Struktura i funkcija
prokariotske ćelije
Elektronska mikrografija bakterije
(Heliobacterium, 1 x 3 μm)
• Prokariotska ćelija je jednostavnije građena i ne
poseduje organele obavijene membranom.
• Makromolekuli: proteini, nukleinske kiseline, lipidi i
polisaharidi (univerzalni za živi svet, zajednički
predak).
• Sadrži genetički materijal ćelije,
“hromozom”
• Hromozom najčešće kružan
molekul DNK
• Sadrži jednu garnituru gena,
haploidni genom
• Bacteria -nema histona, u
strukturi učestvuje HU protein (E.
coli, strain U93)
• Archaea – poseduju proteine
slične histonima eukariota
Nukleoid
Izolovani nukleoid iz E. coli
Domeni negativne superspiralizacije kod E. coli
Plazmidi
• Mali, najčešće cirkularni DNK molekuli koji se nalaze van
hromozoma, karakteristični za bakterije
• Autonomno se repliciraju, broj kopija u ćeliji je regulisan
• Nose genetičke informacije neesencijalne za domaćina, ali
povećavaju kompetitivnost u specifičnim uslovima životne
sredine
F faktor kod E.coli
Ribozomi prokariota
70S ribozom, 2 subjedinice:
30S i 50S
30S - 16S rRNK i ~ 20 proteina
50S - 23S i 5S rRNK i ~ 34
proteina
• Ribozomi učestvuju u sintezi
proteina
• Često se uočavaju na iRNK,
polizomi
16s rDNK sekvenca ima visoko konzervirane regione (mala variranja
sekvence među evolutivno udaljenim vrstama) i hipervarijabilne regione
(sekvence su izmenjene tokom dužeg evolutivnog perioda, pokazatelj
evolutivne udaljenosti među vrstama); konzervirani i hipervarijabilni
regioni se međusobno smenjuju.
• Prajmeri se dizajniraju
tako da se vezuju za
konzervirane regione a
umnožavaju varijabilne
regione.
• DNK sekvenca 16S rDNK
gena je determinisana za
veliki broj vrsta (ni jedan
drugi gen nije tako dobro
okarekterisan kod tako
velikog broja vrsta)
Visoka konzerviranost rRNK gena kod fragmenata 16S rRNK
gena poreklom od različitih organizama:
Čovek
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGTTAAAAAG
Kvasac
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGTTGCAGTTAAAAAG
Kukuruz
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTTAAGTTGTTGCAGTTAAAAAG
E. coli
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGAGGGTGCAAGCGTTAATCGGAATTACTGGGCGTAAAGCG
Anacystis nidulans (cijanobakterija)
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGGGAGAGGCAAGCGTTATCCGGAATTATTGGGCGTAAAGCG
(Thermotoga maritima (bakterija termofil 80ºC)
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGGGGCAAGCGTTACCCGGATTTACTGGGCGTAAAGGG
Methanococcus vannielii (arhea)
GTGCCAGCAGCCGCGGTAATACCGACGGCCCGAGTGGTAGCCACTCTTATTGGGCCTAAAGCG
Thermococcus celer (ekstremofilna arhea optimum na 85 ºC)
GTGGCAGCCGCCGCGGTAATACCGGCGGCCCGAGTGGTGGCCGCTATTATTGGGCCTAAAGCG
Sulfolobus sulfotaricus (arhea )
GTGTCAGCCGCCGCGGTAATACCAGCTCCGCGAGTGGTCGGGGTGATTACTGGGCCTAAAGCG
Analiza sekvence 16s rDNK → konstrukcija univerzalnog
filogenetskog stabla
rRNK molekul, kodiran visoko konzerviranom sekvencom rDNK (veoma slična i kod veoma udaljenih organizama).
Analiza sekvenci gena koji kodiraju rRNK (rDNK) široko se koristi u taksonomiji I filogeniji (pokazatelj evolutivne srodnosti, koristi se za procenu stepena divergencije vrsta među bakterijama.
