Mikrobiologija Predavanje 4 i 5

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Sveučilište u Zagrebu Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije

Preddiplomski studij: EKOINŽENJERSTVO

OPĆENITA SVOJSTVA MIKROORGANIZAMA (IV i V): Struktura i funkcija prokariotske i eukariotske stanice

Kolegij : MIKROBIOLOGIJA

Dr. sc. Felicita Briški, red. prof. [email protected]

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

10-100 μm

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Sadržaj IV i V dijela -

-

Funkcija stanice Struktura i funkcija prokariotske stanice (čahure, bičevi, pili, stanična stijenka, citoplazmatska membrana (CM), citoplazma, ribosomi, nukleoid) Prijenos tvari kroz membrane Osmoza Spore i pigmenti u bakterija Struktura i funkcija eukariotske stanice (jezgra, ribosomi, endoplazmatski retikulum, mitohondriji, CM, stanična stijenka) Arheobakterije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

• Svi živi organizmi u osnovi imaju ista strukturu: ¾ deoksiribonukleinska kiselina, ¾ ribonukleinska kiselina, ¾ proteini, ¾ lipidi i ¾ fosfolipidi • Primjena elektronskog mikroskopa pojasnila postojanje dva osnovna tipa organizacije stanica: PROKARIOTI, kao jednostavniji tip EUKARIOTI, kao složeniji tip

FUNKCIJA STANICE ¾ STANICA – osnovna jedinica svih živih organizama koji imaju sposobnost mijene tvari ili metabolizma i koji stvaraju slično potomstvo ¾Stanične organele - mitohondriji, citoplazmatska membrana, endoplazmatski retikulum, ribosomi, jezgra, lizosomi i mikrotjelešca odgovorne su za odvijanje brojnih funkcija u stanici

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

• PROKARIOTI (bakterije i cijanobakterije): ¾ male stanice između 0,5 do 3,0 μm ¾ bez jezgrine membrane ¾ organele nisu jasno obavijene membranom (mitohondriji, kloroplasti, lizosomi) • Najčešće se razmnožavaju binarnim cijepanjem

1

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fina struktura prokariotske stanice Tisuće vrsta bakterija razlikuju se međusobno po mnogim osobinama: ¾ morfološke osobine (oblik)

ribosomi uklopina flagele pilusi

¾ kemijsko ustrojstvo (često na osnovi reakcija na bojenje) ¾ zahtjevi za hranjivim tvarima

plazmid

¾ biokemijsko djelovanje

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Molekulski sastav tipične bakterijske stanice Tip molekule Voda Proteini Nukleinske kiseline DNK RNK

citoplazma nukleoid citoplazmatska membrana stanična stjenka

čahura (sluzavi sloj)

Postotak stanične mase 70 15

Ugljikohidrati Masti Ostale tvari Anorganski ioni i mineralne tvari

6 1

Karakteristični oblici bakterijskih stanica i morfološki raspored

diplococcus

monobacillus

tetrada

sarcina

diplobacillus

streptobacillus

spirilum

sarcina

vibrio

3 2 2 1

staphylococcus spirilum

streptococcus

spiroheta

bacili

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Čahure -kapsule

STRUKTURA I FUNKCIJA BAKTERIJSKE STANICE Bakterije posjeduju: ¾ NUKLEOID

stafilokoki

GLIKOKALIKS - debela sluzava naslaga koja bakterije čini otpornima na fagocitozu ¾ Sastav

– ekstracelularna polimerna supstanca (EPS) po kemijskom sastavu polisaharid i/ili polipeptid (viskozan i ljepljiv)

¾ STANIČNU STIJENKU koja osigurava stalan oblik stanice

¾ Stvaranje

- u unutrašnjosti stanice i izlučuje na svoju površinu i čvrsto je priljubljena

¾ DODATNE STRUKTURE na vanjskoj površini stjenke obuhvaćaju: D ČAHURE (kapsule) D BIČEVE (flagele) D PILI

