Transcript Bakteriologia 1 - Mindenkilapja.hu

Bakteriológia
Bakteriológia
• Valódi sejtmagjuk nincs
• A baktériumok egysejtű, általában hasadással
szaporodó, mikroszkóppal tanulmányozható,
önálló anyagcserével rendelkező, természetes
és mesterséges táptalajon is tenyészthető,
ellenálló, nagy tűrőképességű, általánosan
elterjedt, nagy számban előforduló
szervezetek
• Baktériumok, cianobaktériumok,
mikoplazmák, rikettsiák
• Bacteria és Archaea domén
A prokarióta sejt általános
jellemzése
• A prokarióta mikroorganizmusok a
legegyszerűbb sejtes szerveződésű élőlények.
Sejtjeik szerveződésére az jellemző, hogy nem
rendelkeznek valódi, magmembránnal
körülhatárolt sejtmaggal, szemben az összes
többi sejtes szerveződésű élőlénnyel
(eukarióták), melyeknek sejtmagját a
citoplazmától magmembrán határolja el.
Egyszerűbbek továbbá azért is, mert sejtjeikből
hiányoznak az eukariótákra jellemző, különböző
funkciók ellátására differenciálódott sejtalkotók
(mitokondrium, kloroplaszt, endoplazmatikus
retikulum, Golgi-hálózat, lizoszómák stb.).
Az Eukarioták és a Prokarioták közötti különbségek
Prokariota sejt
Eukariota sejt
10m
Valódi méret
A baktériumsejtek mérete, és
fénymikroszkópos morfológiája
• A baktériumok mérete általában a,um-es
mérettartományba esik.
• Általában egysejtűek, bár a sejtek gyakran
összetapadnak,
s
különböző
alakú
csoportosulásokat hoznak létre. Ekkor is igaz
azonban az, hogy minden egyes sejt
rendelkezik az alapvető életfunkciókkal, mint a
szaporodás
és
önálló
metabolizmus
képessége.
Baktériumok morfológiája
• Alakjuk rendkívül változatos
• Alapvetően azonban a következő alakokat
lehet elkülöníteni:
• Gömb alak – kokkusz
• Pálcika alak – bacilus
• Csavar v. spirális alakú
• Fonalas-hüvelyes
• Elágazó fonál alakúak
• Pleomorf v. involúciós alakok
Alakjuk
• Alakjukat a sejtfal határozza meg. Alak szerint
két fő csoportba oszthatók. A gömbölyded
sejteket kokkuszoknak (coccus), míg a
hosszúkás hengerszerű sejteket pálca
alakúaknak (bacillus) nevezzük.
• Ha a pálca rövid, kokkobacillusnak, ha pedig
görbült vibrionak nevezzük. A hosszabb
merev, dugóhúzószerű formát spirillumnak, a
hasonló formájú, de hajlékonyabb, inkább
rugóra emlékeztető formákat spirochaetanak
hívjuk.
Baktériumok morfológiája
Baktériumok morfológiája
Vannak pleomorf baktériumok is,melyeknek változatos a megjelenése
(pl.., Corynebacterium).
• Egyes fajok alakja az élőhelytől, illetve a
tenyésztési körülményektől függően változik.
Ezt hívjuk pleomorfizmusnak. így a
Corynebacterium diphteriae a pálca alak
mellett bunkós pálca, vibrio, kokkusz és
fonalas formát is felvehet. Hasonló extremitás
jellemző a sejtfal nélküli Mycoplasma-sejtek
alakjára is.
A baktériumok elrendeződése
sztreptokokkusz
szarcina
sztafilokokkusz
A baktériumok alaki változatai
A táptalajon kinőtt telepek
megjelenése
A táptalajon kinőtt telepek
megjelenése
A prokarióták méretének összehasonlítása:
•A sejtek többségének ~0.5 -2 μM az átmérője
* SAR11: even smaller!
