Bakterie Mikroorganismy buněčné nebuněčné Prokaryota Eukaryota Eubacteria Archaea viry viroidy priony RNA bílkovina houby řasy prvoci Nester, 1998 Srovnání některých znaků Archaea, bakterií a eukaryot Srovnání prokaryotické buňky, eukaryotických buněk a jejich organel Základní tvary bakteriální buňky •kulovitý (kok, coccus, cocci) •tyčinka (bakterie, bacilus) •spirálovitý Kulovitý tvar bakteriální buňky •Dělení buňky v jedné rovině Dělící se buňky Kulovitý tvar bakteriální buňky •Dělení buňky ve dvou rovinách Kulovitý tvar bakteriální buňky •Dělení v různých rovinách Základní tvary bakteriální buňky •kulovitý (kok, coccus, cocci) •tyčinka (bakterie, bacilus) •spirálovitý •pleomorfní Tyčinkovitý tvar bakteriální buňky- bacilus •jednotlivé buňky •diplobacilus Tyčinkovitý tvar bakteriální buňky- bacilus •streptobacilus Tyčinkovitý tvar bakteriální buňky- bacilus •kokobacilus Základní tvary bakteriální buňky •kulovitý (kok, coccus, cocci) •tyčinka (bakterie, bacilus) •spirálovitý • Spirálovitý tvar bakteriální buňky •vibrio Vibrio cholerae Spirálovitý tvar bakteriální buňky •spirilum Spirillum volutans Spirálovitý tvar bakteriální buňky •spirocheta Základní struktury bakteriální buňky Základní struktury bakteriální buňky cyanobakterie Základní struktury bakteriální buňky •Struktury esenciální • *nukleoid • *cytoplazmatická membrána • *ribozomy • *základní cytoplazma •Struktury obvyklé • ●buněčná stěna • ●fimbrie • ● bičíky • ● pouzdro • ● inkluze • ● chlorobiové váčky • ● endospóry • ● pigmenty Esenciální struktury bakteriální buňky nukleoid •Cirkulární dvouřetězcová helikální DNA •Není od základní cytoplazmy oddělena membránou •Neobsahuje histony (na molekulu DNA jsou vázány asi 4 druhy proteinů) •Vytváří kompaktní komplex tvořený obvykle více než 50 smyčkami •Tvoří s molekulami RNA a proteiny komplex vyššího řádu • Esenciální struktury bakteriální buňky nukleoid •Nerostoucí buňka má jedno haploidní “jádro“ •Molekulová hmotnost DNA je 109-1010 •Typická bakterie obsahuje 4x106 párů bází •Rychle rostoucí bakterie mohou obsahovat • 2 – 8 kopií chromozomové DNA •Chromozom E.coli je tvořen 4639221 párů bází a kóduje 4397 genů. Z toho je • 108 genů pro RNA a 4289 pro proteiny. • Z nich je 952 enzymů (703 zmapovaných) DNA z Bacillus subtilis Esenciální struktury bakteriální buňky ribozom Ribozóm (2,52x106 D) Podjednotky (0,93x106D) (1,59x106D) RNA 16S RNA 23S RNA (1542 nukleotidů) (2904 nukleotidů) 21 bílkovin 31 bílkovin Bílkoviny Esenciální struktury bakteriální buňky ribozom funkční místa bakteriálního chromozomu Esenciální struktury bakteriální buňky ribozom •Ribozomy jsou v buňce zodpovědné za proteosyntézu •Jsou to supramolekulové komplexy, které se rychle vytvářejí (bez dodání energie) a rychle disociují (bez tvorby energie) •Pro vytvoření ribozomu z podjednotek a mRNA je nutná přítomnost Mg2+ •Počet ribozomů je závislý na fyziologické aktivitě. V průměrně rychle rostoucí buňce je jich asi 15 000 (někdy až 30 000) •Mohou se vytvářet polyribozomy •Ribozom je “tělísko“ o objemu asi 6 000nm3 a hmotnosti asi • 4,4x10-18g •Rychlost činnosti ribozomu není regulována, je téměř konstantní a činí asi 15 aminokyselin za sekundu. •U E.coli s τ= 28 minut je při translaci rychlost asi 170 000 aminokyselin za sekundu na genom, tj.500 000 aminokyselin za sekundu na buňku Větší rychlosti proteosyntézy se dosahuje větším počtem ribozomů. • Esenciální struktury bakteriální buňky polyribozom syntetizovaný peptidický řetězec Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána Membránové proteiny fosfolipid Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána • •Odděluje základní cytoplazmu od vnějšího prostředí •Její stavba odpovídá struktuře biologické membrány (u prokaryot je jediná) •CM tvoří 10 