Rozdział 1. Wirusy, bakterie, protisty i grzyby
Temat: 1.3. Organizmy prokariotyczne – bakterie i archeowce
- Organizm prokariotyczny – jednokomórkowy mikroorganizm, który nie ma jądra komórkowego, a jego materiał genetyczny jest zawieszony bezpośrednio w cytozolu [prosty komórczak bez osobnej „pustelni” na DNA, materiał lata luzem w środku].
- Zaliczają się do nich dwie domeny: bakterie oraz archeowce.
- Są organizmami kosmopolitycznymi – występują powszechnie na całej kuli ziemskiej [są dosłownie wszędzie].
- Środowiska życia: gleba, zbiorniki wodne, powierzchnia lub wnętrze innych organizmów jako symbionty [przyjaciele z korzyścią] lub pasażyty [darmozjady szkodzące gospodarzowi].
Budowa komórek bakterii
Bakterie oddzielają się od środowiska zewnętrznego błoną komórkową oraz ścianą komórkową (u większości gatunków).
- Komórka bakterii heterotroficznej [cudzożywnej]:
- Rzęska – białkowy włókno umożliwiające aktywny ruch bakterii [silniczek i śruba napędowa bakterii].
- Cytozol – wypełnia wnętrze komórki [płynna „zupa” komórkowa].
- Rybosomy – uczestniczą w syntezie białek [fabryczki białek]; współczynnik sedymentacji wynosi 70 S.
- Plazmid – mała, kolista cząsteczka DNA, która zawiera geny przydatne do życia bakterii, ale nie niezbędne [dodatkowy „pen-drive” z bonusowymi cechami, np. opornością na leki].
- Chromosom bakteryjny – kolista, zamknięta cząsteczka DNA zawierająca geny niezbędne do prawidłowego funkcjonowania komórki [główny dysk twardy ze wszystkimi instrukcjami życia]. Obszar cytozolu zawierający chromosom to nukleoid.
- Otoczka śluzowa – otacza niektóre komórki bakterii; zbudowana z polisacharydów, peptydów lub białek; umożliwia przyczepianie się do podłoża lub pełni funkcję ochronną [lepki płaszcz przeciwdeszczowy i klej w jednym].
- Ściana komórkowa – nadaje kształt i zabezpiecza przed pęknięciem w środowisku hipotonicznym [sztywny pancerz chroniący przed napływającą wodą].
- Błona komórkowa – umożliwia transport substancji, tworzy wpuklenia ze strukturami oddechowymi (oddychanie tlenowe) [elastyczny portier decydujący, co wchodzi i wychodzi].
- Komórka bakterii autotroficznej [samożywnej]:
- Posiada większość struktur bakterii heterotroficznej (otoczka śluzowa, chromosom, rybosomy, cytozol, błona komórkowa, ściana komórkowa).
- Tylakoidy (chromatofory) – połączone lub niepołączone z błoną komórkową struktury zawierające barwniki fotosyntetyczne; występują wyłącznie u autotrofów fotosyntetyzujących i umożliwiają fotosyntezę [wewnętrzne panele słoneczne do produkcji jedzenia].
- Błona zewnętrzna – występuje na powierzchni ściany komórkowej niektórych bakterii autotroficznych i heterotroficznych; stanowi dodatkową barierę ochronną [dodatkowa tarcza na pancerzu].
Budowa ściany komórkowej bakterii
Ściana komórkowa bakterii zbudowana jest m.in. z peptydoglikanu – mureiny [mieszanka cukrów i białek tworząca sztywną siatkę].
- Bakterie Gram-dodatnie:
- Ściana komórkowa jest gruba.
- Zbudowana z kilku warstw mureiny oraz kwasów tejchojowych (związków polimerowych złożonych z reszt glicerolu/alKOHolu z grupami fosforanowymi(V)).
- Bakterie Gram-ujemne:
- Ściana komórkowa jest cienka, zbudowana z jednej warstwy mureiny.
- Nie zawiera kwasów tejchojowych.
- Okryta dodatkową błoną zewnętrzną.
Barwienie Grama
Metoda badawcza pozwalająca odróżnić bakterie Gram-dodatnie od Gram-ujemnych [test kolorem pod mikroskopem].
