Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

2 Materiály k přednáškám z předmětu Mikrobiologie a virologie část mikrobiologie BOT/MVP a BOT/MVPX Katedra botaniky PřF UP v Olomouci RNDr. Barbora Mieslerová, Ph.D. Doc. RNDr. Michaela Sedlářová, Ph.D. VERZE LS 2010/2011 Byly inovovány v rámci projektu: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

3 Systematické řazení organismů - historie V prvním systému Linného (polovina 18. stol.) byly rozlišeny pouze živočichové (ANIMALIA) a rostliny (PLANTAE) (za jejichž součást byly považovány i houby, ale i bakterie). V polovině 19. stol. byly ustanovené nové říše: PROTOCTISTA (Hogg, 1861) pro jedno- i vícebuněčné organizmy, které nelze zařadit ani mezi rostliny, ani mezi živočichy. A PROTISTA (Haeckel, 1866) pro jednobuněčné organizmy, stojící mezi rostlinami a živočichy. Whittaker (1969) ve svém systému rozlišuje 5 říší s přihlédnutím ke způsobu výživy.

4 Ve starším pojetí zahrnovala říše bakterie (Monera) všechny prokaryotní organismy. V roce 1977 Carl Woese zjistil, že Archaea mají vlastní vývojovou linii, odlišnou od linie bakterií. Z toho vyplývající taxonomie byla založená na sekvenaci určitého úseku rrna, a rozdělila prokaryotické organismy na dvě samostatné domény. Pouze na základě molekulární biologie dospěli Woese et al. (1990) k závěru, že organismy lze rozdělit do tří velkých skupin, které byly označeny jako impéria (domény) a tyto jsou nejvyšší taxonomickou kategorií nadřazenou říším. V současnosti jsou ustanoveny 3 IMPÉRIA: ARCHAEA, PROKARYA (BACTERIA) A EUKARYA. Stále je však široce přijímáno, že říše Eukarya se rozdělují do PĚTI ŘÍŠÍ (PROTOZOA, CHROMISTA, FUNGI, PLANTAE, ANIMALIA) (Cavalier-Smith, 1998).

5 Klasifikace organismů do tří domén (impérií) a 6 říší (Cavalier-Smith, 1998).

6 Evoluce prokaryot a eukaryot určená na základě porovnání sekvencí 16S ribozomální RNA Fylogenetický strom podle Rosypala (2003)

7 VLASTNOSTI NEBUNĚČNÝCH A BUNĚČNÝCH MIKROORGANISMŮ VIRY, VIROIDY, PRIONY - postrádají buněčný typ organizace - nemají vlastní metabolismus, rozmnožují se v živé b. Virus - DNA nebo RNA obklopená ochranným proteinovým obalem (kapsida), Viroid- řetězec RNA bez proteinového obalu, Prion - proteinová částice bez NK PROKARYA jednobuněčné organismy s jadernou hmotou bez membrány Bakterie - nemají chlorofyl nebo jiný než chlorofyl rostlin Sinice - chlorofyl i další pigmenty přítomny, nejsou vázány v chloroplastech ARCHAEA - V buněčné stěně chybí peptidoglykan, složky translace částečně podobné Prokaryotům i Eukaryotům EUKARYA buňky s jedním nebo více jádry s membránou Houby - veget. b. mají b. stěnu, bez chlorofylu Řasy - veget. b. mají b. stěnu, chlorofyl v chloroplastech Prvoci - jednobuněčné, bez pravé buněčné stěny

8 SROVNÁNÍ PROKARYOTICKÝCH A EUKARYOTICKÝCH BUNĚK P E Rozměry buňky : 0,3 0,5 μm 2-20 μm Genetická struktura: Počet chromozomů 1 1 a více Dělení jádra mitózou -- + Jaderná membrána -- + Buněčné struktury: Buněčná stěna stejná stavba rozdílná Mitochondrie, organely -- + Ribozómy 70 S 80 S Fotosyntetické pigmenty v chromatoforech chloroplastech

