Stavba prokaryotické buňky

Prokaryota

Tvary bakterií

Rozmnožování bakterií - 1) příčné dělení nepohlavní

2) pučení 3) pomocí artrospór artrospóra vzniká fragmentací vláken u větvících se buněk

Pohlavní rozmnožování Pohlavní rozmnožování nebylo u bakterií pozorováno. Dochází ale k procesům rekombinace chromozomů a to způsoby popsanými v kapitole Genetika bakterií.

Rychlost množení bakterií v příznivých podmínkách se bakterie mohou množit velmi rychle cca každých 30 minut dojde ke zdvojení za 48 h by bakterie v ideálních podmínkách převýšily hmotnost zeměkoule v přirozených podmínkách tlustého střeva žije bakterie Escherichia coli za den zde vznikne cca 20. 10 9 bakterií, ty nahradí bakterie, které odcházejí s výkaly z těla

Rychlost množení bakterií

Trocha mezipředmětových vztahů a) Kolik bakterií vznikne za 3 hodiny? b) Za jak dlouho vznikne miliarda bakterií? Berme to tak, že naše bakterie v čase 0 hodin vznikla, v čase 0:30 hodin se bude poprvé dělit.

Řešení počítám z hlavy nebo pomocí exponenciální funkce 2 x, kde x je počet půlhodin ad a) 2 6 = 64 ad b) řeším exp. rovnici 2 x = 10 9 zlogaritmuji log2 x = log10 9 x = log10 9 :log2 x = 29,89 půlhodin tedy asi 15 hodin

Sporulace V nepříznivých podmínkách (např. v době, kdy docházejí živiny) vytvářejí některé bakterie endospory, proces tvorby spor trvá cca 10 hodin. Typické je to např. pro rod Clostridium nebo Bacillus. Endospory dostaly své jméno podle faktu, že vznikají uvnitř buňky mateřské, zatímco okolní buňka mateřská se posléze rozpustí. Proces sporulace probíhá v několika fázích: nukleoid dostává vláknitý tvar, namísto původně kulovitého; dělení nukleoidu a dělení buňky přepážkou na dvě nestejně velké části; větší (mateřská) je sporangium a menší je budoucí spora; budoucí spora vcestuje dovnitř větší buňky mateřské; vzniká tzv. předspora, která je obalená dvěma membránami, proces sporulace je již nevratný; v prostoru mezi dvěma membránami vzniká peptidoglykanový kortex, hromadí se vápník; vnější membrána tvoří z proteinů plášť spory; spora získává typické vlastnosti světlolomnost, dehydrataci, odolnost proti vnějším činitelům; lyze (destrukce) mateřské buňky, uvolnění spory ze sporangia Výsledkem sporulace je bakteriální protoplast obalený několika vrstvami, a to cytoplazmatickou membránou zcela uvnitř, nad ní leží peptidoglykan primární buněčné stěny, dále mohutná vrstva kortexu a nakonec na povrchu bílkovinný plášť spory. Chemicky obsahuje endospora množství kalciumdipikolinátu (z vápníku a dipikolinové kyseliny), jenž pravděpodobně chrání spory před extrémními podmínkami.

Různé druhy bakteriálních spor podle umístění v mateřské buňce

Jiné bakteriální spory Spory odlišného typu vytváří i jiné grampozitivní bakterie, konkrétně aktinomycety. Ty vznikají na konci vlákna aktinomycet (na sporoforech), a proto se nejedná o endospory. Navíc mají mírně odlišné vlastnosti. Spory aktinomycet jsou sice odolnější než jejich mateřské vegetativní buňky, ale zdaleka nedosahují odolnosti endospor. Třetí skupinou bakterií, jež sporulují, jsou bakterie rodu Azotobacter, v tomto případě se však odolné útvary spíše nazývají cysty. Cysty mají zpomalený metabolismus a ztlustlou buněčnou stěnu. Také sinice mají spory, ty se nazývají akinety.

Genetika bakterií genetika bakterií má své zvláštnosti JADERNÉ GENY Jádro (nukleoid) tvoří jediná kruhovitě uzavřená dvoušroubovicová molekula DNA jaderné geny jsou v buňce pouze v jedné kopii. Všechny Nukleoid je uložen volně v cytosolu (bez histonů a jaderného obalu), na 2 místech bývá poután k plazmatické membráně. Nukleoid obsahuje asi 3500 genů Nukleoid nese geny pro život bakterie nezbytné Dělení bakteriální buňky probíhá tak, že se DNA replikuje a buňka se následně rozdělí neprobíhá mitóza ani meióza (nedochází k rekombinacím) Díky způsobu rozmnožování jsou všechny buňky vzniklé dělením geneticky identické. Genetický materiál se nerekombinuje což by tedy mělo znamenat nulovou variabilitu. Zdrojem variability jsou mutace (při krátkém generačním čase může v krátké době vzniknout mnoho významných mutací) a plazmidy MIMOJADERNÉ GENY Bakteriální buňka obsahuje ještě další drobnější kruhové molekuly DNA PLAZMIDY Plazmid je řádově 1000x menší než nukleoid Geny nesené plazmidy bývají často pro bakterii výhodou, nikoli však životní nezbytností (tj. jsou postradatelné) např. geny pro rezistenci vůči antibiotikům apod. V buňce může být obsažen 1 nebo několik druhů plazmidů a to v jedné či několika kopiích Buňky si mohou plazmidy předávat

