Bakteriecell: Olika delar av en generaliserad bakteriecell (förklarad med diagram) | Mikrobiologi

De olika delarna av en generaliserad bakteriecell har visats i Figur 2.3 och har beskrivits enligt följande:

1. Flagella:

Bakteriell flagella är tunna trådformiga hårliknande spiralformiga bifogar som sticker ut genom cellväggen och är ansvariga för bakteriens rörlighet. De flesta av de rörliga bakterierna har flagella.

Dess längd är ca 10-15μ. Bakteriell flagella är helt annorlunda än eukaryot flagella i struktur och verkningsmekanism. De är mycket tunnare än flagella eller cili av eukaryota celler. Inget cellmembran är närvarande över bakteriell flagella till skillnad från i eukaryot flagella.

Vidare är bakteriell flagella, till skillnad från eukaryot flagella, något styv och inte piska fram och tillbaka, snarare spinner de mycket som en båtens propeller för cellens rörelse. Den bakteriella flagellan har tre delar nämligen; (a) Basal Body, (b) Krok och (c) Filament (Figur 2.4).

(en) Basal kropp:

Det bildar flagellumets basdel och förankras i det cytoplasmatiska membranet och cellväggen. Det ger förankring till flagellan såväl som funktioner som en motor, vilket förmedlar flagellumets roterande rörelse.

Den består av en liten centralstav som passerar genom ett ringsystem. I fall av gram-positiva bakterier, i vilka cellväggen ensam består av ett peptidoglykanskikt, har den basala kroppen bara ett par ringar; M-ringen och S-ringen, båda inbäddade i cellmembranet.

Omkring dessa ringar är en gruppprotein som kallas mot proteiner. Protonrörelse över cellmembranet genom dessa motproteiner ger den protonmotivkraft (energi) som krävs för rotationen av dessa två ringar, vilka i slutändan fungerar som motorn för propellelliknande rotation av flagellumet.

En annan grupp proteiner, som kallas fli-proteiner, är närvarande ihop mellan dessa två ringar. De fungerar som motoromkopplare, som reverserar rotation av flagellum som svar på intracellulära signaler.

I fall av gramnegativa bakterier, i vilka cellväggen består av ett yttre lipopolysackarid (LPS) skikt förutom det tunnare inre peptidoglykanskiktet, har den basala kroppen ytterligare ett par ringar; L-ringen inbäddad i LPS-skiktet och P-ringen i det tunna peptidoglykanskiktet.

(b) Krok:

En kort krok kopplar den basala kroppen till flagellumets tråd. Det är något tjockare än filamentet. Den basala kroppens motorverk överförs till glödtråden genom kroken.

(c) filament:

Det är den långa hårliknande trådformiga delen av flagellum som kommer ut ur kroken. Det är flera gånger längre än bakteriecellen. Den är tillverkad av en enda typ av protein, "flagellin" vars molekylvikt är cirka 40 000. Flagellinmolekyler bildar kedjor; tre sådana kedjor inter-garn för att bilda flagellum. Till skillnad från ett hår som växer vid basen växer filamentet av en flagellum vid sin spets.

Aminosyror passerar längs filamentets ihåliga centrum och lägger till dess distala ände. Denna process kallas självmontering, eftersom all information för filamentets slutliga struktur ligger i proteinunderenheterna själva. Glödlampan är något styv och piskar inte fram och tillbaka, det spinner snarare som en båtens propeller för cellens rörelse.

Spirocheten saknar extern flagella. De flyttade dock med hjälp av en flagellikniknande struktur belägen i sina celler strax under ytterkuvertet. Dessa kallas periplasmisk flagella, axiell flagella, axiella fibriller eller endoflagella.

Flagella arrangeras på olika sätt i olika bakterier. Ordningen av flagella på bakterieceller kallas flagellation. Flagellering är av följande fyra typer (Figur 2.5).

(a) Monotrich flagellation (Mono: singel; trichous: hår): En enda flagellum är närvarande i ena änden av cellen.

(b) Lophotrichous flagellation (Lopho: tuft; trichous: hår): En tuft eller grupp av flagella är närvarande i ena änden av cellen.

(c) Amphitrichous flagellation (Amphi: båda, trichous: hår): Flagella är närvarande i båda ändarna av cellen, antingen singel eller i tuft.

(d) Peritrichous flagellation (Peri: runt, trichous: hår): Flagella är närvarande i hela ytan av cellen.

2. Fimbriae:

Fimbriae är tunna trådformiga hårliknande bilagor, som strukturellt liknar flagella, men är inte inblandade i bakteriens rörlighet (Figur 2.3). Till skillnad från flagella är de betydligt kortare och mer talrika, men som flagella är de gjorda av proteinmolekyler.

Fimbriae förekommer i få arter av bakterier, vilket hjälper dem att fästa vid cellerna i andra organismer och förhindra att de tvättas bort genom flödet av slem eller kroppsvätska. Sålunda hjälper det särskilt de patogena bakterierna att etablera infektion i värdkroppen. De hjälper också till att bilda pelliklar eller biofilmer på ytor.

3. Pili:

Pili är tunna trådformiga hårliknande bilagor, som strukturellt liknar flagella, men är inte inblandade i bakteriens rörlighet (Figur 2.6). De är också strukturellt liknar fimbriae, men är generellt längre och endast en eller några pili är närvarande på ytan av en bakteriecell.

Den är tillverkad av en enda typ av protein, "pilin", vars molekylvikt är cirka 17 000. Pilinmolekyler är anordnade spiralformigt för att bilda en enda styv filament med en central ihålig kärna. I vissa bakterier överförs genetiskt material genom den ihåliga kärnan i pili under konjugering (parning med en annan bakterie).

