Organizmy prokariotyczne
Budowa organizmów prokariotycznych
Przedstawisz budowę komórki prokariotycznej, z uwzględnieniem różnic w budowie ściany komórkowej bakterii Gram‑dodatnich i Gram‑ujemnych.
Omówisz różnorodność form morfologicznych bakterii.
Wyjaśnisz różnice między archeowcami i bakteriami.
Bakterie występują we wszystkich środowiskach: suchym, wilgotnym, ciepłym i zimnym, niekiedy nawet w tych o skrajnych warunkach. Współżyją z innymi organizmami, zasiedlając ich skórę i jelita. Niektóre dzięki specjalnym enzymom potrafią przetrwać np. w gorących źródłach i kominach hydrotermalnych, znosząc wysoką temperaturę, inne – adaptując się do zasolenia czy otoczenia zasadowego.
Budowa komórki prokariotycznej
Większość bakterii to organizmy jednokomórkowe. Jednak niektóre gatunki po podziale komórkowym pozostają połączone. Wielkość komórek bakteryjnych to zwykle 0,5‑5 µm – są zatem znacznie mniejsze, niż komórki eukariotyczne.
Model 3D komórki bakteryjnej.
1. Nukleoid. To podwójna helisa DNA tworząca strukturę kolistą. W nukleoidzie znajduje się informacja genetyczna bakterii. Inaczej niż w komórkach eukariotycznych DNA bakterii nie jest upakowane na białkach histonowych.
2. Fimbrie. Są białkowymi wyrostkami cytoplazmatycznymi, za pomocą których bakteria przyczepia się do podłoża, np. do komórki roślinnej, zwierzęcej lub innej powierzchni.
3. Pila. Pile są nieco grubszymi od fimbrii białkowymi rurkami. Uczestniczą w procesie koniugacji – wymianie materiału genetycznego pomiędzy komórkami bakterii.
4. Wić. Wić umożliwia komórkom bakteryjnym ruch. Budową przypomina pustą w środku rurkę, której ściana stworzona jest z flagelliny.
5. Materiał zapasowy. Bakterie magazynują substancje takie jak: glikogen, polifosforan, siarka lub polihydroksyalkaniany w formie ziaren, z których mogą być uwalniane w razie potrzeby.
6. Rybosom. We wnętrzu komórki bakteryjnej występują rybosomy typu 70S, takie same jak w chloroplastach i mitochondriach. Biorą one udział w syntezie białek.
7. Cytoplazma. Płynna substancja wypełniająca wnętrze komórki. Cytoplazma komórek bakteryjnych nie jest podzielona na sektory ze względu na brak błoniastych organelli, m.in. siateczki śródplazmatycznej.
8. Błona komórkowa. Struktura oddzielająca środowisko wewnętrzne komórki bakterii od świata zewnętrznego.
9. Ściana komórkowa. Ściana komórkowa bakterii utworzona jest z mureiny. Jej zadaniem jest utrzymywanie kształtu komórki oraz ochrona przed czynnikami środowiska zewnętrznego.
10. Błona zewnętrzna. Występuje u bakterii Gram‑ujemnych. Znajdują się w niej fosfolipidy, białka i lipopolisacharydy.
11. Otoczka śluzowa. Ściana komórkowa niektórych bakterii pokryta jest otoczką o konsystencji śluzu. Pełni ona funkcję ochronną zarówno przed wysychaniem, jak i szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi.
12. Plazmid. Plazmid to kolista lub liniowa cząsteczka DNA. Występuje u prokariontów oraz u drożdży. Nie warunkuje cech umożliwiających przeżycie, jednak niesie pożyteczne cechy np. oporność na antybiotyki, czynnik płciowy (czynnik F) czy możliwość syntezy toksyn.
