Transcript KL_prokariota - Középiskolás elõadások az SZTE-TTIK-n

Prokarióták
Dr. Kredics László
SZTE TTIK Mikrobiológiai Tanszék
[email protected]
A prokarióták jelentősége
Valószínűleg a legősibb életforma képviselői
 Alapkutatás fontos tárgyai
 Ipari alkalmazások (biotechnológia, pl.
inzulintermelés, bioremediáció)
 Orvosi alkalmazások (antibiotikumok)
 Mezőgazdasági jelentőség (nitrogénkötés)
 Szerepet játszanak a szén, nitrogén és kén
körforgásában (lebontó szervezet)
 Növények, állatok és emberek kórokozói

Fő morfológiai típusok
kokkusz
bacillus
Átlagméret: 0.2 -1.0 µm  2 - 8 µm
vibrio
spirillum
kokkusz
Neisseria:
kávébab alak
kokkobacillus
Tetrádok (4
kokkusz)
Sarcina: (8, 16,
32, 64 kokkusz)
Mycobacterium
coryneform
Streptococcus:
füzérszerű
Micrococcus és
Staphylococcus
Spóraképző
pálcikák
Streptomyces:
gombaszerű
Csavart formák
Vibrio: csavart pálca
Spirillum
Spirocheta
Morfológia
Diplokokkusz
pálcika, vagy bacilliform
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
SEJTFAL
citoplazmamembrán
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Baktérium sejtfal
- külső, elasztikus váz
- nincs minden baktériumnál (pl. Mycoplasma fajok)
- változatos összetétel és szerkezet
- Gram-festés (Hans Christian Gram, 1892) kétféle baktérium
sejtfaltípus megkülönböztetésére alkalmas
- Festés ibolyaszínű festékkel (kristályibolya + jódoldat),
alkoholos mosás (etanol), majd kontrasztfestés piros festékkel
(szafranin)
- A festés kimutatja, hogy az adott baktérium Gram-pozitív (lila)
vagy Gram-negatív (piros)
Gram-pozitív sejtfal
Gram-negatív sejtfal
sejtfal
peptidoglukán
plazmamembrán
sejtfal
külső membrán
peptidoglukán
plazmamembrán
periplazmatikus tér
Gram-festés
Gram-pozitív baktériumok:
A membránban lévő
peptidoglukán megköti a
festéket.
Magas peptidoglukán
tartalom = sötétibolya szín
Gram-negatív baktériumok:
A külső membrán ellenáll a
festésnek.
A sejtek megkötik a
kontrasztfestéket,
rózsaszínek lesznek.
peptidoglukán (murein)
Gram-pozitív sejtfal szerkezete
lipoteichonsav
teichonsav
(felületi
antigének)
Periplazmatikus
plazmamembrán
tér
periplazmatikus
tér
Gram-negatív sejtfal szerkezete
Porin
O-antigén
Lipoprotein
(felismerés)
Lipopoliszaharid
(gyakran toxikus)
Külső
membrán
(védő szerep)
Periplazmatikus
tér és peptidoglukán
(murein)
PlazmaPeptidoglukán
Foszfolipid
Transzmembrán
fehérje
membrán
Gram-pozitív peptidoglükán háló keresztkötésekkel
N-acetil-muraminsav
N-acetil-glükózamin
peptidlánc
pentaglicin
híd
penicillin: gátolja a
keresztkötések kialakulását
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
TOK
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Tok
- nincs minden baktériumnál
- védelmi funkciót tölt be
- leggyakrabban poliszacharid, néha polipeptid
- kórokozóknál virulenciafaktor (megtapadás, fagocitózissal szembeni
védelem)
Néhány jellegzetes tokanyag:
1/ polipeptid
- Bacillus anthracis (anthrax, lépfene): D-glutaminsavból álló
homopolimer, rendkívül ellenálló
2/ dextrán (D-glükóz monomerek (1-6) kötéssel)
- infúziós készítmények alapoldata
3/ cellulóz (homopoliszacharid, D-glükóz monomerek β(1-4) kötéssel)
- cellulóz membránok, pl. Sony
4/ keményítő (D-glükóz monomerek α(1-4) kötéssel)
5/ xantán (heteropoliszacharid)
- Xanthomonas fajokban, fúrófejek kenőanyaga, ivólevek,
krémek, gélek
6/ alginát (heteropoliszacharid)
- enzim- és sejtrögzítésre alkalmazzák
Tok
Negatív festés kolloid tussal
Baktériumsejt
FLAGELLUM
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Flagellum
- Fontos mikromorfológiai bélyeg
- Folyadékban a baktériumsejt mozgását biztosítja
- kémiai ingerek hatására 360º-os szögben forog az
óramutató járásával ellentétesen
- a baktérium az óramutató járásával egyező
irányban forogva halad előre a flagellum irányába
A flagellum elhelyezkedése
monotrich
amphitrich
lophotrich
peritrich
Gram-negatív és Gram-pozitív flagellum
filament
kampó
L gyűrű
külső
membrán
peptidoglukán
réteg
pálca
P gyűrű
S gyűrű
periplazmatikus
tér
plazmamembrán
M gyűrű
Gram-negatív
Gram-pozitív
(4 gyűrű)
(2 gyűrű)
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
PÍLUSOK
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Pílus (fimbria)
Fehérjéből felépülő sejfelszíni csőszerű képlet, nem mozog
F-pílus (szexpílus): DNS-átvitelt tesz lehetővé egy másik sejtbe
(konjugáció)
Közönséges pílusok
F-
F+ típusú
baktérium által
képzett szexpílus
F+
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
CITOPLAZMAMEMBRÁN
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
A prokarióták citoplazmamembrán-szerkezete
glikolipid oligoszaccharid
integráns
fehérje
integráns
fehérje
hidrofób
-hélix
hopanoid
foszfolipid
felszíni
fehérje
- Foszfolipid-kettősréteg: hidrofil felszín, hidrofób belső részek.
- Szterolok nincsenek, helyette hopanoidok
A prokarióták citoplazmamembrán-szerkezete
Hopanoidok:
szterol analóg
triterpén
származékok
Koleszterol (szteroid)
Bakteriohopántetrol (hopanoid)
Normális lipid
glicerol
észterkötés
sztearinsav
Valódi baktériumok
(Bacteria) lipidszerkezete
Archea glicerolipid
éterkötés
phytanol
phytanilglicerol-diéter
dibiphytanilglicerol-tetraéter
tetraéter bipentaciklikus C40 biphytanil láncokkal
Ősbaktériumok
(Archaea) lipidszerkezete
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
pílusok
CITOnukleoid
PLAZMA
mezoszóma
Baktériumok
citoplazmája
- Nincsenek belső
membránok, csak a
citoplazmamembrán
betűrődései, felületükön
zajlanak az élettani
folyamatok
baktérium
(Nitrosomonas)
intracelluláris
membránbetűrődései
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
RIBOSZÓMÁK
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Riboszómák
- Számuk: 5-50 ezer
- Az összRNS kb. 80-85%-a rRNS.
- Poliszóma (poliriboszóma): mRNS-hez
kapcsolódva, fehérjeszintézis már a
transzkripció alatt megkezdődik
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
zárványok
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
NUKLEOID
A baktériumok
örökítőanyaga