až 26% suché hmotnosti bakterie a je tlustá asi 8 nm. •Jejím základem je tekuté kontinuum dvojvrstvy fosfolipidů se zanořenými bílkovinami •Bílkoviny jsou zanořené z vnitřní nebo vnější strany nebo jí procházejí a představují 10-20% všech bílkovin buňky •Zanořené bílkoviny mají funkci strukturální nebo enzymatickou •Bílkoviny a lipidy CM nejsou lokalizovány staticky, ale “pohybují se“ •Cytoplazmatická membrána je asymetrická •Charakteristickým rysem je nepřítomnost cholesterolu •Poměr mezi nasycenými a nenasycenými mastnými kyselinami se liší v závislosti na teplotě kultivace • Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána •Funkce cytoplazmatické membrány • * je místem transformace energie (je na ní lokalizován respirační řetězec, aparát fotosyntézy, ATPáza,…) • * je místem replikace bakteriální DNA • * odehrávají se na ní poslední fáze syntézy buněčné stěny, nebo se na ní syntetizují její některé složky • * je semipermeabilní a zodpovědná za pasivní i aktivní transport látek do buňky a z buňky • * CM nemůže být “vyrobena“ de novo • * pro zvětšení aktivní plochy jsou velice časté invaginace • Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána • •invaginace CM • * Mesozom •** Má tvar měchýřku, je rozdělený do trubičkových útvarů nebo váčků •** Je jich 2 a více, v závislosti na metabolické aktivitě •** Je zodpovědný za replikaci bakteriálního chromozomu a dělení buňky •** Je obvykle v kontaktu s nukleotidem •** Chemolitotrofní bakterie mají vedle mesozomů další invaginace, umožňující oxidaci anorganických látek • Mesozom B.subtilis Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána •invaginace CM • * Chromatofory •** Mají tvar měchýřku rozděleného na segmenty •** Obsahují pigmenty zodpovědné za vazbu světelného kvanta (bakteriochlorofyl, karotenoidy) •** Jsou místem syntézy ATP u fototrofních bakterií Chromatofory Rhodospirillum rubrum ▼ ► ◄ Esenciální struktury bakteriální buňky cytoplazmatická membrána •invaginace CM •tylakoidy •Pravděpodobně vznikly odškrcením z cytoplazmatické membrány •Mají lamelovitou strukturu •obsahují pigmenty pro fototrofii - chlorofyl a, a-, b- karoten a xantofyly (echinenon, myxoxantofyl, zeaxantin) •Na povrchu tylakoidálního váčku se nachází tzv. fykobilizony • • • * Fykobilizony obsahují specifická barviva – fykobiliny (obvykle jsou tři : dva modré (c-fykocyanin a allofykocyanin) a jedenčervený (c-fykoerytrin) * Jsou zodpovědně za chromatickou adaptaci Esenciální struktury bakteriální buňky základní cytoplazma •Vyplňuje celý vnitřní prostor •Cytoplasma je velice koncentrovaný “roztok“ mnoha biomolekul (malých, velkých i supramolekulových komplexů) •Je hodně viskózní a podobá se spíše gelu, kde probíhají všechny reakce nutné pro život buňky (od vyhledávání odpovídajících molekul až po uskutečnění vlastní reakce) •Obsahuje více než 50% všech bílkovin buňky, z nichž většina má enzymatickou funkci •Protože bakteriální buňka nemá specifické organely, přebírá cytoplazma řadu jejich funkcí •Třebaže nemá viditelnou strukturu a je velice nepravděpodobné, že by umožnění reakcí (limitovaných pohybem molekul v cytoplazmě a pravděpodobností jejich kolizí) mohlo odehrávat bez jakékoliv organizace • Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna http://www.wikiskripta.eu/images/c/ca/Rozd%C3%ADly_ve_slo%C5%BEen%C3%AD_povrchov%C3%BDch_struktur_u _bakteri%C3%AD.jpg Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna Vně buňky Vně buňky Gram pozitivní bakterie Gram negativní bakterie Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G+ bakterií •Složení buněčné stěny • * peptidoglykan • * teichoové kyseliny • http://www.sci.muni.cz/ptacek/CYTOLOGIE6_soubory/image031.jpg Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G+ bakterií Struktura