Transcript Mikrobiologie kap. 1. - 5. Úvod, Bakterie, Viry, Houby

I. PŘEHLED OKRUHŮ:
Obecná mikrobiologie
(historie, bakterie, houby, viry)
Bakteriální buňka
Metabolismus
Výživa a rozmnožování
Genetika
Koloběhy biogenních prvků (látek)
N–C–P-S
Mikrobiologie půdy
Mikrobiologie vody
Mikrobiologie krmiv
Mikroorganismy a živočichové
LITERATURA
Voříšek: Zemědělská mikrobiologie (sylaby přednášek). 2006, 2008, 2010
Růžek, Voříšek: Vybrané kapitoly z pedobiologie a mikrobiologie. 2003 - 2010
Klaban: Svět mikrobů. Gaudeamus, 2007, 2001 (1999)
Klaban: Ilustrovaný mikrobiologický slovník. Galen 2005
Klaban: Ekologie mikroorganismů. Galen 2011
Leitgeb: Mikrobiologie, MON 1988 (1983) (skriptum)
Marendiak a kol.: Polnohospodarska mikrobiologia, Priroda 1988
Káš: Zemědělská mikrobiologie, SZN 1983
Rozšiřující:
Kaprálek: Fyziologie bakterií, SPN 1986
Rozsypal a kol.: Obecná bakteriologie, SPN 1989
Brady, Weil: The nature and properties of soils, Prentice Hall 1999
Atlas: Principles of microbiology, WCB 1997
Paul, Clark: Soil microbiology and biochemistry, AP 1996
Paul: Soil microbiology, ecology and biochemistry. AP 2007
Tománková a kol.: Potravinářská mikrobiologie. PowerPrint 2006 (skriptum)
I. ÚVOD
I.1. Vymezení pojmů
Mikrobiologie
Priony
Viry
Bakterie
Houby
I.2. Základní historické údaje
Fracastorius (1546)
van Leeuwenhoek (1632-1723)
1674, 24.4.1676
Pasteur (1822-1895)
Fermentace, techniky, hnití, nemoci,
vakcinace-imunisace
Koch (1843-1910)
Izolace, nemoci, 4 postuláty
I.3. Zemědělská mikrobiologie, „půdní“
Kostyčev, Ivanovskij, Vinogradskij, Popov, Omelianskij,
Mečnikov
II. MIKROBY V TEORII VZNIKU ŽIVOTA
Samoplození
X
Biogenese
Monomorfismus X plejomorfismus
Pasteur – odmítnutí samoplození
Živý systém = vysoce uspořádaný soubor látek (NK, BÍLKOVINY, TUKY, GLYCIDY),
stabilní, strukturní, výměna látek, růst, rozmnožování, vývoj
Etapy evoluce
Říše : 5 – 6, (?? podbuněčné organismy)
(Prokaryota)
(Eukaryota)
Monera
Archaebacteria
Eubacteria
Protista
Houby
Rostliny
Živočichové
III. MORFOLOGIE BAKTERIÍ
Základní údaje
Koky
Tyčinky
Vláknité bakterie
Stavba bakteriální buňky
Bičík
Fimbrie (pily), glykokalyx
Pouzdro, kapsula, slizový obal
Buněčná stěna
Cytoplasmová membrána
Cytoplasma
Ribosomy
Nukleoid
Plasmidy
Mesozom
Inkluse
Spora, sporulace
Základy systematiky bakterií
III.1. ZÁKLADNÍ ÚDAJE
Prokaryotická buňka
úplná samostatnost buňky
nepřítomnost jádra
(chybí jaderná membrána, haploidní – 1 chromosom)
nepřítomnost buněčných organel
odlišná stavba ribosomů – 70S (30S + 50S)
příjem živin celým povrchem
peptidoglykan v buněčné stěně
anaerobiosa (část)
schopnost (část) vázat N2
velikost v mikrometrech: (0,2) – 0,4-10
veliký aktivní povrch k objemu
1 g Escherichia coli = 1012 b. = 3 m2
Tvar:
kulovitý (koky)
válcovitý (tyčinky)
vláknitý (aktinomycety a příbuz.)