Operonová teorie Základní genetické mechanismy (transkripce, translace) probíhají u buněk prokaryotických v podstatě stejně jako u eukaryotických. Rozdíl je v tom, že genetická informace prokaryotické buňky je jinak funkčně organizována OPERONY Operony jsou soubory genů kódující enzymy celé metabolické dráhy (přepisují se vždy všechny najednou a přepisují se pouze při aktuální potřebě buňky). Stavbu operonu ukazuje obrázek: OPERONOVÁ TEORIE R = regulační gen P = promotor O = operátor G1,G2 = strukturní geny

Regulační gen kóduje represorickou bílkovinu (ta aktivuje či inhibuje transkripci celého operonu působením na operátor. Promotor místo na DNA, kde se váže enzym RNA-polymeráza a začíná transkripci Operátor místo, kam se váže represorická bílkovina a které tak rozhoduje, zda RNA-polymeráza bude, či nebude provádět transkripci strukturních genů Strukturní geny kódují jednotlivé enzymy metabolické dráhy. o o o Aktivace operonu RNA-polymeráza nasedá na promotor a posouvá se k operátoru. Na operátoru není navázaná represorická bílkovina transkripce pokračuje, proteosyntéza probíhá, enzymy celé metabolické dráhy vznikají. Na operátoru je navázána represorická bílkovina (aktuální stav buňky nevyžaduje enzymy příslušné metabolické dráhy) brání RNA polymeráze v transkripci, transkripce neprobíhá, enzymy se netvoří. o Aktivace deaktivace operonu zpravidla řízena zpětnou vazbou určitý substrát má schopnost vázat se z represorickou bílkovinou a tím jí uvolňovat z vazby na operátoru. Pokud v buňce tento substrát vzniká a je ho tedy třeba metabolizovat, operátor je uvolněn a operon se aktivuje. Po vyčerpání substrátu buňkou represorická bílkovina deaktivuje operon.

Plazmidy Plazmidy nesou mimojaderné geny. Některé plazmidy mají schopnost přecházet z buňky do buňky tzv. konjugativní plazmidy. Některé plazmidy mají schopnost včleňovat a vyčleňovat se z jádra tzv. epizomální plazmidy. Některé plazmidy mohou být konjugativní a zároveň epizomální Procesy, kterými je zabezpečena variabilita bakteriální buňky prostřednictvím plazmidů :

1) Konjugace proces, při němž přechází z buňky do buňky konjugativní plazmid na povrchu buňky jsou specializovaná vlákénka fimbrie (pro každý plazmid specifická fimbrie, její stavba zakódována v plazmidu) pomocí fimbrie (sex fimbrie) se dvě buňky spojí a jako tunelem prochází plazmid, který se v dárcovské buňce zároveň replikuje; přenos je jednosměrný pokud je plazmid epizomální a je včleněn v jádře, mohou se s ním replikovat a do buňky přejít i některé jaderné geny (buňka je pak částečně diploidní a může docházek k rekombinacím a vzniku nových kombinací vlastností) vzniklým tunelem mohou přecházet i další plazmidy (transformace) konjugativní plazmidy se mohou předávat v rámci druhu i mezidruhově dva jedinci se spojí úzkým můstkem (sex-fimbrie) a dojde k jednosměrnému přesunu plazmidové DNA

Schéma konjugace

2) Transformace přenos genetické informace prostřednictvím zlomků DNA (plazmidová a někdy i jaderná); jeden řetězec DNA je při průniku ztracen a buňka příjemce ho musí dosyntetizovat spontánně může docházet k transformaci souběžně s konjugací (viz výše) záměrná transformace genové inženýrství

3) Transdukce přenos zlomků DNA z buňky do buňky bakteriofágem přenášen je fragment jaderné nebo plazmidové DNA, který svou délkou odpovídá maximálně délce genomu fága, proto, že při kompletování virionu v buňce může být tento omylem vbalen do kapsidy místo vlastní virové DNA

Řízení metabolismu prokaryot - operonová teorie Základní genetické mechanismy (transkripce, translace) probíhají u buněk prokaryotických v podstatě stejně jako u eukaryotických. Rozdíl je v tom, že genetická informace prokaryotické buňky je jinak funkčně organizována OPERONY Operony jsou soubory genů kódující enzymy celé metabolické dráhy (přepisují se vždy všechny najednou a přepisují se pouze při aktuální potřebě buňky). Stavbu operonu ukazuje obrázek: OPERONOVÁ TEORIE R = regulační gen P = promotor O = operátor G1,G2 = strukturní geny

