Microbiology: Bacteria and Archaea
Mikrobiologija: Bakterije in arheje
Časovnica domen življenja
Pregled zgodovine življenja:
Časovnica obsega milijarde let in prikazuje pojav ter evolucijo različnih oblik življenja.
Ključni dogodki vključujejo nastanek Zemlje, izvor življenja ter pojav različnih organizmov.
Poudarki časovnice:
Pred 4,5 milijarde let: Nastanek Zemlje, ohlajanje in tvorba trdne skorje.
Pred 4,0 milijarde let: Izvor življenja in prve prokariontske celice.
LUCA (Zadnji skupni prednik): Prednik vseh živih organizmov.
Pred 3,5 milijarde let: Najstarejši fosili prokariontov.
Pred 3,0 milijarde let: Nabiranje kisika v atmosferi zaradi fotosintetskih cianobakterij.
Pred 2,0 milijarde let: Najstarejši fosili evkariontskih celic.
Pred 1,5 milijarde let: Izvor večceličnih organizmov.
Pred 1,0 milijarde let: Najstarejši fosili živali; kambrijska eksplozija (hitro raznolikost življenja).
Pred 0,5 milijarde let: Rastline in simbiontske glive kolonizirajo kopno.
Mezozoik: Izumrtje dinozavrov.
Kenozoik: Pojav prvih ljudi.
Dome življenja:
Bakterije, arheje in evkarionti (protisti, rastline, glive, živali).
Arheje vs. bakterije
Podobnosti:
Oboje so prokarionti.
Oboje imajo 70S ribosome (evkarionti imajo 80S).
Razlike:
Celična stena: Arheje nimajo peptidoglikana, ki ga imajo bakterije.
Celična membrana: Nekatere arheje imajo razvejane verige ogljikovodikov.
Histonom podobni proteini: Arheje jih imajo, podobno kot evkarionti.
Introni: Prisotni v nekaterih genih arhej in evkariontov.
Filogenetski odnos:
Arheje so bolj sorodne evkariontom kot bakterijam zaradi prisotnosti histonom podobnih proteinov in intronov.
Arhebakterije (arheje)
Splošne značilnosti:
Imenujemo jih tudi starodavne bakterije.
Imajo togo celično steno.
Habitat:
Pogosto v ekstremnih okoljih (ekstremofili).
Visoka slanost (halofili).
Visoka temperatura (termofili).
Brez kisika (anaerobna) močvirna območja; metanogeni.
Celična zgradba:
Kromosomska DNA.
Ribosomi.
Fimbrije.
Plazmidna DNA.
Kapsula.
Celična stena.
Plazmalema.
Citoplazma.
Bički.
Bakterije
Velikost:
Običajno 1–5 μm.
Celična zgradba:
Bakterijski kromosom.
Citoplazma.
Plazmidi.
Prokariontska celična zgradba
Pomanjkanje organelov:
Prokariontske celice, kot so bakterije, nimajo pravih organelov.
Fotosintetske membrane:
Fotosintetske bakterije imajo membrane s pigmenti, kot je bakteriohlorofil.
Primeri: Chlorobium (zelene bakterije), Chromatium (vijolične bakterije).
Fotosinteza bakterij ne sprošča kisika.
Brez jedra:
Genetski material je krožna dvojna vijačnica DNA brez jedrne ovojnice.
Običajno vsebuje približno 2000 genov (pribl. 0,2 % genov evkariontskih celic).
Ribosomi:
Manjši kot pri evkariontih.
Razpršeni v citoplazmi in niso vezani na endoplazemski retikulum.
Kapsula:
Lepljiva zunanja plast iz sluzi, ki omogoča tvorbo kolonij (npr. Bacillus anthracis) ali zaščito (npr. Diplococcus pneumoniae).
Plazmalema:
Tipična fosfolipidna dvojna plast s proteini.
Shranjevalne snovi:
Običajno kapljice maščob ali granule glikogena.