Ściana komórkowawiększości bakterii zbudowana jest z mureiny(peptydoglikanu). Mureinę budują łańcuchy polisacharydowe i peptydy. Odpowiada ona za kształt komórki i zapobiega jej zniszczeniu, np. jest odpowiedzialna za antybiotykooporność.
Istnieją bakterie, które nie posiadają ściany komórkowej. Mykoplazmy (Mycoplasmatales), najmniejsze znane obecnie bakterie, nie tworzą peptydoglikanów – bez nich powstanie ściany nie jest możliwe.
Bakterie możemy podzielić na Gram‑dodatnie czyli takie, które barwią się na fioletowo po zastosowaniu metody Grama, i bakterie Gram‑ujemne czyli takie, które po zastosowaniu tej metody przybierają kolor różowy. Bakterie Gram‑ujemne i Gram‑dodatnie różnią się budową ściany komórkowej.
Pierwszą obserwację bakterii przeprowadził w 1686 r. Antoni van Leeuwenhoek (czyt. Lewenhuk), który użył do tego własnoręcznie wykonanego mikroskopu. Dwieście lat później, w 1884 r., Hans Christian Gram opracował metodę barwienia komórek bakterii w celu rozpoznania budowy ich ściany komórkowej. Na tej podstawie możliwe jest zróżnicowanie bakterii na Gram‑dodatnie lub Gram‑ujemne. Obecnie metoda Grama jest standardową techniką wykorzystywaną w mikrobiologii.
Przeprowadź doświadczenie w laboratorium mikrobiologicznym w celu zbadania barwienia bakterii metodą Grama. Opisz dokonane obserwacje i otrzymane wyniki, a następnie sformułuj wnioski.
**Temat:**Barwienie bakterii metodą Grama
Problem badawczy: Czy gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) i pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) barwią się tak samo przy zastosowaniu metody Grama?
Hipoteza: W wyniku barwienia metodą Grama gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) i pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) barwią się na kolor filetowy.
Sprzęt laboratoryjny:
Odczynniki:
szalka Petriego ze szczepem np. gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) – bakterią Gram‑dodatnią;
szalka Petriego ze szczepem np. pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) – bakterią Gram‑ujemną;
sól fizjologiczna;
zestaw do barwienia metodą Grama (fiolet krystaliczny, płyn Lugola, odbarwiacz – etanol skażony 70%, fuksyna zasadowa);
woda destylowana;
olejek immersyjny;
kawałek mydła;
bibuła.
Instrukcja wykonania doświadczenia:
Załóż rękawiczki jednorazowe.
Wykonaj utrwalony preparat. Odtłuść szkiełko podstawowe mydłem, a następnie oczyść bibułą.
Podpisz preparat markerem, oznaczając go jako „1”.
Na środek szkiełka pipetą nanieś kroplę soli fizjologicznej.
Wyżarz ezę, trzymając ją pionowo przez kilka sekund w płomieniu palnika. Poczekaj do jej ostygnięcia.
Za pomocą ezy przenieś jedną kolonię bakterii z szalki S. aureus i delikatnie rozmaż ją w kropli.
Suchy preparat chwyć pęsetą. Utrwal go w płomieniu palnika, przez trzykrotne przesunięcie szkiełka nad płomieniem. Odłóż preparat i czekaj, aż ostygnie.
W taki sam sposób przygotuj preparat z szalki E. coli. (Powtórz punkty od 2 do 7).
Wykonaj barwienie. Przygotuj wanienkę do barwienia w zlewie. Na jej metalowych rurkach umieść szkiełka podstawowe z utrwalonymi preparatami.
Preparaty zalej fioletem krystalicznym, odczekaj 60 sekund.
Na preparaty nanieś płyn Lugola, odczekaj 30 sekund.
Opłucz preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki.
Preparaty odbarw etanolem skażonym. Poczekaj ok. 10 s.
Opłucz preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki.
Na preparaty nanieś fuksynę zasadową, odczekaj 30 sekund.
Opłucz preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki.
