Bakteriecelle: Ulike deler av en generalisert bakteriecelle (forklart med diagrammer) | Mikrobiologi

De forskjellige delene av en generalisert bakteriecelle har blitt vist i figur 2.3 og er blitt beskrevet som følger:

1. Flagella:

Bakteriell flagella er tynne filamentøse hårlignende spiralformede appendager som rager gjennom cellevegget og er ansvarlige for bakteriens motilitet. De fleste av de motile bakteriene har flagella.

Lengden er ca 10-15μ. Bakteriell flagella er helt forskjellig fra eukaryotisk flagella i struktur og virkemekanisme. De er mye tynnere enn flagella eller cilia av eukaryotiske celler. Ingen cellemembran er tilstede over bakteriell flagella i motsetning til eukaryotisk flagella.

Videre er bakteriell flagella, i motsetning til eukaryotisk flagella, noe stiv og ikke pisk frem og tilbake, snarere spinner de mye som propellen til en båt for bevegelse av cellen. Den bakterielle flagella har tre deler nemlig; (a) basallegeme, (b) krok og (c) filament (figur 2.4).

(en) Basal Body:

Den danner basedelen av flagellumet og er forankret i den cytoplasmatiske membranen og celleveggen. Den gir forankring til flagellaen, så vel som funksjoner som en motor, og gir dermed flagellumets rotasjonsbevegelse.

Den består av en liten sentral stang som passerer gjennom et system av ringer. I tilfelle av gram-positive bakterier, hvor cellemuren består av et peptidoglykan-lag alene, har basallegemet bare ett par ringer; M-ringen og S-ringen, begge innebygd i cellemembranen.

Omkring disse ringene er en gruppe proteiner kalt mot proteiner. Protonbevegelse over cellemembranen gjennom disse motproteiner gir den protonmotivekraft (energi) som kreves for rotasjonen av disse to ringene, som i siste instans virker som motoren for propelllignende rotasjon av flagellumet.

En annen gruppe proteiner, kalt flieproteiner, er tilstede sandwichet mellom disse to ringene. De fungerer som motorbryter, reverserer rotasjonen av flagellum som svar på intracellulære signaler.

I tilfelle av gramnegative bakterier, hvor cellevegget består av et ytre lipopolysakkarid-lag (LPS) i tillegg til det tynnere indre peptidoglykanlaget, har basallegemet et par par ringer; L-ringen innebygd i LPS-laget og P-ringen i det tynne peptidoglykanlaget.

(b) Hook:

En kort krok forbinder basalkroppen med filamentet av flagellumet. Det er litt tykkere enn filamentet. Motorkraften til basallegemet overføres til gløden gjennom kroken.

(c) filament:

Det er den lange hårlignende filamentøse delen av flagellumet, som kommer fra kroken. Det er flere ganger lengre enn bakteriecellen. Den er laget av en enkelt type protein, "flagellin" hvis molekylvekt er ca. 40.000. Flagellinmolekyler danner kjeder; tre slike kjeder inter-twine å danne flagellum. I motsetning til et hår som vokser ved basen, vokser filamentet av et flagellum på spissen.

Aminosyrer passerer langs den hule senter av filamentet og legger til sin distale ende. Denne prosessen kalles selvmontering, da all informasjon for den endelige strukturen av filamentet ligger i proteinunderenhetene selv. Filamentet er noe stivt og ikke pisk frem og tilbake, men det spinner i likhet med en båles propeller for bevegelsen av cellen.

Spiroketene mangler ekstern flagella. Imidlertid beveger de seg med hjelp av en flagellignende struktur lokalisert innenfor sine celler like under den ytre konvolutten. Disse kalles periplasmisk flagella, aksial flagella, aksiale fibriller eller endoflagella.

Flagella er arrangert på forskjellige måter i forskjellige bakterier. Ordningen av flagella på bakterieceller kalles flagellasjon. Flagellasjon er av følgende fire typer (figur 2.5).

(a) Monotrikøs flagellasjon (Mono: singel; trichous: hår): En enkelt flagellum er tilstede i den ene enden av cellen.

(b) Lophotrichous flagellasjon (Lopho: tuft; trichous: hår): En tuft eller klynge av flagella er tilstede i den ene enden av cellen.

(c) Amphitrichous flagellasjon (Amphi: begge, trichous: hår): Flagella er tilstede i begge ender av cellen, enten enkeltvis eller i tuft.

(d) Peritrichous flagellasjon (Peri: rundt; trichous: hår): Flagella er tilstede i hele overflaten av cellen.

2. Fimbriae:

Fimbriae er tynne filamentøse hårlignende appendager, som er strukturelt lik flagella, men er ikke involvert i bakteriens motilitet (figur 2.3). I motsetning til flagella er de betydelig kortere og flere tallrike, men som flagella, er de laget av proteinmolekyler.

Fimbriae er tilstede i få arter av bakterier, som hjelper dem å feste seg til cellene til andre organismer og hindre dem fra å bli vasket bort av strømmen av slim eller kroppsvæske. Dermed hjelper det spesielt de patogene bakteriene til å etablere infeksjon i verten. De hjelper også til å danne pellicles eller biofilms på overflater.

3. Pili:

Pili er tynne filamentøse hårlignende appendager, som er strukturelt lik flagella, men er ikke involvert i bakteriens motilitet (figur 2.6). De er også strukturelt lik fimbriae, men er generelt lengre og bare en eller noen få pili er tilstede på overflaten av en bakteriecelle.

Den er laget av en enkelt type protein, "pilin", hvis molekylvekt er ca 17.000. Pilinmolekyler er anordnet spiralformet for å danne en enkelt stiv filament med en sentral hulkjerne. I noen bakterier overføres genetisk materiale gjennom den hule kjerne av pili under konjugering (parring med en annen bakterie).

Slike pili kalles fruktbarhet pili (F pili) eller sex pili. I noen patogene bakterier virker pili ligner fimbriae i vedlegg til vertscellene og etablering av infeksjon. Den agglutinerende virkningen av pili resulterer i dannelse av filmer av bakterier som er synlige på overflaten av kjøttkultursamlinger.