Plazmidi:
Kratki krožni odseki DNA, ki se neodvisno podvajajo.
Uporabni v rekombinantni DNA tehnologiji.
Pili (fimbrije):
Proteinski filamenti, vključeni v oprijem celice.
Spolni pilus omogoča prenos DNA med celicami.
Biček:
Omogoča gibanje pri številnih bakterijah.
Enostavnejši od evkariontskih; zgrajen iz tubulina proteina (flagelina).
Vrti se kot ležaj, zasidran v celični steni in poganja celico.
Celična stena:
Toga mreža muropolisaharidov, prepletenih s peptidnimi verigami.
Gram-pozitivne bakterije: debelejša stena s polisaharidi in proteini.
Gram-negativne bakterije: tanjša stena s prekrivajočo lipidno plastjo (zaščita pred lizosimom in penicilinom).
Daje obliko in preprečuje osmotske poškodbe.
Mezosome:
Uvihanosti celične membrane, kjer potekajo procesi celičnega dihanja.
Protonski gradient poganja sintezo ATP.
Oblike bakterij:
Kokus (okrogla).
Bacil (palčasta).
Spirila (spiralna).
Kapsula
Sestava:
Lepljiva plast polisaharidov in proteinov.
Funkcije:
Zaščita pred dehidracijo.
Pomoč pri oprijemu.
Rezervni vir hranil.
Zaščita pred imunskim odzivom.
Oblike in razporeditve bakterij
Koki:
Kokus: ena celica.
Diplokokus: par.
Streptokokus: veriga.
Tetrakokus: skupina štirih.
Sarcina: kockasta razporeditev osmih.
Stafilokokus: grozdasta razporeditev.
Bacili:
Bacil: ena palčasta celica.
Diplobacil: par.
Streptobacil: veriga.
Kocobacil: ovalna oblika.
Druge oblike:
Vibrio (ukrivljena palica).
Fusobacterium (vretenasta).
Corynebacteriaceae (kijasto oblikovana, v obliki črke V).
Spirale: Spirila (tog), Spiroheta (prožna, npr. Treponema, Borrelia).
Razmnoževanje prokariontov: delitev na dvoje
Postopek:
Podvojitev kromosoma.
Rast celice.
Razdelitev v dve celici.
Značilnosti:
Brez mitotičnega vretena.
Brez mitoze in mejoze.
Genetska raznolikost prokariontov
Hitro razmnoževanje (npr. E. coli vsakih 20 minut).
Visoka mutacijska stopnja → velika raznolikost.
Izjemna prilagodljivost.
Tvorba endospor
Namen:
Preživetje v ekstremnih razmerah (vročina, sevanje, razkužila, led).
Koraki:
Izolacija DNA.
Oblikovanje membrane.
Tvorba predspore.
Oblikovanje zaščitnih plasti.
Sprostitev endospore.
Primer: Bacillus anthracis.
Peptidoglikan
Zgradba:
Mrežasta molekula iz polisaharidov (N-acetilglukozamin, N-acetilmuraminska kislina) in aminokislin.
Prisotnost:
V celičnih stenah bakterij.
Odsotnost pri arhejah:
Imajo proteine in polisaharide, ne pa peptidoglikana.
Tehnike barvanja bakterij
Enostavno barvanje:
Z eno barvo, npr. metilen modra.
Negativno barvanje:
Npr. Indijsko črnilo; obarva ozadje.
Gramovo barvanje
Načelo:
Diferencialno barvanje glede na strukturo celične stene.
Gram-pozitivne:
Debela plast peptidoglikana.
Vijolično/modro.
Gram-negativne:
Tanka plast peptidoglikana, zunanja membrana.
Rdeče obarvane.
Postopek:
Kristal vijolična.
Lugolov jod.
Alkohol (dekolorizacija).
Fuksin (kontrastno barvilo).
Primerjava celične stene
G+: več peptidoglikana, teihonske kisline.
G−: manj peptidoglikana, lipopolisaharidi, porini.