Prokarióták: nincs körülhatárolt
sejtmag, nukleoid régió (80% DNS,
10% RNS, 10% fehérje).
Örökítőanyag: mindig kettősszálú
DNS
Genom: nem tagolt, egyetlen
óriásmolekula (kromoszóma)
Erősen felcsavarodott állapot
Gyakran cirkuláris, néha lineáris
(pl. Borrelia burgdorferi)
Egyéb genetikai elemek:
plazmidok (a genomnál kisebb
cirkuláris DNS-molekulák), szerep:
antibiotikumrezisztencia, ritkán
előforduló tápanyagok
hasznosítása, konjugáció
Endospóra
- Viszonylag kevés faj képez pl. Bacillus, Clostridium
- Kitartó képlet egy kópia genetikai állománnyal
- Képződés indukciója: pl. C-, N-források kimerülése
- Általában a tartaléktápanyagok terhére képződik
- Ellenálló a környezeti hatásokkal (magas hőmérséklet, sugárzás,
kiszáradás, vegyszerek) szemben
endospóra
mag
kortex
spóraköpeny
Baktériumsejt
flagellum
szerkezete
riboszómák
ZÁRVÁNYOK
sejtfal
citoplazmamembrán
tok
pílusok
citoplazma
mezoszóma
nukleoid
Prokarióták anyagcseréje
- fototróf: a fényből nyeri az energiát
- kemotróf: kémiai vegyületek átalakításából nyeri az energiát
- autotróf: szervetlen CO2-ot igényel szénforrásként
- heterotróf: szerves anyagra (pl. glükóz) van szüksége saját szerves
anyagai felépítéséhez
4 fő csoport:
- Fotoautotróf (Cyanobacteria)
- Kemoautotróf (energianyerés: szervetlen anyagok, pl. H2S, NH3,
Fe2+ oxidálása)
- Fotoheterotróf (bizonyos tengeri prokarióták)
- Kemoheterotróf (leggyakoribb)
Oxigénhez és nitrogénhez való viszony
Oxigénhez való viszony:
- obligát aerob: szüksége van oxigénre, nélküle nem képes
fennmaradni
- fakultatív anaerob: oxigént használ, de anaerob környezetben is
képes fennmaradni (erjesztés)
- obligát anaerob: oxigén jelenlétében elpusztul, az
elektrontranszportránc elektronakceptora nem O2, hanem pl. NO3-,
SO42Nitrogénhez való viszony:
- Esszenciális elem (aminosavak, nukleinsavak)
- nitrogénkötés: N2 átalakítása NH3-á (Cyanobacteria, pl. Anabaena)
Baktériumok mesterséges rendszere (Bergey)
Főbb osztályozási szempontok:



Morfológia alapján
 kokkusz
 pálca
 csavart
Sejtfal típusa alapján
 Gram-pozitív
 Gram-negatív
Oxigénigény alapján
 obligát aerob
 fakultatív anaerob
 obligát anaerob

Energianyerés alapján
 autrotróf
 fotoautotróf
 kemoautotróf
 Heterotróf
 fotoheterotróf
 kemoheterotróf

Életmód alapján
 mozgás (van/nincs)
 szaprofita/sejtparazita
 endospóra (van/nincs)
A baktériumok filogenetikai rendszere a
riboszómális kis aegység RNS-ét kódoló gén
szekvenciája alapján (Woese)
Bacteria: Proteobacteria:
Alpha Proteobacteria
- A mitokondriumok ősei (endoszimbiózis)
Agrobacterium
kromoszómális
DNS
Ti
plazmid
T-DNS
kromoszóma
T-DNS
tumor
Agrobacterium
tumefaciens
transzformált
növényi sejt
- A T-DNS belép a növényi sejtbe, integrálódik a növény DNS-ébe, növényi
hormonok túltermelése, tumorok
- Opinok (pl. nopalin, oktopin) termelése, tápanyag a baktériumnak
Bacteria: Proteobacteria:
Alpha Proteobacteria
borsó
Rhizobium
gyökérszőrök
gyökér
gümők
megtapadás
rhizobiumok
megnagyobbodott
gyökérsejtek
gümőt képeznek
infekciós
fonál
bakteroidok
baktériumok
bakteroiddá
alakulnak
infekciós fonál képződik,
melyen át a baktériumok
bejutnak a gyökérsejtekbe
Bacteria: Proteobacteria
Beta Proteobacteria
- Nitrosomonas: talajbaktérium, az ammóniumot
nitritté oxidálja
Gamma Proteobacteria
- Chromatium: fotoszintézis, energianyerés a
kénhidrogén oxidálása útján
- Legionella: légiós betegség
- Salmonella: ételmérgezések (endotoxin)
- Vibrio cholerae: kolera (exotoxin)
- Escherichia coli: bélmikrobióta tagja
Vibrio
Salmonella
Escherichia
coli
Nitrosomonas
Chromatium
Legionella
Bacteria: Proteobacteria
Chondromyces
crocatus
Bdellovibrio
Delta
Proteobacteria
- Myxobaktériumok:
kedvezőtlen
körülmények között
termőtestet
képeznek spórákkal
- Bdellovibrio:
ragadozó
baktériumok
gazdasejt (zsákmány)
sejtfal
plazmamembrán
Bacteria: Proteobacteria
Helicobacter
pylori
mukózus
réteg
Epsilon Proteobacteria
epitélium
- Campylobacter: bélgyulladás
alapmembrán
kötőszövet
- Helicobacter pylori: gyomorfekély
nyáktermelő sejt
vörösvértest hajszálér
gyomorsav
elpusztítja az
epitéliumot
Campylobacter
Helicobacter
pylori
neutrofil
plazmasejt limfocita kitágult
hajszálér
gyulladásra adott celluláris válasz
fekély
Bacteria: Chlamidiák
Intracelluláris paraziták
C. trachomatis
- szemgyulladás
(trachoma)
- a vakság egyik
leggyakoribb okozója
- az ókor óta ismert
kontakt úton terjed
- Észak-Afrika
Chlamydia
Bacteria: Spirochaeták
- Treponema pallidum: szifilisz (vérbaj), nemi
betegség
- Borrelia burgdorferi: Lyme-kór (kullancs
terjeszti)
Treponema
pallidum
Borrelia
burgdorferi
Lyme-kór
szifilisz
Bacteria: Gram-pozitív
baktériumok
- Streptomyces: talajlakó, antibiotikumok
forrása
Streptomyces
- Bacillus anthracis: lépfene (bioterrorizmus)
- Clostridium botulinum: botulizmus (exotoxin)
- Staphylococcus
- Streptococcus: skarlát
- Mycoplasma: nincs sejtfal
Bacillus anthracis
Staphylococcus
Streptococcus
Clostridium botulinum
Bacteria: Cyanobacteria
- fotoautotrófok
- a kloroplasztisz feltételezett ősei
(endoszimbiózis)
Oscillatoria
fajok
- Oscillatoria
- Anabaena (nitrogénkötés)
Anabaena
Archaea
Extrém termofilek
 Extrém halofilek
 Metanogének