9 DOMÉNA ARCHAEA, ARCHAEBACTERIA Pouze vzdáleně příbuzné ostatním prokaryotům Od bakterií a eukaryot je odlišuje stavba jejich cytoplazmatické membrány, buněčné stěny, genom a některé metabolické pochody. Rozmnožují se binárním dělením. V buněčné stěně chybí peptidoglykan Buněčná stěna muramová kyselina Pravděpodobně prodělaly menší evoluční změnu než eubakterie Existují za extrémních podmínek jako je například mimořádně vysoký osmotický tlak, vysoká teplota, ale i anaerobní prostředí. Speciální strukturní, chemické a metabolické adaptace, umožňující růst na extrémních stanovištích Ribozóm 70S Citlivost k chloramfenikolu a kanamycinu, ne k anizomycinu V současné době věda nezná žádný parazitický či patogenní druh z domény Archaea, přestože jeho existence není vyloučena. Naopak je známo mnoho oboustranně výhodných, mutualistických vztahů.

10 Archaea Velká variabilita G+, G- Fosfolipidy archeí jsou složeny z glycerol-etherlipidů, bakterie a eukaryota mají v membráně především glycerol-esterlipidy. Membrány řada glycerolipidů, mono a dvojvrstvy Struktury na membráně archeí. Nahoře fosfolipid archeí (1) isoprenový řetězec, (2) etherová vazba, (3) L-glycerol, (4) fosfátová skupina. Uprostřed bakteriální a eukaryotní fosfolipid - (5) mastná kyselina, (6) esterová vazba, (7) D-glycerol, (8) fosfátová skupina. Dole (9) lipidová dvouvrstva bakterií a eukaryot, (10) lipidová jednovrstva některých archeí Chemotrofní (Organotrofní, Litotrofní), Fototrofní Metabolismus cukrů nebyl nalezen enzym 6-fosfofruktokinasa, halofilní a termofilní katabolizují glukozu bez fosforylace metanogenní nemetabolizují glukosu Respirace chybí pyruvát dehydrogenasa, přítomna pyruvát oxidoreduktasa halofilní a termofilní funkční dýchací řetězec metanogenní b. nebyl nalezen kompletní cyklus trikarboxylových kyselin

11 SYSTEMATICKÉ ČLENĚNÍ ARCHAEA ARCHAEA Velmi speciální a neobvyklá fyziologie a biochemie a extrémními podmínkami prostředí. Tvoří 3 fylogeneticky odlišné skupiny: Crenarchaeota, Euryarchaeota a Korarchaeota. Ale ekologicky tvoří 3 skupiny 1. Metanogenní bakterie. Akceptor elektronů je CO 2 (anaerobní respirace). Jsou striktně anaerobní a žijí a produkují metan v bahnech, ve střevech živočichů i v bachoru přežvýkavců. Methanobacteruim, Methanococcus 2. Extrémní halofilové. Vyžadují 15% koncentraci NaCl v prostředí. Žijí na pobřeží moře, kde se těží sůl, v mrtvém moři či ve Slaném jezeře. Dovedou transformovat světelnou energii slunce v energii molekul ATP procesem zcela odlišným od chlorofylové fotosyntézy. Halobacterium 3. Extrémní termoacidofilové. Žijí v horkých sirných pramenech při teplotách okolo 80 C a ph 0,1. Získávají energii oxidací podle rovnice H 2 S + O 2 H 2 SO 4, nezávisle na organických látkách. Sulfolobus, Thermoplasma

12 Methanogenní bakterie - striktně anaerobní a žijí a produkují metan v bahnech, ve střevech živočichů i v bachoru přežvýkavců Hypertemofilové Pyrolobus fumarii podmořské hydrotermální prameny Minimum 90 C, optimum 106 C, maximum 113 C Halofilové - Halobacterium salinarum extrémní koncentrace solí - v Mrtvém moři Halobacterium Methanosarcina Pyrolobus fumarii