¾ Debljina: mikročahure < 0,2 nm makročahure > 2 nm

¾ RIBOSOME ¾ CITOPLAZMATSKU MEMBRANU

2

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Uloga glikokaliksa: ¾ štiti stanicu od dehidratacije ¾ štiti neke patogene bakterije od razgradnje koju obavljaju leukociti ¾ omogućava napad na različite površine pa i preživljavanje u prirodnom okolišu ¾ služi za imobilizaciju na: Ö stijenama Ö korijenju biljaka Ö zubni karijes - Streptococcus mutans (tvori čahuru u prisutnosti saharoze)

Bičevi i pili

¾Bičevi – kod prokariota poluukočeni, služe za pokretanje (rotiranje oko dulje osi). Kod eukariota lelujaju poput vala. ¾ Raspored bičeva: monotrih (jedan na jednom kraju) amfitrih (po jedan ili više na oba kraja) lofotrih (dva ili više na jednom ili oba kraja) peritrih (uokolo cijele stanice) nepokretne stanice pokretne stanice

PERITRIH

LOFOTRIH

MONOTRIH

AMFITRIH

¾ Pili – dlačice (proteini) služe za pričvršćivanje

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Stanična stijenka Velika molekula - peptidoglikan ili murein (tvar koja se inače nigdje u prirodi ne nalazi) Osigurava:

D zaštitu od osmotske lize D čvrstoću i oblik stanice D zaštitu od djelovanja nekih antibiotika D određuje razliku pri bojenju po Gramu D služi kao potpora pri propulziji flagela

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

MUREIN – makromolekula, po sastavu: Ö n-acetilglukozamnin (NAG) i Ö n-acetilmuraminska kiselina (NAM) MUREIN ¾ ravni lanac naizmjeničnih molekula NAM-a i NAG-a međusobno povezanih 1-4 glikozidnim vezom ¾ poprečno umrežen s kratkim peptidnim lancem (različite aminokiseline) ¾ sloj peptidoglikana kod: gram pozitivnih bakterija deblji gram negativnih bakterija tanji

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Ustrojstvo mureinskog sloja u gram negativnih bakterija

Ustrojstvo mureinskog sloja u gram pozitivnih bakterija Razlićite aminokiseline u peptidnom lancu

Razlićite aminokiseline u peptidnom lancu

Interpeptidni most

N-acetilmuraminska kiselina N-acetilglukozamin

N-acetilmuraminska kiselina N-acetilglukozamin

3

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

STANIČNA STIJENKA G + bakterija osim peptidoglikana sadrži i teihonske kiseline koji su polimeri: ¾ glicerolfosfatne kiseline i ¾ ribitolfosfatne kiseline Teihonske kiseline vezane na: ¾peptidoglikan ili ¾citoplazmatsku membranu Zbog fosfatne skupine (negativni naboj): ¾ vežu i reguliraju prolaz kationa ¾ reguliraju prekomjerno djelovanje autolitičkih enzima ¾ sudjeluju u uskladištenju fosfora STANIČNE STIJENKE G - bakterija ne sadrže teihonsku kiselinu ali je peptidoglikan smješten u periplazmatskom prostoru i kovalentno povezan s lipoproteinima

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Citoplazmatska membrana (CM) i mezosomi Sastav CM - bilipidni sloj povezan s proteinima Funkcija: - selektivni prijenos tvari u i iz stanice

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Organizacija stanične stijenke u gram negativnih bakterija VANJSKA MEMBRANA

LIPOPOLISAHARIDI

PERIPLAZMATSKI PROSTOR

FOSFOLIPIDI

PROTEINI PEPTIDOGLIKAN

CITOPLAZMATSKA MEMBRANA

BILIPIDNI SLOJ S PROTEINIMA

PROTEINI

• Lipid je endotoksin

Polisaharid

Specifični polisaharid

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

¾ Mozaički model strukture citoplazmatske membrane ¾ Bilipidni sloj povezan s proteinima u obliku mozaika, na površini i u unutrašnjosti membrane VANJSKA STRANA STANICE

- sadrži enzime koji razgrađuju hranjive tvari - stvaranje ATP i fotosinteza Mezosomi – u CM jedan ili više nabora. Njihova uloga: - regulacija razmnožavanja - metabolizam - izlučivanje ekstracelularnih (izvan staničnih) enzima

PROTEINI FOSFOLIPIDI PROTEINI

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Prijenos kroz membranu

Prijenos tvari kroz membrane Organizam mora selektivno regulirati prijenos tvari.

