Prokaryotické organismy. Prokaryotická buňka. Obaly prokaryotické buňky. Co jsou prokaryotické organismy? řec. Pro = před; karyon =

Transkript

1 Prokaryotické organismy Co jsou prokaryotické organismy? Které skupiny známých organismů mezi prokaryota zařadíte? Co jsou prokaryotické organismy? řec. Pro = před; karyon = Jednodušší typ buňky prokaryotická, s primitivním jádrem (jádro bez jaderné membrány) Velikost - několik μm až desítek μm Vznik před cca 3 3,5 mld let (první buněčné organismy) Pouze jednobuněčná úroveň Jednodušší dělení buňky Jiný způsob řízení metabolismu Prokaryotická buňka Obaly prokaryotické buňky Plazmatická membrána pouze na povrchu buňky;může tvořit vchlípeniny váčky (tylakoidy, mezozómy) Polopropustná, tekutá Zajišťuje chemickou ochranu Buněčná stěna Tvořena jinými látkami než u eukaryot nejčastěji peptydoglykany a kys. teichová Kapsula Slizové pouzdro Tvořena většinou bílkovinami či polysacharidy Není u všech Ochrana před vyschnutím, přilnavost buněk k povrchu, ochrana před viry i buňkami imunitního systému

2 Protoplast prokaryotické buňky Cytoplazma Koloidní roztok Obsahuje řadu enzymů pro metabolické reakce, organely a inkluze Inkluze Glykogen; kapénky síry; plynové vakuoly Jiné zásobní a odpadní látky Organely Ribozómy 2 podjednotky (z RNA a bílkovin) Výroba bílkovin v buňce Bičík zakotvený v membráně Pohon - průchodem proudu iontů H + přes membránu (protonový gradient). Fimbrie vláknité či trubičkovité útvary, přilnavost buněk, receptory, někdy zvyšují virulenci bakterií Souvisí také s konjugací (viz dále) Mezozómy vchlípeniny membrány, nejsou u všech buněk Souvislost pravděpodobně s oxidativním metabolismem (vazba enzymů) Thylakoidy membránové váčky s fotosyntetickými pigmenty (u sinic či fotosyntetizujících bakterií) Barviva nejčastěji chlorofyly a fykobiliny (fykocyanin, fykoerytrin) Genetický materiál prokaryot Nepravé jádro = NUKLEOID Kruhovitá molekula DNA, volně v cytosolu, bez obalu Všechny životně nezbytné vlastnosti Každý gen v jedné kopii (haploidní Na dvou místech poutaná k membráně Cca 3500 genů Plazmidy nedělí se mitózou) Postradatelná genetická informace (např. rezistence vůči antibiotikům) Cca 1000x menší než nukleoid (tj. 3 4 geny) Každý plazmid v jedné či několika kopiích Mohou se předávat z buňky do buňky (i mezidruhově) konjugativní plazmidy Každý konjugativní plazmid kóduje stavbu své fimbrie, prostřednictvím fimbrií se konjugativní plazmidy předávají mezi buňkami. Význam pro genové inženýrství Rozmnožování a dědičnost prokaryot Rozmnožování Nepohlavní = přímé dělení replikace (kopírování) nukleoidu rozdělení protoplastu Klasické pohlavní rozmnožování není K určitému kombinování genetického materiálu, které je typické pro sexuální rozmnožování dochází viz níže. Dědičnost V důsledku nepohlavního dělení vznikají klony Vzhledem ke krátké generační době (některé např. pouze 20 minut) a haploidní sadě genů dochází k významným změnám díky mutacím a následným selekcím Prokaryota jsou za určitých podmínek schopná přijmout cizí molekuly DNA nebo jejich části: Konjugace přestup konjugativních plazmidů (spojení buněk fimbrií replikace plazmidu jedna molekula do nové buňky)