(Madigan et al., Fig.4.13)
Felület-térfogat aránya fontos:
• A méret
növekedésével,
növekedik az S/V
arány
• A méret
meghatározza a
sejtmembránon
keresztüli
anyagfelvétel és
leadás
hatékonyságát
(Madigan et al., Fig.4.14)
• Kisebb méret →
hatékonyabb
anyagcsere
Az alak és méret változatossága a baktériumoknál:
Mycoplasma genitalium 0.4 µm
Haemophilus influenza 1.0 µm
Staphylococcus aureus 0.9 µm
Escherichia coli 1.5µm
Bacillus megaterium 4 µm
Vörösvértest 8 µm
Baktériumokkal
körülvett
emberi sejt
10M
Thiomargarita namibiensis
„Namibia kén gyöngyei"
Schulz et al. 1999. Science 284: 493 - 495
(A) A fehér nyíl a Thiomargarita
sejtjére mutat, 0,5 mm az átmérője,
a felhalmozott kén-szemcsék miatt
fehéren ragyog.
(B) A Thiomargarita-ák láncokká
rendeződnek
(C) Két üres héj, középen pedig
egy osztódó Thiomargarita látható.
(D) Konfokális lézer szkenning
mikroszkópos felvétel: a
citoplazma zölden világít a kén
gömbök fehéren. A nagy központi
vakuolum miatt a sejt nagy része
üresnek látszik.
(E) Transzmissziós
elektronmikroszkópos felvétel a
sejtfalról [kinagyított rész (D)]
látható a citoplazma vékony rétege
(C), a vakuolum (V), és a héj (S)
Epulopiscium fishelsoni
• A trópusi
doktorhalak
gyomrában él
• A
Clostridiumok rokona
• Nem
tenyészthető
(Madigan et al., Fig.4.12)
Papucsállatka
Paramecium
(protozoa)
A baktérium sejt belső felépítése
• Vitális alkotórészek:
– Sejtfal
– citoplazmahártya (CM)
– Citoplazma
– Magállomány
• Avitális (járulékos) alkotórészek:
– tok, ostor, csilló, spórák, fimbriák, vakuólák
– Ezek rendszerint nem fordulnak elő minden
baktérium sejtben
Egy átlagos prokarióta
Egy átlagos prokarióta
A baktérium sejt felépítésének vázlata
Sejt membrán
Plazmid
Flagellum
Tok
Maganyag
Pilusok
Sejt fal
A sejtfal
•
•
•
•
•
•
•
Szilárd támasz nyújt, megszabja a sejt alakját
Véd a káros hatásoktól
Befolyásolja a táplálék felvételét
A szaporodásban is fontos szerepe van
Véd az ozmotikus lízistől
Az O antigéneket tartalmazza
Endotoxinokat is tartalmazhat
Baktérium sejtfal típusok:
(Madigan et al., Fig.4.28)
•a
peptidogükán csak a Bacteria doménban található
A sejtfal
• Christian GRAM összetett festési eljárás révén
két csoportot tudott a baktériumok között
elkülöníteni
• A jódpararozanilin festék alkohollal
kimosható – Gram negatív baktériumok
• A festékkomplex nem mosható le – Gram
pozitív baktériumok
Hans Christian Gram
Baktériumok festése mikroszkópos vizsgálatokhoz:
(Madigan et al., Fig. 4.3)
A Gram-festés
• Az eljárás során egymást követően kristályibolya, és
kálium jodidos jódoldattal történő festés, alkoholos
mosás, majd szafraninnal történő festés követi
egymást.
• A kristályibolya minden egyes sejtet egyformán fest.
• Az alkoholos mosás pedig a külső membrán lipidjeinek
kioldása után a vékony peptidoglükán rétegből
könnyebben kioldja a festéket.
• Mivel ezután a lépés után a G- sejtek színtelenek,
szafraninnal festjük meg őket, s így a festés után a G+
sejtek bíborvörösek, a G- sejtek pirosak lesznek.
Gram festés
menete
gram negatív
(Madigan et al., Fig.4.4)
gram pozitív
A Gram pozitív sejtfal
• A sejtfal a plazmamembránon kívüli 20-80
nm vastag, homogén peptidoglükán rétegből
áll
• Nagymennyiségű teikosavat is tartalmaz
• Kovalens kötéssel kapcsolódik a mureinhez v.
a plazmamembránhoz - lipoteikosav
gram pozitív sejtfal:
(Madigan et al., Fig. 4.32b)
Gram+ sejtfal
Gram negatív sejtfal
• A peptidoglükán réteg csak 1-3 nm, amelyet
egy 7-8 nm-es külső membrán vesz körül
• Teikosavak nincsenek jelen a Gram negatív
sejtfalban
• A külső membrán és a plazmamembrán
között van a periplazmatikus tér
gram negatív sejtfal:
(Madigan et al., Fig. 4.36)
Porin fehérjék: a membránon keresztül érő
csatornafehérjék
Gram-Negatív sejtfal
endotoxin
sejtfal
Gram-Negatív sejtfal
LPS: véd az antibiotikumok
ellen pl. penicillin +
a mérgek ellen is.