Osusz preparaty bibułą. Pozbawione wilgoci oglądaj pojedynczo w mikroskopie świetlnym z obiektywem immersyjnym, powiększenie 100×.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D8K5JHUEM
Problem naukowy: Czy gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) i pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) barwią się tak samo przy zastosowaniu metody Grama?
Hipoteza: W wyniku barwienia metodą Grama gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) i pałeczka okrężnicy (Escherichia coli) barwią się na kolor filetowy.
Sprzęt laboratoryjny:
2 szkiełka podstawowe;
pęseta/szczypce;
marker;
palnik,
rękawiczki lateksowe;
eza metalowa;
pipeta Pasteura;
mikroskop świetlny z obiektywem immersyjnym 100× (mokrym, „oil”);
metalowa wanienka do barwienia.
Odczynniki:
szalka Petriego ze szczepem np. gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) – bakterią Gram‑dodatnią;
szalka Petriego ze szczepem np. pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) – bakterią Gram‑ujemną;
sól fizjologiczna;
zestaw do barwienia metodą Grama (fiolet krystaliczny, płyn Lugola, odbarwiacz – etanol skażony 70%, fuksyna zasadowa);
woda destylowana;
olejek immersyjny;
kawałek mydła;
bibuła.
Instrukcja wykonania doświadczenia:
Przed wykonaniem utrwalonego preparatu, odtłuszczono szkiełko podstawowe mydłem, a następnie oczyszczono bibułą. Preparat opisano markerem, oznaczając go jako „1”.
Na środek szkiełka pipetą naniesiono kroplę soli fizjologicznej. Wyżarzono ezę, trzymając ją pionowo przez kilka sekund w płomieniu palnika. Poczekano do jej ostygnięcia. Za pomocą ezy przeniesiono jedną kolonię bakterii z szalki S. aureus i delikatnie rozmazano ją w kropli.
Suchy preparat chwycono pęsetą. Utrwalono go w płomieniu palnika, przez trzykrotne przesunięcie szkiełka nad płomieniem. Poczekano aż preparat ostygnie.
W taki sam sposób przygotowano preparat z szalki E. coli.
Wykonanie barwienia. Przygotowano wanienkę do barwienia w zlewie. Na jej metalowych rurkach umieszczono szkiełka podstawowe z utrwalonymi preparatami. Preparaty zalano fioletem krystalicznym, odczekano 60 sekund. Na preparaty naniesiono płyn Lugola, odczekano 30 sekund.
Opłukano preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki. Preparaty odbarwiono etanolem skażonym. Po ok. 10 sekundach, opłukano preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki. Na preparaty naniesiono fuksynę zasadową, odczekano 30 sekund.
Opłukano preparaty wodą destylowaną przy pomocy tryskawki. Dalej osuszono preparaty bibułą. Pozbawione wilgoci obejrzano pojedynczo w mikroskopie świetlnym z obiektywem immersyjnym, powiększenie 100×.
Obserwacje
Komórki gronkowca złocistego (1) (S. aureus) w wyniku barwienia Grama barwią się na fioletowo.
Komórki pałeczki okrężnicy (2) (E. coli) w wyniku barwienia Grama barwią się na różowo.
Wnioski
Barwienie metodą Grama pozwala odróżnić bakterie Gram‑dodatnie od bakterii Gram‑ujemnych.
Gronkowiec złocisty (1) (S. aureus) należy do bakterii Gram‑dodatnich, ponieważ w wyniku barwienia Grama barwi się na fioletowo.
Pałeczka okrężnicy (2) (E. coli) należy do bakterii Gram‑ujemnych, ponieważ w wyniku barwienia Grama barwi się na różowo.