3 Sporulace Schopnost některých prokaryot (zejména bakterií) Při nepříznivých podmínkách tvoří odolné spóry Spory vznikají uvnitř buňky Spóry endospóry Přežijí extrémní podmínky (teplota, kyselost, radiace) Nemetabolizují V příznivých podmínkách vyklíčí znovu ve vegetativní buňku Časový rekord drží v současné době druh Bacillus permians (v podobě spór přežil 250 milionů let uchovaný v krystalu soli a pak byl v laboratoři probuzen k životu) Pozn. některé druhy bakterií (např. rod Azotobacter) vytvářejí zapouzdřené útvary, které mají metabolismus pouze snížený. Pro tento útvar se užívá pojem bakteriální cysta. Nároky na životní podmínky Kosmopolitní organismy - nejrozšířenější skupina ve všech prostředích odhadem cca 10 7 až 10 9 druhů Podle nároků na podmínky nejčastější dělení: Nároky na teplotu Nároky na ph Nároky kyslík termofilní mezofilní psychrofilní alkalofilní neutrofilní acidofilní aerobní anaerobní fakultativně aerobní/anaerobní Dále např. organismy barofilní, halofilní aj. Výživa - metabolismus FOTOAUTOTROFIE FOTOHETEROTROFIE CHEMOAUTOTROFIE CHEMOHETEROTROFIE Zdroj energie Pokud je donorem elektronů pro oxidoredukční reakce v organismu organická látka hovoříme o ORGANOTROFII; pokud je to látka anorganická hovoříme o LITOTROFII Výživa = TROFIE HETERO- AUTO- FOTO- CHEMO- Vztahy Symbióza Endosymbiotická teorie Lišejníky (sinice + houby) Fixátoři dusíku (hlízkové bakterie) Vztahy symbióza která je podstatou eukaryotické buňky Mikroflóra vyšších živočichů štěpení důležitých složek potravy Komenzálismus Značná část mikroflóry různých soustav jsou komenzálové Parazitismus (patogenní druhy) většinou bakterie Původci chorob různých organismů Původci řady chorob člověka (víc viz pracovní list patogenní bakterie + otázky) Časté změny vzájemných vztahů: parazitismus komenzálismus symbióza Amenzálismus (allelopatie) vztahy s jinými prokaryoty nebo s mikroorganismy eukaryotickými Produkce látek na potlačení konkurentů (antibiotika, toxiny) Souboj o uvolněné niky (např. při oslabení mikroflóry v těle průnik patogenů)

4 Význam Obecný význam Významná složka ekosystémů (koloběh látek) Fotosyntetizující zdroj O 2 Četné symbiotické vztahy s jinými organismy (viz vztahy) Význam pro člověka (pozitivní i negativní) Biotechnologie potravinářství, chemický průmysl Genové inženýrství Biologický boj Technologicky škodlivé Patogenní původci nemocí Užití v technologiích čištění odpadních vod, odstraňování ropných látek, toxického odpadu Antibiotika Kultivace Kultivace = pěstování a množení mikroorganismů pro účely výzkumu, diagnostiky, průmyslového využití apod. Kultivační médium živná půda (směs látek která obsahuje složky nezbytné pro růst a množení mikroorganismů). Základem půd bývají různé organické látky např. masový bujón, krev apod.) Živné půdy podle skupenství Tekutá (roztok) Tuhá (rosol) zpevněná nejčastěji agarem (polysacharid ze stélek ruduch) Živné půdy podle užití Obecná půda, na které roste vše Selektivní půda na které roste jen něco Diagnostické půda na které podle vzhledu kolonie poznáme, co tam vyrostlo Selektivně diagnostické Vlastnosti selektivních a diagnostických půd jsou dány různými látkami, které jsou v půdách jako přísady (růstové regulátory, barviva aj.) Metody práce při kultivaci Aseptická práce Podmínka pro vypěstování čistých kultur či pro různé druhy kontrol Ochrana kultur i personálu (významné zejména u patogenů) Pro práci se užívají laminární boxy Pro likvidaci kultur či sterilizaci médií pak sterilizátory nebo autoklávy Očkování Přenos kultur na živná média Inkubace Množení kultur mikroorganismů při požadované teplotě Užívají se inkubátory s termostaty, Různé skupiny mikroorganismů se množí při různých teplotách Diagnostika K diagnostice = určování mikroorganismů se užívá zejména dvojí úroveň: Makroskopická diagnostika Užití diagnostických půd Hodnotí se makroskopický vzhled kolonie Pozn. kolonie je pouhým okem viditelný útvar, který vznikl na živném médiu nárůstem původně z jedné buňky. Koloni.e zahrnuje řádově miliony buněk Nejčastěji užívaná kritéria: barva kolonie, tvar kolonie, povrch kolonie, barva půdy v okolí kolonie, vylučovaná tekutina, zápach apod. Mikroskopická diagnostika Určování mikroorganismů pod mikroskopem Určovacím znakem je tvar, velikost a seskupení buněk (viz dále tvary bakteriálních buněk). U bakterií je třeba buňky zviditelnit barvením Nejčastěji užívaným barvením je tzv. diagnostické barvení podle Grama Violeť Lugolův roztok Alkohol/aceton Karbolfuchsin Gram pozitivní = G + Gram negativní = G - /G - Violeť Lugolův roztok Alkohol/aceton Safranin