Sådana pili kallas fruktbarhet pili (F pili) eller sex pili. I vissa patogena bakterier verkar pili på samma sätt som fimbriae i anslutning till värdcellerna och infektion. Den agglutinerande verkan av pili resulterar i bildning av filmer av bakterier som är synliga på ytan av buljongkulturer.

4. S-Layer:

S-skikt (ytskikt) är ett skikt som finns på ytan av de flesta patogena bakterierna, som består av en tvådimensionell grupp av proteiner med kristallint utseende i olika symmetrier, såsom hexagonal, tetragonal eller trimerisk (Figur 2.7) .

Den kristallina symmetrin beror på sammansättningen av proteinerna i S-skiktet. Det är associerat med cellväggstrukturen (med peptidoglykanskiktet i gram-positiva bakterier och med LPS-skiktet i gram-negativa bakterier).

Det fungerar som ett yttre permeabilitetsbarriär, vilket möjliggör passage av ämnen med låg molekylvikt och uteslutande ämnen med hög molekylvikt. Det ger också skydd för de patogena bakterierna, mot värdförsvaret.

5. Kapsel (slimskikt eller glykocalyx):

Många bakterier har ett visköst slimigt eller gummy material utanför cellen, som omger cellväggen (Figur 2.8). Den är gjord av makromolekyler, som inte är kovalent bundna till bakterierna.

Dessa ytmakromolekyler är huvudsakligen laddade polysackarider (glykoproteiner eller glykolipider) och kallas därför glycocalyx (glyco: kolhydrater, kalyx: en del av blomman under kronblad som sträcker sig utåt från stjälken). Glycocalyx definieras som det polysackaridinnehållande materialet som ligger utanför cellen som ett löst nätverk av polymerfibrer som sträcker sig utåt från cellen.

De syntetiseras och utsöndras av bakterierna, vilka binder till receptorerna på ytan av värdvävnaderna. Glycocalyx finns inte bara kring några bakterieceller; det finns också kring några plant- och djurceller.

Glycocalyx kan vara av tre typer enligt följande:

(a) kapsel:

Det är en polymerlack bestående av ett tätt, väldefinierat visköst skikt som omger bakteriecellerna i många arter. Det viskösa skiktet kan visualiseras genom ljusmikroskopi med användning av en speciell färgningsteknik.

Glycocalyxpolymerfibrerna är organiserade i en tät matris som utesluter partiklar såsom indisk bläck. Bakterier, som har kapsel, kallas kapslade bakterier, medan de, som inte har kapsel, kallas icke-kapslade bakterier.

(b) mikrokapsel:

Det är ett visköst lager som omger bakteriecellerna, vilket är så tunt att det inte kan visualiseras genom ljusmikroskopi.

(c) Slime:

Det är en diffus massa av polymerfibrer som uppenbarligen är frikopplad till en enda cell. Det viskösa skiktet är så tjockt att många celler är inbäddade i slimmatrisen. Skiktet deformeras lätt och utesluter inte partiklar. Det är svårt att visualiseras av ljusmikroskopi.

Funktionerna för kapsel och slime anges nedan:

1. Det förhindrar torkning av celler, genom att binda vattenmolekyler.

2. Det förhindrar vidhäftning av bakteriofager (virusen, som angriper bakterier) på bakteriecellerna.

3. Det ger virulens (den sjukdomsproducerande förmågan) genom att hämma deras igenkänning och efterföljande förstöring av fagocyter (vita blodkroppar eller WBC).

4. Det hjälper de patogena bakterierna för dess anslutning till receptorer på ytan av värdvävnaderna som ska infekteras.

5. Det ger vidhäftning mellan olika bakterieceller.

6. Mantlar:

Skede är långa ihåliga rörformiga strukturer, som omsluter kedjor av bakterieceller som bildar "trichomes" (Figur 2.9). Mjuka bakterier är vanliga i sötvatten livsmiljöer som är rika på organisk materia, som förorenade strömmar, dricksfilter och aktiverade slammetare i avloppsreningsverk. Mantlarna kan lätt visualiseras, när några av cellerna, som kallas "de flagellerade svärmcellerna" i trichomen, rör sig ut ur manteln och lämnar bakom den tomma manteln.

7. Pros-thecae:

Pros-thecae är cytoplasmatiska förlängningar från bakterieceller, som bildar bilagor som hypha, stjälk eller knopp. De är mindre i diameter än de mogna cellerna, innehåller cytoplasma och är bundna av cellvägg. Bakterier med pros-thecae kallas prostekatbakterier.

Till skillnad från celluppdelningen i andra bakterier, som sker genom binär fission, producerar två ekvivalenta dotterbakterieceller som i prosthecaten innebär bildandet av en ny dottercell med modercellen behåller sin identitet efter celldelningen är avslutad.

"Hyphae" är cellulära bilagor bildade genom direkt cellförlängning av modercellen innehållande cellvägg, cellmembran, ribosom och ibland DNA. Det bildas genom förlängning av en liten utväxt av bakteriecellen vid en enda punkt.

Sådan tillväxt vid en enda punkt kallas "polär tillväxt" i motsats till "interkalär tillväxt" som sker i alla andra bakterier, där bakterier växer i hela ytan. I slutet av hypha bildas en knopp som förstorar och producerar en flagellum.

DNA i modercellen replikerar och en kopia av det cirkulära DNA flyttas ner längden av hyphaen i knoppen. En kors septum bildar sedan separering av den fortfarande utvecklande knoppen från hyphaen och modercellen.