OTOPINA OLAKŠANA DIFUZIJA

¾ Brojni proteini u citoplazmatskoj membrani obavljaju tu funkciju. Znači: prisutnost ili odsutnost određenih proteina određuje koja se molekula prenosi

CITOPLAZMA PROTEIN ILI ENZIM

ATP AKTIVNI TRANSPORT

¾ Pasivni prijenos – difuzija (O2, CO2), osmoza i olakšani prijenos (glukoza) ¾ Aktivni prijenos – stanica mora koristit energiju (molekula ATP za prijenos s mjesta manje koncentracije na mjesto veće koncentracije)

UNUTRAŠNJA STRANA STANICE

MOLEKULA - NOSITELJ

PREMIJEŠTANJE SKUPINA

Fosfoenol piruvat

KEMIJSKI MODIFICIRANO MOLEKULANOSITELJ

4

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Osmoza Osmoza - difuzija molekule čistog otapala veće koncentracije na mjesto manje koncentracije (npr. voda) PLAZMOPTIZA - bubrenje stanice zbog ulaska veće količine vode u stanicu PLAZMOLIZA - smežuranje stanice zbog izlaska vode iz stanice u hipertoničnom mediju (veća koncentracija šećera u vodi) Osmotski tlak značajan - zaustavlja tijek vode kroz polupropusnu membranu IZOTONIČNA OTOPINA - ista koncentracija svugdje HIPOTONIČNA OTOPINA - u stanici viša koncentracija nego u otopini - bakterije najčešće žive u takvim uvjetima HIPERTONIČNA OTOPINA – koncentracija u okolini veća od one u stanici

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Citoplazma • Citoplazma sadrži: Doko 80% vode, D proteine (enzime), D ugljikohidrate, D lipide, D anorganske ione, D spojeve male molekulske mase • Citoplazma - po strukturi je gusta mutna i elastična a od velikih molekula sadrži: D DNK D ribosome D uklopine

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Nukleoid Nukleoid – stanična genetička informacija: ¾ nije odvojen membranom od citoplazme ¾ sadrži jednostavnu dugačku kružnu molekulu dvostruke uzvojnice DNK

Ribosomi Ribosomi - mjesta sinteze proteina Citoplazma prokariotske stanice - sadrži tisuće suspendiranih vrlo sitnih struktura ribosoma u obliku zrnaca

Plazmid – bakterije sadržavaju i malu kružnu dvostruku uzvojnicu molekule DNK (15-100 gena). - Izvankromosomski genetički element replicira se neovisno o kromosomskom DNK

RIBOSOMI

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Uklopine

Mikrofotografija uklopina

Unutar citoplazme manja ili veća količina pričuvnih tvari (uklopine). Neke od tih: A) metakromatska zrnca - volutin pričuva polifosfata (alge, gljive, protozoe, bakterije) B) polisaharidna zrnca - glikogen i škrob: otopina joda kapne se na stanice, glikogen se oboji crvenosmeđe a škrob modro C) uklopine masti - poli-β-hidroksimaslačna kiselina D) zrnca sumpora - pričuva energije E) šupljine ispunjene plinom vakuole održavaju životne funkcije u dubini vode (cijanobakterije, halobakterije)

5

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Spore u bakterija Endospore –

kada se iscrpe hranjive tvari ili nema vode neke G+ bakterije tvore posebne stanice postojane na nepovoljne uvjete

Zbog kemijskog sastava svog omotača endo-spore otporne na: ¾ povišene temperature ¾ smrzavanje ¾ zračenje ¾ sušenje ¾ kemijske agense ¾ postupke bojenja stanica Pri uspostavi povoljnih ekoloških uvjeta - endospore se vraćaju u oblik vegetativne stanice