13 DOMÉNA PROKARYA Odd. Cyanobacteria /sinice/ - fotolitotrofní prokaryotické organismy - při fotosyntéze využívají vodu, na světle uvolňují O 2, schopnost fixace N Aerotopy 2 Nodularia litorea - kruhová DNA (jadérko a karyolema chybí), ribozomy, tylakoidy, granule cyanofycinu, karboxizomy (enzymy), plynové měchýřky (aerotopy) nadnášení, na hladině lepší světelné podmínky pro fotosyntézu - fykobilizomy na tylakoidech, barviva chlorofyl a, fykobiliprotein /fykocyanin, fykoerytrin, xantin/ - pevná mnohovrstevná buněčná stěna, peptidoglykan - aktivní pohyb - morfologie jednobuněčné = kokální formy sinic (kolonie) množí se dělením, vzácněji exosporami Chroococcus jednoduchá n. rozvětvená mnohobuněčná vlákna = vláknité formy sinic množí se dělením, hormogoniemi (krátké vl.), specializované buňky: akinety i dormantní stadium heterocyty molekulární fixace vzdušného N 2, Anabaena Nodularia spumigena Annabaena

14 Anabaena Stigonema Chroococcus Oscillatoria Nostoc

15 Odd. Bacteria /bakterie/ Velikost bakterií Tyčinkovité b. tloušťka 0,3-2 µm, délka 1-7 µm Koky 0,5-5,5 µm autotrofní (fotolitotrofní, chemolitotrofní) heterotrofní (fotoorganotropní, chemoorganotroní) - vznik v prekambriu (anaerobně heterotrofní) - z nich fermentující b. (klostridie, spirochety, mykoplazmata, lakrobacily)

16 ROZDĚLENÍ MIKROORGANISMŮ PODLE ZDROJE C A ENERGIE ZDROJ ENERGIE ZDROJ UHLÍKU ORGANICKÉ LÁTKY CO 2 Organotrofní org. Litotrofní org. FOTOTROFNÍ ORGANISMY SVĚTLO Fotoorganotrofní org. Fotolitotrofní org. Purpurové nesirné bakterie Zelené nebo purpurové sirné bakterie CHEMOTROFNÍ ORGANISMY CHEMICKÁ LÁTKA Chemoorganotrofní org. Většina bakterií a mikromycet Chemolitotrofní org. Nitrifikační, železité,sirné bakterie

17 Koky -kulovité bakterie -diplokoky -streptokoky (řetízky) -tetrakoky -stafylokoky (hrozny) -sarciny (krychlovitého tvaru) Základní tvary bakteriálních buněk

18 Tyčinky -diplobakterie -streptobakterie -palisádové seskupení Zakřivené bakterie -vibria -spirily -spirochéty Základní tvary bakteriálních buněk - pokrač. Vláknité bakterie -dlouhá, tenká vlákna, spojené slizem -ř. Actinomycetales Větvící se bakteriální b.

19 Buněčné funkce Základní funkce buněk - ohraničení vnitřního prostoru buňky a jeho oddělení od vnějšího prostředí - replikace genetické informace - syntéza buněčných součástí - tvorba, ukládání a využití energeticky bohatých sloučenin Nadstandardní funkce buněk - pohyb - přenos genetické informace na další buňky - skladování rezervních zdrojů energie (sacharidy, lipidy) - vytváření jiných typů buněk (endospor)

20 Struktura bakteriální buňky Struktury, vyskytující se u všech bakterií: - nukleoid /jádro/ - cytoplazma - ribozómy - cytoplazmatická membrána - buněčná stěna Struktury, nevyskytující se u všech: - pouzdro /kapsula/ - bičíky - u pohyblivých b. - fimbrie /pilusy/ - u G - b. - inkluze - mesozómy - chromatofory a chlorobiové váčky - u fototrofních b. - endospory - u čel. Bacillaceae Struktury vnitřní: nukleoid, cytoplazma, ribozómy, inkluze Struktury vnější: cytoplazmat.m., buněčná stěna, bičíky, fimbrie, mesozómy, chromatofory, endospory

