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 ich komórek 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.
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 komórkowa większości bakterii zbudowana jest z mureiny (peptydoglikanu). Związek ten budują łańcuchy polisacharydowe i peptydy. Ściana komórkowa nadaje bakterii kształt i chroni ją przed pęknięciem, do którego mogłoby dojść wskutek napływu wody do komórki. Mureina jest miejscem działania niektórych antybiotyków, które zaburzają jej syntezę.
Istnieją bakterie, które nie posiadają ściany komórkowej. Bakterie z rodzaju Mycoplasma, najmniejsze znane obecnie bakterie, nie tworzą peptydoglikanów, a 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 podczas barwienia metodą Grama odbarwiają się alkoholem, a następnie przyjmują barwę barwnika kontrastowego — zwykle różową lub czerwoną. 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.
Ze względu na wynik barwienia metodą Grama wiele bakterii dzieli się na Gram‑dodatnie i Gram‑ujemne. Podział ten nie obejmuje jednak w prosty sposób wszystkich bakterii.
Przeprowadź doświadczenie w laboratorium mikrobiologicznym w celu poznania 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.
U wielu bakterii na zewnątrz ściany komórkowej występuje warstwa substancji wydzielanych przez komórkę. Jeżeli jest ona dobrze zorganizowana i ściśle związana z powierzchnią komórki, nazywa się ją otoczką śluzową. 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.
Na powierzchni niektórych bakterii występują krótkie, liczne struktury białkowe nazywane fimbriami, które ułatwiają przyleganie do podłoża lub komórek gospodarza. Niektóre bakterie wytwarzają również pile, w tym pile uczestniczące w koniugacyjnym przekazywaniu DNA.
Strukturą umożliwiającą prokariontom poruszanie się jest wić. Wici mogą występować na całej powierzchni komórki, na jej jednym lub obu końcach. Zbudowane są z flagelliny. Wić zakotwiczona jest w błonie komórkowej za pomocą tzw. rotoru, nadającego jej ruch obrotowy. Popycha ona komórkę do przodu. Kierunkową zmianę ruchu w odpowiedzi na bodziec, np. gradient stężenia substancji chemicznej, nazywa się taksją. Przykładem bakterii pozbawionych organelli ruchu są sinice.
W dawnej polskiej nomenklaturze mikrobiologicznej struktury napędowe bakterii powszechnie nazywano rzęskami. Do dziś bakterie klasyfikuje się pod kątem ich rozmieszczenia na komórce jako np. jednorzęse (monotrichalne) lub okołorzęse (peritrichalne) – nikt nie mówi o nich „jednowiciowe”.
Komórki bakteryjne nie mają jądra komórkowego ani większości organelli otoczonych błonami, charakterystycznych dla komórek eukariotycznych. Zawierają jednak rybosomy oraz mogą mieć wewnętrzne błony i wyspecjalizowane przedziały komórkowe.
Błona komórkowa bakterii nieco różni się budową od typowej, podwójnej błony fosfolipidowej komórek eukariotycznych – u wielu pozbawiona jest cholesterolu. W błonie znajdują się między innymi białka transportowe oraz składniki łańcucha oddechowego.
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.
W komórkach sinic występuje również skrobia sinicowa – materiał zapasowy będący polisacharydem przypominającym amylopektynę i glikogen.
Główna część informacji genetycznej bakterii znajduje się zwykle w chromosomie bakteryjnym (nazywanym także genoforem) położonym w obszarze cytoplazmy nazywanym nukleoidem. Chromosom bakteryjny jest kolistą cząsteczkę DNA, nieoddzieloną błoną od reszty protoplastu. Genofor zawiera niemal wyłącznie sekwencje kodujące białka (eksony); fragmenty niekodujące (introny) występującą niezwykle rzadko.
Komórka prokariotyczna może dodatkowo zawierać o wiele krótsze cząsteczki DNA nazywane plazmidami. Są zdolne do replikacji niezależnie od chromosomu bakteryjnego. Najczęściej są koliste. 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.