(řada přechodných)
III.2. KOKY
Kulovité, jednotlivě nebo ve shlucích
Ø 1 µm
0,8 – 1,2 (3) µm
diplokoky
Diplococcus
streptokoky
Streptococcus
tetrády
Micrococcus
sarcina
Sarcina
stafylokoky
Staphylococcus
Micrococcus
III.3. TYČINKY
Válcovitý tvar, morfologicky rozmanité
0,2-1,2 x (0,4) 1-10 µm
0,8-1 x 3-5µm
často bičíky, jejich umístění (počet) = důležitá charakteristika
Sporulující („bacily“)
spóra = odolný klidový útvar
plektridium
klostridium
Rody:
Bacillus (aerobní)
Clostridium (anaerobní)
Sporolactobacillus
Nesporulující
rovné (bakterium) Pseudomonas
Lactobacillus
Escherichia
vibrio
spirila
spirochéta
Vibrio
Spirillum
Leptospira
III.4. VLÁKNITÉ A PŘÍBUZNÉ
„vláknité“ bakterie
buňky v dlouhých řetízkách často s povrchovou vrstvou – sirné b.
aktinomycety – myceliární struktura
dlouhá větvená jednobuněčná vlákna
Ø 1 µm, délka i desítky mikrometrů
substrátové a vzdušné mycelium
tvorba konidií (vzdušné mycelium) = nepohlavní rozmnožovací
částice
typické půdní organismy
Rody:
Streptomyces
Nocardia
Actinomyces
plejomorfní tyčinky
nepravidelný tvar, často větvené
Rody:
Rhizobium (fixace N2)
Mycobacterium (půdní, TBC)
Propionibacterium (sýry, vitaminy)
Eubacterium (trávicí trakt)
III.5. Stavba bakteriální buňky
Vnější struktury – postradatelné
Bičík (Flagellum)
Fimbrie, pily, glykokalyx
Pouzdro, kapsula, slizový obal
Buněčná stěna
Vnitřní struktury – nepostradatelné
(většina)
Cytoplasmová membrána
Cytoplasma
Ribosomy
Nukleoid
(Plasmidy)
Mesozom
(Inkluse)
(Spora)
III.5.1. Bičík (Flagellum)
Orgán pohybu
Pouze u některých bakterií
Ukotven v cyt.membráně basalním tělískem
Složen z bílk. vláken – flagelin
Ø cca 20 nm, délka až 15-20 µm
Antigenní vlastnosti („F“)
Umístění a množství druhově specifické:
1. MONOTRICHA jeden bičík na jednom pólu
Vibrio cholerae
2. LOFOTRICHA
svazek bičíků na jednom pólu
Pseudomonas sp.
3. AMFITRICHA
na každém pólu jeden nebo i více bičíků
Spirillum volutans
4. PERITRICHA
povrch buňky pokryt bičíky
Escherichia coli
Bacillus sp.
Clostridium sp.
Proteus vulgaris
III.5.2. Fimbrie, pily, glykokalyx
Povrchové vláknité struktury
Fimbrie
Až 1000, Ø 3-10 nm, délka až 1-několik µm
Bílkovinné vlákno
Funkce: uchycení k povrchům
Pily
Podobné fimbriím, 1-10 na buňku
Silnější (9-10 µm)
Bílkovinné vlákno
Funkce: F-pily podmínkou konjugace
Receptor pro uchycení některých virů
Glykokalyx
Polysacharidová vlákna
Funkce: Adherence na povrchy
Vymezení prostoru pro exoenzymy
III.5.3. Pouzdro (kapsula), slizový obal, S-vrstva
Povrchové ochranné struktury
Pouzdro (kapsula)
Polysacharidy + další komponenty
Výrazně strukturní, vazba na buněč. stěnu
Výrazně zvyšuje odolnost (vnější podmínky, fagocytosa…)
Antigenní vlastnosti = „K“ antigen
Slizový obal
Hlavně polysacharidy
„Nestrukturní“, bez vazby na bun.stěnu
S-vrstva
Krystalická protein. vrstva (i Archaebact.)
Ochranná fce
III.5.4. Buněčná stěna
Přítomna u většiny bakterií
(ne Mycoplasma, některé Archaebacteria),
je ale postradatelná
PEPTIDOGLYKAN je typický komponent =
N-acetylmuramová kys. + N-acetylglukosamin
(spojené můstky, vytváří „síťovinu“)
Dále D-aminokyseliny – např. DAP
Není u eukaryotů a archaebakterií
Tlouštka velmi variabilní (cca 10 – 80 nm)
Výrazný rozdíl mezi G+ a G- bakteriemi
Funkce: Ochranná (osmot.tlak, chemické l., aj.)