Periplazmatikus tér :a
tápanyagok elő
emésztése.
A peptidoglükán felépítése
• A peptidoglükán (murein) komplex
összetételű polimer
• A polimer vázat váltakozva Nacetilmuraminsav (NAM) és N-acetil
glükózamin (NAG) egységek+polipeptidek
alkotják
• A NAM-NAG a hosszanti szálakat adja, amiket
peptid hidak kötnek össze
peptidoglükán szerkezete:
Glükán váz
-G-M-G-M-G–M-
-G-M-G-M-G–M-G-M-G-M-G–Mpeptid
keresztkötések
(Madigan et al., Fig. 4.30)
(Madigan et al., Fig. 4.31)
•A peptidoglükán
óriásmolekula egy
részlete
• A peptid hidak szerkezete
a G+ és Gbaktériumokban
A sejtfal
• Gram pozitív sejtfal: peptidoglükán, teikosav,
lipoteikosav
• Gram negatív sejtfal: kívül liposzaharidlipoprotein (LPS-LP) réteg – 80-90%-a a
sejtfalnak, ez alatt vékony peptidoglükán
réteg, melyet periplazmatikus tér választ el a
CM-től
Teiko savak:
(Madigan et al., Fig. 4.32a)
• savas poliszaharidokat a gram
pozitív sejtfalban találhatunk
lipopoliszaharid (LPS):
(Madigan et al., Fig. 4.35)
• Csak a gram negatív baktériumokban
• a külső membrán (OM) része
• véd a környezet hatásaitól
• endotoxin természetű (a toxikus A lipid miatt); pl.
Salmonella
Lipopoliszaharid (LPS)
A szénhidrátnak negatív
töltése van védelmet nyújt
az antibiotikumok & néhány
méreg (pl., detergens)
ellen.
Lipid A =
Endotoxin
Plazmamembrán (CM)
• Ma a Singer&Nicholson féle folyadék mozaik
modell az elfogadott szerkezetének
magyarázatára
• 5-10 nm vastag, kettős foszfolipid réteg,
melybe fehérjemolekulák rakódnak be
• 30-40% lipid és 60-70% fehérje
• A lipidek bipolárisak
• A szilárdítást a hopanoidok biztosítják
A citoplazma membrán (CM) szerkezete:
Foszfolipid kettős réteg:
• a citoplazma membrán alapvető része
Baktériumok, eukarióták: észter kötés van a lipidek
között
Archaeák: éter kötés van
Észter kötés Bacteria
• “R” = zsírsavak (bacteria, eukarióták),
• ismétlődő izoprén egységek (archaea)
• R hidrofób rész
• PO4 hidrofil rész
Éter kötés Archaea
Plazmamembrán fehérjék
• Perifériális proteinek: laza kötődés, 20-30%
• Integráns proteinek: beépülnek a
membránba, oldalirányban mozoghatnak,
egy részük kinyúlik a sejtfelszínre 70-80%-ban
vannak jelen
A sejt és a külvilág közötti kapcsolatot a membrán
fehérjék biztosítják
A citoplazmamembrán szerepe
•
•
•
•
•
Határolja a citoplazmát
Szelektív, permeábilis határ
Aktív és szelektív transzportban is részt vesz
Sejtlégzés, fotoszintézis
Lipidek és a sejtfal szintézisében is szerepe
van
• Receptormolekulákat is tartalmaz
További vitális alkotórészek
• Mezoszómák: a plazmamembrán hólyag
alakú lefűződései, feladatuk a membrán
felületének a növelése
• Citoplazma:a nukleáris állománytól és a
volutin szemcséktől megszabadított
sejttartalom, struktur és szolúbilis
fehérjék+riboszómák találhatók itt
A citoplazma
DNS – cirkuláris kromoszóma (1-10 megabázis)
és plazmidok (1-100’ kilobázis)
Oldott fehérjék - létfentartás
Poliszómák – a transzkripció és a transzláció
helyei
További vitális alkotórészek