peptidoglykanu (Staphylococcus aureus) Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G+ bakterií Teichoové kyseliny (TC) polyribitol TC polyglycerol TC Bacillus subtilis Lactobacillus sp 4-N-acetyl-D-manosaminouronosyl-β-)1,6)-glukóza Micrococcus luteus Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií •Složení buněčné stěny • * peptidoglykan • * vnější membrána • fosfolipid • polysacharid • lipid A • lipoprotein • porinové proteiny Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9c/Gram_negative_cell_wall_cs.svg/1486px-Gra m_negative_cell_wall_cs.svg.png Složení buněčné stěny * peptidoglykan * vnější membrána fosfolipid, polysacharid, lipid A, lipoprotein, porinové proteiny Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií Struktura vnější membrány Vnější membrána Lipoproteinové “kotvy“ Peptidoglykan peptidoglykan monomer E. coli •Základní stavební jednotka buněčné stěny bakterií •Specifický pro bakterie •peptidoglykan –N-acetylmuramová kys. –N-acetylglukózamin –- b -1,4 glykozidická vazba –Řetízky aminokyselin Peptidoglykan u E.coli Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií Struktura peptidoglykanu (Pseudomonas aeroginosa) Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií Lipopolysacharidová vrstva vnější membrány G- bakterií Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna G- bakterií Struktura lipidu A lipopolysacharidu (MK – mastná kyselina) Lipid A s neklasickou strukturou • •A/ lipid A E. coli •B/ Lipid A z P. aeruginosa (mastné kyseliny jsou kratší než u E. coli a jsou distribuovány symetricky nad dvěma glukózaminovými zbytky •C/ Lipid A z P. gingivalis (R je H u jednoho kmene a acylová skupina u jiného) •D/ Lipid A from R. leguminosarum (“redukující“glukózaminový zbytek je nahrazen 2-amino-2-deoxyglukonovou kyselinou; obvyklá fosfátová skupina ve 4´- pozici je nahrazena zbytkem galakturonové kyseliny) •E/ Lipid A z Rhodopseudomonas viridis, je založen an 2,3-diaminoglucose monomeru a úplně ztratil fosfátové substituenty • [USEMAP] Extrahovatelné lipidy, které nahrazují nebo doplňují LPS u různých bakterií •1/ A sfingolipid, D-glucuronosylceramid z Sphingomonas yanoikuyae •2/ A sulfonolipid ze submerzně rostoucí Flavobacterium johnsoniae •3/ Ornithin lipid z Paracoccus denitrificans [USEMAP] 3 2 1 Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna mykobakterií https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQqG_AG0KTeITaftAW0N858-XsJqPI_izSbCV4nGi0Pfhf QaEa2 •hlavním znakem je přítomnost mykolových kyselin, (větvené mastné kyseliny s 26-60 až 90 atomy uhlíku) •mykolové kyseliny jsou kovalentně připojeny k arabinogalaktanu •Vně mykolových kyselin se nachází vrstva tvořená glykolipidy •pod těmito vrstvami se nad plazmatickou membránou nachází vrstva peptidoglykanu •u kyseliny muramové PG je místo N-acetylu N-glykol •stavba buněčné stěny se strukturně podobá buněčné stěně gramnegativních bakterií •povrch je silně hydrofobní, má nízkou permeabilitu •tyto vlastnosti jsou považovány za příčinu odolnosti mykobakterií vůči velkému množství antibiotik, desinfekčních prostředků i vysychání •jsou acidorezistentní Structure of arabinogalactan. Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna mykobakterií http://mikrobiologie.xf.cz/files/imgs/mykobakterie-big.png https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/Mycobacterium_mycolic_acids.svg/1920px-My cobacterium_mycolic_acids.svg.png *alfa- mykolové kyseliny tvoří 70% přítomných mykolových kyselin (obsahují několik cyklopropanových kruhů) * metoxymykolové kyseliny tvoří 10-15% přítomných mykolových kyselin (obsahují několik metoxy skupin) * zbytek tvoří keto-mykolové kyseliny (obsahují několik ketoskupin) Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna •VM – vnější membrána •CM – cytoplazmatická membrána •PP – periplazmatický prostor •C – cytoplazma •VP – vnější prostor Adhezivní místa mezi vnější a cytoplazmatickou membránou (Escherichia coli) Některé charakteristiky buněčné stěny G+ a G- bakterií •Peptidoglykan tlustý (mnohovrstvý) tenký (jednovrstevný) •Teichoové kyseliny mnoho nepřítomné •Vnější membrána nepřítomná přítomná •Obsah lipopolysacharidů prakticky žádný velký (vnější membrána) •Lipidy a lipoproteiny málo hodně •Produkce toxinů převážně exotoxiny převážně endotoxiny •Mechanické poškození malé velké •Působení lysozymu silné slabé •Citlivost k penicilinu velká malá •Citlivost ke streptomycinu malá velká •Citlivost k tetracyklinům malá velká •Inhibice bazickými barvivy velká malá •Odolnost k vysoušení vysoká slabá • • G+ G- Buněčná stěna cyanobakterií •Sinice obvykle strukturu jako gramnegativní bakterie •Na druhou stranu některé specifické vlastnosti buněčné stěny sinic sinice odlišují od ostatních gramnegativních bakterií, a sinice se tak zdají být směsí vlastností gramnegativní a grampozitivní buňky •Zatímco běžné gramnegativní bakterie mají buněčnou stěnu o šířce jen asi 2–6 nanometrů, u jednobuněčných sinic je to asi 10 nanometrů, u vláknitých sinic 15–35 nanometrů a vzácně až 700 nanometrů (u sinice Oscilalatoria princeps) • Po chemické stránce jsou peptidy vytvářející příčná spojení spíše charakteristická pro gramnegativní bakterie Obvyklé struktury bakteriální buňky buněčná stěna – její funkce •Stěna bakterie má roli vnějšího buněčného skeletu •Uděluje buňce tvar a chrání ji před působením vnějšího prostředí •Za pevnost a odolnost je zodpovědný peptidoglykan – je specifický pro prokaryota •Syntézu peptidoglykanu katalyzují ezymy periplasmatického prostoru a vnější části CM •Je dvojího konstrukčního typu – grampozitivního a gramnegativního • • • Obvyklé struktury bakteriální buňky bakterie bez buněčné stěny •Geneticky zakotvená neschopnost syntézy buněčné stěny. Především u intracelulárních parazitů (Mycoplasma, Acholeplasma,…). Buňka je ohraničena obvykle trojvrstevnou cytoplazmatickou membránou. •Protoplasty •Sferoplasty • Obvyklé struktury bakteriální buňky bakterie bez buněčné stěny protoplasty •Vznikají u G+ bakterií po působení lysozymu (štěpením glykozidické vazby peptidoglykanu), nebo po působení antibiotik blokujících syntézu buněčné stěny (peniciliny, cefalosporiny) •Protoplasty metabolizují, rostou, ale nemnoží se •Protoplasty se musí stabilizovat v hypertonickém prostředí •Za určitých podmínek je možná reverze na normální buňku •G- bakterie protoplasty netvoří • Normální buňka Bacillus megaterium Protoplasty vzniklé po působení lysozymu (stabilizované v sacharóze) Obvyklé struktury bakteriální buňky bakterie bez buněčné stěny sferoplasty •U G- bakterií není běžná tvorba protoplastů, protože se lysozymem odstraní pouze peptidoglykanová vrstva a zůstává vnější membrána •Sféroplast, metabolizuje, roste a množí se •Po odstranění faktoru, který vyvolal tvorbu sféroplastu, je možná reverze na normální buňku •Fixované L-formy → buňky ztratily schopnost reverze • Obvyklé struktury bakteriální buňky pouzdro •U mnohých bakterií se vytváří vně buněčné stěny silně hydratovaná vrstva – pouzdro, kapsula •Mikrokapsula – tloušťka 0,2 nm – za určitých podmínek může být mylně považována za součást buněčné stěny. U enterobakterií je to komplex obsahující bílkovinu, polysacharid a někdy stopy lipidu •Makrokapsula je podstatně silnější a je tvořena především polysacharidy a bílkovinami. Složení je odlišné v závislosti na druhu bakterie •Kmeny produkující kapsulu jsou označovány jako S-formy (smooth, hladké), neprodukující jako R-formy (rough, drsné) •R-formy mohou vznikat z S-formy mutací •Přítomnost kapsuly je indikací