Ściana komórkowa wielu bakterii (zarówno Gram‑ujemnych, jak i Gram‑dodatnich) jest otoczona dodatkową strukturą właściwą tylko dla bakterii – otoczką śluzową. Ta lepka, śluzowata warstwa zbudowana jest zazwyczaj z polisacharydów. Umożliwia prokariontom zlepianie się w kolonie lub przywieranie do podłoża. Może również chronić przed utratą wody albo przed atakiem ze strony układu odpornościowego gospodarza.
Bakterie Gram‑ujemne mogą przylegać do podłoża lub siebie nawzajem za pomocą fimbrii. Są to liczne, włosowate wypustki cytoplazmatyczne zbudowane z białek. Oprócz nich występują mniej liczne, ale za to dłuższe wypustki – pile. Uczestniczą one w przekazywaniu DNA pomiędzy dwiema komórkami podczas koniugacji.
Strukturą umożliwiającą prokariontom poruszanie się jest rzęska. Rzęski mogą występować na całej powierzchni komórki, na jej jednym lub obu końcach. Te u bakterii i archeowców maja podobną długość i mechanizm napędzający. Różnią się składem białek, które je budują. Rzęska zakotwiczona jest w błonie komórkowej za pomocą złożonej struktury, tzw. rotoru, nadającego jej ruch obrotowy. Rzęska niczym śruba okrętowa popycha komórkę do przodu. Ruchy komórek bakteryjnych nazywa się taksjami. Przykładem bakterii w ogóle pozbawionych organelli ruchu są sinice.
Przecinkowiec cholery w ciągu minuty może pokonać 1 cm! W sytuacji zagrożenia bakterie potrafią odrzucić wić, podobnie jak jaszczurka odrzuca ogon. Wić rośnie nieprzerwanie, a jej ruch pochłania sporo energii. W sytuacji niedoboru substancji odżywczych bakterie nie są w stanie jej odbudować, przez co poruszają się wolniej. Ruch rzęski możliwy jest dzięki skorelowanej pracy zestawu białek tworzącego swoisty „silnik” umożliwiający poruszanie długą i spiralną rzęską. Praca białek jest modelowana dzięki obecności chemoreceptorów, które rejestrują różnice stężenia substancji odżywczych w otoczeniu. „Silnik” rotacyjny, czyli protonowy, jest napędzany przez strumień protonów (jonów wodoru) płynących z zewnątrz do wnętrza bakterii. Bakteryjny silnik protonowy uważany jest za najbardziej wydajną strukturę świata!
Indeks górny Na podstawie: Wiedza i Życie, maj 2019, nr 5 (1013). Indeks górny koniecNa podstawie: Wiedza i Życie, maj 2019, nr 5 (1013).
Błona komórkowa bakterii nieco różni się budową od typowej, podwójnej błony fosfolipidowej komórek eukariotycznych – pozbawiona jest cholesterolu. Składa się ze znikomych ilości choliny i kwasów nienasyconych. Dodatkowo w błonie znajdują się enzymy i inne białka przenoszące elektrony w łańcuchu oddechowym. Prokarionty nie mają jądra komórkowego i organelli komórkowych, takich jak mitochondria i plastydy. Pozbawione są też struktur błoniastych, np. błon retikulum endoplazmatycznego.
W cytoplazmie bakterii występują rybosomy będące miejscem syntezy białka. Są one rozrzucone po całej cytoplazmie. U prokariontów występują rybosomy 70S, które zbudowane są z dużej podjednostki o stałej sedymentacji 50S i małej o stałej sedymentacji 30S.
U prokariontów samożywnych (m.in. u fotosyntetyzujących sinic) występują chromatofory. Mają one postać spłaszczonych woreczków (tylakoidów) rozmieszczonych zwykle w peryferyjnych częściach komórki. Struktury te pełnią funkcję chloroplastów, ale mają prostszą budowę. Znajduje się w nich głównie chlorofil a, ale także żółty beta-karoten, czerwona fikoerytryna i niebieska fikocyjanina. Barwniki te nadają sinicom charakterystyczny sinozielony kolor. Fotosyntezę przeprowadzają też bakterie żyjące w osadach dennych, np. bakterie zielone. Ich barwniki fotosyntetyczne to bakteriochlorofil i karotenoidy.