5 G + tyčinky G + a G - koky G - koky G + koky G - tyčinky Systém - přehled I. Archea (Archebakterie) Zahrnuje starobylé a do znační míry odlišné skupiny bakterií II. Bakterie (Eubakterie) Bakterie Sinice Prochlorofyty Pozn. podle novějších poznatků se prochlorofyty už opět nevyčleňují jako zvláštní skupina ale řadí se k sinicím. Proč to tak je? Kdo je zvědavý přečte si to zde, Je to podepřeno solidně vypadajícími zdroji. Archea Velmi starobylá skupina Odlišnosti ve stavbě buněčné stěny, membrány i nukleových kyselin Není známá klasická fotosyntéza (fototrofní archea tvoří pomocí světla ATP ale nefixují C do organických molekul a vedlejším produktem není kyslík) Původně byly označovány jako obyvatelé pouze extrémních prostředí, dnes jsou známé i druhy které žijí ve slaných i sladkých vodách, mokřadech, půdě, tvoří vztahy s rostlinami, dokonce jsou i součástí živočišné mikroflóry. Význam pro koloběh prvků (hlavně C, N, S) Významné skupiny: Metanové bakterie anaerobní; přeměna vodíku, alkoholů a mastných kyselin produkce metanu v bahně, střevech živočichů; užití čistění odpadních vod Extrémní halofilové extrémně slané prostředí cca 15% koncentrace NaCl v prostředí (Mrtvé moře, Slané jezero); fototrofní (tvorba ATP pomocí barviva bakteriorhodopsin; nefixují CO 2, netvoří O 2 ) Extrémní termoacidofilové sirné bakterie horkých pramenů (cca 80ºC; ph 2,5) Energii získávají např. reakci H 2 S + O 2 H 2 SO 4 Bakterie Nejvýznamnější a nejvíce známá skupina prokaryot Bakterie jsou nejrozšířenější skupinou organismů na světě Celkově se odhaduje, že na Zemi žije asi (jedinců) bakterií. Celkový počet druhů odhadován na 10 7 k 10 9 druhů Kosmopolitní skupina - možno nalézt v půdě, vodě, atmosféře, uvnitř i na povrchu těl organismů V jednom gramu půdy V jednom ml sladké vody cca 40 miliónů bakterií, přibližně milion bakterií Obyvatelé extrémních prostředí kde jiný život není (horká voda, extrémní ph; nejvyšší vrstvy atmosféry a podobně). Některé druhy bakterií jsou dle výzkumů schopny přežít i v kosmu (tj. ve vakuu a o teplotě 270 ºC) viz stránka o sporulaci Vznik před ca 4 miliardami let Běžné užívání binomického názvosloví Různé způsoby třídění (taxonomické klasifikace)