Určuje tvar buňky
Antigenní vlastnosti („O antigen“)
Regulace přijmu živin
Buněčná stěna G+ bakterií - fialová barva
Velmi silná, 20 – 80 nm, Ø cca 40 nm)
Relativně jednoduchá stavba, v podstatě jednovrstevná,
z cca 90% peptidoglykan
Často „protkána“ kyselinou teichoovou (rezervoár P)
Rody:
Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Micrococcus,
Staphylococcus, Streptococcus, Streptomyces
Buněčná stěna G- bakterií - červená barva
Tenká, cca 10 nm
Obvykle trojvrstevná:
vnější membrána, „dvojvrstevná“, 7-8 nm;vysoký podíl lipidů:
tvořená fosfolipidy, proteiny, lipopolysacharidy, lipoproteiny,
poriny (průchod živin)
peptidoglykanová vrstva velmi tenká, cca 1 nm
periplasmatický prostor – gel
Rody:
Acetobacter, Azotobacter, Escherichia, Pseudomonas,
Rhizobium, Salmonella
III.5.5. Cytoplasmová membrána
Nepostradatelná struktura bakteriální buňky
Hlavní komponent :
fosfolipidy tvořené fosfátovou skupinou a mastnými kyselinami
- spojeno glycerolem
Významný podíl proteinů rozložený v matrixu membrány
Fosfát(-) je hydrofilní (obvyklá orientace vně buňky)
Mastné kyseliny (NEPOLÁRNÍ) jsou hydrofóbní
Působí dvojvrstevným dojmem – ale fluidní struktura
Tloušťka: 5-10 nm
Funkce:
Osmotická bariera
Selektivní bariera (semipermeabilita)
Transport živin
Metabolismus (respirace; fotosynthesa;
synthesa tuků a buněčné stěny)
Přítomnost receptorů
Chemotaxe
III.5.6. Cytoplasma
Vyplňuje vnitřní prostor buňky
Prostor pro vnitřní struktury
Významná v metabolismu buňky
Složení (= cytosol): voda, bílkoviny
Protoplast = cytoplasma + cytopl. membrána
III.5.7. Ribosomy
Počet: obvykle 10000 (i více), souvisí s úrovní metabolické aktivity
Velikost: 70S (eukaryota 80S)
Rozměry: cca 15 x 20 nm
Stavba: 2 zákl. subjednotky 50S a 30S
50S = 23S rRNA + 5S rRNA + bílkoviny
30S = 16S rRNA + bílkoviny
Složení: cca 60% RNA + 40% bílkoviny
(v ribosomech cca 80% buněčné RNA,
zbytek jako mRNA a tRNA)
Funkce: syntesa bílkovin
III.5.8. Nukleoid
Synonyma: chromatin, chromatinové tělísko, aj.
Tvořen dvouvlákennou DNA v kruhu
Jediný chromosom u většiny bakterií
Délka až 1,4 mm
Bez jaderné membrány
Obsahuje 99 – 100 % buněčné DNA
V oblasti nukleoidu se nachází i bílkoviny a stopy RNA
(transkripce)
Funkce: kóduje dědičnost (cca 3500 genů)
III.5.9. Plasmidy
Postradatelná součást buňky, zvyšuje genetickou variabilitu
Tvořeny kruhovou dvojvlákennou DNA (extrachromosomální DNA)
Počet: 0 – cca 100
Samostatný replikon – replikace nezávislá na dělení buňky resp.
na replikaci chromosomální DNA
„Curing“ = ztráta plasmidů při dělení
Typy plasmidů:
Kompatibilní x nekompatibilní
F-plasmidy = konjugativní
R-plasmidy = kódují rezistenci (antibiotika, toxiny…)
Temperovaný = dočasná součást chromosomu
Metabolické plasmidy
Plasmidy virulence
Plasmidy – kód pro bakteriociny
Funkce - shrnutí:
dodatková genetická informace (obvykle < 30 genů)
významný nástroj genových manipulací
III.5.10. Mesozom
= intracelulární membranoidní struktura
Derivát (vychlípenina) cytopl.membrány
Funkce: nejasná – metabolismus,
dělení buňky až názor, že se jedná o artefakt
III.5.11. Inkluse
Granule = uložení sloučenin uvnitř buňky, některé s membránou
Např:
zásobní materiál (polyhydroxybutyrát)
polyfosfáty (volutin)
metabolity (granule S)
III.5.12. Spóra (sporulace)
= odolný klidový útvar vznikající uvnitř (endospóra) některých bakterií
Bacillus, Clostridium,(Sporolactobacillus, Sporosarcina)
životné i po 500 letech (i tisíce?)
Umístění: centrální až terminální
Neslouží k rozmnožování, z 1 buňky 1 spóra
Vysoká odolnost: teplo, UV záření, sucho, barviva, chemikalie…
„Životní cyklus“ sporulujících bakterií:
vegetativní b., sporulace, spóra, klíčení, vegetativní b.