4. S-lag:

S-lag (overflatelag) er et lag som er funnet på overflaten av de fleste patogene bakteriene, som består av et todimensjonalt utvalg av proteiner med krystallinsk utseende i forskjellige symmetrier, som sekskantet, tetragonalt eller trimert (figur 2.7) .

Den krystallinske symmetrien avhenger av sammensetningen av proteinene i S-laget. Det er knyttet til celleveggstrukturen (med peptidoglykanlaget i gram-positive bakterier og med LPS-laget i gram-negative bakterier).

Den fungerer som en ekstern permeabilitetsbarriere, som tillater passering av stoffer med lav molekylvekt og unntatt stoffer med høy molekylvekt. Det gir også beskyttelse mot de patogene bakteriene, mot vertsforsvarsmekanismen.

5. Kapsel (slimlag eller glykoksyx):

Mange bakterier har et viskøst, slimete eller gummiaktig materiale utenfor cellen, som omgir celleveggen (figur 2.8). Den er laget av makromolekyler, som ikke er kovalent festet til bakteriene.

Disse overflatemakromolekylene er hovedsakelig ladede polysakkarider (glykoproteiner eller glykolipider) og kalles derfor glycocalyx (glyko: karbohydrater, kalyx: en del av blomsten under kronbladene som strekker seg utover fra stammen). Glycocalyx er definert som det polysakkaridholdige materialet som ligger utenfor cellen som et løs nettverk av polymerfibre som strekker seg utover fra cellen.

De syntetiseres og utskilles av bakteriene, som binder til reseptorene på overflaten av vertsvevet. Glycocalyx er ikke bare funnet rundt noen bakterieceller; Det finnes også rundt noen plante- og dyreceller.

Glycocalyx kan være av tre typer som følger:

(a) kapsel:

Det er en polymerbelegg bestående av et tett, veldefinert viskøst lag som omslutter bakteriecellene i mange arter. Det viskøse laget kan visualiseres ved lysmikroskopi ved bruk av en spesiell fargingsteknikk.

Glycocalyx-polymerfibrene er organisert i en stram matrise som utelukker partikler som indisk blekk. Bakterier, som har kapsel, kalles kapsler, mens de som ikke har kapsel, kalles ikke-kapslede bakterier.

(b) mikrokapsel:

Det er et viskøst lag som omgir bakteriecellene, som er så tynt at det ikke kan visualiseres av lysmikroskopi.

(c) Slime:

Det er en diffus masse av polymerfibre som tilsynelatende ikke er festet til en enkelt celle. Det viskøse laget er så tykt at mange celler er innebygd i slimmatrisen. Laget deformeres lett og utelukker ikke partikler. Det er vanskelig å bli visualisert ved lysmikroskopi.

Funksjonene til kapsel og slime er gitt nedenfor:

1. Det forhindrer tørking av celler ved å binde vannmolekyler.

2. Det forhindrer vedlegg av bakteriofager (virusene, som angriper bakterier) på bakteriecellene.

3. Det gir virulens (den sykdomsproducerende evnen) ved å hemme deres anerkjennelse og påfølgende destruksjon av fagocytter (hvite blodlegemer eller WBC).

4. Det hjelper de patogene bakteriene for dets binding til reseptorer på overflaten av vertsvævet som skal infiseres.

5. Det gir sammenheng mellom forskjellige bakterieceller.

6. Kappe:

Kappe er lange hule rørformede strukturer, som omslutter kjeder av bakterieceller som danner 'trichomes' (figur 2.9). Skjede bakterier er vanlige i ferskvannshabitater som er rike på organisk materiale, for eksempel forurensede bekker, tricklingfiltre og aktiverte slamfordeler i renseanlegg. Skjedene kan lett visualiseres når noen av cellene, kalt "flagellated swarmer cellene" av trichomeet beveger seg ut av skjeden, etterlater den tomme kappen.

7. Pros-thecae:

Pros-thecae er cytoplasmatiske forlengelser fra bakterieceller, som danner vedlegg som hypha, stengel eller knopp. De er mindre i diameter enn de modne cellene, inneholder cytoplasma og er begrenset av cellevegg. Bakterier med pros-thecae kalles prosthecat bakterier.

I motsetning til celledeling i andre bakterier, som foregår gjennom binær fisjon, produserer to ekvivalente datterbakterieceller som i prosthetene innebærer dannelse av en ny dattercell med modercellen, som beholder sin identitet etter at celledeling er fullført.

'Hyphae' er cellulære appendager dannet ved direkte cellular forlengelse av modercellen som inneholder cellevegg, cellemembran, ribosom og sporadisk DNA. Den dannes ved forlengelse av en liten utvekst av bakteriecellen på et enkelt punkt.

Slike vekst på et enkelt punkt kalles "polar vekst" i motsetning til "interkalær vekst" som finner sted i alle andre bakterier, hvor bakterieres vekst foregår over hele overflaten. På slutten av hypha dannes en knopp som forstørrer og produserer flagellum.

DNA i modercellen replikerer, og en kopi av det sirkulære DNA flyttes ned i lengden av hyphaen i knoppen. Et krysseptum danner deretter separering av den stadig utviklende knoppen fra hyphaen og modercellen.

Nå knuses budet fra modercellen og svømmer bort som en dattercelle. Senere mister dattercellen sin flagellum og vokser gradvis for å bli en modercelle klar til dannelse av hyphae og knopp.

'Stalker' er cellulære appendager som brukes av visse akvatiske bakterier for vedlegg til fast substrat. På enden av stengelen er det en struktur som kalles holdfast, hvor stengelen er festet til underlaget. Foruten å gi vedlegg, øker også stengelen overflaten av bakteriecellen, noe som hjelper det med næringsopptak og fjerning av avfall.

I enkelte bakterier forblir stenglene av flere individer knyttet til "rosettes". Cell divisjon i stalked bakterier oppstår ved forlengelse av cellen i retningen motsatt retningen av stilken etterfulgt av fisjon. Et enkelt flagellum er dannet ved stangen motsatt stengelen.