pro virulenci, nepřítomnost pro avirulenci •Má antigenní vlastnosti – kapsulární antigen • Obvyklé struktury bakteriální buňky pouzdro Streptococcus pneumoniae Bacillus sp . Obvyklé struktury bakteriální buňky pouzdro Chemické složení pouzdra některých bakterií Obvyklé struktury bakteriální buňky glykokalyx •Je tvořen dlouhými polysacharidovými vlákny •Je zodpovědný za adherenci bakterií na povrchy (kameny v potoce, zubní sklovina, rostlinná buňka, buňka epitelu, … •Vlákna mají funkci adhesinů •Vazba na povrchy je málo (zubní sklovina) nebo hodně specifická (uretra) Polysacharidová vlákna Obvyklé struktury bakteriální buňky glykokalyx •* Schema zubního plaku •Zubní plak obsahuje více než 37 rodů a 300 druhů bakterií (cca 20 druhů streptokoků) •Na buňky vázané na zubní sklovině se adheziny pevnějšími nebo slabšími vazbami váží další buňky •Různé bakterie přednostně adherují a kolonizují různá místa dutiny ústní • • Obvyklé struktury bakteriální buňky glykokalyx •* Schema bakteriální infekce •Adheze bakteriální buňky a hostitelské buňky (specifická adheze - lektiny, nespecifická – dvojmocnými ionty) •Spojení vláken obou glykokalyxových obalů. •Vytvoření struktury bránící ztrátě vzájemně vyměňovaných molekul do okolního prostředí Obvyklé struktury bakteriální buňky S - vrstva •Plochá dvourozměrná vrstva poměrně kompaktní a je tvořená proteiny nebo glykoproteiny •Jsou tvořené asi 3-30 nm velkými, souměrnými podjednotkami, které mívají tvar čtverce nebo šestiúhelníku (často vypadají jako dlažnice) •bílkovinné podjednotky vytvářejí “síťovinu“ na povrchu G+ i G- bakterií •Je tvořena zpravidla jedním proteinem – druhově specifickým • Obvyklé struktury bakteriální buňky S - vrstva •Počet bílkovinných jednotek v této “krystalické mřížce“ je 1-6 •Na pevných podkladech vytváří monomolekulární vrstvy pravidelného tvaru •Vyskytují se v ní póry o průměru asi 2-8 nanometrů •S-vrstva slouží zejména k ochraně před aktivitou extracelulárních enzymů, změnou pH, “predátory např. Bdellovibrio, případně pře navázáním bakteriofága •Možné je i jejich využití v biotechnologiích -“molekulární nanotechnologie“ S- vrstvy obsahují pravidelně uspořádané funkční skupiny na svém povrchu (-OH, -COOH nebo -NH2), které tvoří specifické motivy pro určité ionty nebo malé molekuly Obvyklé struktury bakteriální buňky fimbrie (pili) •Pili jsou četná, poměrně krátká rigidní rovná vlákna •Jsou velmi křehká a snadno se ulamují •Vyskytují se jen u G- bakterií •Na jedné buňce jich může být i několik set Obvyklé struktury bakteriální buňky fimbrie (pili) •Pilus je tvořen z bílkovinných podjednotek (pilinů), obvykle seřazených do tří řetězců stočených do spirály (vytvářejí bílkovinnou trubičku) •Některé fimbrie mají funkci adhesinů •Umožňují bakterii specifickou adherenci •U symbiotických, parazitických a patogenních bakterií navozují specifickou schopnost kolonizace pouze určitého hostitele •U Vibrio cholerae 01 je tvorba toxinu spojena s přítomností adhezivního pilusu •Uropatogenita Escherichia coli je spojena s přítomností specifického P pilusu •Sex – pilusy jsou zodpovědné za vytvoření konjugačního můstku. Kodovány jsou F plazmidem Obvyklé struktury bakteriální buňky bičík (flagela) Monotrich Amfitrich Lofotrich Peritrich Obvyklé struktury bakteriální buňky bičíky - struktura •Hlavní části bičíku • *Vlákno bičíku tvořené z globulární bílkoviny – flagelinu, které jsou spojeny do několika vláken spirálovitě stočených •Je dlouhé až 20 μm a v průměru má 10-30nm •V živném mediu doroste asi za 10-20 minut •Háček – je složen z identických globulárních bílkovin (jsou jiné než flagelin). Představuje asi spojení mezi vláknem a bazální částí bičíku •Bazální část – kotví bičík do buněčné stěny a cytoplazmatické membrány. Je zodpovědná za