Nu bryter knoppen från modercellen och simmar bort som en dottercell. Senare förlorar dotterns cell sin flagellum och växer gradvis för att bli en modercell redo för bildande av hyphae och knopp.

Stalkar är cellulära bilagor som används av vissa vattenbakterier för fastsättning till fast substrat. I slutet av stjälken finns en struktur som kallas "fast", varigenom stjälken är fäst vid substratet. Förutom att ge tillägg stärker också stjälken bakteriecellens yta, vilket hjälper till när det gäller näring och borttagning av avfall.

I vissa bakterier förblir stjälkarna hos flera individer kopplade till "rosettes". Celluppdelning i stalkade bakterier sker genom förlängning av cellen i riktning motsatt riktningen av stjälken följt av fission. En enda flagellum bildas vid polen motsatt stjälken.

Den flagellerade dottercellen som bildas så kallas en "swarmer". Den skiljer sig från den icke-flagellerade modercellen, svimmar runt och fästs till en ny yta som bildar en ny stjälk vid den flagellerade polen. Flagellumet försvinner sedan.

"Buds" är cellulära bilagor, som direkt utvecklas som dotterceller från modercellerna utan den interna bildningen av hyphae.

8. Cellvägg:

Cellvägg är den styva strukturen som omedelbart omger cellmembranet av bakterieceller. Cellmembranet av bakterieceller är ett fosfolipid-dubbelskikt som liknar alla andra djur- och växtceller (Figur 2.11).

Medan djurceller saknar cellvägg, har växtceller och bakterieceller cellvägg som omger cellmembranet. I motsats till cellväggen från växtceller, som huvudsakligen består av cellulosa, består cellväggen av bakterieceller huvudsakligen av peptidoglykanlager (Figur 2.10).

Tidigare kallades peptidoglykan också murein eller mukopeptid. Peptidoglykan består huvudsakligen av aminosyror och sockerarter (peptid: kedja av aminosyror, glykan: socker). Två sockerarter, nämligen N-acetylglukosamin (NAGA) och N-acetylmuraminsyra (NAMA) bindas till varandra på alternerande sätt genom glykosidbindningar (p-1-4-bindning) för att bilda långa parallella sockerkedjor.

Bifogade till NAMA-molekylerna är korta sidokedjor av fyra eller fem aminosyror bundna till varandra genom peptidbindningar. Vanligtvis är aminosyrorna alanin, glutaminsyra och antingen lysin eller diaminopimelsyra (DAP). Dessa korta peptider bildar tvärbindningar mellan intilliggande sockerkedjor för att bilda ett nätverk eller ett skikt.

Även om glykosidbindningarna i sockerkedjorna är mycket starka, kan dessa ensamma inte ge styvhet i alla riktningar. Hög styvhet erhålls, endast när dessa kedjor är tvärbundna med peptidbindningarna i de kortbindande korta peptiderna.

Sammansättningen av cellväggen är inte densamma för alla bakterier; snarare finns det märkliga skillnader i dess sammansättning, baserat på vilka bakterier som har grupperats enligt nedan:

A. Baserat på gramfärgning:

Baserat på skillnaderna i cellväggens sammansättning särskiljer en särskild färgteknik som kallas gramfärgning, uppkallad efter Dr. Christian Gram som utvecklat den, bakterier i två grupper enligt följande:

(1) Gram-positiva bakterier:

Efter färgning av en bakterie med kristallviolett, om dess cellvägg motstår avfärgning genom att tvätta med ett avfärgningsmedel (etanol eller aceton), är det en gram-positiv bakterie. Exempel: Bacillus, Staphylococcus.

(2) gramnegativa bakterier:

Efter färgning av en bakterie med kristallviolett, om dess cellvägg tillåter genomgå avfärgning genom tvättning med ett avfärgningsmedel (etanol eller aceton), är det en gramnegativ bakterie. Exempel: Escherichia, Salmonella, Vibrio.

Differentiering av bakterier i gram-positiva och gram-negativa grupper ger den viktigaste ledtråden för att fortsätta vidare i rätt riktning för identifiering av okända bakterier.

Gram-positiv cellvägg:

Den gram-positiva cellväggen är väldigt enkel. Den är huvudsakligen gjord av ett tjockt lager av peptidoglykan, vilket utgör ca 90% av cellväggen. Detta tjocka lager gör de gram-positiva bakterierna resistenta mot osmotisk lysis.

Väggen kan också innehålla teikoesyra, lipoteikoesyra och M-protein, som är huvudytorna av gram-positiv cellvägg. Teichoesyran är negativt laddad och är delvis ansvarig för den negativa laddningen av bakteriecellens yta. Det hjälper också vid passage av joner genom cellväggen.

Lipoteikoesyran är teikoesyra, vilken är bunden till membranlipiderna. M-proteinet hjälper vissa bakterier att orsaka sjukdomar genom att förhindra deras svullnad av WBC. Antibiotika, penicillin (producerat av svampen, Penicillium notatum) och cefalosporin dödar gram-positiva bakterier genom att förhindra peptidoglykan syntes. Lysozym (ett enzym som finns i tår, saliv, äggalbumin och slim av fisk) dödar gram-positiva bakterier genom att bryta glykosidbindningen (P-1-4-bindning) mellan NAGA och NAMA.

Gram-negativ cellvägg:

Den gramnegativa cellväggen är väldigt komplex och mer ömtålig än gram-positiv cellvägg. Det har ett tunt lager av peptidoglykan, vilket utgör endast ca 10% av cellväggen. Den är omgiven av en tjock skyddande beläggning som kallas lipopolysackarid (LPS) lager, som motstår penetrering av vissa potentiellt giftiga kemikalier i bakteriecellen.