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Sporogeneza i germinacija • Nisu načini razmnožavanja, samo mehanizmi koji dopuštaju stanicama preživljavanje u raznorodnim okolišnim uvjetima. • Sporin omotač sadrži Ca-dipikolinat, koji ga čini otpornim na okolišne uvjete. endospora

vegetativna stanica

Omotač endospore

stanica majka

Razvoj omotača endospore

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Pigmenti u bakterija • Mnoge bakterije tvore obojene kolonije zbog izlučivanja pigmenata (žuti, narančasti i crveni tonovi - dolaze od karotenoida)

STRUKTURA I FUNKCIJA EUKARIOTSKE STANICE EUKARIOTI (alge, gljive, protozoe, biljke, životinje): ¾ veličina stanice između 10 i 100 μm ¾ sadrže pravu jezgru (karyon ili nukleus)

• Pigmenti - štite stanicu od djelovanja vidljiva i ultraljubičastog dijela spektra • Uništavanje vidljivim spektrom - kisik iz zraka djeluje fotooksidacijski • Neki pigmenti - imaju antibiotička svojstva i mnoge pigmentirane bakterije sintetiziraju antibiotike (npr. rod Streptomyces)

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

¾ rasprostranjen sustav unutarnjih membrana (endoplazmatski retikulum, Golgijev kompleks) ¾ organele obavijene membranom (mitohondriji, kloroplasti, lizosomi) ¾ citoplazma se u eukariota može gibati ¾ u jezgrama može biti više od jednog kromosoma

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

• Jezgra –

¾ Citoplazma: sadrži brojne organele (proizvode korisnu energiju) i omeđena je citoplazmatskom membranom

– – –

najveća organela u svim eukariotskim stanicama kuglasta ili jajolika oblika sadrži kromosome koji karakteriziraju stanice i prenose svojstva potomstvu genetski materijal kromosoma je DNK

Jezgrina membrana

Jezgrin omotač:

Golgijev aparat

- dvostruka membrana koja odvaja citoplazmu od jezgre Jezgrina membrana - sitne pore omogućuju komuJezgra nikaciju s endoplazmatskim retikulumom

Citoplazmatska membrana

Pore u membrani

Endoplazmatski retikulum

6

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Citoplazma

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

- želatinozna masa, obuhvaća matriks unutar citoplazmatske membrane i jezgrinu površinu

CITOPLAZMA

Ribosomi

– sitne organele, mjesta za sintezu proteina - kompleksne zrnolike strukture - sadrže 40% proteina i 60% ribosomske rRNK - izgrađeni od 4 niti RNK

-

često pričvršćene uz endoplazmatski retikulum (ER) i tvore hrapavi ER

- 3 niti se proizvode u jezgri a 1 izvan, pa se za kompletiranje prenosi u jezgru - kompletirana odlazi kroz pore u citoplazmu - dio ribosoma suspendirano u citoplazmi za sintezu proteina za potrebe stanice -

drugi dio pričvršćen na ER i tvore proteine koji se šalju izvan stanice

VELIKA PODJEDINICA

MALA PODJEDINICA

RIBOSOMI

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Endoplazmatski retikulum: - velika mreža paralelnih membrana spaja se s citoplazmatskom i jezgrinom membranom - put za transport brojnih molekula - osigurava površinu za odvijanje kemijskih reakcija

ENDOPLAZMATSKI RETIKULUM

• Mitohondriji: Oblik - organele kuglaste ili u obliku štapića - dvostruka membrana, vanjska glatka a unutarnja u nizu nabora i unutrašnjost ispunjena tekućom tvari (matriks) Funkcija - osigurava se površina za kemijske reakcije (tvorba enzima za sintezu ATP, proizvodnja enzima za stanično disanje)

• Lizosomi - kuglasta tjelešca napunjena molekulama digestivnih enzima (cijepanje mnogih molekula, fagocitoza bakterija – npr. bijela krvna zrnca) GOLGIJEV APARAT

Golgijev kompleks: Oblik - organele u obliku sploštenih vrećica (4-8) povezane s ER Funkcija - izlučivanje proteina i lipida te sinteza ugljikohidrata

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

• Vakuole –

pohrana hranjivih tvari i vode ( Da li ste žedni? Možda vaše vakuole trebaju vode)