U prokariontów samożywnych (m.in. u fotosyntetyzujących sinic) występuje rozbudowany system błon tylakoidowych, w których znajdują się barwniki (głównie chlorofil a, żółty beta-karoten, czerwona fikoerytryna i niebieska fikocyjanina) i białka uczestniczące w fotosyntezie. U innych bakterii fotosyntetyzujących błony fotosyntetyczne mogą mieć odmienną postać.
Za oddychanie komórkowe w komórce bakterii odpowiada błona komórkowa. 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).
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 spowalniania swojego metabolizmu i wytwarzania specjalnych form przetrwalnikowych. Wyróżnia się dwie główne formy przetrwalnikowe bakterii:
Niektóre bakterie wytwarzają wyspecjalizowane formy odporne na niesprzyjające warunki. Najlepiej poznane są endospory powstające u części bakterii Gram‑dodatnich. Powstają one w procesie nazywanym sporulacją. Po asymetrycznym podziale komórki powstaje mniejsza część zawierająca kopię DNA. Zostaje ona otoczona przez komórkę macierzystą i wytwarza wielowarstwowe osłony. Po dojrzeniu endospory komórka macierzysta ulega rozpadowi. Endospora jest formą przetrwalną, a nie sposobem rozmnażania.
U niektórych innych bakterii występują odmienne formy spoczynkowe, określane między innymi jako cysty. Powstają przez odwodnienie cytoplazmy i otoczenie grubą ścianą komórkową: błony komórkowej, rybosomów i genoforu.
Bakterie i archeowce
Bakterie to najliczniejsza grupa prokariontów. Archeowce, podobnie jak bakterie, mają komórki prokariotyczne, ale różnią się od bakterii budową błon i ścian komórkowych oraz przebiegiem wielu procesów molekularnych. Pod względem niektórych mechanizmów przetwarzania informacji genetycznej są bardziej podobne do eukariontów niż do bakterii.
- 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
Niektóre archeowce są ekstremofilami, czyli mogą żyć w środowiskach tak ekstremalnych, że tylko nieliczne inne organizmy są w stanie tam przetrwać. Wśród nich wyróżnia się ekstremalne i . Również liczne gatunki występują w środowiskach o umiarkowanych warunkach, między innymi w glebie, wodach oceanicznych i przewodach pokarmowych zwierząt.
Podsumowanie
Komórki bakteryjne nie mają jądra komórkowego ani większości organelli otoczonych błonami, charakterystycznych dla komórek eukariotycznych. Ich centrum stanowi nukleoid z kolistym genoforem (DNA nie jest związane z białkami histonowymi). W cytoplazmie znajdują się rybosomy 70S oraz mniejsze, koliste cząsteczki DNA – plazmidy, które niosą m.in. geny oporności na antybiotyki.
U bakterii samożywnych (np. sinic) występuje rozbudowany system wewnętrznych błon tylakoidowych zawierających barwniki i białka fotosyntetyczne. Oddychanie komórkowe zachodzi bezpośrednio w błonie komórkowej.
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 wici zbudowane z flagelliny, umożliwiające ruch (taksje).
Archeowce różnią się składem chemicznym błon oraz brakiem mureiny w ścianie komórkowej. Ich genom jest bardziej zbliżony do eukariotycznego – posiadają odcinki niekodujące oraz białka przypominające histony.
Archeowce to głównie ekstremofile żyjące w warunkach skrajnych: wysokiej temperaturze (termofile w kominach hydrotermalnych), dużym zasoleniu (halofile) lub środowiskach beztlenowych.
Bakterie przybierają formy kuliste (np. ziarniaki, dwoinki, paciorkowce, gronkowce), pałeczkowate (pałeczki, laseczki) oraz spiralne (przecinkowce, krętki). Mogą żyć pojedynczo lub tworzyć kolonie.
W niesprzyjających warunkach bakterie tworzą formy przetrwalnikowe: endospory (powstają wewnątrz komórki przez asymetryczny 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.