MIKROBIOLOGIA - POZNAJEMY BAKTERIE / BUDOWA

Nazwa " mikrobiologia" pochodzi od słów greckich mikros- mały, bios – życie, logos – nauka.

Jest to dział biologii zajmujący się istotami dostrzegalnymi jedynie okiem uzbrojonym. Obecnie mikrobiologia zajmuje się drobnoustrojami należącymi do świata:

• roślinnego , tj. pierwotniaki roślinne, drożdże, pleśnie ( mykologia, mykos- grzyb)
• zwierzęcego , tj. pierwotniaki zwierzęce (patozoologia- działa zoologii, protos- pierwszy, zoon- zwierzęcy)
• drobnoustrojami stojącymi na pograniczu świata roślin i zwierząt-zajmuje się tym dział mikrobiologii zwany bakteriologią (bakterion- pałeczka)

Najmniejszymi z dotychczas poznanymi bezkomórkowymi istotami żywymi WIRUSAMI zajmuje się wirusologia (virus- jad) będąca pomostem pomiędzy światem ożywionym a nieożywionym.

Natomiast RIKETSJAMI, które są na pograniczu bakterii i wirusów zajmuje się riketsjologia.  

V królestw (1959r) R. Whittakera

1. Monera (wiciowce)
2. Protista (pierwotniaki)
3. Fungi (grzyby)
4. Plantae ( rośliny)
5. Animalia ( zwierzęta)

wprowadził trzy wyższej rangi jednostki systematyczne -„domeny” lub „ superkrólestwa

1. Bacteria
2. Archea
3. Eukarya

Ze względów praktycznych mikrobiologia została podzielona na:

• mikrobiologię lekarską- zajmującą się drobnoustrojami chorobotwórczymi dla człowieka oraz stanowiącymi naturalną florę organizmu ludzkiego, które są niewielkim odsetkiem mikroorganizmów występujących w przyrodzie. W ramach mikrobiologii lekarskiej wydzielona jest dodatkowo mikrobiologia praktyczna.
• mikrobiologia weterynaryjna- zajmuje się drobnoustrojami występującymi wśród zwięrząt w tym i chorobotwórczymi
• mikrobiologia rolnicza- mikroflora gleby, wody, nawozów, pasz, żywności, szkodliwością i pożyteczną stroną pochodzenia roślinnego i zwierzęcego
• mikrobiologia przemysłowa- drobnoustroje wykorzystywane w przemyśle fermentacyjnym, mleczarskim, piekarniczym, spirytusowym, piwowarskim, winiarskim, farmaceutycznym, spożywczym

Antonii van Leeuwenhoek w 1686 r. jako pierwszy zobaczył , narysował i opisał „małe pałeczki” (stąd nazwa bacterion). Wykorzystał do tego własnej konstrukcji mikroskop (to był fenomen na tamte czasy, powiększał aż o 300 razy)

Po opisaniu przez niego bakterii , kolejny lekarz, Anglik Edward Jenrier (1749-1823) opracował metodę zapobiegania ospie prawdziwej. Był to okres przed odkryciem i opisaniem drobnoustrojów wywołujących choroby zakaźne u dojarek, które wcześniej przechorowały zakażenie po kontakcie z chorymi krowami. Naukowiec czynnie zakażał inne osoby wydzieliną ze zmian występujących u krów, uzyskując odporność ludzi na zakażenia ospą ludzką (1798)

Ten schemat postępowania profilaktycznego w odniesieniu do chorób zakaźnych do dzisiaj jest podobny.

Do celów bakteriologicznych mikroskop został wykorzystany dopiero przez francuskiego chemika Ludwika Pasteura (1822-1893), który uważany jest za twórcę współczesnej mikrobiologii. Jego odkrycia miały fundamentalne znaczenie dla rozwoju mikrobiologii , ponieważ

• obalił teorię samorództwa w wyniku stosowania metody wyjaławiania (sterylizacji) pożywek
• wyosobnił w 1877r. Po raz pierwszy czyste hodowle drobnoustrojów
• wprowadził szczepionkę przeciwko cholerze kur, wąglikowi (1881) oraz przeciw wściekliźnie (1885) wskazując drogę zapobiegania chorobom zakaźnym.