Pionir u ovim istraživanjima Carl Woese je na osnovu sekvenci rDNK predložio klasifikaciju koja se sastoji iz 3 domena (Domain system) - Archaea, Bacteria i Eukarya.
Ćelijski zid Bacteria
Gram pozitivne bakterije Gram negativne bakterije
Na osnovu građe ćelijskog zida i različitog bojenja po Gramu
bakterije se dele na gram-pozitivne i gram-negativne.
Peptidoglikan – sastavni deo zida svih bakterija
Ćelijski zid - uloga u formiranju oblika i čvrstine, turgorski pritisak
kod E. coli 2 atm.
Peptidoglikan
Glikanski deo:
Derivati šećera –
N-acetilglukozamin i
N-acetilmuraminska
kiselina, povezani β(1,4)
glikozidnom vezom
(osetljiva na lizozim)
Peptidni deo: L-alanin,
D-alanin, D-glutaminska
kiselina i mezo-diamino
pimelinska kiselina -DAP
(ili lizin, mnoge G+)
Glikan tetra peptid
Umrežavanje peptidoglikana
(transpeptidacija)
(inhibirano antibiotikom penicilinom)
Čvrstina zida - tetrapeptidne unakrsne veze (cross-links) između lanaca peptidoglikana (glikan tetrapeptid).
Gram-negativne bakterije – veza između DAP i D-alanina)
Gram-pozitivne bakterije – veza preko glicinskih međumostova (povezuju L-lizin i D-alanin)
Jednoslojan ćelijski zid kod gram pozitivnih
bakterija
90%
Građa ćelijskog zida gram pozitivnih bakterija
Tejhojna kiselina
Uronjena u ćelijski zid i citoplazmatičnu membranu (ukoliko postoji kapsula
na površini, prolazi i kroz kapsulu).
Vezana za muraminsku kiselinu peptidoglikana.
Ako je vezana za lipide membrane – lipotejhojna kiselina.
Odgovorna za negativno naelektrisanje zida G+ bakterija
Može da učestvuje u transportu Ca2+ i Mg2+ jona.
Višeslojan ćelijski zid kod gram negativnih
bakterija
5-20%
Gram-negativne bakterije - Spoljašnji sloj ćelijskog zida
(“outer membrane”) lipopolisaharidni sloj – LPS
• Struktura: Dvostruki lipidni sloj, polisaharidi i proteini.
Dvostruki lipidni sloj: unutrašnji deo podseća na fosfolipide citoplazmatične membrane, spoljašnji deo je lipid A
Polisaharidna komponenta – ’core’ (jezgro, srž, osnovni) polisaharid i O-polisaharid
Proteini su uronjeni u LPS sloj; porini – odgovrni za permeabilnost spoljašnje membrane
Struktura porina
3 identične subjedinice grade kanal za prolaz hidrofilnih supstanci (1nm). nespecifični ili visoko specifični porini
Endotoksin G- bakterija
Patogene Gram-negativne bakterije za čoveka i druge sisare rodovi Salmonella, Shigella i Escherichia.
faktor patogenosti: LPS bakterija (endotoksin)
Lipid A = endotoksin, i kod nekih nepatogenih bakterija ova komponenta zida ima toksična svojstva.
Periplazmatski prostor G- bakterija
Uloga spoljašnje membrane – permeabilna za male
molekule, nepropusna za velike molekule – enzime idr.
proteine
Ekstracelularni proteini G- bakterija se zadržavaju u
periplazmatskom prostoru (gel-konzistencija):
− egzoenzimi – hidrolitički enzimi
− vezujući proteini (uključeni u transport)
− hemoreceptori (uključeni u hemotaksije)
Strukturne razlike u građi ćelijskog zida G+i G- Bacteria dovode do razlike u
bojenju po Gramu.
Alkohol prolazi kroz lipidima bogatu “outer membrane” gram-negativnih
Bacteria i rastvara i ispira teško rastvorljiv kompleks kristal violet-jod.
Ćelijski zid Archaea
‣ Može biti građen iz pseudopeptidoglikana (pseudomureina)
primer Methanobacterium sp.