Sporulace cca 10 hod v 7 fázích
Spóra (odlišnosti od vegetativní buňky):
Stavba – více „obalů“: exosporium, plášť spóry,
kortex (peptidoglykan), stěna spóry,
cytoplasm. membrána
Chemismus – snížený obsah volné vody,
vysoký obsah kys. dipikolinové
Snížený metabolismus („nulový“)
Nepřijímá živiny z vnějšku
Redukce ribosomů
vnější membrána
protoplast
DNA
vnitřní membrána
kortex
obal spóry
exosporium
III.6. Systematika a identifikace bakterií
Základní taxonomická jednotka - druh
= soubor buněk charakterizovaných stejnými morfologickými,
kultivačními, biochemickými a dalšími vlastnostmi
Podmínka při určování – čistá kultura,
získáme nejlépe rozmnožením 1 buňky
Morfologické vlastnosti:
tvar, seskupení, barvitelnost dle Grama (G+, G-),
velikost (?), bičíky, tvorba spór…
tvar, barva a okraj kolonií; charakter růstu v tekutém prostředí
Kultivační (fyziologické) vlastnosti:
(obvykle optimum a rozmezí)
Teplota, pH, vztah k O2, tolerance k chemikáliím (např. NaCl, žlučové soli)
Biochemické (metabolické) vlastnosti:
Zdroje živin – C, N….
Enzymy - katalasa, hydrolasy
Metabolity (primární, sekundární).
Energetický metabolismus
Další vlastnosti:
DNA charakteristiky: % G+C v DNA, složení DNA (hybridizace, PCR)
Serologické vlastnosti
Systematika:
Obdobná dalším organismům
Druh– Rod – Čeleď – Řád – Oddělení - Říše
Možné i nižší jednotky než druh: poddruh, morfovar, patovar, serovar…
Základní název binární (vždy jen jeden !?)
Lactobacillus plantarum
Escherichia coli
Pseudomonas fluorescens
Enterococcus faecium (pův. Streptococcus faecium)
Systémy bakterií
Celá řada přístupů
Fylogenetický systém
„Morfologický systém“ – původně založen hlavně na morfologii,
postupně převládly další charakteristiky
Bergeyś Manual of Systematic Bacteriology, respektuje poznatky
z fylogenese bakterií, podrobný taxonomický popis
Bergeyś Manual of Determinative Bacteriology, „klíč“ pro určování; zde
bakterie rozděleny do 35 skupin – morfologie, Gram, vztah k O2;
např.
5.sk.– fakultat. anaerobní G- tyčinky
19.sk.–rovné nesporulující G+ tyčinky
Numerická taxonomie - založena na sdružování bakterií podle společných
vlastností s využitím statistických metod, tvorba klastrů a
dendrogramů
Taxonomie založená na porovnávání shodnosti vlastností s ideokmeny
rRNA taxonomie – RNA evolučně nejkonzervativnější součást buňky =
„biologické hodiny“
IV. MORFOLOGIE VIRŮ
IV.1. Základní údaje
IV. 2. Reprodukce
IV.3. Systematika
IV.1. Základní údaje
Virus – původně jed, později patogenní mikroorganismus
1892 Ivanovskij – objev viru mozaikové choroby tabáku
Podbuněčný (acelulární) organismus
Intracelulární obligátní parazit téměř bez vlastního enzymového
vybavení, plně závislý na hostitelské buňce
Velikost: 30 – 300 nm (elektronový mikroskop)
Virion: základní jednotka
Stavba:
Centrálně nukleová kyselina – DNA nebo RNA
(= genetický kód, dědičnost)
Na obvodu proteinová kapsida složená z jednotlivých kapsomér
Prostorové uspořádání typické –
spirálovitý (helikální) a poly-edrální (mnohostěn – 16, 24, 32…)
Virový plášť (pouze u některých) – vnější lipidový obal
IV.2. Reprodukce
Vždy v hostitelské buňce
Základní fáze:
Přichycení na receptor hostitele
Penetrace = průnik do hostitelské buňky (virion tím zaniká)
Dále dvě možnosti:
Lytický cyklus –
okamžité využití metabolismu hostitelské buňky a
reprodukce virionů (viz schema)
Lyzogenní cyklus –
virion se stává na omezenou dobu součástí
chromosomu hostitelské buňky
= temperovaný virion (viz schema)
IV:3. Systematika virů
Založena na morfologických a dalších charakteristikách virionu
Stavba virionu
– holý
– s pláštěm
Stavba kapsidy
Typ nukleové kyseliny – DNA, RNA
Uspořádání NK – jednovlákenná, dvojvlákenná,
přímá, kruhová (DNA)
Hostitelská buňka:
živočišná
rostlinná
mikrobní :
bakteriofág
aktinofág
mykofág
HOUBY
Základní charakteristika
Systematika hub
Význam hub
(kvasinky a mikromycety)
Základní charakteristika
Typické eukaryotní organismy – plné jádro
Mono-, di- a polykaryotické
Haploidní kromě zygoty
Buněčná stěna často chitin (občas celulosa)
Tvar:
holokarpický, myceliární (vlaknitý),
častá tvorba rozmnožovacích orgánů
Vláknité houby: mycelium, stélky, hyfy
Velikost: jednotky až stovky mikrometrů
Jedno- a vícebuněčné, bez buněčných přep.