- Barwienie preparatu fioletem krystalicznym – fiolet wnika do wnętrza obu typów bakterii [wszystko barwi się na fioletowo].
- Utrwalenie preparatu płynem Lugola – powstaje kompleks fioletu z jodem [barwnik zostaje „zablokowany” w środku].
- Odbarwianie alkoholem lub acetonem – wypłukuje kompleks z bakterii Gram-ujemnych (przez cienką mureinę i błonę), natomiast Gram-dodatnie pozostają fioletowe [z jednych fiolet spływa, u drugich siedzi mocno w grubej ścianie].
- Barwienie kontrastowe safraniną – barwi bakterie Gram-ujemne na różowo/czerwono; Gram-dodatnie pozostają fioletowe.
Formy morfologiczne bakterii
| Grupa kształtu | Typ bakterii | Opis / Charakterystyka | Znacznik rysunku |
|---|---|---|---|
| Bakterie kuliste | Dwoinki | Dwie połączone kulki (np. dwoinka zapalenia płuc – Streptococcus pneumoniae). |
|
| Paciorkowce | Kulki ułożone w łańcuszek (np. Streptococcus pyogenes – przyczyna anginy). |
|
|
| Gronkowce | Kulki tworzące nieregularne grona (np. gronkowiec złocisty – Staphylococcus aureus). |
|
|
| Bakterie cylindryczne | Pałeczki | Podłużne formy, występują pojedynczo lub w niciach (np. pałeczka okrężnicy – E. coli). |
|
| Laseczki | Podłużne formy zdolne do wytwarzania przetrwalników (np. laseczka tężca – Clostridium tetani). |
|
|
| Bakterie spiralne | Przecinkowce | Wygięte niczym przecinek (np. przecinkowiec cholerae – Vibrio cholerae). |
|
| Krętki | Długie, śrubowato skręcone (np. krętek blady – Treponema pallidum). |
|
|
| Bakterie nieregularne | Promieniowce | Odgałęzione formy przypominające grzybnię (np. Bifidobacterium animalis). |
|
| Maczugowce | Formy z pogrubionym końcem (np. maczugowiec błonicy – Corynebacterium diphtheriae). |
|
Odżywianie się bakterii
Bakterie dzielą się na heterotrofy (cudzożywne) oraz autotrofy (samożywne).
- Bakterie heterotroficzne:
- Odżywiają się związkami organicznymi wydalanymi przez inne organizmy lub z ich martwych/żywych ciał [jedzą gotowe jedzenie od innych].
- Wydalają do środowiska enzymy hydrolityczne, rozkładają złożone związki na proste i wchłaniają je [trawią na zewnątrz i wsysają sok].
- Pasożyty – odżywiają się kosztem żywego gospodarza, wywołując choroby (np. bakterie wywołujące zapalenie płuc).
- Symbionty – żyją w korzyści z gospodarzem (np. bakterie rozkładające celulozę w żołądku ssaków) [dają coś od siebie w zamian za mieszkanie i jedzenie].
- Saprobionty – odżywiają się martwą materią organiczną (np. bakterie gnilne) [sprzątacze środowiska].
- Bakterie autotroficzne:
- Wytwarzają związki organiczne z prostych związków nieorganicznych [same robią sobie jedzenie od zera].
- Fotoautotrofy – wykorzystują energię świetlną [słoneczną] w procesie fotosyntezy:
- Fotosynteza oksygeniczna (z wydzieleniem tlenu, np. sinice): \(6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{energia świetlna}} (\text{CH}_2\text{O})_6 + 6\text{O}_2\).
- Fotosynteza anoksygeniczna (bez wydzielania tlenu, np. zielone i purpurowe bakterie siarkowe, używające \(\text{H}_2\text{S}\) zamiast \(\text{H}_2\text{O}\)): \(6\text{CO}_2 + 12\text{H}_2\text{S} \xrightarrow{\text{energia świetlna}} (\text{CH}_2\text{O})_6 + 12\text{S} + 6\text{H}_2\text{O}\).