pohyb bičíku. Jde o disky, tvořené 9 různými bílkovinami. Jejich počet a umístění je závislé na G+ nebo G- Obvyklé struktury bakteriální buňky bičík – struktura u G+ Bičíkové vlákno Háček Buněčná stěna S – kruh (stator) M – kruh (rotor) Cytoplazmatická membrána Periplazmatický prostor Obvyklé struktury bakteriální buňky bičík – struktura u G- Periplazmatický prostor Periplazmatický prostor Bičíkové vlákno Háček P-kruh + L-kruh Peptidoglykan S-kruh + M-kruh Cytoplazmatická membrána Obvyklé struktury bakteriální buňky axiálně uložený bičík Leptospira sp. Vnější vrstva Buněčná stěna Axiální bičík Axiální bičík Buněčná stěna Vnější vrstva Příčný řez buňkou Pohyb bakteriální buňky •Bičík je rigidní a rotuje •Rotační pohyb umožňují M-kruh (rotor) a S-kruh (stator) •Zdrojem energie je protonový gradient. Na jednu otáčku se spotřebuje asi 250 protonů •Pohyb bakterie je rotační, lokomoční, Brownův. Dopředu se pohybuje po zakřivené dráze, zastaví se, vrtí a točí. Nový směr pohybu je zcela náhodný. •Otáčení buňky je proti směru hodinových ručiček •Rychlost pohybu je asi 50 μm za sekundu •Pohyb bičíku usnadňuje také taxi – chemotaxi, fototaxi • Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze •Inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou •* Glykogenová granula •* Granula kyseliny poly-β-hydroxymáselné •* Granula síry •* Plynové váčky •* Karboxyzómy •* Chlorobiové váčky •Inkluze bez membrány • •* Glykogenová granula •* Polyfosfátová granula •* Krystaly •* Parasporální inkluze • Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou - glykogen •Glykogen je nerozpustný polymer glukózy, α-1,4-glukan s četným větvením α-1,6-vazbami •Větvení nastává na každé 8. až 10. molekule glukózy •Buňka může obsahovat glykogenu až do 50% suché hmotnosti •Je náhodně distribuován v cytoplazmě ve formě tělísek viditelných ve světelném mikroskopu po obarvení •Glykogen je rezervní látka a hromadí se v buňkách po kultivaci v prostředí s nadbytkem uhlíku nebo nedostatku dusíku Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou – granula kyseliny poly-β-hydroxymáselné •Tvoří v cytoplazmě kapénky, viditelné ve světelném mikroskopu jako světlolomná tělíska •Může tvořit až 60% sušiny bakterie •Granula obsahují až 98% kyseliny poly-β-hydroxymáselné a 2 % bílkovin (někdy i štěpy tuků) •Granula jsou tvořena především u aerobních druhů bakterií (rod Bacillus, Pseudomas, fototrofní bakterie) Azotobacter sp. ▼ Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou – granula síry •Jsou ukládána jako rezervní materiál u těch bakterií, které ji využívají jako zdroj energie (chemolitotrofní sírné bakterie) •Nebo je ukládána v cytoplazmě jako S0 po využití sloučenin síry jako donorů protonů a elektronů u fototrofních bakterií (purpurové sírné nebo zelené sírné) •Některé bakterie mohou také síru ukládat do váčků vzniklých inavaginací cytoplazmatické membrány. V tomto případě však nejde o inkluze Thiothrix nivea Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou membránou – plynové váčky (gazvezikuly) •Mají substrukturu tvořenou plynovými váčky cylindrického tvaru s kónickými konci •Membrána je tvořena výhradně bílkovinami (je jednovrstevná) •Membrána je plně propustná pro všechny plyny a vodu •Plynové vakuoly se nacházejí především u fototrofních bakterií • Ancylobacter aquaticus ▼ ▼ ▼ Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou – karboxyzómy •Vyskytují se u bakterií využívajících CO2 jako zdroje uhlíku •Karboxyzómy obsahují enzym ribulóza -1,5-bisfosfátkarboxylázu •Obvykle se nacházejí v blízkosti nukleoidu •Nejčastější je přítomnost karboxyzómů u nitrifikačních bakterií, sinic a thiobacilů Thiobacillus neapolitanus (C – karboxyzómy) Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze obdané