Pseudomurein -struktura
NAG = N-acetilglukozamin
NAT = N-acetiltalosaminuronska kiselina
povezani β(1,3) glikozidnom vezom
(otporna na lizozim)
Ćelijski zidovi Archaea od drugih polisaharida,
glikoproteina ili proteina
• Polisaharidni zid od glukoze, glukuronske kiseline, galaktozaminuronske kiseline i acetata – Methanosarcina sp.
• Sličan polisaharidni zid Halococcus sp., sadrži SO4
2- koji stabilizuju zid (vezuju Na+ jone) u ekstremno slanim sredinama (ekstremni halofil).
• Parakristalni sloj (S-sloj) od proteina ili glikoproteina - (ekstremni halofili, metanogeni i hipertermofili).
• Struktura nalik S-sloju postoji kao dodatna komponenta zida nekih G+ bakterija (Bacillus brevis)
S- sloj – parakristalna priroda
Funkcija ćelijskog zida
• Neki prokarioti su slobodno-živeći protoplasti (mogu preživeti bez ćelijskog zida).
• Grupa patogenih Bacteria, mikoplazme, ne poseduju ćelijski zid, žive u krvi toplokrvnih životinja.
Ćelijska membrana ojačana sterolima koje preuzimaju od domaćina; živi u sredini sa optimalnim osmotskim pritiskom, izotonični uslovi vladaju u ćeliji i oko nje
• Ekstremno acidofilna Archaea bez ćelijskog zida (Thermoplasma)
Ćelijska membrana jedinstvena, od lipopolisaharidnog materijala - lipoglikan (tetraetarski lipidni monosloj – čvrst i stabilan)
Mycoplasma (Bacteria) Thermoplasma (Archaea)
Citoplazmatična membrana
(model građe kod Bacteria i Eukarya)
Citoplazmatična membrana Bacteria
• Tanka struktura (6-8 nm), koja obavija citoplazmu.
• Dvostruki fosfolipidni sloj, hidrofobne i hidrofilne komponente grade selektivnu barijeru na površini – semipermeabilna (’polupropustljiva’, diferencijalno propustljiva).
• Organizacija fosfolipida u dvosloj je energetski najpovoljnija – spontana u vodenoj sredini
• Lipidi - masne kiseline su za glicerol povezane estarskom vezom.
• Steroli - ne nalaze se u prokariotskim membranama, rigidni, planarni molekuli daju čvrstinu eukariotskim membranama (5-25% ukupnih lipida)
(Izuzetak mikoplazme koje nemaju ćelijski zid, a sterole uzimaju od domaćina.)
• Antibiotici polieni reaguju sa sterolima i destabilizuju membranu.
• Hopanoidi - slični sterolima, postoje kod nekih bakterija i imaju sličnu ulogu kao steroli, kod Archaea nisu otkriveni.
holesterol hopanoid diplopten
Očvršćavanje citoplazmatične membrane
osnovna razlika bakterijska – eukariotska membrana
Ćelijska membrana Archaea
izopren
Lipidi – umesto masnih kiselina nalazi se fitanil (izgrađen
iz izoprenskih jedinica) koji je sa glicerolom povezan
etarskom vezom.
Hipertermofilne Archaea - jednoslojna membrana (“monolayer”),
2 fitanila povezana u bifitanil
(adaptacija na hipertermofilne uslove)
Citoplazmatična membrana Archaea
• Organizacija membrane u osnovi ista kao u ostalim domenima (spolja hidrofilne glave, unutra hidrofobni repovi)
Struktura Bacteria Archaea
Citoplazma-
tična
membrana
Dvostruki fosfolipidni sloj, hidrofobne
masne kiseline i hidrofilni glicerol vezani
estarskom vezom.
Proteini
Izopren vezan za glicerol etarskom vezom.
Hipertermofili – jednoslojna (bifitanil).
Proteini
Ćelijski zid Peptidoglikan (murein) N-acetil glukozamin
N-acetil muraminska kis.
β(1,4) glikozidna veza osetljiva na lizozim.