- Chemoautotrofy – wytwarzają energię z utleniania prostych związków nieorganicznych (np. bakterie nitryfikacyjne utleniające amoniak/azotyny) [chemicy robiący prąd z minerałów].
Odżywianie się bakterii – pozyskiwanie azotu
- Azot jest niezbędny do budowy białek i kwasów nukleinowych.
- Asymilacja azotu cząsteczkowego (\(\text{N}_2\)) – zdolność do wiązania azotu z powietrza i przekształcania go w amoniak (\(\text{NH}_3\)) [zamiana gazu z powietrza w nawóz].
- Wykonują ją wolno żyjące sinice (Gloeocapsa, Nostoc), bakterie glebowe (Azotobacter, Clostridium) oraz symbiotyczne bakterie brodawkowe (Rhizobium).
- Enzym odpowiedzialny: nitrogenaza [narzędzie do rozbijania azotu], działa wyłącznie w warunkach beztlenowych.
- Przystosowania ochronne przed tlenem:
- Sinice: grubościenne komórki – heterocysty [szczelne komory ochronne].
- Bakterie Rhizobium w brodawkach korzeniowych: leghemoglobina [białko wyłapujące tlen, by nie popsuł enzymu].
- Reakcja: \(\text{N}_2 + 8\text{H}^+ + 8e^- + 16\text{ATP} \rightarrow 2\text{NH}_3 + \text{H}_2 + 16\text{ADP} + 16\text{P}_i\).
- Bakterie nitryfikacyjne – utleniają amoniak do azotanów(III) i azotanów(V) (\(\text{NO}_3^-\)), które są łatwo pobierane przez rośliny [dostarczyciele gotowych soli dla roślin].
Oddychanie bakterii
Bakterie pozyskują energię w procesach tlenowych lub beztlenowych:
- Bakterie tlenowe – przeprowadzą glikolizę, reakcję pomostową i cykl Krebsa w cytozolu, a łańcuch oddechowy w błonie komórkowej.
- Oddychanie beztlenowe – ostatecznym akceptorem elektronów w łańcuchu oddechowym jest inny związek niż tlen (np. sole azotanów(V) u bakterii denitryfikacyjnych, redukujących je do \(\text{N}_2\)).
- Fermentacja – zachodzi wyłącznie w cytozolu, bez udziału łańcucha oddechowego (np. fermentacja alkoholowa, mlekowa u Lactobacillus) [mniej wydajne robienie energii w warunkach bez tlenu].
- Większość bakterii to względne beztlenowce (żyją z tlenem lub bez). Niektóre to bezwzględne beztlenowce (tlen jest dla nich toksyczny).
Wzrost i rozmnażanie się bakterii
- Rozmnażają się wyłącznie bezpłciowo przez:
- Podział komórki [podział na pół].
- Pączkowanie.
- Fragmentację nitek kolonii.
- W optymalnych warunkach podział następuje co 20–30 minut.
Formy przetrwalnikowe bakterii:
- Służą do przetrwania niekorzystnych warunków (spadek metabolizmu – stan anabiozy) [stan uśpienia/hibernacji].
- Cysty – powstają przez odwodnienie i otoczenie grubą ścianą całej komórki.
- Endospory – zawartość komórki dzieli się na dwie nierówne części; mniejsza staje się endosporą z grubą ścianą, a reszta komórki degeneruje [przetrwalnik tworzony wewnątrz komórki]. Przetrwają ekstremalne warunki nawet przez dziesiątki lat.
Procesy płciowe bakterii (paraseksualne)
Nie służą do rozmnażania (nie zwiększają liczby komórek!), ale prowadzą do rekombinacji materiału genetycznego [mieszanie genów bez robienia nowych dzieci].
- Koniugacja:
- Dwie komórki (dawca i biorca) łączą się za pomocą białkowych włókien – pili (pilus) [mostek połączeniowy].
- Rozpływa się jedna nić dwuniciowego DNA plazmidu w komórce dawcy i zostaje transportowana do biorcy [przesłanie kopii genów].
- W obu komórkach zachodzi dobudowanie brakującej nici DNA.
- Komórki rozdzielają się; biorca zyskuje nowe cechy (np. oporność).