LPS-skiktet består av 1) ett lipoproteinskikt och 2) ett yttre membran. En yta av lipoproteinskiktet är direkt bunden till peptidoglykanskiktet och den andra ytan sträcker sig in i det yttre membranet.

Det fungerar som ett ankar mellan peptidoglykanskiktet och det yttre membranet. Yttermembranet är ett proteininkopplat fosfolipid-dubbelskikt med "enhetsmembran" -struktur som liknar cellmembranet. Det yttre membrans inre löv är ett skikt av fosfolipidmolekyler enbart.

I motsats till enhetsmembranet ersätts emellertid några av fosfolipidmolekylerna i ytterbladet av LPS-molekyler. Varje LPS-molekyl är tillverkad av en lipiddel som kallas "lipid A" kovalent kopplad till en hårliknande polysackarid.

När gramnegativa patogena bakterier dödas inuti värdens kropp frigörs lipiden A, som är en intern komponent av gramnegativa bakterier, vilket framkallar toxiska reaktioner och sjukdomssymptom. Det är därför, lipid A kallas också "endotoxin" (endo: internt).

I motsats till detta är "exotoxin" den giftiga substansen som syntetiseras inuti bakteriecellerna och släpps ut till utsidan, vilket orsakar sjukdom, om den finns i eller går in i värdens kropp. Till skillnad från andra normala lipider som triglycerider, som är gjorda av tre fettsyror bundna till en glycerol, är lipid A tillverkad av fettsyror bundna till en disackarid bestående av två NAGA-fosfater.

Fettsyrorna i lipid A är vanligen kapronsyra, laurinsyra, myristinsyra, palmitinsyra och stearinsyror. Polysackariden, som är bunden till lipid A i den andra änden av disackariden, är tillverkad av två delar; 1) den inre kärnpolysackariden och 2) den yttre O-polysackariden.

Det yttre membranet innehåller också proteiner som kallas "poriner", vilka innehåller tre identiska underenheter. Varje underenhet är cylindrisk med en central pore, genom vilken material kan passera. Sålunda gör porerna det yttre membranet relativt permeabelt.

Poriner är av två typer; 1) icke-specifika poriner som bildar vattenfyllda kanaler för små ämnen av vilken typ som helst för att passera och 2) specifika poriner som har specifika bindningsställen för att specifika ämnen ska passera genom.

Flera material (lösningar, sprutor, nålar etc.) görs emellertid fri från patogena mikrober genom värmesterilisering, behåller fortfarande rester av cellväggen hos gramnegativa bakterier som produceras genom att döda dem. Om det införs i värdkroppen kan denna cellväggen skada sjukdomssymptom. Denna trasiga cellväggen, som kan framkalla sjukdomssymtom, kallas "pyrogen".

B. Baserat på Acid-Fast Staining:

Baserat på skillnaderna i cellväggens sammansättning, särskiljer en annan speciell färgningsteknik som kallas "sur-snabb färgning" bakterier i två grupper enligt följande:

(1) sura fasta bakterier:

En bakterie, som är extremt svår att färgas, men en gång färgas, är det lika svårt att avlägsna fläcken från sina celler, även med kraftig användning av syraalkohol som avfärgningsmedel, är en sura bakterier (syrakärande bakterie).

Exempel: Mycobacterium spp. [M. tuberkulos (TB-bakterier), M. leprae (spetälska bakterier), M. smegmatis (naturliga bakterier av smegma), M. marinum (TB-bakterier av marina fiskar)]. De har en tjock vaxaktig cellvägg gjord av lipidmaterial.

(2) icke-syrafasta bakterier:

En bakterie, som är lätt att färgas och också lätt avfärgas av syraalkohol som avfärgningsmedel, är en icke-syrabaserad bakterie (icke-syrabärande bakterier). Exempel: Alla andra bakterier utom Mycobacterium spp. I dessa bakterier är cellväggen inte tjock vaxaktig.

Differentiering av bakterier till sura och icke-syrafasta grupper ger den viktigaste ledtråden för identifiering av Mycobacterium spp.

Väggmangelvarianter:

Vissa bakterier finns naturligt utan cellvägg. Mykoplasma, som är den minsta bakterien, har ingen cellvägg. Den är skyddad mot osmotisk lysis genom närvaron av steroler i cellmembranet och genom att anta en parasitisk existens i en osmotiskt gynnsam miljö hos eukaryotiska värdar.

På liknande sätt saknar vissa marina bakterier cellvägg, i vilken den osmotiska lysen förhindras av havsvattnets höga saltkoncentration. De flesta av de gram-positiva bakterierna förlorar sin cellvägg (peptidoglykan) i närvaro av lysozym.

Dock överlever sina celler om de är närvarande i en isotonisk miljö, såsom pusfyllda sår. Dessa väggbristande bakterier som består av enbart protoplasma omsluten av cellmembran kallas protoplast eller L-former (L for Lister Institute i London).

När lysozym är avlägsnat kan de återuppta tillväxt genom att syntetisera sin cellvägg. Om protoplasten behåller bitar av cellvägg, så att cellen tar amoeboidform, utskjuter ut där det inte finns någon cellvägg, kallas den "sfäroplast".

Spheroplast bildas även när peptidoglykan av gram-negativ cellvägg avlägsnas genom behandling med lysozym. Här är protoplasmen innesluten av två skikt, cellmembranet och LPS-skiktet.

