічна структура
• використовувати ту ж форму енергії
• реагувати аналогічно певним барвникам

Бактерії в одній родині можуть бути розділені на різні пологи на основі відмінностей в

• хімічна діяльність
• потреби в поживних речовині
• умови для зростання
• форма і розмір (в деякій мірі)

Штами бактерій є бактерії одного виду, але з деякою тонкою різницею (може бути, єдина мутаційна різниця)

Латинська двономіальна назва

• Назва роду з великої літери.
• Далі йде назва виду, нижній регістр
• Курсивом. Іноді назва роду скорочується до однієї літери (з крапкою)

Кишкова паличка кишкова паличка

• Далі слідує назва штаму, як правило, в дужках. У просторіччі назва штаму зазвичай використовується для ідентифікації бактерій

Кишкова паличка (JM101) Кишкова паличка (CJ236) «Чи можу я позичити якийсь JM101?»

Деякі характеристики бактерій

Форма

• Округлі або кулясті клітини - коки (сингулярні: кок)
• Подовжені або паличкоподібні клітини - бацили (сингулярні: паличка)
• Жорсткі спіралі - спірилла (однина: spirillum)
• Гнучкі спіралі - спірохети (однина: спірохета)

Примітка

Існує рід бактерій під назвою Bacillus. Деякі бактерії у формі палички належать до роду Bacillus, деякі - ні.

Розмір

• Бактерії зазвичай вимірюються в мікрометрах (1х10 ^-6 м)
• Найдрібніші бактерії - близько 0,2 мікрометра (хламідії)
• Найбільші бактерії становлять близько 600 мікрометрів (Epulopiscium fishelsoni. - мешкає в кишечнику риби)
• «Середні» бактерії становлять 1-10 мікрометрів (зверніть увагу: межа дозволу світлового мікроскопа становить близько 0,2 мкм)

А «генералізована» бактерія:

Малюнок 2.1.1: Загальна діаграма бактерій

• ДНК клітини широко згорнута, утворюючи тіло, яке називається нуклеоїдом
• Цитоплазма заповнює внутрішню частину клітин, і купає нуклеоїд
• У накопичувальних гранулах міститься запас поживних речовин - зазвичай полімерних форм b -гідроксибутирату і фосфату. Полі- b -гідроксибутират є основою біорозкладного пластику (Biopol)

Малюнок 2.1.2: Полі- b -гідроксибутират

• Нуклеоїд, рибосоми, цитоплазма і гранули зберігання обмежені мембранозним мішком, цитоплазматичної мембраною (клітинною мембраною, або плазматичною мембраною)
• Зовнішній шар - це жорстка клітинна стінка. Разом плазматична мембрана і клітинна стінка називаються клітинною оболонкою
• Область між плазматичною мембраною і клітинною стінкою називається периплазматическим простором.
• Жгутик використовується для моторики

Цитоплазматична мембрана

• ліпідний бішар, товщиною 7-8 нм, з частковим або повністю вбудованим молекулами білка
• Внутрішній і зовнішній шари гідрофільні, в той час як внутрішній двошаровий гідрофобний
• У кишкової палички основним ліпідним є фосфатидилетаноламін; незначні ліпідні компоненти включають фосфатидилгліцерин і дифосфатидилгліцерин.

Малюнок 2.1.3: Фосфоліпідний бішар

До білків цитоплазматичної мембрани відносяться:

• ферменти, що беруть участь в синтезі клітинної стінки пептидоглікану
• транспортні білки (транслоковані іони і молекули через цитоплазматичну мембрану
• білки енергоперетворюючих систем (АТФази та транспортні ланцюги електронів)
• «сенсорні» білки, які виявляють зміни в зовнішньому середовищі клітини

Цитоплазматична мембрана не вільно проникна для більшості молекул

• деякі невеликі незаряджені молекули (O ₂, CO ₂, NH ₃, H ₂ O) можуть вільно проходити
• заряджені іони зазвичай не можуть проходити через мембрану і повинні транспортуватися (з витратою енергії)

Якщо клітинну стінку видаляють, то, що залишилося від клітини, називається протопластом