Pasteur wprowadził do prac badawczych i użytkowych hodowle bakterii na sztucznych podłożach, co pozwalało je izolować i hodować. Swoimi pracami umożliwił poznanie etiologii bakteryjnych i wirusowych chorób zakaźnych , ale przede wszystkim wskazał metody zapobiegania i zwalczania tych chorób, co zapoczątkowało rozwój IMMUNOLOGII.

Prace Pasteura wykorzystał angielski chirurg Józef Lister (1827- 1912), który w 1867 r. wprowadził metodę odkażania przed operacją chirurgiczną ludzkiego ciała, używając fenolu jako antyseptyka.

Drugim zasłużonym dla mikrobiologii uczonym obok Pasteura , współcześnie mu żyjącym był niemiecki lekarz ROBERT KOCH (1843-1919)- twórca nowoczesnej techniki mikrobiologicznej. Wprowadził on do hodowli bakterii podłoża stałe jak agar, żelatynę, surowicę ściętą, ziemniaki. Jednak Robert Koch zasłyną jako odkrywca PRĄDKA GRUŹLICY (1883) i wykorzystania tuberkuliny w diagnostyce gruźliczej. Ponadto odkrył przecinkowca cholery azjatyckiej w 1867r.

Ludwik Pasteur i Robert Koch wskazali swoimi badaniami kierunki walki z chorobami zakaźnymi.

Erę badań w mikrobiologii opartą na badaniach w mikroskopie elektronowym otworzył w 1938r.      F Ruska, co pozwoliło poznać dokładniej strukturę bakterii.

Kamieniem węgielnym w rozwoju mikrobiologii było odkrycie w 1929r przez Fleminga PENICYLINY uzyskanej z hodowli pleśni co uruchomiło badania poszukujące antybakteryjnych substancji wytwarzanych przez pleśnie i grzyby.

Inną grupę czynników antybakteryjnych odkrył w 1934r. - Domagk – chemioterapeutyk z grupy sulfonamidów.

BAKTERIE

Bakterie to najmniejsze organizmy żywe. Jako prokariota różnią się od eukariotów tym , że mają inną strukturę aparatu genetycznego. Nie mają prawdziwego otoczonego błoną jądra komórkowego, lecz znacznie prostsza strukturę, ulokowaną w centralnej części komórki , nieosłoniętą błoną, kolistą cząsteczkę DNA, zwaną NUKlEOIDEM.

Organizmy o takiej prostej strukturze aparatu genetycznego , czyli nie posiadające prawdziwego jądra komórkowego nazywamy właśnie PROKARIOTAMI.

Struktura komórki prokariotycznej jest prosta.

Komórka bakteryjna zawiera 80% wody i 20% masy suchej.

Masę suchą stanowią: białka 50%, tłuszcze 10%, RNA 10-20%, DNA 3-4 %.

Głównymi pierwiastkami bakterii są: węgiel 50%, tlen 20%, azot 10-15%, wodór 10%, fosfor 2-6%

Wielkość komórki bakteryjnej określa się w mikrometrach.

1 mikrometr = 1 milionowa metra

1 um= 0,001 mm

Długość komórki od 0,5 do 10 um, szerokość 0,4-1 um

Najmniejsze bakterie mają rozmiary rzędu 0,2 um (Chlamydia)

Chlamydie- to bakterie wewnątrzkomórkowe , nie wytwarzają własnego ATP, lecz wymieniają swoje ADP na ATP gospodarza, w którym mieszkają (powikłania ciąży, stan zapalny narządów rodnych, niepłodność, ziarnica weneryczna)

Chlamydia trachomadis przenoszą się droga płciową, w czasie porodu lub przez bezpośredni kontakt z chorym.

Największe bakterie osiągają rozmiar 100 , a nawet 600 um.