Cellväggens funktioner:

(a) Skyddsform Lysis:

Det skyddar bakteriecellerna från osmotisk lysis, eftersom de flesta kvarstår i hypotoniska miljöer. Det här är för att; koncentrationen av upplösta lösta ämnen i bakteriecellerna är betydligt högre än i miljön. Detta utvecklar ett betydande turgortryck inuti cellerna, vilket kan jämföras med trycket inuti ett fordonsdäck. Cellväggen hjälper till att motstå detta tryck.

(b) Form och styvhet:

Det ger form och styvhet till bakteriecellerna.

9. Periplasmiskt utrymme:

Det är det tunna utrymmet mellan cellväggen och cellmembranet (figurerna 2.10 och 2.11). Den är fylld med plasma som kallas periplasma. Periplasmen innehåller flera proteiner, varav tre är viktiga.

De är 1) hydrolytiska enzymer, vilket hjälper till att försämra livsmedelsmolekyler av bakterier, 2) bindande proteiner, som börjar processen att transportera substrat och 3) kemoreceptor, vilka är involverade i bakteriens kemotaxisrespons. Chemotaxis betyder rörelse mot eller bort från en kemikalie.

10. Cellmembran:

Det är ett tunt membran under cellväggen som helt omsluter protoplasmen. Det kallas också "cytoplasmiskt membran" eller "plasmamembran". Det är ett proteininkopplat fosfolipid-dubbelskikt (Figur 2.11).

Två typer av proteiner är inbäddade i dubbelskiktet. En typ av proteiner hålls fast i dubbellagret och kallas "integrerade proteiner". De övriga typerna av proteiner är löst förankrade på dubbellagets yta och kallas "perifera proteiner".

Membranets komponenter är inte statiska; snarare är de dynamiska och är alltid i rörelseformen som en "vätska". Proteinerna ger membranet med ett "mosaik" utseende.

Det är därför Enhetsmembranet uttrycks vanligtvis genom en "fluidmosaikmodell". Fosfolipid-dubbelskiktet består av två motsatta vända skikt, vilka var och en består av ett skikt av fosfolipidmolekyler. Varje fosfolipidmolekyl har ett huvud och ett par svansar som kommer fram från den.

Huvudet är laddat och hydrofilt (vattenälskande), för vilket det förblir i riktning mot den vattenhaltiga miljön. Svansarna är oladdade och hydrofoba (vattenhattande), för vilka de förblir dolda inuti membranet bort från den vattenhaltiga miljön. Ett sådant membran kallas "enhetsmembran".

Steroler, vilka är närvarande i enhetmembranet av alla eukaryotema som förstärkningsämnet, är frånvarande i enhetsmembranen hos nästan alla bakterier. Emellertid är molekyler som liknar steroler, som kallas humanoider, närvarande i flera bakterier, som spelar en roll som liknar sterols i eukaryoter. En av de viktiga humanoiderna är "diplopten", som har 30 kolatomer.

Funktioner av cellmembran:

(a) permeabilitetsbarriär:

Cellens inre (cytoplasman) består av en vattenhaltig lösning av salter, sockerarter, aminosyror, vitaminer, koenzymer och ett stort antal andra lösliga material. Cellmembranets hydrofoba natur gör den & tät barriär.

Även om vissa små hydrofoba molekyler kan passera genom membranet genom diffusion, passerar hydrofila och laddade molekyler (de flesta vattenlösliga molekylerna) inte lätt igenom den. Dessa molekyler transporteras över det genom specifika transportsystem.

Även ett ämne som är så liten som en vätejon (H ⁺ ) diffunderar inte över cellmembranet. Den enda molekylen som tränger in i membranet är vatten, som är tillräckligt liten och oladdad för att passera mellan fosfolipidmolekyler.

Således är cellmembranet en kritisk barriär som separerar cellens insida från sin miljö och förhindrar passiv läckage av cytoplasma-beståndsdelar in i eller ut ur cellen. Om membranet brutits förstörs cellens integritet, det inre innehållet läcker in i miljön och cellen dör.

(b) Selektiv barriär:

Cellmembranet är också en starkt selektiv barriär. Specifika proteiner, som kallas "membrantransportsystem" närvarande på och i cellmembranet, möjliggör och underlättar transport av specifika ämnen över det genom aktiv och passiv transport.

Strukturellt är membrantransportsystemen proteiner gjorda av 12 alfa-spiraler som fram och tillbaka genom membranet för att bilda en kanal, genom vilken substansen som skall transporteras transporteras till eller ut ur cellen.

Dessa proteiner kan binda till specifika ämnen som skall transporteras och flytta dem in i eller ut ur cellen över membranet efter behov. Detta gör det möjligt för en bakteriecell att koncentrera specifika ämnen inuti cellen och ta bort specifika ämnen från cellen till utsidan.

Det finns tre typer av membrantransportproteiner, såsom 1) Uniporters, som endast transporterar en typ av molekyl i en riktning över membranet, 2) Symptorer som transporterar en typ av molekyl och transporterar alltid en annan typ av molekyl tillsammans med den i samma riktning och 3) Antiporters, som transporterar en typ av molekyl och transporterar alltid en annan typ av molekyl i motsatt riktning.

Transport av ämnen kan ske på tre sätt, såsom 1) Enkel transport, där transporten sker över membranet genom energin från protonmotivkraften, 2) Grupptransplacering, där den transporterade substansen är kemiskt förändrad under passage över membranet och 3) ABC-transport (ATP-bindande kassett), i vilken ett periplasmiskt bindande protein i periplasmen binder specifikt till substansen, ett membran-spännande protein som sträcker sig över membranet transporterar det över membranet och en cytoplasmatisk ATP-hydrolyseringsprotein närvarande i cytoplasman förser energin för transporthändelsen.