jednovrstevnou fosfolipidovou membránou – chlorobiové váčky •Obsahují bakteriochlorofyl a, c, d a karotenoidní pigmenty •Vyskytují se u fototrofních bakterií •Jejich šířka je 30-40 nm •Jsou ohraničeny jednoduchou fosfolipidovou membránou •Umístěny jsou v těsné blízkosti cyto- plazmatické membrány, ale nejsou s ní spojeny •Počet váčků je závislý na metabolické aktivitě Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze bez membrány – polyfosfátová granula •Metachromatická granula, volutin •Volutin je polyfosfát, který se v buňce hromadí ve formě kulovitých tělísek o velikosti 45nm až 1μm •Je zásobárnou molekul fosfátu •Je tvořen řetízky až 500 molekul ortofosfátu a je proto ve vodě nerozpustný •Vazba mezi molekulami je energeticky bohatá a vyžaduje dodání energie ve formě ATP • ATP + (HPO3)n→ADP + (HPO3)n+1 • Reakce je katalyzována polyfosfát kinázou • • • • Obvyklé struktury bakteriální buňky inkluze bez membrány – Parasporální inkluze •Parasporální inkluze jsou vytvářeny u některých zástupců rodu Bacillus •Jsou bipiramidálně oktaedricky symetrické a jsou složeny polypeptidových podjednotek tyčinkovitého tvaru o rozměrech 4 x 12 nm •Molekulová hmotnost těchto podjednotek je asi 230 000 •Vznikají jako důsledek nadprodukce bílkovin tvořících obaly endospory •Parasporální inkluze Bacillus thuringiensis byly použity jako první bioinsekticid proti moučnému červu Vytváření endospor u bakterií •Endospory u bakterií vznikají procesem sporulace •Endospora není reprodukční, ale klidové stadium umožňující přečkat nepříznivé vnější podmínky •Na procesu sporulace se podílí asi 30 operonů zahrnujících více než 200 genů •O tom, zda buňka bude sporulovat se rozhoduje ve fázi G1 buněčného cyklu a jde o proces nahodilý •Spory se vytvářejí v prostředí s dostatkem živin (obvykle však ke konci exponenciální fáze růstu), ale nedostatek některé z živin je významným signálem ke sporulaci • Vytváření endospor u bakterií – proces sporulace CM BS Cytoplazma Nukleoid “spory“ Nově vytvářené septum-vchlípením CM CM začíná uzavírat nukleoid Dvě membrány Vytváření předspory Vytváření tenké peptidoglykanové vrstvy Předspora Sporové vrstvy (obaly) Uvolnění spory z buňky Funkční nukleoid Vytváření endospor u bakterií – proces sporulace I II III IV V VI volná spora asymetrické dělení tvorba kortexu tvorba obalů maturace sporogenní zóna alanin racemáza, rezistence k teplu inkorporace cysteinu, chemická a UV rezistence destrukce ribozidázy, adenozin deamináza, dipikolinová kyselina alanin dehydrogenáza alkalická fosfatáza, glukóza dehydrogenáza akonitáza termostabilní kataláza lyze buňky Vytváření endospor u bakterií – proces sporulace (struktura spory) •Vnitřní membrána (intina – vzniká z CM) •Tenká peptidoglykanová vrstva (základ “budoucí“ buněčné stěny) •Kortex (peptidoglykan) – přítomný pouze v bakteriální spoře, je tvořený koncentrickými vrstvami specifického peptidoglykanu. Je zodpovědný za mechanickou ochranu spory •Vnější membrána (extina - vzniká z CM) •Obalové vrstvy tvořené bílkovinou – plášť spory (představuje asi 30-60% sušiny spory). Bílkoviny jsou bohaté na cystein •Exosporium – jemná vrstvička, která se vytváří u některých sporulujících bakterií a je zodpovědná za vnější strukturu spory (bílkovina, polysacharid, lipid, fosfát) •Přítomnost kyseliny dipikolinové udává termorezistenci spory • Vytváření endospor u bakterií – proces sporulace (vlastnosti spory) •Spora obsahuje minimální množství vody •Je silně světlolomná •Obsahuje kalciumdipikolinát (10 až 20% hmotnosti spory) – molární poměr 1:1 •Vysoká termorezistence •Vysoká odolnost vůči extremním faktorům vnějšího prostředí (záření, kyseliny, rozpouštědla, vysoký hydrostatický a osmotický tlak, …) •Neměřitelný metabolizmus •Dlouhá doba přežívání (několik