21

22 Nukleoid - 1 molekula DNA - chromozóm bakterií - 10% objemu buňky, v jaderné oblasti - není od cytoplazmy ohraničen membránou - nedělí se mitoticky Plazmidy - kruhové DNA, kódují neesenciální vlastnosti - v buňce existuje mnoho kopií - dělení nezávisle na chromozomech Cytoplazma - koloidní roztok globulárních bílkovin - RNA, aminokyseliny, nukleotidy - soli organických kyselin - biosyntetické pochody aminokyselin, nukleotidů, polysacharidů, DNA, RNA Ribozómy - volně v cytoplazmě, 70 S (x eukaryota 80 S) - funkce ribozómů spočívá ve správném přečtení gen. kódu - velká a malá podjednotka (mezi nimi prochází mrna) - segment mrna při biosyntéze polypeptidového řetězce odpovídá 8 kodonům - rrna jednořetězcová

23 - Podle genetického kódu se na ribozómech vyrábějí bílkoviny (B) ze základních 20 aminokyselin AK. - Početná skupina tvorů včetně člověka do B umí vložit i AK selenocystein. Využívá k tomu trojici písmen genetického kódu, která za obvyklých okolností znamená tečku tedy povel, aby syntéza bílkoviny v tomto místě skončila. Za určitých podmínek se tečka stává slovem a syntéza bílkoviny pokračuje právě selenocysteinem. - Jedna z bakterií vegetujících v kravském bachoru je schopna zařadit do svých bílkovin i 22. aminokyselinu pyrrolysin. Používá stejného triku proměny genetické tečky na slovo. -uměle byla získána bakterie vyrábějící myoglobin z 20 základních AK + o-metyl-ltyrozin+l-homoglutamin Výhledy: - fluorescenční značení bílkovin - sledování jejich pohybu v organismu

24 Cytoplazmatická membrána Struktura fosfolipidová dvojvrstva - příčný pohyb lipidů Eubacteria - obsahují mastné kyseliny Archaebacteria - ne MK Mykoplazmata - steroly - pružná, nepropustná pro vysoce polární molekuly globulární bílkoviny - mozaikovitá struktura - jediná membrána prokaryot Tloušťka 10 nm Hopanoidy stabilizují membránu Rostlina Bakterie Funkce - osmotická bariéra - semipermeabilní - spec. enzymy - permeázy - je sídlem : - cytochromů a bílkovin - enzymů - katalyzují biosyntézu fosfatidů a glykolipidů - enzymů pro biosyntézu buněčné stěny - DNA- polymeráz

25 Buněčná stěna - pevná, elastická, propustná pro soli - rozdílná u G + a G - bakterií, u mykoplazmat chybí - udržuje tvar, chrání před lyzí (osmotický tlak) Základní složka peptidoglykan /mukopeptid/ - kostra (N-acetylglukosamin + k. N-acetylmuranová) - jen u Eubacteria x Archaebacteria nemají - syntéza ovlivněna penicilínem

26 Barvení podle Grama G - - fixace -krystalová violeť (2g k.v. + 20g 95% etoh, po rozpuštění doplnit do 100ml 1% oxalátem amonným) -Lugolův roztok (1g jod + 2g KI, + 300ml dh2o) - 96% ethanol omývání 30sec -safranin (0,25g s. + 10ml 96% etoh, po rozpuštění 100ml dh2o)

27 DIFERENCIÁLNÍ GRAMOVO BARVENÍ

28 Buněčná stěna G + bakterie - tloušťka 20 nm - peptidoglykan - teichoová kyselina, lipoteichoová (glycerol + ribitolfosfát) - teikuronové kyseliny - bílkoviny - (glykolipidy) (korynebakterie, mykobakterie kys. mykolová) Bacillus cereus Bacillus licheniformis

29 Buněčná stěna G - bakterie - tloušťka nm - peptidoglykan tvoří jen 10-20% - lipopolysacharidy často toxické (toxická lipidová část=endotoxin) - fosfolipidy - lipoproteiny Escherichia coli Aquaspirillum_serpens

30 Kyselé barvení fuchsinem - použití pro stanovení mykobakterií (př. Mycobacterium tuberculosis, M. leprae, M. bovis), které se nebarví Gramovým barvením kvůli lipidu na povrchu buňky - v buněčné stěně vysoký podíl lipidů s uhlíkatými kyselinami mykolovými, v kyselém roztoku alkoholu vážou bazické barvivo fuchsin Princip - zahřátí v roztoku bazického fuchsinu a fenolu - promytí směsí kyseliny a etoh (mykobakterie se neodbarví) - dobarvení metylenovou modří Mycobacterium leprae