• Riboszómák (poliszómák):
– a fehérjeszintézis műhelyei, 60% rRNS+40%
fehérje
– A proteinszintézisben vesznek részt
– Akár 10000 is lehet belőlük
• Maganyag:
•Szabadon van, nincs membránnal határolva
•Nagy, cirkuláris DNS molekula
•Egyetlen kromoszóma
DNS elhelyezkedése
Szétcsavart DNS
Baktérium sejt
DNS giráz
A
AB
RNS MAG
Felcsavart DNS
suprcoiled
RNA CORE
Poliszóma – a transzkripció és a transzláció
összkapcsolódik
Járulékos alkotóelemek
• Tok: sejtfalon kívül, laza szerkezetű, a tokkal
rendelkezők táptalajon sima, fényes
telepeket (S-típus) képeznek; míg a tok
nélküliek durva, rögös felszínüek (R-típus)
• Anyaga lehet:
– Poliszacharid
– Poliglutaminsav
– Cukor+azok n-tartalmú származékai+uronsav
Tok poliszaharid, exopoliszaharid
(glikokalix)
A tok szerepe
•
•
•
•
•
Véd a kiszáradás ellen
Salakanyag kiválasztására is alkalmas
Tartalék tápanyag
Fertőzőbbek
Antifagocita hatású
Tok poliszaharidok
Leuconostoc mesenteroides
Streptococcus salivarius
Xanthomonas
Speciális prokarióta organellumok
•
•
•
•
gáz vakuolumok.
kloroszóma vagy chloróbium vesikulum
karboxiszóma,
magnetoszóma,
Tápanyagok felhalmozása a
citoplazmában
•
•
•
•
Zárványok vagy granulumok
nitrogént nem tartalmazó granulumok
nitrogén tartalmú tartalék tápanyagok
polifoszfát granulumok
kéntartalmú granulumok
Baktériumok endospóra képzése
• A spóra az öregedő tenyészetekben megjelenő,
nagy ellenállású képlet, amely mindig a sejten belül
képződik
• A környezet kedvezőtlenné válásakor jelenik meg
• A spóra alakja ovális v. gömb
• Elhelyezkedése: terminális, szubterminális, centrális
• Kedvező körülmények között a spóra kicsírázik
Az endospóra elhelyezkedése:
terminális
C. cadaveris
szubterminális
C. sporogenes
centrális
C. bifermentans
Baktériumok endospórái:
• Ellenállnak: hőnek,
sugárzásoknak, savaknak,
kiszáradásnak,
vegyszereknek
• Nincs v. nagyon kevés
mRNS
• beszáradt (a H2O tartalmuk
csak 10-30% az élő sejthez
képest)
• Bacillus (aerob) és
Clostridium (anaerob) a
legjobban ismert endospóra
képzők
Clostridium botulinum (étel mérgezések, ma már főleg kozmetikai ipar:
Botox)
vörös = vegetatív sejt; zöld = endospora
B. thuringiensis elektronmikroszkópos képe:
dipikolin sav
• az
endospórákra jellemző
Endospora képzés (sporuláció):
• Kedvezőtlen környezet indítja be (éhezés, pl.,
C v. N hiány)
• a folyamat ~8 órát vesz igénybe
• A vegetatív állapotba történő visszatérés a
germináció
•Percek alatt lezajlik
Sporuláció:
Spóra kiszabadulás
Vegetatív
sejt
A DNS
besűrüsödik
Érés; az
ellenállóképesség
növekszik
Ca2+ beépülés,
dipikolin sav
termelés, kialakul
a burok réteg
beburkolás
előspóra
A kortex peptidoglükán
Az exosporium vékony fehérje réteg
A prokarióták felszínének
szerkezete
• A prokarióták felszínéhez kapcsolódva, abból
mintegy kinyúlva található szerkezeteket két
csoportba sorolhatjuk. A flagellumok (ostorok
és csillók) az aktív mozgást, a pilusok és
fimbriák pedig a sejtek tapadását szolgálják.