- Transformacja – pobranie przez żywą bakterię wolnego DNA bezpośrednio z podłoża [zbieranie obcych genów z otoczenia].
- Transdukcja – przeniesienie fragmentu DNA między bakteriami za pośrednictwem wirusa (bakteriofaga) [wirusowy kurier genetyczny].
- Fimbrie – białkowe wypustki na powierzchni ułatwiające przyczepianie do podłoża [rzepy]. Specjalne fimbrie płciowe to pili.
Archeowce
Jednokomórkowe organizmy prokariotyczne, klasyfikowane jako osobna domena. Żyją we wszystkich środowiskach, głównie ekstremalnych (ekstremofile) [twardziele biologiczni].
Różnice między bakteriami a archeowcami:
| Cecha | Bakterie | Archeowce |
|---|---|---|
| Odcinki niekodujące (introny) w genach | Brak | Często występują |
| Lipidy błonowe | Kwasy tłuszczowe proste | Kwasy tłuszczowe rozgałęzione |
| Ściana komórkowa | Zbudowana z mureiny | Brak mureiny (zbudowana z pseudomureiny lub białek) |
- Przykłady: metanogeny (uzyskują energię z utleniania wodoru za pomocą \(\text{CO}_2\), uwalniając metan), ekstremofile z kraterów wulkanicznych czy gorących źródeł.
Znaczenie prokariontów w przyrodzie i dla człowieka
- Rozkład martwej materii organicznej – destruenci zamknięci w obiegu pierwiastków [naturalni recyklerzy].
- Oczyszczanie ścieków – biologiczny osad czynny.
- Wiązanie azotu atmosferycznego – wzbogacanie gleby w związki azotowe dla roślin.
- Źródło pokarmu – dla drobnych organizmów (plankton).
- Procesy trawienne zwierząt – bakterie symbiotyczne u roślinożerców rozkładające celulozę.
- Wytwarzanie witamin – bakterie jelitowe człowieka produkują witaminę K oraz witaminy z grupy B (\(\text{B}_1, \text{B}_2, \text{B}_{12}\)).
- Przemysł spożywczy – fermentacja mlekowa (jogurty, kefiry, sery, kiszonki).
- Przemysł farmaceutyczny – produkcja antybiotyków, witamin, szczepionek.
- Biotechnologia – modyfikowane genetycznie bakterie produkują insulinę, hormony wzrostu.
- Chorobotwórczość – wywoływanie chorób ludzi, zwierząt i roślin.
Wybrane choroby bakteryjne człowieka
| Nazwa choroby | Czynnik zakaźny | Droga zakażenia | Profilaktyka |
|---|---|---|---|
| Gruźlica | Prątek gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis) | Droga kropelkowa, pyłowa | Szczepienia ochronne |
| Tężec | Laseczka tężca (Clostridium tetani) | Rany zabrudzone ziemią | Dezynfekcja ran, szczepienia ochronne |
| Borelioza | Borrelia burgdorferi | Ukąszenie przez zakażonego kleszcza | Preparaty odstraszające kleszcze, odzież ochronna |
| Salmonelloza | Pałeczki z rodzaju Salmonella | Droga pokarmowa | Przestrzeganie zasad higieny |
| Kiła | Krętek blady (Treponema pallidum) | Droga płciowa | Unikanie przypadkowych kontaktów seksualnych, prezerwatywy |
| Rzeżączka | Dwoinka rzeżączki (Neisseria gonorrhoeae) | Droga płciowa | Unikanie przypadkowych kontaktów seksualnych, prezerwatywy |
Leczenie chorób bakteryjnych
Do leczenia stosuje się antybiotyki [pogromców bakterii].
- Działanie antybiotyków:
- Bakteriobójcze – zabijają bakterie.
- Bakteriostatyczne – hamują wzrost i rozmnażanie.
- Mechanizmy: hamowanie syntezy białek, replikacji DNA lub tworzenia mureiny.
- Przed kuracją zaleca się wykonać antybiogram [test sprawdzający, który lek najskuteczniej zabije daną bakterię]. Nie wolno przerywać kuracji przedwcześnie, by nie wyhodować szczepów opornych.