• може виживати (в пробірці) і здійснювати більшість нормальних клітинних процесів
• досить чутливий до осмотичного шоку - якщо помістити в чисту воду вона буде розбухати (так як вода потрапляє в клітину для врівноваження осмотичної сили) і розриву (осмотичний лізис)
• У інтактній клітині клітинна стінка запобігає набуханню протопласту і проходить осмотичний лізис.
• Клітинна стінка також визначає форму бактерій - все протпласти кулясті, незалежно від форми неушкоджених бактерій

Клітинна стінка

Серед еубактерій (царство всіх бактерій, виключаючи архебактерії, які зазвичай є галофілами та термофілами) є лише два основних типи клітинної стінки

• Їх можна ідентифікувати по реакції на певні барвники (характеризувався Крістіаном Грамом в 1880-х рр.):

Малюнок 2.1.4: Грамопозитивні та грамнегативні бактерії

Клітинна стінка грама позитивного типу

• відносно товстий (30-100 нм)
• 40-80% стінки виготовлено з жорсткого складного полімеру під назвою пептидоглікан (лінійні гетерополісахаридні ланцюги, зшиті короткими пептидами)

Малюнок 2.1.5: Грамопозитивна клітинна стінка

• Клітинна стінка грампозитивної клітини - це багатошарова мережа, яка, як видається, постійно зростає за рахунок додавання нового пептидоглікану на внутрішній поверхні, з супутніми втратами на зовнішній поверхні

Клітинна стінка грамнегативного типу (наприклад, кишкова паличка)

• тонше, ніж клітинна стінка грампозитивного типу (товщина всього 20-30 нм)
• має чітко шаруватий вигляд
• внутрішня область складається з моношару пептидоглікану
• зовнішній шар клітинної стінки - це, по суті, білок, що містить ліпідний бішар
  • всередину стикаються ліпіди - це фосфоліпіди
  • назовні звернені ліпіди - це макромолекули, які називаються ліпополісахаридами

Малюнок 2.1.6: Грамонегативна клітинна стінка

• половина маси зовнішньої мембрани складається з білків
  • білок Брауна, який ковалентно пов'язаний з пептидоглікановим шаром
  • транспортні білки
  • порини - молекули, які охоплюють зовнішню мембрану для створення «пори» через мембрану. Ці пори дозволяють певним молекулам та іонам проходити через зовнішню мембрану (наприклад, OMPC, протеїни omPF)
• суміжні зовнішні ліпополісахариди утримуються електростатичними взаємодіями з іонами двовалентних металів (Ca ²⁺, Mg ²⁺)
  • додавання хелатних агентів (наприклад, ЕДТА) може порушити ці взаємодії та послабити зовнішню мембрану
• лізоцим (виробляється, наприклад, фагом лямбда) може розщеплювати ланки сахаридів у внутрішньому шарі пептидоглікану

Як лізувати грамнегативні бактерії (наприклад, кишкова паличка):

1. Додайте хелатирующий агент двовалентних металів (наприклад, ЕДТА), щоб порушити зовнішню мембрану ліпополісахаридів
2. Додайте лізоцим, щоб розбити шар пептидоглікану
3. клітинна стінка тепер структурно ослаблена і не може захистити протопласт від осмотичного шоку
4. осмотично шокувати клітину, щоб порушити протопласт і вивільнити цитоплазматичний вміст (тобто високий осмотичний шок з використанням розчину сахарози; низький осмотичний шок з використанням чистої води),
5. або використовувати механічний зсув/кавітацію (френч-прес, прес Ментона Гауліна)

Мікрофлора людини: деякі бактерії, які зазвичай асоціюються з організмом людини

Місцезнаходження	Рід
Двокрапка	Бактероїди, Клостридіум, Ешерихія, Протей
Вухо	Коринебактерія, мікобактерії, стафілокок
Рот	Актиноміцети, бактеріоди, стрептококи
носові ходи	Коринебактерія, стафілокок
Носоглотка	Стрептокок, гемофіл (наприклад, H. influenzae)
Шкіра	Propionibacterium, Стафілокок, Інше (особиста гігієна, навколишнє середовище)
Уретра	Ацинетобактер, ешерихія, стафілокок
Вагіна (дорослий, передклімактеричний)	Acinetobacter, Corynebacterium, лактобактерії, стафілокок