Peptid (L- i D-alanin, D-glutaminska kis.,
lizin ili diaminopimelinske kis. DAP).
Gram+ bakterije:
90% pepidoglikana.
Teihojna kiselina
Gram- bakterije:
10% peptidoglikana.
Lipopolisaharidni sloj- LPS na površini
core polisaharid, O-polisaharid,
lipid A (endotoksin).
Porini – kanali za transport malih
hidrofilnih molekula
Periplazma -12-15nm, sadrži proteine.
Pseudopeptidoglikan
(pseudomurein) N-acetil glukozamin
N-acetil talosaminuronska kis.
β(1,3) glikozidna veza otporna na lizozim
Peptid (L-alanin, glutaminska kis., lizin).
Polisaharidi
Glikoproteini
Proteini
S- sloj (halofili, metanogeni, hipertermofili).
Funkcije citoplazmatične membrane
1. Barijera za prolaz molekula
(semipermeabilna)
2. Mesto gde se nalaze
proteini za transport, dobijanje
energije i hemotaksiju
3. Konzervacija energije
(protonska pumpa,
proton motive force)
Citoplazmatična membrana – permeabilna barijera na
površini
Propustljivost membrane
– Mali hidrofobni molekuli mogu proći difuzijom
– Veliki hidrofobni molekuli moraju biti transportovani
– Polarni i naelektrisani molekuli moraju biti transportovani
Izuzetak: molekul vode (polaran, ali dovoljno mali – može da prođe
kroz membranu zahvaljujući akvaporinima (proteinski kanali za
trasport vode, AqZ kod Escherichia coli)
– Najčešće je neophodan transport nasuprot gradijentu koncentracije
(uz utrošak energije)
Neophodnost postojanja transportnih sistema u membrani
Najmanje 3 tipa transportera koji koriste energiju protonske
pumpe, ATP-a ili fosfoenolpiruvata
Evolutivna sličnost sva
tri tipa transportera
(sličan AK sastav, 12 α-
heliksa u strukturi
proteina)
Transport kroz
membranu uključuje
promenu konformacije
transportnih proteina –
vezivanje supstance na
jednoj strani i
oslobađanje na drugoj
strani membrane
Transportni proteini u membrani bakterija
Jednostavni transporteri
• Formiraju kanal za prolaz supstanci:
- uniporteri – transport jedne supstance u ćeliju.
- antiporteri – vrše transport dve supstance u različitim smerovima (unose jednu, a iznose drugu)
- simporteri - nose jednu supstancu sa drugom (najčešće protonom H+), u istom smeru.
Jednostavni transporteri
“Proton motive force” -
protonska pumpa
membrane prokariotskih
ćelija i unutrašnje
membrane mitohondrija i
hloroplasta
Fosfotransferazni sistem (translokacija grupa)
• Sistem fosfotransferaza kod E.coli,(24 proteina), proteini se alternativno fosforilišu ili defosforilišu.
• Energija iz fosfoenol piruvata (ekvivalentna energiji 1 ATP), koristi se kao donor fosfatne grupe.
• Glukoza je pripremljena za ulazak u centralni metabolizam (glikoliza)
ABC transporteri G-
bakterija
(ATP binding cassete)
Transport nekih šećra i
aminokiselina, neorganskih
nutrijenata i metala
Površinske strukture kod prokariota
‣ Prokariotske ćelije na svojoj površini mogu imati
različite strukture: kapsule i sluzave omotače,
flagele, fimbrije i pile.
‣ Uloga ovih struktura: zaštita od fagocitoze,
isušivanja, prihvatanje za podlogu (domaćina),
omogućavanje konjugacije među bakterijama,
kretanje.