Den flagellaterte dattercellen som dannes så kalles en "swarmer". Den adskiller seg fra den ikke-flagellaterte modercellen, svømmer rundt og festes til en ny overflate som danner en ny stilk i den flagellerte polen. Flagellumet er da tapt.

"Buds" er cellulære appendager, som utvikles direkte som datterceller fra modercellene uten den mellomliggende dannelsen av hyphae.

8. cellevegg:

Cellvegg er den stive strukturen som umiddelbart omgir cellemembranen til bakterieceller. Cellemembranen til bakterieceller er et fosfolipid-dobbeltlag som ligner på alle andre dyre- og planteceller (figur 2.11).

Mens dyrceller mangler cellevegg, har celler fra planter og bakterier cellevegg som omgir cellemembranen. Imidlertid, i motsetning til cellemuren til planteceller, som hovedsakelig består av cellulose, består celleveggen av bakterieceller hovedsakelig av peptidoglykanlag (figur 2.10).

Tidligere ble peptidoglykan også kalt murein eller mucopeptid. Peptidoglykan består hovedsakelig av aminosyrer og sukkerarter (peptid: kjede av aminosyrer, glykan: sukker). To sukkerarter, N-acetylglukosamin (NAGA) og N-acetylmuraminsyre (NAMA), bindes til hverandre skiftevis gjennom glykosidbindinger (β-1-4 kobling) for å danne lange parallelle sukkerkjeder.

Vedlagt til NAMA-molekylene er korte sidekjeder av fire eller fem aminosyrer bundet til hverandre gjennom peptidbindinger. Vanligvis er aminosyrene alanin, glutaminsyre og enten lysin eller diaminopimelsyre (DAP). Disse korte peptidene danner tverrbindinger mellom tilstøtende sukkerkjeder for å danne et nettverk eller et lag.

Selv om glykosidbindingene i sukkerkjederne er svært sterke, kan disse alene ikke gi stivhet i alle retninger. Høy stivhet er oppnådd, bare når disse kjedene er kryssbundet av peptidbindingene i tverrbindende korte peptider.

Sammensetningen av cellevegg er ikke den samme for alle bakteriene; heller finnes det bemerkelsesverdige forskjeller i sammensetningen, basert på hvilke bakterier som er gruppert som gitt nedenfor:

A. Basert på Gram-farging:

Basert på forskjellene i sammensetningen av cellevegg, skiller en spesiell fargingsteknikk som kalles 'gramfarging', oppkalt etter at Dr. Christian Gram som utviklet det, bakterier i to grupper som følger:

(1) Gram-positive bakterier:

Etter farging av bakterier med krystallviolett, hvis cellevegget motstår avfarvning ved vask med et avfargingsmiddel (etanol eller aceton), er det en gram-positiv bakterie. Eksempler: Bacillus, Staphylococcus.

(2) Gram-negative bakterier:

Etter å ha farget en bakterie med krystallviolett, hvis celleveggen lar seg avfarges ved vask med et avfargingsmiddel (etanol eller aceton), er det en gram-negativ bakterie. Eksempler: Escherichia, Salmonella, Vibrio.

Differensiering av bakterier til gram-positive og gram-negative grupper gir det viktigste ledetråd for å fortsette videre i riktig retning for identifisering av ukjente bakterier.

Gram-Positiv cellevegg:

Den gram-positive celleveggen er veldig enkel. Den er hovedsakelig laget av et tykt lag av peptidoglykan, som utgjør ca. 90% av celleveggen. Dette tykke laget gjør de gram-positive bakteriene resistente mot osmotisk lysis.

Veggene kan også inneholde teikosyre, lipoteiksyre og M-protein, som er de viktigste overflateantigener av gram-positiv cellevegg. Teichoinsyren er negativt ladet og er delvis ansvarlig for den negative ladningen av bakterienes celleoverflate. Det hjelper også i passasje av ioner gjennom cellevegget.

Lipoteikosyre er teikosyre, som er bundet til membranlipidene. M-proteinet hjelper noen bakterier til å forårsake sykdommer ved å hindre deres engulfering av WBC. Antibiotika, penicillin (produsert av sopp, Penicillium notatum) og cephalosporin dræper gram-positive bakterier ved å forhindre peptidoglykansyntese. Lysozym (et enzym funnet i tåre, spytt, eggalbumin og slim av fisk) dreper gram-positive bakterier ved å bryte glykosidbindingen (β-1-4-bindingen) mellom NAGA og NAMA.

Gram-negativ cellevegg:

Den gram-negative cellevegg er svært kompleks og mer skjør enn gram-positiv cellevegg. Den har et tynt lag av peptidoglykan, som utgjør bare ca 10% av celleveggen. Den er omgitt av et tykt beskyttende belegg som kalles lipopolysakkarid (LPS) lag, som motstår penetrering av noen potensielt giftige kjemikalier inn i bakteriecellen.

LPS-laget består av 1) et lipoproteinlag og 2) en ytre membran. En overflate av lipoproteinlaget er direkte festet til peptidoglykanlaget og den andre overflaten strekker seg ut i den ytre membran.

Den fungerer som et anker mellom peptidoglykanlaget og yttermembranen. Den ytre membran er et protein-innebygd fosfolipid-dobbeltlag med "enhetsmembran" -struktur som ligner cellemembranen. Det indre blad av ytre membran er et lag av fosfolipidmolekyler alene.

Imidlertid, i motsetning til enhetsmembranen, blir noen av fosfolipidmolekylene i det ytre bladet erstattet av LPS-molekyler. Hvert LPS-molekyl er laget av en lipiddel kalt lipid A kovalent bundet til et hårlignende polysakkarid.

Når gram-negative patogene bakterier blir drept inne i vertsens kropp, frigjøres lipid A, som er en intern komponent av gram-negative bakterier, og fremkaller toksiske reaksjoner og sykdomssymptomer. Derfor kalles lipid A også "endotoxin" (endo: internt).