6 Tvary bakterií umíme všechny označené Třídění bakterií Vědecký systém Jako jiné systémy se neustále mění a upravuje. Dříve se používaly ke klasifikaci např. tvar buňky, typ metabolismu, Gramovo barvení. Příklady skupin ze starších systémů: Fakultativně anaerobní tyčinky Gramnegativní koky Bakterie pučící a s přívěsky Zakřivené bakterie apod. Dnes klasifikace zejména na základě molekulárně biologických znaků Pro náš přehled bakterií použijeme hledisko praktického významu: Bakterie ve vodě Bakterie v půdě Bakterie průmyslově významné Bakterie symbiotické Bakterie patogenní Bakterie ve vodě Autochtonní vodní bakterie bakterie ve vodě původní Např. rody Chromobacterium, Micrococcus, Spirillum Běžná součást vody (úplně bez bakterií je pouze voda destilovaná) Funkce těchto bakterií samočištění vody Při mikrobiologickém rozboru vody normami stanoven počet bakterií, který smí ve vodě být.. Běžně se stanovuje počet psychrofilních bakterií a počet mezofilních bakterií Př. Přípustné množství psychrofilních bakterií Jedná se o širokou skupinu bakterií, kterés se při dostatku živin pomnožují ve vodě při nižší teplotě. Mezní hodnota jejich výskytu v pitné vodě činí 200 bakterií v 1 ml vody při hromadném zásobování z veřejného vodovodu a 500 bakterií v 1 ml vody při individuálním zásobování z domovní studny. Překročení mezní hodnoty neznamená přímé zdravotní riziko, avšak indikuje závady v zásobování vodou, jako je znečištění vody organickými látkami, stagnace vody v potrubí, neúčinnost dezinfekce apod. Pozn. v moři též specializované bakterie. Většinou halofilní G - druhy Allochtonní vodní bakterie bakterie odjinud A. Bakterie půdní Viz dále půdní bakterie všechny skupiny Zdroj splachy z polí B. Bakterie ze zažívacího traktu lidí a zvířat Koliformní bakterie Vypouštění kanalizace do povrchových vod Indikátor fekálního znečistění Potencionální zdroj patogenů přenášených alimentární cestou Pitná voda nesmí obsahovat vůbec žádné koliformní bakterie Bakterie v půdě Význam půdních bakterií je zejména v návratu prvků do koloběhu živin. Nejvýznamnější skupiny půdních bakterií a jejich vztahy. Sirné Denitrifikační Thiobacillus, a jiné rody za aerobních podmínek oxidují H 2 S na elementární síru, případně až na sírany SO 2-4 Některé druhy se podílí zároveň na Nitrifikační Nitrosococcus, Nitrobacter aj, přeměňují amoniak a amonné ionty ve dvou krocích. Přeměny probíhají aerobně i anaerobně První skupina vytváří dusitany NO 2-, jiné bakterie pak z dusitanů tvoří dusičnany NO - 3 koloběhu dusíku nebo železa NO 3 - Bacillus, Pseudomonas a jiné rody za anaerobních podmínek přeměňují NO 3- postupně až na N 2 Ochuzují půdu o dusík SO 4 2- N 2 Vazači dusíku volní Azotobacter aerobní bakterie; váží vzdušný N 2 vestavují jej do svých bílkovin Po odumření jsou rozloženi saprofyty a N se dostává do koloběhu Saprofytické Rozkládají odumřelá těla, metabolizují živiny za vzniku např. NH 3 ; H 2 S; Po odumření jsou rozloženi saprofyty a N se dostává do koloběhu Vazači dusíku symbiotičtí Rhizobium poutají vzdušný N 2, přeměna na amoniak NH 2 skupina aminokyselin. Energeticky náročná reakce ATP dodává rostlina -NH 2