(c) extracellulär hydrolys:

Cellmembranet hemmer många enzymer till utsidan för extracellulär nedbrytning av stora matpartiklar i molekyler, som kan passera in i cellen genom membranet.

(d) Andning:

Bakterier har inte mitokondrier. Därför utförs cellulär andning, för att få energi från livsmedelsmaterial, i cellmembranet, som innehåller andningsorganens enzymer. Det är en anordning för energibesparing i cellen.

Membranet kan existera i en energiskt laddad form, i vilken en separation av protoner (H ⁺ ) från hydroxyljoner (OH-) sker över dess yta. Denna laddningsseparation är en form av metabolisk energi, analog med den potentiella energin som finns i ett laddat batteri.

Det magnetiska tillståndet hos membranet, benämnt en protonmotivkraft (PMF), är ansvarig för att driva många energiförbrukande funktioner i cellen, innefattande vissa former av transport, motilitet och biosyntes av cellens energivaluta, ATP .

(e) fotosyntes:

Fototrofiska bakterier utför fotosyntes av speciella organeller som kallas "kromatoforer" som bildas av cellmembranets fantasi. Dessa organeller innehåller enzymer och pigment för fotosyntes.

(f) Absorption av näringsämnen:

Näringsämnen i omgivningen absorberas direkt i bakteriecellerna genom cellmembranet. "Mesosomer" är membranösa invaginationer av cellmembranet i cytoplasman, vilket ökar ytan för effektiv absorption.

(g) Reproduktion:

Bakterier reproduceras genom binär fission. Varje cell delar upp i två dotterceller. I processen bildar cellmembranet den nya cellväggen mellan delande dotterceller.

11. Cytoplasma:

Den viskösa vätskeliknande substansen, som fyller facket i cellmembranet, kallas cytoplasma (figurerna 2.10 och 2.11). Det är en vätska gjord av vatten, enzymer och små molekyler. Suspenderad i vätskan är en relativt genomskinlig region av kromosomalt material som kallas "nukleoid", ribosomgranuler och cytoplasmatiska inklusioner, som lagrar energi.

12. Nukleoid:

Det är den aggregerade massan av DNA som utgör bakteriens kromosom (Figur 2.12). Eftersom bakterier är prokaryoter är deras DNA inte begränsat i en membranbunden kärna, som det är i eukaryoter.

Det är emellertid inte utspridda i cellen, snarare tenderar det att aggregera som en distinkt struktur inom bakteriecellen och kallas "nukleoid" (Figur 2.12). Ribosom s är frånvarande i nukleoidområdet, eftersom nukleoid DNA existerar i en geliknande form som utesluter partikelformigt material.

De flesta bakterier innehåller bara en enda kromosom, som består av ett enda cirkulärt dubbelsträngat DNA, även om vissa bakterier har linjärt kromosomalt DNA. Vanligtvis vrids det kromosomala DNA-materialet i stor utsträckning och viks till "super-coiled DNA", för att rymma det i det lilla rummet av nukleoid.

Super-spolat DNA är mer kompakt än det fritt cirkuläriserade DNA. Bakterier innehåller bara en enda kopia av varje gen på deras kromosom och är därför genetiskt "haploid". I kontrast innehåller eukaryoter två kopior av varje gen i sina kromosomer och är således genetiskt diploida.

Gen kan definieras som vilket segment av ett DNA som helst som är ansvarigt för värdorganismerens särskilda karaktär. Varje karaktär av en organism anges av en viss gen, som består av ett visst segment av DNA.

Det kromosomala DNA av bakterier innehåller de väsentliga "hushållande generna" som behövs för bakteriernas överlevnad. Detta DNA fördelas mellan de två dottercellerna under celldelning.

Förutom de kromosomala generna finns också icke-kromosomala gener närvarande utanför kromosomen. Till exempel innehåller plasmiderna specifika gener som ger särskilda egenskaper till bakterier. Summan av alla gener närvarande i en cell kallas dess "genom".

13. Plasmider:

Dessa är få icke-kromosomala DNA som finns i cytoplasman hos vissa bakterier (Figur 2.12). Varje plasmid består av ett litet cirkulärt stycke dubbelsträngat DNA, som kan replikera oberoende av kromosomen. Många plasmider är ganska små, men vissa är ganska stora.

Ingen plasmid är dock lika stor som kromosomen. Plasmider har inte gener nödvändiga för bakteriell tillväxt eller överlevnad. De kan ha gener som är ansvariga för resistensen mot antibiotika, för produktion av toxiner eller för produktion av ytbiprodukter som är nödvändiga för fastsättning och infektion.

Plasmiderna innehåller sålunda de gener som ger speciella egenskaper till bakterier, till skillnad från det kromosomala DNA som innehåller de väsentliga hushållande gener som behövs för bakteriernas grundläggande överlevnad.

Vissa plasmider, som kan integreras i värdkromosomalt DNA kallas "episomer". Plasmider kan också elimineras från värdens bakteriecell genom processen kallad "härdning". Vissa plasmider används ofta i genmanipulation och genteknik.

14. Ribosomer:

Dessa är granulära kroppar närvarande i cytoplasman, i vilken proteinsyntes äger rum (Figur 2.3). De är så många att deras närvaro ger cytoplasman ett mörkt utseende. Storleken på varje bakteriell ribosom är 70 S (70 Svedberg), som består av två underenheter av 50S och 30S storlek. Däremot är storleken på varje eukaryot ribosom 80 S bestående av två underenheter av 60S och 40S storlek.