31 Bakteriální pouzdro (kapsula) - želatinové pouzdro vně BS u některých kmenů, za určitých podmínek výživy - zabraňuje vysychání, t, ch. látkám, zvyšuje rezistenci některých patogenních b. - přichycení na různé povrchy, mohou tvořit jemná, krátká vlákénka (glykokalyxpolysacharidy) - kmeny s BP na agaru tvoří hladké kolonie = S-formy (smooth), mutací mohou přecházet v drsné = R-formy (rough) Hladké (smooth) x drsné (rough) kolonie bakterií Rough colonies on blood agar (right) and smooth colonies on bicarbonate agar (left) of cultured Bacillus anthracis

32 Bakteriální pouzdro (kapsula) Složení polysacharidy polypeptidy Makrokapsuly - polysacharidy (Streptococcus pneumoniae ochranná funkce, S. mutans přilnutí k zubům) - lipidy (Bacillus) - Mikrokapsuly - tloušťka do 0,2 nm - bílkoviny + polysacharidy (enterobakterie) - Sliz - vznik vylučováním složek z pouzdra, volně připojená nepravidelná vrstva - Leuconostoc mesenteroides (sacharózu z prostředí přemění na dextran) - Acetobacter aceti (vylučuje celulózu - spojení buněk)

33 Spirillum volutans Negativní barvení (Burriho metoda)

34 NEGATIVNÍ BARVENÍ Bacillus atrophaeus

35 Bičíky (flagella) Funkce - pohyb - tloušťka 0,01-0,02 μm délka 3-12 μm - není u koků - pohyb vzniká otáčením (jako lodní šroub) spirily ot./m Vibrio cholerae až 200 ot./m - chemotaxe, aerotaxe, fototaxe, osmotaxe, termotaxe Struktura flagelin + sacharidy Začíná polymerace flagelinu Fimbrie (pilusy) Funkce přilnavost obsahují adhesiny - tloušťka 7-10 nm délka 1-4 μm - hlavně u G - b. - b. mohou přilnout k buňkám i podkladu Struktura - bílkovinné složky svinuté do šroubovice

36 Inkluze - zásobní látky, v podobě granul (polysacharidy, k. poly-β-hydroxymáselná, tukovité látky, polyfosfáty, S) Glykogenová granula - volně rozptýlené, ohraničeny jednovrstevnou membránou - podobné glykogenu, nebo amylopektinu - rod Bacillus, Clostridium - hromadí se v b. při dostatku C výživy a při nedostatku N Granula kyseliny poly-β-hydroxymáselné - ve formě granul ohraničených jednovrstevnou membránou - rod Bacillus, Pseudomonas - anaerobní b. - polymer - zdroj energie a uhlíku Granula síry - v buňkách sirných bakterií Polyfosfátová granula - při nedostatku živin /S/, zdroj fosforu - kulovitý tvar Plynové vakuoly - u fototrofních zelených a purpurových sirných bakterií aj. - plynové váčky - cylindrický vzhled, jednovrstevná membrána pevná, nepropustná pro vodu Chlorobiové váčky - bakteriochlorofyl a, c, d - jednovrstevná membrána - čeleď Chlorobiaceae - zelené sirné b., Chromatiaceae purpurové sirné b.

37 Mesozómy - u G + b. - měchýřky vzniklé v(y)chlípením CM - funkce? tvorba septa, aerobní respirace Chromatofory - měchýřkovité, váčky postupně vevnitř rozděleny do segmentů - fotosyntetické pigmenty+barviva Periplazmatické váčky - u G + b. - obsahují B. enzymy, proteasy Endospory - některé G + b., hl. Bacillus, Clostridium - vyvíjejí se při nedostatku živin - před vznikem spory rozdělení nukleoidu, zrání - další vrstvy = odolná vůči podmínkám prostředí, nebarví se - ve stěně-dipikolinát vápenatý-tepelná odolnost - klíčení (spontánní x aktivace = krátké zahřátí v 65 C n. přídavek AK - alanin): bobtnání - narušení obalu - dělení

38 Tvorba endospory