7 Průmyslově významné bakterie Bakterie technologicky prospěšné Mikroorganismy užívané v biotechnologiích (zejména mlékárenství) Bakterie mléčného kvašení Lactobacillus acidophyllus Lactobacillus casei Streptococcus cremoris Streptococcus lactis Bakterie octového kvašení Acetobacter Bakterie propipnového kvašení Propionibacterium Další užití bakterií čistírny odpadních vod, výroba bioplynu, rozklad plastů aj. Bakterie technologicky škodlivé Bakterie způsobující kažení potravin Technologicky prospěšné mikroorganismy bývají i příčinou kažení potravin (mléčné bakterie, octové bakterie apod.) Stejně jako u kontroly vod se při kontrole potravin stanovují počty bakterií. Normy udávají přípustné počty v daných druzích potravin. Kontroly provádějí příslušné orgány (SZÚ dříve Hygienické stanice a ČZPI) Při kontrolách se i u potravin stanovují koliformní bakterie (opět indikátor fekálního znečistění) stejně jako u vody nesmí být přítomné Bakterie patogenní Potravinami se přenáší i patogeny (viz patogenní bakterie přenášené alimentární cestou) Při mikrobiologických kontrolách potravin nesmí být patogenní bakterie přítomné Kontaminace potravin patogeny může mít za následek otravu z potravin. Následkem může být úmrtí Bakteriální mikroflóra Mikroflóra = soubor mikroorganismů žijících v těle vyššího organismu. Žádoucí symbiotická mikroflóra je organismu prospěšná Nežádoucí patogenní mikroflóra je příčinou onemocnění Oslabení žádoucí mikroflóry vede k osídlení potencionálními patogeny nebo patogeny Mikroflóra člověka Novorozenec sterilní kůže i sliznice, postupná kolonizace mikroby (zejména od matky) Kůže a vlasy: stafylokoky, mikrokoky, sarciny, bacily; živí se látkami z potu, způsobují charakteristický zápach Dýchací cesty: streptokoky a neisserie Dutina ústní: jiná mikroflóra v bezzubých ústech (anaerobní) a v ústech se zuby (aerobní), převažují streptokoky, podíl na zubním kazu Močopohlavní soustava:(po močový měchýř sterilní, pohlavní žlázy také sterilní) močová trubice a pohlavní cesty mají mikroflóru (stafylokoky, streptokoky aj.) Pozn. vaginální mikroflóra do puberty je výrazně odlišná od mikroflóry dospělé ženy Trávicí soustava: nejvíce osídlena; hlavní osídlení je v tlustém střevě. Escherichia coli anaerobní, podíl na tvorbě vitamínů, další rody Lactobacillus, Bifidobacterium aj. Pozn. Oslabení mikroflóry je časté v souvislosti s nadužíváním antibiotik. Vedlejšími účinky jsou proto často např. střevní potíže, kožní infekce aj. Syfilis Treponema pallidum Patogenní bakterie Lymeská borelióza Borelia burgdorferi viz pracovní list na: Angína Streptococcus pyogenes Salmonelóza Salmonella Mor Yersinia pestis A protože jde prodat úplně všechno Lymeská borelióza Borelia burgdorferi Syfilis Treponema pallidum Angína Streptococcus pyogenes Salmonelóza Salmonella Mor Yersinia pestis

8 Sinice Skupina fotosyntetizujících prokaryot (thylakoidy s barvivy) Pozn. podle světelných podmínek mohou měnit složení pigmentů a tím i barvu; v anaerobním prostředí s dostatkem H 2 S můžou přejít na anaerobní fotosyntézu Výskyt ve vodě, v půdě, v extrémních podmínkách, symbiotické vztahy Tvorba řady sekundárních metabolitů, mj. tzv. cyanotoxinů Nejstarší nálezy cca 3,5 mld let stromatolity Tělo tvořeno jednobuněčnou nebo vláknitou stélkou Specializované typy buněk ve vláknech: heterocysty slouží k fixaci vzdušného dusíku (význam pro symbiózu s rostlinami) hormogonie pohyblivé buňky obalené slizem, vznikají při stresu nebo přechodu do nového prostředí, po čase (asi 4 dnech) se mění zpět ve vegetativní buňky akinety zvláštní tlustostěnné spóry, přežití nepříznivých podmínek Někteří významní zástupci (obrázky na další straně) Aphanizomenon významná součást vodního květu (důsledek eutrofizace vod) Nostoc kulovité kolonie časté v kalužích a vlhkých půdách, skálách, symbióza s rostlinami (fixátor dusíku) či houbami; častý fotobiont u lišejníků Spirulina pěstována k výrobě vitaminových tablet (vit B12, karoteny aj.) Leptolyngbia žije v ph 13,5 (dosud nejvyšší hodnota ph při níž byl zjištěn život) Vodní květ Aphanizomenon Sinice Jednořadka Nostoc Leptolyngbia Spirulina Prochlorofyty Donedávna označovány za samostatnou skupinu prokaryot se zvláštním významem pro vznik vyšších rostlin (příbuznost fotosyntetických barviv chlorofyly a + b) Novější molekulárně biologické výzkumy prokázaly rozdíl ve složení chlorofylů nejde tedy o předchůdce vyšších rostlin Dnes řazeny k sinicím Některé známé rody: Prochloron (viz obrázek) symbióza s mořskými sumkami Prochlorococcus mořský planktonní Organismus, poprvé objeven v r v Sargassovém moři