I motsetning til dette er "eksotoksin" det giftige stoffet som er syntetisert inne i bakteriecellene og frigjort til utsiden, noe som forårsaker sykdom, hvis det er tilstede i eller går inn i vertsens kropp. I motsetning til andre normale lipider som triglyserider, som er laget av tre fettsyrer bundet til en glyserol, er lipid A laget av fettsyrer bundet til et disakkarid sammensatt av to NAGA fosfater.

Fettsyrene i lipid A er vanligvis caprosyre, laurin-, myristiske, palmitin- og stearinsyrer. Polysakkaridet, som er bundet til lipid A i den andre enden av disakkaridet, er laget av to deler; 1) det indre kjernepolysakkarid og 2) det ytre O-polysakkarid.

Ytre membranen inneholder også proteiner kalt 'poriner', som inneholder tre identiske underenheter. Hver underenhet er sylindrisk med en sentral pore, gjennom hvilken materialer kan passere. Porinene gjør således den ytre membran relativt permeabel.

Poriner er av to typer; 1) ikke-spesifikke poriner, som danner vannfylte kanaler for små stoffer av hvilken som helst type som skal passere gjennom og 2) spesifikke poriner, som har spesifikke bindingssteder for bestemte stoffer å passere gjennom.

Flere materialer (løsninger, sprøyter, nåler etc.), selv om de gjøres fri for patogene mikrober ved varmsterilisering, beholder fortsatt rester av cellemuren av gram-negative bakterier produsert ved å drepe dem. Hvis det blir introdusert i verten, kan dette cellevegget fremkalle sykdomssymptomer. Denne ødelagte celleveggrester, som kan indusere sykdomssymptomer, kalles 'pyrogen'.

B. Basert på sur-hurtig farging:

Basert på forskjellene i sammensetningen av celleveggen, differensierer en annen spesiell fargingsteknikk som kalles "sur-rask farging" bakterier i to grupper som følger:

(1) Syrefaste bakterier:

En bakterie, som er ekstremt vanskelig å være flekket, men en gang farget, er det like vanskelig å fjerne flekken ut av cellene, selv med kraftig bruk av syrealkohol som avfargingsmiddel, er en syrefast bakterier (syre-kjærlig bakterie).

Eksempler: Mycobacterium spp. [M. tuberkulose (TB bakterier), M. leprae (spedalbakterier), M. smegmatis (naturlige bakterier av smegma), M. marinum (TB bakterier av marine fisker)]. De har en tykk voksaktig cellevegg laget av lipidmaterialer.

(2) Ikke-syrefaste bakterier:

En bakterie, som er lett å være flekket og også er lett å avfarges av syrealkohol som avfargingsmiddel, er en ikke-syre-rask bakterie (ikke-syrlig-elskende bakterier). Eksempler: Alle andre bakterier unntatt Mycobacterium spp. I disse bakteriene er celleveggen ikke tykk voksagtig.

Differensiering av bakterier til syrefaste og ikke-syrefaste grupper gir det viktigste ledetråd for identifisering av Mycobacterium spp.

Veggmangelvarianter:

Noen bakterier eksisterer naturlig uten cellevegg. Mycoplasma, som er den minste bakteriene, har ingen cellevegg. Den er beskyttet mot osmotisk lysis ved tilstedeværelsen av steroler i cellemembranen og ved å vedta en parasittisk eksistens i et osmotisk gunstig miljø for eukaryotiske verter.

På samme måte mangler noen marine bakterier cellevegg, hvor den osmotiske lysis er forhindret ved høy saltkonsentrasjon av sjøvann. De fleste gram-positive bakterier mister sin cellevegg (peptidoglykan) i nærvær av lysozym.

Men deres celler overlever hvis de er til stede i et isotonisk miljø som pus-fylte sår. Disse veggmangelige bakteriene som består av bare protoplasma omsluttet av cellemembranen kalles protoplast eller L-former (L for Lister Institute i London).

Når lysozym er fjernet, kan de gjenoppta vekst ved å syntetisere deres cellevegg. Hvis protoplasten beholder biter av cellevegg, slik at cellen tar amoeboid form, som utstikker der det ikke er en cellevegg, kalles den "sfæroplast".

Spheroplast blir også dannet når peptidoglykan av gram-negativ cellevegg fjernes ved behandling med lysozym. Her er protoplasmaen innelukket av to lag, cellemembranen og LPS-laget.

Funksjoner av Cell Wall:

(a) Beskyttelsesform Lysis:

Det beskytter bakteriecellene mot osmotisk lysis, da de fleste forblir i hypotoniske miljøer. Dette er fordi; konsentrasjonen av oppløste oppløsninger inne i bakteriecellene er betydelig høyere enn i miljøet. Dette utvikler et betydelig turgortrykk inne i cellene, noe som kan sammenlignes med trykket i et bildekk. Cellveggen bidrar til å tåle dette trykket.

(b) Form og stivhet:

Det gir form og stivhet til bakteriecellene.

9. Periplasmisk plass:

Det er det tynne rommet mellom cellevegget og cellemembranen (figurene 2.10 og 2.11). Den er fylt med plasma som kalles periplasma. Periplasma inneholder flere proteiner, hvorav tre er viktige.

De er 1) hydrolyse enzymer, som bidrar til den første nedbrytningen av matmolekyler av bakterier, 2) bindende proteiner, som starter prosessen med å transportere substrater og 3) kjemoreceptor, som er involvert i kjemotaksresponsen av bakterier. Chemotaxis betyr bevegelse mot eller bort fra et kjemikalie.

10. Cellemembran:

Det er en tynn membran under celleveggen som helt omslutter protoplasmaet. Det kalles også "cytoplasmisk membran" eller "plasmamembran". Det er et protein-innebygd fosfolipid-dobbeltlag (figur 2.11).

To typer proteiner er innebygd i dobbeltlaget. En type proteiner holdes fast i dobbeltlaget og kalles "integrerte proteiner". De andre typer proteiner er løst forankret på overflaten av dobbeltlaget og kalles 'perifere proteiner'.

Komponentene i membranen er ikke statiske; heller er de dynamiske og er alltid i bevegelsestilstanden som en "væske". Proteinene gir membranen et "mosaikk" utseende.