Wyróżniamy 3 zasadnicze kształty bakterii:

• kuliste
• cylindryczne
• spiralne

Kształt komórek bakteryjnych jest typowy dla gatunku lub rodzaju, lecz istnieją gatunki bakterii PLEOMORFICZNYCH, których kształty komórki są zmienne przybierając różne kształty.

Bakterie kuliste (ziarniaki)

Mogą mieć kształt kuli, owalu lub nerkowaty (np. rodzaj Neisseria)

• paciorkowce ( Streptococcus)
• gronkowce ( Staphylococcus)
• dwoinki ( Diplococcus)
• pakietowce ( Sarcina)

Niektóre komórki nie oddzielają się od siebie po podziale i pozostają połączone w różne układy:

• podwójnych ziarniaków (dwoinka)
• łańcuszków ( paciorkowiec)
• nieregularnych skupień ( gronkowiec)
• regularnych skupień typu czworaczków lub sześcianów ( pakietowiec)

Bakterie cylindryczne

występują w formie :

• pałeczek – są to bakterie cylindrów nie wytwarzające przetrwalników
• laseczek- bakterie cylindryczne wytwarzające przetrwalniki

Pałeczka – Escherichia coli, pałeczka okrężnicy

Laseczka – Bacillus anthracis, laseczka wąglika

Grupa laseczek może wykazywać odchylenia kształtu idealnego cylindra w wyniku tworzenia się wewnątrzkomórkowych przetrwalników o średnicy większej od średnicy walca. W ten sposób otrzymujemy komórki o kształcie maczugi ( Corynebacterium dipheriae- maczugowiec błonnicy).

W tej grupie bakterie mogą być krótkie, prawie kuliste lub długie nitkowate. Zakończenie bakterii może być ostro ścięte, zaokrąglone lub maczugowate.

Bakterie spiralne

W zależności od wymiaru podłużnego komórki wyróżniamy:

• przecinkowce (Vibrio)- komórki krótkie stanowiące wycinek spirali, kształt przecinka
• śrubowce ( Spirillum)- komórki o średniej wielkości, o kilku skrętach
• krętki ( Spirocheta) – komórki bardzo długie , w postaci sprężyny o regularnych skrętach

U bakterii cylindrycznych i spiralnych na zróżnicowanie kształtów komórek ma też wpływ proporcja szerokości do długości

• cylindryczne – prawie kuliste lub długie nitki
• spiralne- przecinkowce ( Vibrio choleae- cholera), krętki ( Treponema pallidum- krętek biały powodujący kiłę), śrubowce ( Rhodospirullum rubrum)

Bakterie dzięki temu, że są tak małe mają bardzo szybkie tempo przemiany materii, więc mogą szybko również rozmnażać się ( rozrastać).

Budowa

Budowa bakterii – 1. Pile, 2. Plazmid, 3. Rybosomy, 4. Cytoplazma, 5. Błona zewnętrzna, 6. Ściana komórkowa, 7. Otoczka, 8. Nukleoid, 9. Wić

Istnieją takie elementy strukturalne komórki bakteryjnej, które występują u wszystkich bakterii, mają identyczną budowę. Z kolei budowa innych elementów komórki znacznie różni się dla poszczególnych grup bakterii. Zwykle to zróżnicowanie ma odzwierciedlenie w modelach działania bakterii.

Uniwersalnym składnikiem dla każdej komórki bakteryjnej jest CYTOPLAZMA otoczona BŁONĄ cytoplazmatyczną. Cytoplazma nie może istnieć bez błony więc można spotkać się z terminem CYTOPLAST lub PROTOPLAST oznaczające określenie cytoplazmy i błony łącznie (jako całość).

Cytoplazma jest miejscem gdzie zachodzą wszystkie procesy metaboliczne komórki. Ma budowę koloidową, występują w niej białka, lipidy, polisacharydy, wakuole, substancje zapasowe, rybosomy, mezosomy.

Cytoplazma bakterii nie zawiera systemu błon wewnętrznych, czyli tzw. retikulum endoplazmatycznego typowego natomiast dla komórek eukariotycznych.