Převážně aerobní (anaerobní bachorové h.)
Nefotosyntetizující
Heterotrofní
Chemoorganotrofní
Saccharomyces
Penicillium
Mucor
Boletus
Holo
Myc
Myc
Myc
1B
VB
- BP
VB
1J
1J
VJ
2 J (1 J)
Rozmnožování hub
Vegetativní:
fragmenty mycelia, pučení
Nepohlavní částice (spóry):
oidie, chlamydospóry,
sporangiospóry (Zygomycota),
konidie (Deuteromycota)
Pohlavní:
pohlavní orgány – antheridium (samčí),
oogonium (samičí)
tvorba pohlavních spór (bez meoisy)
askospóry
basidiospóry
pohlavní spóry vytvoří mycelium
fúze pohlavních mycelií (dikaryotické myc.)
fúze jader a redukční dělení
Systematika hub
Podobně jako u bakterií ve vývoji
Znaky: uspořádání buněk, rozmnožování, tvar rozmnožovacích částic
Hlavní třídy:
(Oomycetes)
Přeřazení do Protista
Nedělené mycelium, diploidní, zoospóry
Buněčná stěna - celulosa
Saprofytické, parasitické
Perenospora
Pythium
Phytophtora infestans
Chytridiomycota
Asexuální zoospóry, jednoduchá buňka až mycelium
Saprofytické, parasitické
Často ve vodě, na organických zbytcích
Synchytrium
Zygomycota
Mycelium mnohojaderné bez přepážek
Rozmnožování:
nepohlavní – sporangiospóry
pohlavní – zygospóry
Převážně saprofytní, rozklad jednoduchých glycidů, některé parazitické
Mucor
Rhizopus
Ascomycota
Velmi rozsáhlá skupina
Mycelium jednak vláknité bohatě větvené a mnohobuněčné,
jednak holokarpické
Pohlavní askospory vznikají v asku (vřecku); sdruženy do plodniček.
Kleistothecium – Perithecium - Apothecium
Saprofytické, parasitické
Saccharomyces (dříve Endomycetes)
Chaetomium, Xylaria
Erysiphe (parazitická)
(Deuteromycota )
Synonyma: Fungi imperfecti - houby nedokonalé
Nyní hlavně Ascomycota (Basidiomycota)
Houby s neznámým pohlavním rozmnož.
Typická tvorba nepohlavních rozmnožov. částic – konidie; konidiofor, fialida
Většina saprofytických, půdních; spóry rovněž ve vzduchu
Penicillium, Aspergillus, Fusarium
Trichoderma, Alternaria
Basidiomycota
„Houby vyšší“, relativně složitý životní cyklus:
Produkce haploidních basidiospór (obvykle 4) na basidiu
Spóry jednojaderné haploidní mycelium
Fúze dvou mycelií dikaryotické mycelium, jeho růst
Fúze jader (=zygota), meiosa, další dělení
Vznik basidie a basidiospór
Agaricus, Boletus, Amanita
Význam hub
Půda = hlavní rezervoár
Mineralizace
Humifikace
Půdotvorné procesy
Detoxikace xenobiotik
Koloběhy biogenních prvků
Voda a vzduch
Většinou nepříznivé pro růst
Zdroj šíření a kontaminace (spóry)
Krmiva, potraviny (často nežádoucí)
Zhoršení organoleptických vlastností
Rozklad živin
Produkce metabolitů
Produkce mykotoxinů
Kancerogenní účinky
Součást „kulturní“ mikroflory
Původci chorob – mykózy
Průmyslové využití
Alkoholy
Organické kyseliny
Enzymy
Antibiotika
Detoxikace
Potravinářství