desítek let) • Kyselina dipikolinová Chelát - kalciumdipikolinát r Vytváření endospor u bakterií – proces sporulace (umístění spory) Bacillus subtilis centrální subterminální terminální Klostridium tetani Plektridium Klíčení bakteriální endospory (germinace) •1. Aktivace spory – spočívá v narušení sporového pláště (mechanický oděr, zvýšená teplota, nízké pH, přítomnost malých molekul –zejména aminokyselin a vitaminů atd.) • Proces germinace má tři fáze Klíčení bakteriální endospory (germinace) •2. Vlastní klíčení spory – vyžaduje přítomnost vody, spouští se chemické impulzy z prostředí, je hydrolyzován kortex, uvolňuje se sporový protoplast, do prostředí se uvolňuje Ca-dipikolinát, do buňky vstupuje voda, K+, Mg2+ a jiné ionty a větší molekuly. Do media se uvolní více než 30% hmotnosti spory. V průběhu klíčení mizí termorezistence a světlolomnost. Procesy, které probíhají mají degradativní charakter a jsou výsledkem aktivity enzymů přítomných ve spoře. Nové bílkoviny nevznikají. Celý proces klíčení u jednotlivé spory trvá asi 1 minutu. •3. Diferenciační fáze – při ní je sporový protoplast kvalitativně přeměněn ve vegetativní buňku. V určitém pořádku jsou přepisovány jednotlivé specifické geny, v určitém pořádku se objevují jednotlivé typy mRNA, probíhá tvorba příslušných bílkovin, probíhá replikace DNA atd. Germinace končí prvním dělením buňky – dceřinné buňky mají stejnou velikost, jako buňka, z níž vznikla spora. Průběh sporulace Bacillus thuringiensis https://microbewiki.kenyon.edu/images/7/70/Bt5.JPG Endospory u klostridií Рис. 48. Клострпдиальная форма клеток. Споры снабжены светлыми конусовидными колпачками. Clostridium species, шт. 1. Увел. X 3500 Рис. 50. Плектридиальная форма клеток при спорообразовании. Споры с серповидными колпачками. Clostridium sp. Увел. X 3500 klostridiální typ spory plektridiální typ spory Рис. 46. Молодые, интенсивно делящиеся клетки Clostridium sporopenitum. Видны делящиеся нуклеоиды. Окраска ядерного вещества по методу Романовского - Гимза. Увел. X 3500 Mladé intenzivně se dělí se buňky – dělící se nukleoidy Endospory u klostridií Рис. 56. (Схема.) Строение оболочки спор у различных видов анаэробных бактерий: Э - экзоспориум, О-оболочка споры. 1, 2, 3 - слои споровой оболочки schéma stavby obalu spory vnější obal Рис. 59. Строение поверхностных структур спор некоторых анаэробных бактерий: Споры без выростов и экзоспориума: 1 - Clostridium felsineum. Споры с экзоспориумом в, виде чехла: 2 - Gl. pasteurianum. Споры с выростами различных типов и экзоспориумом: з - Gl. sporosetosum; 4 - CI. sporopenatum; 5 - Gl. saprogenes; 6 - CI. sporofasciens; 7 - Gl. sartagoformum; 8 - Gl. corinoforum; 9 - Gl. penicillum. Споры с лентовидными выростами, но без экзоспориума: 10 - Gl. taeniosporum povrchové struktury spory 1- C.felsineum 2- C.pasteurianum 3- C.sporopetatum 4- C.sporosetosum 5- C.saprogenes 6- C.sporofaciens 7- C.sartgoformum 8- C.corinoforum 9- C.penicillum 10- C.taeniosporum Sporulace streptomycet Sporulace streptomycet Schéma umístění hydrofobních povrchových proteinů při tvorbě vzdušného mycelia Schéma realizace procesů vedoucích k diferenciaci vzdušných hyf do spor http://textbookofbacteriology.net/actinos.jpeg Vzdušné hyfy rostou ve špičce a v prodloužení nesou apikální sestavy proteinů DivIVA. Tvoření apikální sporogenické buňky vede k zastavení růstu. Protein FtsZ se sestavuje do šroubovicových vláken, která se přeměňují do pravidelně rozmístěných Z prstenců, řídících tvorbu sporových sept. Po dokončení septa, prespory vytvoří silné stěny spor , které vyžadují přítomnost “bakteriálního aktinu“ MreB. Ten je lokalizovaný nejdříve v místě uzavření septa a potom se objevuje v okolí vznikajících spor. MreB7 zajišťuje správné sestavení stěny spory