Površinski omotači – kapsula i sluzavi omotač
Hemijski sastav:
polisaharidne prirode (glikokaliks) ili
proteinske prirode
Uloga:
pričvršćivanje za podlogu (strukture
domaćina) – formiranje biofilma, koncentracija
hranljivih materija, sprečavanje isušivanja, faktor
patogenosti kod nekih bakterija
kolonije Bacillus anthracis
Površinske strukture
Fimbrije Pili
Protenski nastavci za pričvršćivanje
(bakterija za supstrat, patogenih za
strukture domaćina, međusobno
povezivanje bakterija u tečnom
medijumu ili formiranje biofilma na
čvrstoj podlozi)
Duži nastavci, uloga –
pričvršćivanje (ista kao
fimbrije), u procesu konjugacije,
receptori za neke bakteriofage
Rezervne materije:
- glikogen
- polifosfat
- poli--hidroksi butirat PHB
Ćelijske inkluzije
Granule S kao rezultat oksidacije
H2S kod fotosintetičkih purpurnih
sumpornih bakterija.
Granule fosfata ili polifosfata
Inkluzije- Magnetozomi (magnetit Fe3O4)
• Magnetotaksija -
orijentacija i kretanje duž
linije geo-magnetnog
polja.
• Brojne, primarno
akvatične bakterije, i neke
alge.
Magnetozomi izolovani iz
Magnetospirillum magnetotacticum
(50 nm)
• Izduženog oblika, 5-20% ćelije, od šupljikavog proteina (300-700nm).
• Membrana od proteina (2 nm), nepropustljiva za vodu i druge rastvore, a propustljiva za većinu gasova.
• Sastav gasa u vezikuli odgovara gasu spoljašnje sredine (u vezikuli 1 atm).
Gasne vezikule
Održavaju mikroorganizme u vodenoj sredini na odgovarajućoj
dubini, gde su intenzitet i talasna dužina svetla optimalni za proces
fotosinteze.
Gasne vezikule kod cijanobakterije Anabaena
i Microcystic
Anabaena
Microcystic
Endospore
• Diferencirane strukture koje produkuju neke Gram-pozitivne
bakterije zemljišta (~20 rodova do sada poznato)
• Proces sporulacije dobro proučen: Bacillus i Clostridium
• Uloga – preživljavanje nepovoljnih uslova (otporne na visoku
temperaturu, hemijske i fizičke agense: boje, kiseline, dezinfekcione
supstance, zračenje).
• Sadrže Ca2+ soli dipikolinske kiseline – olakšava dehidrataciju spore,
redukuje nivo dostupne vode
• Mogu biti dormantne izuzetno dug vremenski period.
• Ćelijska diferencijacija: sporulacija (formiranje spora) i germinacija
(klijanje spora) su obrnuti procesi
Endospore
Položaj endospore u ćeliji je taksonomski karakter
Bojenje metodom po Šefer-Fultonu
Sporulacija Bacillus subtilis,
zelena fluorescentna zona -
proteini u omotaču spore.
Građa spore:
1. Egzosporijum na površini – proteinski sloj
2. Sporin omotač (spore coat) – proteinski sloj
3. Korteks – sadrži peptidoglikane
4. Srž (jezgro) spore (‘sporin protoplast’) – tu su zaštićene sve
vitalne strukture koje ćelija mora da sačuva: nukleoid, ribozomi,
membrana, deo citoplazme
SASPs – small acid-
soluble proteins, mali
proteini rastvorljivi u
kiselini , vezuju se za
DNK u srži i štite je od
nastanka lezija; prevode
DNK iz B-forme
(vegetativna ćelija) u
kompaktniju A-formu
Spore
• 10-30% vode.
• 10% suve težine spore: Ca- dipikolinat (DPA).
• pH je za jedinicu niži od pH vegetativne ćelije.
• Specifični proteini “small acid-soluble spore proteins (SASPs)” sintetišu se u toku sporulacije, tesno se vezuju za DNK i štite je od štetnih efekata.
• U procesu germinacija SASPs predstavljaju izvor C i energije.