Det er hvorfor; Enhetsmembranen uttrykkes vanligvis gjennom en "væskemosaikkmodell". Fosfolipid-dobbeltlaget består av to motsatte motstående lag hver bestående av et lag av fosfolipidmolekyler. Hvert fosfolipidmolekyl har et hode og et par haler som kommer fra den.

Hodet er ladet og hydrofilt (vann-kjærlig), for hvilket det forblir mot det vandige miljø. Halerne er uladede og hydrofobiske (vannhating), for hvilke de forblir skjult inne i membranen vekk fra det vandige miljøet. En slik membran kalles enhetsmembran.

Steroler, som er til stede i enhetsmembranen av alle eukaryotene som styringsmidlet, er fraværende i enhetsmembranene i praktisk talt alle bakterier. Imidlertid er molekyler som ligner steroler, kalt "humanoider", til stede i flere bakterier, som spiller en rolle som ligner sterols i eukaryoter. En av de viktigste humanoider er "diploptene", som har 30 karbonatomer.

Funksjoner av cellemembran:

(a) permeabilitetsbarriere:

Det indre av cellen (cytoplasma) består av en vandig løsning av salter, sukkerarter, aminosyrer, vitaminer, koenzymer og et bredt utvalg av andre oppløselige materialer. Den hydrofobe naturen til cellemembranen gjør den og tett barriere.

Selv om enkelte små hydrofobe molekyler kan passere gjennom membranen ved diffusjon, kan ikke hydrofile og ladede molekyler (de fleste av de vannløselige molekylene) passere gjennom det. Disse molekylene transporteres over det ved bestemte transportsystemer.

Selv et stoff som er så lite som et hydrogenjon (H ⁺ ) diffunderer ikke over cellemembranen. Det eneste molekylet som penetrerer membranen, er vann, som er tilstrekkelig lite og uladet til å passere mellom fosfolipidmolekyler.

Cellemembranen er således en kritisk barriere som skiller innersiden av cellen fra sitt miljø og hindrer passiv lekkasje av cytoplasma-bestanddelene inn i eller ut av cellen. Hvis membranen er ødelagt, ødelegges cellens integritet, det interne innholdet lekker inn i miljøet og cellen dør.

(b) Selektiv Barriere:

Cellemembranen er også en svært selektiv barriere. Spesifikke proteiner, kalt "membrantransportsystemer" tilstede på og i cellemembranen, tillater og muliggjør transport av bestemte stoffer over det ved aktiv og passiv transport.

Strukturelt er membrantransportsystemene proteiner laget av 12 alfa-helikser som vind frem og tilbake gjennom membranen for å danne en kanal, gjennom hvilken stoffet som skal transporteres bæres inn i eller ut av cellen.

Disse proteinene kan binde seg til bestemte stoffer som skal transporteres og flytte dem inn i eller ut av cellen over membranen etter behov. Dette gjør at en bakteriecelle kan konsentrere bestemte stoffer inne i cellen og fjerne bestemte stoffer fra cellen til utsiden.

Det finnes tre typer membrantransportproteiner, som 1) Uniporters, som bare transporterer en type molekyl i en retning over membranen, 2) Symptorer, som transporterer en type molekyl og alltid transporterer en annen type molekyl sammen med den i samme retning og 3) Antiporters, som transporterer en type molekyl og alltid transporterer en annen type molekyl i motsatt retning.

Transport av stoffer kan foregå på tre måter, slik som 1) Enkel transport, hvor transporten foregår over membranen av energien fra protonmotivstyrken, 2) Gruppetranslokasjon, hvor det transporterte stoffet er kjemisk endret under passasje over membranen og 3) ABC-transport (ATP-bindende kassett), hvor et periplasmisk bindende protein i periplasma binder seg spesifikt til stoffet, et membranpredende protein som strekker seg over membranen, transporterer det over membranen og et cytoplasmatisk ATP-hydrolyserende protein tilstede i cytoplasma forsyner energien for transporthendelsen.

(c) ekstracellulær hydrolyse:

Cellemembranen hemmer mange enzymer til utsiden for ekstracellulær sammenbrudd av store matpartikler i molekyler, som kan passere inn i cellen gjennom membranen.

(d) Respirasjon:

Bakterier har ikke mitokondrier. Derfor blir cellulær respirasjon, for å få energi fra matvarer, utført i cellemembranet, som inneholder enzymer i luftveiene. Det er en enhet for energibesparelse i cellen.

Membranen kan eksistere i en energisk "ladet" form, hvor en separasjon av protoner (H ⁺ ) fra hydroksylioner (OH-) forekommer over dens overflate. Denne ladningsadskillelsen er en form for metabolsk energi, analog med potensiell energi tilstede i et ladet batteri.

Den energierte tilstanden til membranen, referert til som en "protonmotivkraft" (PMF), er ansvarlig for å drive mange energibeskrivende funksjoner i cellen, inkludert noen former for transport, motilitet og biosyntese av cellens energimone, ATP .

(e) Fotosyntese:

Fototrofiske bakterier utfører fotosyntese ved spesielle organeller kalt "kromatophorer" som dannes av cellemembranets fantasi. Disse organeller inneholder enzymer og pigmenter for fotosyntese.

(f) Absorption av næringsstoffer:

Næringsstoffer i omgivelsene absorberes direkte i bakteriecellene gjennom cellemembranen. 'Mesosomer' er membranøse invagasjoner av cellemembranen i cytoplasma, noe som øker overflaten for effektiv absorpsjon.

(g) Reproduksjon:

Bakterier reproduserer ved binær fisjon. Hver celle deler seg i to datterceller. I prosessen danner cellemembranen den nye celleveggen mellom å dele datterceller.

11. Cytoplasma:

Det viskøse væskelignende stoffet, som fyller rommet i cellemembranen, kalles cytoplasma (figur 2.10 og 2.11). Det er et væske laget av vann, enzymer og små molekyler. Suspendert i væsken er en relativt gjennomsiktig region av kromosomalt materiale kalt "nukleoid", ribosomgranuler og cytoplasmatiske inneslutninger, som lagrer energi.