Regulační gen kóduje represorickou bílkovinu (ta aktivuje či inhibuje transkripci celého operonu působením na operátor. Promotor místo na DNA, kde se váže enzym RNA-polymeráza a začíná transkripci Operátor místo, kam se váže represorická bílkovina a které tak rozhoduje, zda RNA-polymeráza bude, či nebude provádět transkripci strukturních genů Strukturní geny kódují jednotlivé enzymy metabolické dráhy. o o o Aktivace operonu RNA-polymeráza nasedá na promotor a posouvá se k operátoru. Na operátoru není navázaná represorická bílkovina transkripce pokračuje, proteosyntéza probíhá, enzymy celé metabolické dráhy vznikají. Na operátoru je navázána represorická bílkovina (aktuální stav buňky nevyžaduje enzymy příslušné metabolické dráhy) brání RNA polymeráze v transkripci, transkripce neprobíhá, enzymy se netvoří. o Aktivace deaktivace operonu zpravidla řízena zpětnou vazbou určitý substrát má schopnost vázat se z represorickou bílkovinou a tím jí uvolňovat z vazby na operátoru. Pokud v buňce tento substrát vzniká a je ho tedy třeba metabolizovat, operátor je uvolněn a operon se aktivuje. Po vyčerpání substrátu buňkou represorická bílkovina deaktivuje operon.

Výživa bakterií Z hlediska výživy nás zajímají tři věci: odkud bere organizmus uhlík pro syntézu svých organických sloučenin (heterotrofní, autotrofní) odkud bere energii (rozkladem organických látek, rozkladem anorganických látek, ze slunečního záření) jeho vztah ke kyslíku (aerobní, anaerobní, fakultativně anaerobní)

Podle zdroje uhlíku dělíme bakterie, ale i ostatní organizmy na: autotrofní pro ně je zdrojem uhlíku v prostředí obsažený CO 2, nejsou odkázáni na jiné organizmy heterotrofní zdrojem uhlíku jsou organické látky, jsou odkázáni na jiné organizmy mixotrofní jsou schopni přecházet mezi oběma možnostmi, čili část života se chovají jako autotrofové a část jako heterotrofové záleží na konkrétních podmínkách jejich prostředí (příkladem je krásnoočko)

Podle způsobu získávání energie dělíme bakterie, ale opět i ostatní organizmy na: fototrofní jsou schopni zachytit a využít energii světelného záření, k tomu potřebují chemické sloučeniny (např. chlorofyl a, bakteriochlorofyl), které jsou schopny ze své molekuly uvolnit (excitovat) elektron; tento elektron je použit k redukci molekul NAD, NADP, které jsou dále využívány; tyto organizmy provádí fotosyntézu různý je způsob, jakým získávají zpět použité elektrony: z vody (sinice, rostliny, některé bakterie) z H 2 S, S, H 2 (zelené sirné bakterie) chemotrofní jako zdroj energie využívají energii vazby v chemických sloučeninách chemolitotrofní využívají látky anorganické nitrifikační bakterie oxidují NH 3 a NO 2- na nitráty; sirné bakterie oxidují síru na sírany; železité bakterie oxidují Fe 2+ na Fe 3+ chemoorganotrofní využívají prakticky všechny organické látky (houby, živočichové, většina bakterií), proces, kdy jsou jako energetický zdroj zpracovávány cukry je označován jako dýchání

Kombinací zdrojů uhlíku a energie získáme tyto možnosti výživy: fotoautotrofní zdrojem energie je světlo a zdrojem uhlíku CO 2 zelené rostliny, sinice, zelené sirné bakterie fotoheterotrofní - zdrojem energie je světlo a zdrojem uhlíku organické látky purpurové sirné a purpurové bezsirné bakterie také souhrnné označení fotoorganotrofní bakterie chemoautotrofní - zdrojem energie je oxidace anorganických látek a zdrojem uhlíku CO 2 železité bakterie, nitrifikační bakterie, sirné bakterie také souhrnné označení chemolitotrofní bakterie chemoheterotrofní - zdrojem energie i uhlíku jsou organické látky většina bakterií, houby, živočichové (energii získávají oxidací organických látek v procesu kvašení nebo dýchání)

Podle vztahu ke kyslíku dělíme bakterie a opět i ostatní organizmy na: aerobní organizmy vyžadují kyslík, který využívají jako akceptor (příjemce) elektronů (člověk a téměř všechny ostatní organizmy) anaerobní organizmy nemohou žít v prostředí s kyslíkem, jako akceptor elektronů využívají jiné látky NO 3, NO 2, CO 2, org. látky fakultativně anaerobní žijí v prostředí s kyslíkem i bez kyslíku

Koloběh dusíku v přírodě