Genetska izmenjava pri prokariontih
Paraspolna razmnoževanja:
Brez spolne razmnoževanja.
Izmenjava DNA (rekombinacija).
Mehanizmi prenosa DNA:
Transformacija: prevzem DNA iz okolja.
Transdukcija: prenos DNA z bakteriofagi.
Konjugacija: prenos preko neposrednega stika.
Sodobna biotehnologija
Uporabe:
Industrijska biosinteza: inzulin, hormoni, antibiotiki.
Bioremediacija: razgradnja onesnaževal.
Fermentacija hrane: jogurt, kislo zelje.
Presnovna raznolikost bakterij
Glede na vir energije:
Fototrofi: svetloba.
Kemotrofi: kemijske spojine.
Glede na vir ogljika:
Avtotrofi: CO₂.
Heterotrofi: organske spojine.
Fotoavtotrofi:
Cianobakterije: vsebujejo klorofil a, proizvajajo kisik.
Heterociste: fiksacija dušika.
Vijolične in zelene žveplene bakterije: brez sproščanja kisika.
Kemototrofi:
Iz anorganskih snovi (npr. H₂, NH₃, H₂S, Fe²⁺).
Primer: Nitrosomonas (pretvorba NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻).
Kemoheterotrofi:
Večina prokariontov.
Vir energije in ogljika: organske spojine.
Primer: Lactobacillus.
Fotoheterotrofi:
Morski prokarionti.
Svetloba kot vir energije, organske snovi kot vir ogljika.
Temperatura:
Psihrofilni: < 20 °C.
Mezofilni: 25–40 °C.
Termofilni: > 40–90 °C.
Vloga v biosferi:
Saprotrofi: razkrojevalci, reciklaža hranil.
Simbionti: prebavila, korenine rastlin.
Patogeni: povzročitelji bolezni.
Patogeneza:
Pogosto z izločanjem toksinov.
Egzotoksini: beljakovine, ki poškodujejo membrane gostitelja.
Primeri:
Botulin: zastrupitev z neustrezno konzervirano hrano.
Tetanus: okužba ran z bakterijami iz tal.
Antibiotiki
Odkritje:
Penicilin odkril A. Fleming 1928.
Izolacija: Florey in Chain 1941.
Nobelova nagrada 1945.
Opredelitev:
Presnovni produkti, ki zavirajo rast drugih mikroorganizmov.
Vrste antibiotikov:
Antibakterijski.
Antimikotični.
Ozko ali širokospektralni.
Načini delovanja:
Zaviranje sinteze celične stene, proteinov, DNK.
Bakteriostatični: zavirajo rast.
Baktericidni: uničujejo bakterije.
Izvor:
Naravni.
Semisintetski.
Sintetski.
Testiranje učinkovitosti antibiotikov
MIC: Najmanjša inhibitorna koncentracija.
Dilucijski antibiogram: Kvantitativna metoda na medijih.
Difuzijski antibiogram: Diski z antibiotiki, merjenje območja inhibicije.
Škodljivost antibiotikov
Selektivna toksičnost: npr. penicilin ne škodi človeškim celicam (nimajo stene).
Vpliv na mitohondrije: streptomicin, eritromicin, kloramfenikol lahko zavirajo sintezo proteinov v mitohondrijih zaradi podobnosti z bakterijami.
Učinek na mikrofloro: Dolgotrajna uporaba antibiotikov lahko vodi do disbioze, kar pomeni neravnovesje med koristnimi in škodljivimi mikroorganizmi v telesu.
Razvoj odpornosti: Pogosta in nepravilna uporaba antibiotikov lahko povzroči razvoj odpornosti pri bakterijah, kar predstavlja resno grožnjo za učinkovito zdravljenje infekcij.
Interakcija z drugimi zdravili: Antibiotiki lahko vplivajo na učinkovitost drugih zdravil, kar lahko vodi do nepričakovanih stranskih učinkov ali zmanjšanja terapevtske učinkovitosti.