Na terenie cytoplazmy zawsze występują rybosomy oraz nukleoid, a u niektórych bakterii także inne pełniące specjalne funkcje struktury, np. endospory, granulki materiałów zapasowych, chromatofory (czyli ciałka zawierające barwniki), karboksysomy, tylakoidy (pęcherzyki wypełnione chlorofilem u roślinnych), wakuole (pęcherzyki) gazowe, a nawet inkluzje substancji owadobójczych.

Rybosom bakteryjny

Są to ziarnistości o średnicy ok. 20nm (nanometrów). Z reguły ich średnicę podajemy w jednostkach S (SVENDBERGA), określających tempo ich sedymentacji ( osiadania podczas ich wirowania w ultrawirówkach)

Są dość liczne, bo ok. 10 000 na komórkę. Rybosomy z białkiem tworzą podjednostki 30 S i 50 S.

Mogą tworzyć agregaty.

70 % masy rybosomu stanowi RNA, zwane rybosomowym, czyli rRNA. W podjednostce małej występuje jeden jego rodzaj 16 S rRNA, a w podjednostkach dużych dwa rodzaje 5 S rRNA i 23 S rRNA. Na pozostałą masę rybosomu składają się białka.

Nukleoid

Materiałem genetycznym bakterii jest kwas DNA, który jest powiązany z błoną komórkową bakterii. Twór ten nazywany jest CHROMOSOMEM bakteryjnym (nukleoidem). Jest on o budowie kolistej, zamkniętej, w postaci skręconego dwuniciowego łańcucha DNA. Komórka bakteryjna jest HAPLOIDEM, tzn, każdy gen występuje tylko w jednej kopii (jeden chromosom zawierający informacje o najważniejszych cechach dziedzicznych , przekazywanych komórkom potomnym).

Przez odpowiednią kolejność par zasad DNA zapisana jest cała podstawowa informacja genetyczna sterująca działaniem każdej bakterii.

GENOFOR- duża, kolista, nieupakowana cząsteczka DNA

PLAZMIDY- małe cząsteczki DNA

Najbardziej widoczna cecha to BRAK BŁONY JĄDROWEJ oddzielającej nukleoid od cytoplazmy. Tworzy on określoną strukturę . Cała informacja zawarta jest w jednej długiej cząsteczce chromosomu. Cała długość długość chromosomu często przewyższa długość komórki. Zmieszczenie go w komórce udaje się dzięki specjalnym białkom , wokół których owinięty jest DNA i dzięki RNA. Z nukleoidem związane są też liczne białka enzymatyczne uczestniczące w replikacji i naprawie DNA, a także białka biorące udział w transkrypcji.

Plazmidy

Są elementami genetycznymi, zbudowanymi z kolistych cząsteczek DNA znajdującymi się w cytoplazmie i nie są związane z nukleoidem. Zawierają geny określające również właściwości biologiczne bakterii, np. warunkujące oporność na chemioterapeutyki, warunkujące zdolność do koniugacji (przekazywanie fragmentów DNA) bakterii.

Mogą być one wymieniane między komórkami. Nie wszystkie szczepy gatunków zawierają plazmidy.

Transpozony

„wędrujące geny”- są to fragmenty (sekwencje) DNA przemieszczające się z jednego miejsca w genomie na inne , tej samej komórki , w wyniku procesu TRANSPOZYCJI. Powoduje to często mutacje i może zmieniać ilość DNA w genomie. Są odpowiedzialne za oporność na chemioterapeutyki.

Błona komórkowa

Wszystkie elementy we wnętrzu komórki otoczone są błoną cytoplazmatyczną, która stanowi integralną część protoplastu. Osłona ta zbudowana jest z podwójnej warstwy lipidowej (fosfolipidy i triglicerydy), w którą wbudowane są białka.

Białka mogą być w warstwie lipidowej zanurzone tylko częściowo, bądź przenikać przez całą jej grubość. W błonach komórek bakteryjnych BRAK JEST CHOLESTEROLU.

Błona komórkowa nie tylko ochrania cytoplazmę. Odgrywa także ważną rolę w metabolizmie komórki. Kontroluje ona wnikanie substancji do wnętrza oraz ich usuwanie. W transporcie substancji do komórki uczestniczą białka błony o różnym stopniu swoistości wobec substancji , która transportują.