12. Nucleoid:

Det er den aggregerte massen av DNA som utgjør bakteriens kromosom (Figur 2.12). Som bakterier er prokaryoter, er deres DNA ikke begrenset i en membranbundet kjerne, som det er i eukaryoter.

Det er imidlertid ikke spredt gjennom cellen, men det pleier å aggregere som en distinkt struktur i bakteriecellen og kalles 'nukleoid' (figur 2.12). Ribosom er fraværende i nukleoidområdet, fordi nukleoid DNA eksisterer i en gellignende form som utelukker partikkelformet materiale.

De fleste bakterier inneholder bare et enkelt kromosom, som består av et enkelt sirkulært dobbeltstrenget DNA, selv om enkelte bakterier har lineært kromosomalt DNA. Vanligvis dreies det kromosomale DNA mye og foldes til "super-coiled DNA", for å imøtekomme det i det lille rommet til nukleoid.

Super-coiled DNA er mer kompakt enn det frie sirkulære DNA. Bakterier inneholder bare en enkelt kopi av hvert gen på deres kromosom og er derfor genetisk 'haploid'. I kontrast inneholder eukaryoter to kopier av hvert gen i deres kromosomer og er dermed genetisk diploide.

Gen kan defineres som et hvilket som helst segment av et DNA, som er ansvarlig for en bestemt karakter av vertsorganismen. Hver karakter av en organisme er spesifisert av et bestemt gen, som består av et bestemt segment av DNA.

Det kromosomale DNA av bakterier inneholder de essensielle "husholdningsgenene", som er nødvendige for grunnleggende overlevelse av bakterier. Dette DNA er fordelt mellom de to dattercellene under celledeling.

Foruten de kromosomale gener er det også ikke-kromosomale gener tilstede utenfor kromosomet. For eksempel inneholder plasmidene spesifikke gener som gir spesielle egenskaper til bakterier. Summen av alle gener som er tilstede i en celle kalles dens "genom".

13. Plasmider:

Disse er få ikke-kromosomale DNA som finnes i cytoplasma av enkelte bakterier (figur 2.12). Hvert plasmid består av et lite sirkulært stykke dobbeltstrenget DNA, som kan replikere uavhengig av kromosomet. Mange plasmider er ganske små, men noen er ganske store.

Imidlertid er ikke noe plasmid så stort som kromosomet. Plasmider har ikke gener nødvendige for bakteriell vekst eller overlevelse. De kan ha gener som er ansvarlige for resistansen mot antibiotika, for produksjon av toksiner eller for produksjon av overflatevedlegg som er avgjørende for vedlegg og etablering av infeksjon.

Plasmidene inneholder således genene som gir spesielle egenskaper til bakterier, i motsetning til det kromosomale DNA, som inneholder de essensielle husholdningsgenene som trengs for bakteriens grunnleggende overlevelse.

Noen plasmider, som kan integreres i verts kromosomal DNA, kalles 'episomer'. Plasmider kan også elimineres fra verten bakteriecellen ved prosessen kalt "herding". Noen plasmider er mye brukt i genmanipulering og genteknologi.

14. Ribosomer:

Disse er granulære legemer som er til stede i cytoplasma, hvor proteinsyntese finner sted (figur 2.3). De er så mange at deres tilstedeværelse gir cytoplasma et mørkt utseende. Størrelsen på hvert bakterielt ribosom er 70 S (70 Svedberg), som består av to underenheter av 50S og 30S størrelse. I kontrast er størrelsen på hvert eukaryotisk ribosom 80S bestående av to underenheter av 60S og 40S størrelse.

15. Gass Vacuoles:

Gassvakuoler er spindelformede gassfylte strukturer funnet i cytoplasmaen (figur 2.3 og 2.13). De er hul sylindriske rør, lukket med en hul konisk hette i hver ende. Antallet i en celle kan variere fra noen til hundrevis.

Lengden og bredden varierer i forskjellige bakterier, men vakuolene av en gitt bakterie er mer eller mindre av konstant størrelse. De er hule, men stive. De er ugjennomtrengelige for vann og løsemidler, men er permeable for de fleste gasser. Derfor er sammensetningen av gassen inne i dem den samme som for gassen, hvor organismen er suspendert.

Gass er tilstede i vakuolene ved ca. 1 atm. press. Derfor er stivhet av gassvakuamembran viktig for vakuolen å motstå presset som utøves på det fra utsiden. På grunn av dette er det sammensatt av proteiner som er i stand til å danne en stiv membran i stedet for lipider, som ville danne en væske, svært mobil membran.

Det er to typer proteiner som lager membranen. De er 1) GvpA og 2) GvpC (Gas vakuolprotein A og C). GvpA er det viktigste gassvakuolproteinet, som er lite og svært hydrofobt (figur 2.13). Det er skallproteinet og utgjør 97% av det totale protein av gassvakuolene.

Gassvakuoler er laget av flere GvpA-proteinmolekyler justert som parallelle "ribber" som danner en vanntett overflate. GvpA-proteiner brettes som en (3-arks og gir dermed betydelig stivhet til den samlede vakuolstrukturen. GvpC er et større protein, men er til stede i mye mindre mengde.

Det styrker skallet av gassvakuolene ved å fungere som tverrbinder, og binder flere GvpA-ribber sammen som en klemme. Den endelige formen av gassvakuolene, som kan variere i forskjellige organismer fra lang og tynn til kort og fett, er en funksjon av hvordan GvpA- og GvpC-proteiner er anordnet for å danne de intakt vakuolene.

Når gassvakuene er fylt med gasser, er dens tetthet ca 5-20% av den av cellen som er riktig. Således reduserer de intakte gassvakuene tettheten av bakteriecellene, og derved gir dem oppdrift.

De fleste flytende akvatiske bakterier har gassvakuoler, noe som gir oppdrift og hjelper dem å flyte på overflaten av vann eller hvor som helst i vannsøylen. Gassvakuoler fungerer også som et middel til motilitet, slik at cellene kan flyte opp og ned i vannsøylen som følge av miljøfaktorer.