Archaea
Extrém termofilek



az élet kialakulása idején létezett
körülményekhez hasonló, extrém
viszonyokhoz alkalmazkodtak
optimális hőmérséklet 800C felett
nagy hőstabilitású enzimeiket
gyakorlati célokra alkalmazzák
 mosodai detergensek (hőstabil
lipázok, proteázok)
 DNS-polimerázok molekuláris
technikákhoz (pl. PCR)
Pyrolobus fumarii
(élőhely: mélytengeri
hidrotermális
hasadék, növekedési
optimum: 105 ºC)
Extrém termofil Archaeák élőhelyei
Neutrális pH-jú hőforrás
(Yellowstone Nemzeti Park)
Kénben gazdag hőforrás – Sulfolobus
acidocaldarius
Szolfatára (kénes gázfeltörés), Yellowstone
Nemzeti Park, hidrogén-szulfidban gazdag
gáz, magas hőmérséklet, savas környezet
Archaea
Extrém termofilek
 Extrém halofilek
 Metanogének

Archaea
Extrém halofilek



Magas sótartalmú
környezet
előfordulás: Nagy Sóstó, Holt-tenger,
természetes sólepárlók
élénk színűek (bíbor
pigment:
bakteriorodopszin)
Halobacterium
Haloferax
Haloarcula
Extrém halofil Archeák élőhelyei
Nagy Sóstó, Utah. A tengervíznél
10X nagyobb sótartalom.
Pigmentált haloalkalofil baktériumok
virágzása (Hamara-tó, Wadi El
Natroun, Egyiptom, pH 10), Na2CO3
lerakódások
Archaea

Extrém halofilek

Metanogének

Hipertermofilek
Archaea
Metanogének
- CO2-dal oxidálják a H2-t , mely
metánfelszabadulással jár:
4 H2 + CO2  CH4 + 2 H2O
- obligát anaerobok, az oxigén
megmérgezi őket
Methanococcus
jannischiiwas (élőhely:
óceán mélye (2600 m)
50-86ºC-os
hőmérséklettartomány
Methanopyus kandlerii (élőhely:
mélytengeri hidrotermális hasadék,
növekedési optimum: 100ºC)
Methanobacterium
Methanosarcina