W komórkach sinic występuje również skrobia sinicowa – materiał zapasowy będący polisacharydem przypominającym amylopektynę i glikogen.
Funkcję jądra komórkowego spełnia „chromosom bakteryjny” – genofor. To koliście zwinięta podwójna helisa kwasu deoksyrybonukleinowego. Występuje na obszarze cytoplazmy nazywanym nukleoidem, nieoddzielonym od reszty protoplastu błoną. Genofor zawiera niemal wyłącznie sekwencje kodujące białka (eksony); brak w nim fragmentów niekodujących (intronów). Komórka prokariotyczna może dodatkowo zawierać o wiele krótsze, koliste cząsteczki niezależnie replikującego się DNA nazywane plazmidami, z których większość koduje tylko kilka genów. Od obecności genów zawartych w plazmidach może zależeć m.in. chorobotwórczość bakterii, oporność na metale ciężkie czy na antybiotyki. Istnienie plazmidów z genami oporności na antybiotyki umożliwia bakteriom szybkie przenoszenie tej cechy między różnymi szczepami w procesie koniugacji.
Za oddychanie komórkowe w komórce odpowiada błona komórkowa. Wcześniej uważano, że funkcję tę pełnią drobne twory – mezosomy. Gradient stężenia jonów wodorowych powstający w poprzek błony komórkowej stanowi źródło energii do syntezy ATP.
Kształty komórek bakterii i kolonii bakteryjnych
Ziarniaki to kuliste bakterie, które mogą występować pojedynczo, w parach, w długich łańcuchach oraz w grupach: gronkowce, pakietowce lub tetrady (czworaczki).
Ziarniaki to kuliste bakterie, które mogą występować pojedynczo, w parach, w długich łańcuchach oraz w grupach: gronkowce, pakietowce lub tetrady (czworaczki).
Bakterie pałeczkowate najczęściej występują pojedynczo, ale mogą też łączyć się w łańcuchy.
Bakterie o kształtach spiralnych mają komórki o różnej liczbie i wielkości skrętów – od pojedynczych, przypominających przecinek, do długich skrętów w formie korkociągu.
Formy przetrwalnikowe bakterii
W niekorzystnych warunkach środowiska bakterie mają zdolność zwalniania swojego metabolizmu i wytwarzania specjalnych form przetrwalnikowych. Wyróżnia się dwie główne formy przetrwalnikowe bakterii:
endospory, które powstają przez podzielenie komórki na dwie części: większą i mniejszą, przy czym mniejsza staję się przetrwalnikiem poprzez otoczenie się grubą ścianą. Pozostała część komórki ulega degeneracji. Proces tworzenia endospory to sporulacja;
cysty, które powstają przez odwodnienie cytoplazmy i otoczenie grubą ścianą komórkową: błony komórkowej, rybosomów i genoforu.
Bakterie i archeowce
Bakterie to najliczniejsza grupa prokariontów. Archeowce są grupą, która zawiera cechy bakterii i eukariontów.
- Nazwa kategorii: uniwersalny przodek
- Nazwa kategorii:
- Nazwa kategorii: eukarionty (Domena Eukarya)
- Nazwa kategorii: archeowce (Domena Archaea) Koniec elementów należących do kategorii
- Nazwa kategorii:
- Nazwa kategorii: bakterie właściwe (Domena Bacteria) Koniec elementów należących do kategorii
- Nazwa kategorii: Domena Eukarya
- Nazwa kategorii: Domena Archaea Koniec elementów należących do kategorii Domena Eukarya
- Elementy należące do kategorii uniwersalny przodek
- Elementy należące do kategorii
- Elementy należące do kategorii
- Elementy należące do kategorii Domena Eukarya
Archeowce mogą żyć w środowiskach tak ekstremalnych, że tylko nieliczne inne organizmy są w stanie tam przetrwać. Tego typu organizmy nazywa się ekstremofilami. Wśród nich wyróżnia się ekstremalne halofile i termofile.