For eksempel har akvatiske fototrofiske organismer nytte av gassvakuoler som hjelper dem til å justere sin posisjon raskt i vannsøylen til områder der lysintensiteten for fotosyntese er optimal. Gassvakuamembranen kan ikke motstå høyt hydrostatisk trykk og kan kollapse, noe som fører til tap av oppdrift. Når en gang har kollapset, kan gassvakuene ikke reinflateres.

16. Inklusjoner:

De ikke-levende reservematerialene suspendert i cytoplasma kalles 'inneslutninger' (figur 2.3). De fleste inneslutninger er begrenset av en tynn membran uten enhet som består av lipider som skiller dem fra den omkringliggende cytoplasma.

Deres funksjon er lagring av energi eller strukturelle byggeklosser. Ulike bakterier inneholder forskjellige typer inneslutninger.

Noen av de vanlige inneslutninger som finnes i bakterieceller er beskrevet nedenfor:

(a) Poly-p-hydroksysmørsyre (PHB) granuler:

Disse er granulat bestående av poly- p-hydroksysmørsyre (PHB), som er en lipidlignende substans. Monomerer av p-hydroksysmørsyre er bundet til hverandre i en kjede ved esterbindinger for å danne polymeren av poly- p-hydroksysmørsyre. Polymerene aggregeres i granuler.

(b) Poly-P-hydroksyalkanoat (PHA) Granuler:

Det er en kollektiv term som brukes til å beskrive alle klasser av karbon / energilagringspolymerer som finnes i bakteriell cytoplasma. De vanligste PHA-granulatene er PHB-granulatene. Lengden av monomerer i en polymer kan variere, fra så kort som C4 (i PHB granuler) til så lenge C18 (i andre granulater) i mange bakterier.

(c) Volutin Granuler:

Disse er granulater sammensatt av polyfosfater. Den grunnleggende fargestoffet, toluidinblått blir rødlig fiolett, når det kombineres med polyfosfatgranulatene. Dette fenomenet fargeendring kalles 'metakromasy'. Derfor kalles volutingranulat også 'metakromatisk granulat'.

(d) Glykogen Granuler:

Disse er stivelseslignende polymerer laget av glukoseunderenheter. Glykogengranuler er vanligvis mindre enn PHB-granuler. Dette er lagringsdeposisjoner av karbon og energi i bakterieceller.

(e) Svovelkorn:

Disse er granuler av elementært svovel produsert ved akkumulering i cytoplasma. Elementært svovel kommer fra oksidasjon av reduserte svovelforbindelser som hydrogensulfid og tiosulfat. Granulatene forblir så lenge kilden til redusert svovel er til stede. Etter hvert som kilden forsvinner, blir bakteriene brukt, forsvinner granulatene også sakte.

(f) Magnetosomer:

Magnetosomer er granuler av jernmineraltmagneten, Fe3O4. De gir en permanent magnetisk dipol til en bakteriecelle, slik at den kan reagere på magnetfelter. En membran som inneholder fosfolipider, proteiner og glykoproteiner omgir hver magnetosom.

Membranproteinene spiller en rolle i utfelling av Fe ³⁺ (brakt i cellen i løselig form av chelaterende midler) som Fe ₃₀ i de utviklende magnetosomer. Morfologien til magnetosomer ser ut til å være artsspesifikke, varierende i form fra kvadratisk til rektangulær til spikformet i visse bakterier.

Magnetosomer finnes hovedsakelig i akvatiske bakterier. Bakterier som produserer magnetosomer orienterer og migrerer langs geomagnetisk felt. Dette fenomenet kalles "magnetotaxis". Bakterier, som viser magnetotaxis, kalles 'magnetotaktiske bakterier'.

Det er ingen bevis chat magnetotaktiske bakterier bruker de sensoriske systemene av kjemotaktiske eller phototactic bakterier. I stedet gir justeringen av magnetosomer i en bakteriecelle bare magnetiske egenskaper til den, som deretter orienterer cellen i en bestemt retning i sitt miljø. Således er et bedre uttrykk for å beskrive disse organismene "magnetiske bakterier".

17. Endospore:

Det er en differensiert celle dannet i cellen av visse gram-positive stavformede bakterier, som tåler alvorlige ugunstige forhold som varme, kulde, stråling, aldring, giftige kjemikalier og mangel på næringsstoffer.

For det meste kan følgende tre slanger av stangformede bakterier produsere endosporer under ugunstige forhold:

I. Aerobic stangformet bakterier

1. Bacillus spp.

II. Anaerob stavformede bakterier

2. Clostridium spp.

3. Desulfotomaculum spp.

Struktur av Endospore:

Endosporens struktur er mye mer kompleks enn den av den vegetative cellen ved at den har mange lag. Lagene fra utsiden mot innsiden er gitt nedenfor (figur 2.14).

(en) Exosporium:

Det er det ytre laget, som er en tynn, delikat dekning, laget av proteiner.

(b) Spore coat:

Det er laget av lag av spore-spesifikke proteiner. Det virker som en sigte som utelukker store giftige molekyler som lysozym, er motstandsdyktig overfor mange giftige molekyler, og kan også inneholde enzymer som er involvert i spiring av sporer.

(c) cortex:

Den er laget av løst tverrbundet peptidoglykan.

(d) Kjerne:

Den inneholder de vanlige strukturer av bakteriecelle, som inkluderer cellevegget (kjernevegg), som omslutter sporeprotokollen. Spore protoplast består av cellemembranen, cytoplasma, nukleoid, ribosomer, inneslutninger og så videre.

Sporene varierer således strukturelt fra den vegetative cellen, hovedsakelig i typer strukturer funnet utenfor kjernevegget.

Egenskaper for Endospore Core:

Kjernen til en moden endospore varierer sterkt fra den vegetative cellen, hvorfra den dannes.

Egenskapene til endosporekjernen er som følger:

(a) Én kjemisk substans som er karakteristisk for endosporer, men ikke tilstede i vegetative celler, er dipikolinsyre (DPA). Den ligger i kjernen.

(b) Sporer er også høye i kalsiumioner, hvorav de fleste er kombinert med dipikolinsyre. Kalsiumdipikolinsyre-komplekset i kjernen representerer ca. 10% av den tørre vekten av endosporen.