15. Gas Vacuoles:

Gasvakuoler är spindelformade gasfyllda strukturer som finns i cytoplasman (figurerna 2.3 och 2.13). De är ihåliga cylindriska rör, stängda av ett ihåligt koniskt lock i varje ände. Deras nummer i en cell kan variera från några till hundratals.

Their length and width vary in different bacteria, but the vacuoles of any given bacteria are more or less of constant size. They are hollow, but rigid. They are impermeable to water and solutes, but are permeable to most gases. Therefore, the composition of the gas inside them is the same as that of the gas, in which the organism is suspended.

Gas is present in the vacuoles at about 1 atm. pressure. Therefore, rigidity of gas vacuole membrane is essential for the vacuole to resist the pressure exerted on it from outside. Due to this, it is composed of proteins able to form a rigid membrane rather than of lipids, which would form a fluid, highly mobile membrane.

There are two types of proteins, which make the membrane. They are 1) GvpA and 2) GvpC (Gas vacuole protein A and C). GvpA is the major gas vacuoles protein, which is small and highly hydrophobic (Figure 2.13). It is the shell protein and makes up 97% of the total protein of the gas vacuoles.

Gas vacuoles are made of several GvpA protein molecules aligned as parallel 'ribs' forming a watertight surface. GvpA proteins fold as a (3-sheet and thus, give considerable rigidity to the overall vacuole structure. GvpC is a larger protein, but is present in much smaller amount.

It strengthens the shell of the gas vacuoles by acting as cross-linker, binding several GvpA ribs together like a clamp. The final shape of the gas vacuoles, which can vary in different organisms from long and thin to short and fat is a function of how the GvpA and GvpC proteins are arranged to form the intact vacuoles.

As the gas vacuoles are filled with gases, their density is about 5- 20% of that of the cell proper. Thus, the intact gas vacuoles decrease the density of the bacteria cells, thereby conferring buoyancy to them.

Most of the floating aquatic bacteria have gas vacuoles, which confer buoyancy and help them to float on the surface of water or anywhere in the water column. Gas vacuoles also act as a means of motility, allowing cells to float up and down in the water column in response to environmental factors.

For example, aquatic phototrophic organisms benefit from gas vacuoles, which help them to adjust their position rapidly in the water column to regions where light intensity for photosynthesis is optimal. The gas vacuole membrane cannot resist high hydrostatic pressure and can collapse, leading to a loss of buoyancy. Once collapsed, gas vacuoles cannot be reinflated.

16. Inclusions:

The non-living reserve materials suspended in the cytoplasm are called 'inclusions' (Figure 2.3). Most of the inclusions are bounded by a thin non-unit membrane consisting of lipids separating them from the surrounding cytoplasm.

Their function is the storage of energy or structural building blocks. Different bacteria contain different types of inclusions.

Some of the common inclusions found in bacteria cells are described below:

(a) Poly-β-hydroxybutyric Acid (PHB) Granules:

These are granules consisting of poly- β-hydroxybutyric acid (PHB), which is a lipid-like substance. Monomers of β-hydroxybutyric acid are bonded to each other in a chain by ester linkages to form the polymer of poly- β-hydroxybutyric acid. The polymers aggregate into granules.

(b) Poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) Granules:

It is a collective term used to describe all classes of carbon/energy storage polymers found in bacterial cytoplasm. The most common PHA granules are the PHB granules. The length of the monomers in a polymer can vary, from as short as C ₄ (in PHB granules) to as long as C ₁₈ (in other granules) in many bacteria.

(c) Volutin Granules:

These are granules composed of polyphosphates. The basic dye, toluidine blue becomes reddish violet, when it combines with the polyphosphate granules. This phenomenon of color change is called 'metachromasy'. Therefore, volutin granules are also called 'metachromatic granules'.

(d) Glycogen Granules:

These are starch-like polymers made of glucose subunits. Glycogen granules are usually smaller than PHB granules. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.

(e) Sulphur Granules:

These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.

(f) Magnetosomes:

Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe ₃ O ₄ . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.

The membrane proteins play a role in precipitating Fe ³⁺ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe ₃ 0 ₄ in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.

Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.

There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.

17. Endospore:

It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.

Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:

I. Aerobic rod-shaped bacteria

1. Bacillus spp.

II. Anaerobic rod-shaped bacteria

2. Clostridium spp.

3. Desulfotomaculum spp.

Structure of Endospore:

The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).

(en) Exosporium:

It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.

(b) Spore coat:

It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.

(c) Bark:

It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.

(d) Core:

It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.

Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.

Egenskaper hos Endospore Core:

Kärnan i en mogen endospor skiljer sig mycket från den vegetativa cellen, från vilken den bildas.

Egenskaperna hos endospor kärnan är följande:

(a) En kemisk substans som är karakteristisk för endosporer, men inte närvarande i vegetativa celler, är dipikolinsyra (DPA). Den ligger i kärnan.

(b) Sporer är också höga i kalciumjoner, varav de flesta kombineras med dipikolinsyra. Kalcium-dipikolinsyrakomplexet i kärnan representerar ca 10% av endosporets torrvikt.

(c) Förutom att ha en riklig kalciumdipikolinsyra (Ca-DPA) -halt, är kärnan i ett delvis dehydratiserat tillstånd. Kärnan i en mogen endospor innehåller endast 10-30% av den vegetativa cellens vattenhalt och sålunda är konsistensen av kärncytoplasmen den hos en gel.