Ostor (Flagellum)
• A mozgást és a megtapadást segítik
• Vékony, hosszú képződmény
• Felépítése speciális: helikális szerkezetű,
melyet hüvely is boríthat
• Az alapi teste a CM-be van beágyazva
• Flagellinből-ostorfehérjéből áll, ez a Hantigén
Az ostor:
Flagellin
rost
kampó
Motor=
Alapi test
• A proton motoros
erő ad energiát az
ostornak
• ~1000 H+
áthaladása kell 1
fordulathoz
Gram + és G- baktériumok ostorának
beépülése
Gram Negatív
Gram Pozitív
Az ostor bioszintézisének lépései:
• hosszú
flagellin molekulákból áll, amik a
citoplazmában készülnek
Ostor (Flagellum)
• Az ostor száma és elhelyezkedése alapján
lehet:
– atrich,
– monotrich,
– lofotrich,
– amfitrich,
– lomfoamfitrich
– és peritrich
A baktériumok mozgásformái
• Egyenletes, egyenesvonalú mozgás esetén az ostor az
óramutató járásával ellentétesen forog, a
baktériumsejtek pedig az óramutató járásával
megegyezően forogva haladnak előre. Az ostor
óramutató járásával megegyező irányú forgása a
baktériumsejtnek bukdácsoló mozgást kölcsönöz.
• A Spirochaeták mozgásukat un, endoflagellum
segítségével végzik, amely lényegében a külső
ostorhoz hasonló szerveződésü képlet, mely a spirális
baktérium membránján, a periplazmatikus térben
körbefutva, a sejttest két végén rögzül. Forgásával a
sejtet sajátos rotáló mozgásra készteti.
Fimbriák (pilusok)
• Gram negatív pálcika alakú baktériumok
felszínén vannak
• Több száz 1-10 µm hosszú és 0,1 µm vastag
• Szerepük:
– Anyagcserében
– Gyógyszer rezisztencia faktorának
– R faktor – átvitelében van
Fimbriák (pilusok)
Fimbriák (pilusok)
Vakuólák
• A sejt ozmoregulációjában vesznek részt
• Vizet, ként, lipoidot tartalmaznak
• A volutin szemcsék organikus polifoszfátot,
RNS-t, fehérjét és lipoidot tartalmaznak
Pigmentek
• Kromogének = termelnek színanyagot
• Akromogének = nem termelnek színanyagot
• Intracelluláris pigment: a sejtben marad, a
táptalajt nem festi meg pl. Staphylococcus
fehér, sárga, aranysárga
• Extracelluláris pigmentek: kijutnak a
környezetbe pl. Pseudomonas aerruginosa a
táptalajt zöldeskékre festi
A baktériumok szaporodása
• A szaporodás a mikrobák sejtszám
növekedését jelent
• Haránt irányú kettéosztódással-hasadással
szaporodnak v. sarjadzással
• a szaporodást és növekedést a külső
környezeti tényezők jelentősen
befolyásolják
• Optimális esetben 1 baktériumból 24 óra
alatt 500 t sejttömeg keletkezne
A baktériumok szaporodása
Az E. coli egyedszáma 20 percenként duplázódik
A prokarióták szaporodása: ketté osztódás
kromoszóma
sejtfal
plazma
membrán
citoplazma
A baktériumok szaporodásának
szakaszai
• Öt szakaszt tudunk elkülöníteni:
– 1. nyugalmi szakasz – lag-fázis
– 2. gyorsuló növekedési szakasz
– 3. exponenciális v. logaritmikus szakasz – logfázis
– 4. stacioner v. egyensúlyi szakasz
– 5. pusztuló v. regresszív szakasz
A mikrobák szaporodási görbéje
Kevés sejt
Élő sejtek
Halott sejtek
Generációs idő
• A logaritmikus szakaszban azt az időt, amely
alatt a baktérium populáció megkettőződik
generációs időnek nevezzük:
• lg N1 – lg N0 =osztódások száma
lg2
• N0 = a számolás kezdetén
• N1 = a később talált baktériumok száma
• Az így kapott számot az idővel t elosztva kapjuk a
generációs időt