(c) Foruten å ha et rikelig kalsiumdipikolinsyre (Ca-DPA) innhold, er kjernen i en delvis dehydrert tilstand. Kjernen i en moden endospor inneholder bare 10-30% av vanninnholdet i den vegetative cellen, og konsistensen av kjerne-cytoplasma er følgelig den for en gel.

Dehydrering av kjernen øker varmemotstanden til endosporen sterkt, og gir kjemikaliebestandighet, som hydrogenperoksid (H ₂ O ₂ ), og forårsaker at enzymer som er tilstede i kjernen, forblir inaktive.

(d) I tillegg til lavvanninnholdet i sporet er pH i kjernens cytoplasma omtrent en enhet lavere enn den for den vegetative cellen.

(e) Kjernen inneholder høye nivåer av kjerne-spesifikke proteiner kalt "små syreoppløselige spore proteiner" (SASPs). Disse blir syntetisert under spekulasjonsprosessen og har to funksjoner. Først binder de seg tett til DNA i kjernen og beskytter det mot potensiell skade fra UV-stråling, tørking og tørr varme. For det andre fungerer de som kilden til karbon og energi for utveksten av ny vegetativ celle ved spiring.

Spore Cycle:

Under ugunstige forhold produseres en spore i en vegetativ celle ved dehydrering og sammentrekning av celleinnholdet (figur 2.14). Denne sporet, dannet inne i bakteriecellen, kalles 'endospore'. Hvis uønskede forhold forverres, slår cellen ut av endosporen, som nå blir en uavhengig dormant celle kalt 'spore'.

Prosessen, hvorved en vegetativ celle produserer en spor, kalles sporogenese eller sporulering. Sporene forblir i den inaktive sovende form til de ugunstige forholdene vedvarer. Ved retur av gunstige forhold kommer sporet tilbake til vegetativ form og blir aktiv igjen.

Lagene som dekker sporet ruptur og sporet gir opphav til en metabolisk aktiv vegetativ celle. Prosessen, hvorved en spore endres til en vegetativ celle, kalles "spiring".

Den sykliske prosessen med forandring fra vegetativ form til spore under ugunstige forhold og tilbake til vegetativ form under gunstige forhold kalles 'spore syklus'.

De to halvdelene av spore syklusen er gitt nedenfor:

A. Sporulasjon:

Sporulasjon innebærer en svært kompleks serie hendelser i celledifferensiering (figur 2.14). Mange genetisk rettede forandringer i cellen ligger under omdannelsen fra en fuktig, metabolisk aktiv celle til en tørr, metabolisk inaktiv, men ekstremt resistent spore.

De strukturelle endringene som forekommer i sporulerende celler kan deles inn i flere stadier. Hele sporuleringsprosessen tar omtrent få timer. Genetiske studier har vist at så mange som 200 gener er involvert i en typisk sporulasjonsprosess.

Under sporulering opphører syntesen av noen proteiner involvert i funksjon av vegetative celler og syntese av spesifikke sporeproteiner starter. Disse proteinene kalles "små syreoppløselige sporeproteiner" (SASPs).

Dette oppnås ved aktivering av en rekke sporespesifikke gener, inkludert spo, ssp (som koder for SASP) og mange andre gener som svar på den negative miljøtilstanden. Proteiner kodet av disse gener katalyserer serien av hendelser som skifter en vegetativ celle til en spore.

Sporet får sin varmebestandighet ved hjelp av flere mekanismer, som ennå ikke har blitt klart forklart. Det er imidlertid klart at de ugjennomtrengelige lagene, som spore cortex og spore coat, beskytter sporet fra enhver fysisk skade.

En viktig faktor som påvirker varmemotstanden til en spore er mengden og tilstanden av vann i den. Under sporulering reduseres protoplasma til et minimumsvolum som følge av akkumulering av Ca ²⁺, små syreoppløselige sporeproteiner (SASP) og syntese av dipikolinsyre, som fører til dannelsen av en gelignende struktur.

På dette stadiet dannes en tykk cortex rundt protoplastkjernen. Sammentrekning av cortex resulterer i en krympet, dehydrert protoplast med et vanninnhold på bare 10-30% av en vegetativ celle. Vanninnholdet i protoplasten og konsentrasjonen av SASPer bestemmer sporetes varmebestandighet.

Hvis sporet har lav konsentrasjon av SASP og høyt vanninnhold, viser det lavt varmebestandighet. Hvis den har høy konsentrasjon av SASP og lavt vanninnhold, viser den høy varmebestandighet. Vann beveger seg fritt inn og ut av sporet. Således er det ikke ugjennomtrengeligheten av spore-belegget, heller det gelignende materiale i spore-protoplasten, som utelukker vann.

B. Sprøyting:

En endospor kan forbli sovende i mange år, men kan konvertere tilbake til en vegetativ celle relativt raskt. Denne prosessen innebærer tre trinn; aktivering, spiring og utvekst. 'Aktivering' innebærer aktivering av sporet og gjør den klar for spiring.

"Germination" involverer tap av mikroskopisk refraktivitet av sporet og tap av motstand mot varme og kjemikalier. Sporet mister kalsiumdipikolinsyre og cortex-komponenter. Videre forringes SASPene.

'Utvækst' innebærer synlig hevelse på grunn av vannopptak, samt syntese av nytt DNA, RNA og proteiner. Cellen kommer fra den ødelagte sporefrakken og begynner etter hvert å dele seg. Cellen forblir deretter i vegetativ vekst inntil miljøforholdene er gunstige.

Mens du steriliserer et materiale for å gjøre det bakteriefri, blir bakteriene tilstede i det drept med noen metode. Men hvis materialet inneholder sporeformere, blir det vanskelig å sterilisere det. Jo mer er antall sporer i materialet, jo høyere er stresset som kreves for å sterilisere det.

For kolonier av sporeformende bakterier som vokser på agarplater eller skråninger, når bakterienes alder øker, danner de sporer på grunn av aldring, næringsdefekt og opphopning av metabolitter.