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

• Kloroplasti - fotosintetske stanice sadrže pigment klorofil Funkcija - pomaže u pretvorbi energije svijetlosti u kemijsku energiju potrebnu za biološke funkcije

• Stanična stijenka ( površinski sloj): Protozoe - nemaju tipičnu staničnu stijenku već završni savitljiv sloj - pelikula Kvasci

• Citoplazmatska membrana (CM): - eukarioti i prokarioti imaju sličnu osnovnu strukturu i funkciju CM - kod eukariota je to vanjski omotač stanice jer nemaju staničnu stijenku - može biti od ugljikohidrata ili sterola (lipida)

CITOPLAZMATSKA MEMBRANA

- sadrže polisaharide glukan i manan

Fungi (gljive) - najčešće sadrže hitin (polimer od jedinica N-acetil glukozamina)

U nekih gljiva - stanična stijenka može biti i od celuloze Rakovi i kukci - hitin je glavni sastojak oklopa Alge i sve biljke - stanična stijenka izgrađena od polisaharida celuloze Životinje razlikuju se od ostalih eukariota jer nemaju: D staničnu stijenku D kloroplaste i D vakuole su manje

7

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Arheobakterije Sličnost s prokariotima: ¾ promjera oko 1 μm ( kao prokarioti) ¾ ne posjeduju organele okružene membranom ¾ posjeduju nukleoid Sličnost s eukariotima: ¾ stanična stijenka nije od peptidoglikana ¾ njihov sustav za sintezu bjelančevina osjetljiv na inhibitore, kao i kod eukariota ¾ neki njihovi proteini, pigmenti i biokemijski procesi slični kao i kod eukariotskih stanica Razlika u odnosu na prokariote i eukariote: ¾ stanična membrana sadrži lipide s eterom neuobičajeno za tradicionalne stanice ¾ 1983. pronađene među grupama bakterija koje žive u ekstremnim uvjetima (halofili, termoacidofili, metan producenti)

USPOREDBA IZMEĐU EUBAKTERIJA, ARHEOBAKTERIJA I EUKARIOTA BACTERIA

ARCHAEA

Jezgra omotana membranom

ZNAČAJKA

ne

ne

Stanična stjenka

Peptidoglikan i muraminska kiselina

Različite vrste, nema muraminske kiseline

Bez muraminske kiseline

Lipidi u membrani

Ravnolančane masne kiseline povezane esterskom vezom

Razgranati alifatski lanci povezani eterskom vezom

Ravnolančane masne kiseline povezane esterskom vezom

Transfer RNK

Timin prisutan u većini tRNK

Nema timina u t RNK

Timin prisutan u tRNK

Veličina ribosoma

70S

EUCARYA da

70S

80S

RNK polimeraza -Broj enzima -Struktura

1 4 jednostavne podjedinice

Nekoliko Kompleksne podjedinice (12-14)

3 Kompleksne podjedinice (12-14)

Metansko vrenje

Odsutno

Prisutno

Odsutno

Fiksiranje dušika

Prisutno

Prisutno

Odsutno

Fakultet kemijskog inž inženjerstva Sveuč Sveučiliš ilište u Zagrebu i tehnologije

Pitanja za ponavljanje • • • • • • • • • • • •

Nabrojite i nacrtajte osnovne oblike bakterijskih stanica i njihov morfološki raspored. Navedite molekulski sastav tipične bakterijske stanice Koja je razlika između prokariotske i eukariotske stanice? Navedite primjere. Što je glikokaliks u bakterija (kemijsko ustrojstvo i funkcija)? Usporedite bič (flagellu) u bakterijske stanice s bičem eukariotske stanice. Navedite funkcije i kemijsko ustrojstvo bakterijske stanične stijenke. Navedite funkcije i kemijsko ustrojstvo citoplazmatske membrane u bakterija. Nabrojite i opišite općenite osobine spora u bakterija. Opišite proces sporulacije u bakterija. Usporedite staničnu stijenku u Gram-pozitivnih i u Gram-negativnih bakterija. Usporedite bakterijski ribosom s ribosomom u eukariotskoj stanici Opišite značajke stanične stijenke u eubakterija (kemijsko ustrojstvo).

8