Błona w niektórych miejscach wpukla się do środka komórki, tworząc MEZOSOMY (odpowiedzialne za procesy metaboliczne)

Ściana komórkowa

Ochrania protoplast przed mechanicznymi i osmotycznymi uszkodzeniami. Otacza komórkę jako sztywny ale elastyczny worek.

Charakterystycznym składnikiem bakteryjnej ściany komórkowej jest MUREINA, będąca tzw. peptodoglikanem. Mureina pełni rolę mechanicznego szkieletu ściany komórkowej i jest przeplatana i innymi związkami chemicznymi.

Wśród bakterii wyróżniamy 2 typy strukturalnej organizacji ściany kom. , które są charakterystyczne i stanowią ważny element diagnostyczny.

+

U bakterii Gramm- dodatnich mureina jest ułożona w grubą warstwę wraz z kwasami tejchojowymi, wielocukrami, lipidami i niewielką ilością białek.

Bakterie Gramm- dodatnie < gronkowce, paciorkowce, laseczka tężca (Clostrinum tetani), laseczki zgorzeli gazowej ( clostridum perfringens), laseczka wąglika, maczugowiec błonnicy, prątek gruźlicy, prątek trądu.

-

U bakterii Gramm- ujemnych ściana komórkowa jest cienka, a mureina występuje w postaci jednej warstwy. W skład ściany wchodzą duże ilości lipoprotein, liposacharydów i innych lipidów, które są przyłączone do zewnętrznej powierzchni mureiny.

MUREINA NIE JEST SPOTYKANA W ŻADNEJ INNEJ GRUPIE ORGANIZMÓW ŻYWYCH POZA BAKTERIAMI !

Mureina jest jedynym celem działania antybiotyku (penicyliny), hamującej syntezę peptydoglikagonu.

Penicylina zabija tylko te bakterie ( i to tylko te „dorosłe” w trakcie podziału) bez uszkadzania innych komórek żywych, czyli likwiduje tylko te z mureiną (bakterie).

Bakterie Gramm- ujemne <pałeczki Samonelli, pałeczki Brucella, krętek blady, paleczka okrężnicy, pałeczki dżumy, przecinkowiec cholery, pałeczka Helicobacter pylorii, pałeczka krwawa

Jak rozpoznaje się bakterie?

Aby dowiedzieć się jaki jest typ ściany komórkowej bez skomplikowanych badań wystarczy przeprowadzić różnicujące barwienie preparatu bakterii na szkiełku mikroskopowym. Jeśli badane komórki (roztwór jodu w jodku potasu) będą fioletowe to zaliczymy je do bakterii Gramm +, a jeśli czerwone to Gramm -

Badanie w jodku nosi nazwę BARWIENIE GRAMMA , stąd też nazwa komórek bakteryjnych.

Bakterie Gramm – ujemne jako jedyne w ścianie komórkowej mają dodatkową ochronę – błonę zewnętrzną. Jest to dwuwarstwowa błona (fosfolipidy i lipopolisacharydy) LPS i jest to bariera , przez którą może przenikać tylko woda i niektóre gazy. Wszystkie inne cząsteczki dostają się do komórki przez specjalne kanały (pory) zbudowane z białek zwanych PORYNAMI.

Otoczka

Powierzchnia komórek bakteryjnych pokryta jest jeszcze warstwą wielocukrów lub substancji białkowych, zwaną OTOCZKĄ lub śluzem. Warstwa ta chroni bakterie przed wysychaniem, fagocytozą przez komórki układu odpornościowego, np. makrofagi walczące z bakteriami. Ułatwia to także bakteriom przyczepianie się, np. do nabłonka jelit czy pęcherzyków płucnych.

ADHEZJA- przytwierdzanie się bakterii do powierzchni.

Warstwa wierzchnia komórki bakteryjnej decyduje o jej zjadliwości.

Zjadliwość bakterii (wirulencja)- zdolność wnikania , namnożenia się i uszkodzenia tkanek zainfekowanego organizmu przez dany typ patogenu.