Dehydratisering av kärnan ökar värmebeständigheten hos endosporen såväl som ger resistens mot kemikalier, såsom väteperoxid (H2O2) och orsakar att enzymerna i kärnan förblir inaktiva.

(d) Förutom spårets låga vattenhalt är kärn-cytoplasmens pH ungefär en enhet lägre än den hos den vegetativa cellen.

(e) Kärnan innehåller höga nivåer av kärnspecifika proteiner som kallas "små syreoplösliga sporeproteiner" (SASP). Dessa syntetiseras under spekulationsprocessen och har två funktioner. För det första binder de tätt mot DNA i kärnan och skyddar den mot potentiell skada från UV-strålning, uttorkning och torr värme. För det andra fungerar de som källa till kol och energi för utväxt av ny vegetativ cell genom spridningsprocessen.

Sporcykel:

Vid svåra förhållanden produceras en spore inom en vegetativ cell genom dehydrering och sammandragning av cellinnehållet (Figur 2.14). Denna spore, bildad inuti bakteriecellen, kallas "endospore". Om negativa förhållanden förvärras, sönderbryts cellerna endosporan, som nu blir en oberoende vilande cell som kallas 'spore'.

Processen, genom vilken en vegetativ cell producerar en spore, kallas "sporogenes" eller "sporulation". Sporen förblir i den inaktiva vilande formen tills de negativa förhållandena kvarstår. Vid återkomst av gynnsamma förhållanden kommer sporen tillbaka till den vegetativa formen och blir aktiv igen.

Skikten som täcker sporebrottet och sporet ger upphov till en metaboliskt aktiv vegetativ cell. Processen, genom vilken en spore förändras till en vegetativ cell, kallas "grobarhet".

Den cykliska processen att byta från vegetativ form till spår under svåra förhållanden och tillbaka till vegetativ form under gynnsamma förhållanden kallas "spore cycle".

Sporcykelns två halvor ges nedan:

A. Sporulering:

Sporulation innebär en mycket komplex serie av händelser vid celldifferentiering (Figur 2.14). Många genetiskt riktade förändringar i cellen ligger till grund för omvandlingen från en fuktig, metaboliskt aktiv cell till en torr, metaboliskt inaktiv men extremt resistent spore.

De strukturella förändringarna som uppträder i sporulära celler kan delas upp i flera steg. Hela sporulationsprocessen tar ungefär några timmar. Genetiska studier har visat att så många som 200 gener är involverade i en typisk sporulationsprocess.

Under sporulation upphör syntesen av några proteiner som är involverade i vegetativa celler att fungera och syntesen av specifika sporeproteiner börjar. Dessa proteiner kallas "små syre lösliga spore proteiner" (SASP).

Detta åstadkommes genom aktivering av en mängd olika sporspecifika gener inklusive spo, ssp (som kodar för SASP) och många andra gener som svar på det negativa miljöförhållandet. De proteiner som kodas av dessa gener katalyserar serien av händelser som ändrar en vegetativ cell till en spore.

Sporan får sitt värmebeständighet genom flera mekanismer, som ännu inte klart har förklarats. Det är emellertid klart att de ogenomträngliga skikten, såsom spore cortex och spore coat skyddar sporet från någon fysisk skada.

En viktig faktor som påverkar värmebeständigheten hos en spore är mängden och tillståndet av vatten i den. Under spårningen reduceras protoplasmen till en minsta volym, som en följd av ackumuleringen av Ca2 ⁺, små syreoplösliga sporeproteiner (SASP) och syntes av dipikolinsyra, vilket leder till bildandet av en geliknande struktur.

Vid detta skede bildar en tjock cortex runt protoplastkärnan. Sammandragning av cortex resulterar i en krympad, dehydrerad protoplast med en vattenhalt av endast 10-30% av den hos en vegetativ cell. Protoplastens vattenhalt och koncentrationen av SASP bestämmer spårets värmebeständighet.

Om sporen har låg koncentration av SASP och hög vattenhalt, visar den låg värmebeständighet. Om den har hög koncentration av SASP och lågt vattenhalt, visar den hög värmebeständighet. Vatten rör sig fritt in och ut ur spåret. Det är sålunda inte ogenomträngligheten hos spårahöljet, snarare det geliknande materialet i sporeprotoplasten, som utesluter vatten.

B. Sprängning:

En endospor kan förbli vilande i många år, men kan konvertera tillbaka till en vegetativ cell relativt snabbt. Denna process innefattar tre steg; aktivering, spiring och utväxt. Aktivering innebär att sporen aktiveras och gör den klar för spiring.

"Germination" innebär förlust av spårets mikroskopiska refraktivitet och förlust av resistens mot värme och kemikalier. Sporet förlorar kalciumdipikolinsyra och cortexkomponenter. Dessutom försämras SASP: erna.

"Utväxt" innebär synlig svullnad på grund av vattenupptagning samt syntes av nytt DNA, RNA och proteiner. Cellen kommer från den trasiga spårahöljet och börjar så småningom dela upp sig. Cellen förblir sedan i vegetativ tillväxt tills miljöförhållandena är gynnsamma.

Vid sterilisering av ett material för att göra det bakteriefritt, dödas de bakterier som finns närvarande i den genom någon metod. Om materialet innehåller sporeformare blir det emellertid svårt att sterilisera det. Ju mer är antalet sporer i materialet desto högre är den stress som krävs för att sterilisera det.

För kolonier av sporbildande bakterier som odlas på agarplattor eller skenor, när åldern av bakterier ökar, bildar de sporer på grund av åldrande, näringsbrist och ackumulering av metaboliter.