Sporulacija
Germinacija endospore
Brz proces
Aktivacija povišenom, ali subletalnom temperaturom – termalni šok
Izrastanje: gubitak DPA – hidratacija, gubitak SASPs – izvor C i
energije, počinju metabolički procesi (sinteza DNK; RNK i proteina),
ćelija postaje podložna bojenju – lako prima boju (spore se teško
boje)
Bakterijske flagele
Salmonella enteritidis 10,000X
Desulfovibrio species. 15,000X
(a) peritriha – flagele ravnomerno raspoređene
(b) monotriha – jedna flagela na polu
(c) lofotriha – čuperak flagela na polu
(d) amfitriha (nije prikazano)
dva čuperka flagela na oba pola ćelije
Broj i položaj flagela je
taksonimski karakter
Strukture za kretanje – flagele
Gram negativne bakterije sa aksijalnim filamentima (endoflagella): Treponema
pallidum (izazivač sifilisa) i Borrelia bergdorfi (izazivač lajmske bolesti).
Kod spiroheta (G- bakterije) strukture slične flagelama, aksijalni filamenti,
koje se nalaze u periplazmatičnom prostoru, polaze sa polova ćelije i
spiralno je bavijaju.
Strukture za kretanje – aksijalni filamenti
Struktura flagela • Struktura flagela malo varira kod prokariota.
• Filament - izgrađen od subjedinica od
proteina flagelina (Bacteria), helikalnog
oblika (talasast), uloga – kretanje, rotacijom
poput propelera
• Bazalno telo flagela (‘motor’):
C i MS prstenovi u citoplazmi i membrani
P prsten u peptidoglikanskom sloju (samo
kod G- bakterija)
L prsten u LPS sloju (samo kod G- bakterija)
• Mot i Fil proteini okružuju C i MS prstene
• Fil proteini upravljaju rotacijom flagela kao
odgovor na intracelularni signal (regulatorni
proteini)
• Energija za kretanje – proton motive force
(‘protonska turbina’ – prolazak protona kroz Mot
protein (motorni proteini)
Pokretljivost klizanjem
• Mnogo sporije kretanje, filamentozni ili štapićasti oblici.
• Cijanobakterija, gram-negativne bakterije (Myxococcus xanthus i druge miksobakterije) i Cytophaga i Flavobacterium.
• Cijanobakterija - sekrecija polisaharidne sluzi kojom se prihvataju za površinu podloge i kreću.
• Nefotosintetičke klizeće bakterije Flavobacteriun johnsoniae, specifični proteini uronjeni u citoplazmu i ćelijski zid.
Filamentozne klizeće bakterije na
površini čvrste podloge (agar)
Gram negativna klizajuća bakterija
Flavobacterium johnsoniae
Mutant koji ne može da se
kreće klizanjem
Hemotaksija
Ćelija ima receptore za atraktante ili repelente koji prenose signal
mehanizmom signalne transdukcije na proteine regulatore
motornih proteina flagele
Pozitivna aerotaksija bakterija
koje se približavaju algi koja
oslobađa kiseonik (alga, bela
mrlja).
• Postoji senzorni protein
(hemoreceptor) u membrani koji
registruje promene spoljašnje
sredine.
• Signal se prenosi na regulator
odgovora.
• Dvokomponentni sistem – senzor
i regulator; proces prenosa je
signalna transdukcija.
• Pozitivna hemotaksija – kretanje
usmereno ka interesantnoj
supstanci.
• Negativna hemotaksija – ukoliko
se radi o nepovoljnim uslovima,
kretanje se odvija u suprotnom
smeru.
Fototaksija
• Fototrofi se kreću u pravcu svetla - fototaksija.
• Fotoreceptori, analogi hemoreceptorima, ocenjuju gradijente svetlosne energije.
• Fotaksija omogućuje orijentaciju i najefikasniju fotosintezu.
• Fenomen je analog pozitivnoj hemotaksiji, atraktant je svetlo.
• Regulatorni sitemi uključeni u hemotaksiju odgovorni su i za fototaksiju.
Izrazito pokretni organizam Rhodospirillum
centenum (purpurna fototrofna bakterija), cela
kolonija pokazuje fototaksiju.
(kolonija je golim okom vidljiva masa ćelija na površini čvrste hranljive
podloge koja predstavlja klon jedne ćelije)
Top Related