Fimbrie

Poza osłony komórki wystają często wyrostki, których są dwa rodzaje:

1. Fimbrie - uczestniczą w procesie adhezji do powierzchni oraz innych komórek. Służą do pobierania pokarmu. Mają postać nitkowatą, zbudowane z białka. Wystepują TYLKO U BAKTERII GRAMM – UJEMNYCH oraz wyjątkowo u Streptococcus, Corynebacterium. Białko fimbrii jest swoistym immunogenem.
2. Fimbrie płciowe (Pile) zwane PILUSEM PŁCIOWYM – (męskie F+ i komórki F-) warunkują przekazywanie plazmidowego genu do komórki bakteryjnej biorcy w procesie koniugacji.
   Fimbrie płciowe mają w swojej strukturze kanał, przez który jest przekazywane DNA
   - kanał plazmidowy
   - kanał transpozonowy
   - kanał bakteriofagowy

Rzęski

To drugi typ wyrostków na powierzchni. Stanowią ruch bakterii z szybkością 3,12 mm/ min.

Są to nitkowate twory zbudowane z białka (flagelina). Wyrastają z ciałka podstawowego wbudowanego w błonę cytoplazmatyczną, następnie przechodzą przez ścianę komórkową.

Liczba skrętów i skład aminokwasowy flageliny są swoiste dla rodzaju, gatunku i serotypu danej bakterii.

Serotyp- odmiana mikroorganizmu, którą można określić za pomocą reakcji serologicznych

Obecność rzęsek jest cechą gatunkową, zawierają antygeny wykorzystywane w klasyfikacji bakterii.

Na odstawie liczby i sposobu rozmieszczenia rzęsek, bakterie dzielimy na:

• bezrzęse, jednorzęse, dwurzęse, czuborzęse, okołorzęse

Rzęski odpowiedzialne są za zjawisko CHEMOTAKSJI , tj. poruszania się w kierunku substancji odżywczych i oddalania się od substancji szkodliwych.

                                                              Endospory

Są to PRZETRWALINKI bakterii Gramm – dodatnich.

Wytwarzane przez przez te bakterie wewnątrzkomórkowe formy przetrwalne o niezwykłej oporności w warunkach niekorzystnych. Odporne nawet na wysoką temperaturę. Dopiero w autoklawach można je zniszczyć powyżej 100 stopni Celsjusza.

Bacillus ( wąglik), Clostridium ( tężec) , Helicobacterium- są odporne na ekstremalne warunki fizyczne oraz na działanie substancji chemicznych. Mogą przeczekać na korzystne warunki nawet milion lat, nawet gdy znajdą się w próżni w kosmosie .

Endospora składa się z cytoplazmy wraz z DNA i rybosomów. Otoczona jest nieprzepuszczalną ścianą. Jeżeli trafi na dogodne warunki to rozwija się i powstają żywe komórki.

Zycie utajone endosporów to ANABIOZA. 

  Bakterie odgrywają ważną rolę w obiegu biogennych pierwiastków. Biorą udział w podtrzymywaniu wszystkich cykli biogeochemicznych oraz w procesach fermentacji i gnicia. Jako symbionty żyjące w organizmach zwierząt, w tym ludzi, odpowiadają m.in. za trawienie pokarmów, umożliwiając lub przynajmniej ułatwiając w ten sposób ich odżywianie. Są producentami różnych ważnych dla funkcjonowania ekosystemu substancji, np. niektórych witamin. Niektóre bakterie mogą zakłócać funkcjonowanie organizmów, powodując u nich choroby. W przemyśle i biotechnologii bakterie są niezwykle cenione, w tym przy biologicznym oczyszczaniu ścieków oraz przy wytwarzaniu produktów spożywczych, np. jogurtu i sera. Stosunkowo łatwo poddają się manipulacjom genetycznym, dzięki czemu mogą być wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym do produkcji peptydów i białek, które trudno uzyskać z innych źródeł. Modyfikowane genetycznie bakterie są producentami, między innymi insuliny (stosowanej jako lek w terapii cukrzycy).