Podsumowanie
Budowa komórki prokariotycznej: Komórki bakteryjne (0,5–5 µm) nie posiadają jądra komórkowego ani organelli błoniastych. Ich centrum stanowi nukleoid z kolistym genoforem (DNA bez białek histonowych). W cytoplazmie znajdują się rybosomy 70S oraz mniejsze, koliste cząsteczki DNA – plazmidy, które niosą geny oporności na antybiotyki.
Błona komórkowa nie zawiera cholesterolu; u bakterii samożywnych (np. sinic) tworzy wpuklenia zwane tylakoidami (chromatoforami), zawierające barwniki fotosyntetyczne (chlorofil a, karotenoidy). Za oddychanie komórkowe odpowiada bezpośrednio błona komórkowa.
Ściana komórkowa bakterii Gram‑dodatnich jest gruba i składa się z wielu warstw mureiny (peptydoglikanu). W barwieniu metodą Grama przyjmuje kolor fioletowy.
Ściana komórkowa bakterii Gram‑ujemnych jest cienka i posiada tylko 1–3 warstwy mureiny. Charakterystyczna jest obecność dodatkowej błony zewnętrznej z lipopolisacharydami, które działają jak endotoksyny i zwiększają oporność na antybiotyki. W barwieniu metodą Grama przyjmuje kolor różowy.
Wiele bakterii posiada otoczkę śluzową (ochrona przed wysychaniem i fagocytozą), fimbrie (adhezja), pile (uczestniczą w procesach płciowych) oraz rzęski zbudowane z flagelliny, umożliwiające ruch (taksje).
Archeowce różnią się składem chemicznym błon (wiązania eterowe) oraz brakiem mureiny w ścianie komórkowej. Ich genom jest bardziej zbliżony do eukariotycznego – posiadają introny oraz białka przypominające histony.
Znaczenie i charakterystyka archeowców: Są to głównie ekstremofile żyjące w warunkach skrajnych: wysokiej temperaturze (termofile w kominach hydrotermalnych), dużym zasoleniu (halofile) lub środowiskach beztlenowych.
Bakterie przybierają formy kuliste (ziarniaki, dwoinki, paciorkowce, gronkowce), pałeczkowate (pałeczki, laseczki) oraz spiralne (przecinkowce, śrubowce, krętki). Mogą żyć pojedynczo lub tworzyć kolonie.
Formy przetrwalnikowe: W niesprzyjających warunkach bakterie tworzą endospory (powstają wewnątrz komórki przez podział cytoplazmy i otoczenie mniejszej części grubą ścianą) lub cysty (powstają przez odwodnienie całej komórki i pogrubienie jej ściany).
Ćwiczenia utrwalające
organizm żyjący w środowisku, w którym warunki są tak trudne, że niewiele innych organizmów może tam przetrwać
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
frędzla, krótka, włosowata struktura komórki prokariotycznej, która pomaga jej przylegać do podłoża lub innej komórki
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
organizm, który żyje w wysoko zasolonym środowisku
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
odcinek genu niekodujący sekwencji aminokwasów w polipeptydzie; rozdziela eksony w genach komórek eukariotycznych
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
organizm, który produkuje metan, jako produkt uboczny pozyskiwania energii w procesie oddychanie beztlenowego
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
fimbria płciowa, włosowata struktura, która łączy dwie komórki ze sobą na początku koniugacji
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
proces tworzenia przetrwalników (endospor) u bakterii
1. fimbria, 2. metanogen, 3. sporulacja, 4. pila, 5. halofil, 6. intron, 7. ekstremofil, 8. termofil
organizm, który żyje w gorącym środowisku w temperaturze 60 st. C i więcej
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.