Građa prokariotske ćelije
Građa prokariotske ćelije
Struktura i funkcija prokariotske
ćelije
• Prokariotska ćelija je
jednostavnije građena i ne
poseduje organele
obavijene membranom.
• Makromolekuli: proteini,
nukleinske kiseline, lipidi
i polisaharidi (univerzalni
za živi svet, zajednički
predak).
Elektronska mikrografija
bakterije (Heliobacterium,
1 x 3 μm)
Prokariotska ćelija
Nukleoid
• 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 - kod nekih se nalaze proteini slični
histonima
Nukleoid
• boji se specifičnim
bojama za DNK
• zauzima oko 10%
volumena ćelije, iako
DNK čini svega 2-3%
suve težine ćelije
Domeni negativne
superspiralizacije
Kod E. coli oko 100 domena
Izolovani nukleoid iz E. coli
Ribozomi
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
IDENTIFIKACIJA BAZIRANA NA ANALIZI
SEKVENCE 16s rDNK
rRNK molekul, kodiran visoko konzerviranom sekvencom rDNK (veoma slična i kod veoma udaljenih organizama).
Analiza sekvenci gena koji kodiraju rRNK (rDNK) široko sekoristi u taksonomiji, filogeniji (evolutivnoj srodnosti) za procenu stepena divergencije vrsta međi bakterijama.
Pionir u ovim istraživanjima Carl Woese je na osnovu ovih sekvenci predložio klasifikaciju koja se sastoji iz 3 domena (Domain system) - Archaea, Bacteria i Eucarya.
16s rDNK sekvenca ima hipervarijablne regione, kod koga
su sekvence izmenjene u toku dužeg perioda (evolutionary
time) a koji je prekidan visoko konzerviranim regionima.
• 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
Citoplazmatična membrana
Citoplazmatična membrana Bacteria
• Tanka struktura (8 nm), koja obavija citoplazmu.
• Dvostruki fosfolipidni sloj, hidrofobne i relativno hidrofilne komponente koje su selektivna barijera.
• Lipidi - masne kiseline su za glicerol povezane estarskom vezom.
Citoplazmatična membrana Bacteria
Citoplazmatična membrana bakterija
• Steroli - ne nalaze se u prokariotskim membrana, rigdni, planarni molekuli daju čvrstinu eukariotskim membranama (5-25% ukupnih lipida)
• Izuzetak mikoplazme koje nemaju ćelijski zid a sterole uzimaju od domaćina.
• Antibiotici polieni (filipin, nistatin, kandicin) reaguju sa sterolima i destabilizuju membranu.
• Hopanoidi - slični sterolima i kod nekih bakterija i imaju sličnu ulogu
• Kod Archaea nisu otkriveni.
holesterol hopanoid diplopten
Mycoplasma (elektronska mikrografija)
Archaea
• Predstavljaju najsariju životnu formu koja je preživela od vremena kada su uslovi na Zemlji bili tako nepovoljni da su samo ekstremofili mogli da se razvijaju.
• Danas se mnoge vrste Archaea mogu se naći u ekstremnim staništima ( npr. topli izvori)
Tipični habitat Sulfolobus-a
Octopus Spring Obsidian Pool
•Topli izvori Nacionalnog parka Yellowstone, USA, su bila među prvim
mestima u kojima su otkrivene Archaea.
•Ovi bazeni imaju veoma male razlike u sadržaju minerala, temperaturi, etc., i
mogu sadržati različite zajednice archaean i drugih mikroorganizama.
•Biolozi potapaju mikroscopske pločice u topli izvor na koje se mogu prihvatiti
archaea.
Archaea su klasifikovane u 3 grupe:
Crenarchaeota, hipertermofili i acidofili, metabolišu S; (Sulfolobus solfataricus)
Euryarchaeota, hemoautotrofi, hipertermofilni anaerobi (toplim sumpornim izvori, vulkani (70- 113°C); metanogeni (svi anaerobi), ekstremni halofili (većina aerobi) i nekoliko sumpor-metabolšućih termofila;
Korarchaeota, novo prepoznata grupa, najbliža je univerzalnom pretku koji je mogao biti arhaea ili drugi oblik ekstremofila sposoban da kolonizuje mladu planetu a kasnije preživi u ekstremnim stainištima.
Korarchaeota,
KamchatkaKorHotSprings.jpg
• Archaea ne poseduju peptidoglukan u ćelijskom zidu.
• Različita građa ćelijske membrane u odnosu na bakterije i eukariote (neuobičajena etarska veza u lipidima).
• Pored oblika koka i bacila mogu biti i u obliku diska, trougla, kupe, itd..
• Struktura i funkcija gena kod njih je iznenađujuće slična strukturi i funkciji gena kod eukariota.
• Postoje i značajne razlike u nekim osnovnim biohemijskim procesima između archaea i bakterija.
Ćelijska membrana Archaea
izopren
Lipidi – umesto masnih kiselina nalazi se izopren (fitanil)
koji je sa glicerolom povezan etarskom vezom.
Hipertermofilne Archaea - jednoslojna membrana
(“monolayer”), fitanili povezani u bifitanil.
Funkcije citoplazmatične membrane
1. Barijera za prolaz molekula
2. Mesto gde se nalaze
proteini za transport, dobijanje
energije i hemotaksiju
3. Konzervacija energije
Transportni proteini u membrani bakterija
• Formiraju kanal za prolaz supstanci:
- uniporteri – transport jedne supstance u ćeliju.
- antiporteri – unose supstancu u jednom a iznose drugu u suprotnom.
- simporteri - nose supstancu sa (najčešće protonom H+), u istom pravcu.
Najmanje 3 tipa transportera koji koriste enrgiju protonske
pumpe, ATP-a ili druge supstance bogate energijom
Jednostavni transporteri
“Proton motive force” -
protonska pumpa prokariotskih
i unutrašne 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 1 ATP).
• Glukoza je pripremljena za ulazak u centralni metabolizam.
ABC
transporteri
Ćelijski zid
• Ćelijski zid - uloga u formiranju oblika i čvrstine,
turgorski pritisak kod E. coli 2 at.
Ćelijski zid Bacteria
Gram pozitivne bakterije Gram negativne bakterije
Peptidoglikan – u sastavu zida svih bakterija
Na osnovu građe ćelijskog zida i različitog bojenja po Gramu
bakterije se dele na gram-pozitivne i gram-negativne.
Peptidoglikan
Umrežavanje
peptidoglikana
Inhibirano
penicilinom
Čvrstna zidu - tetrapeptidne unakrsne veze (cross-links) između lanaca peptidoglikana (glikan tetrapeptid).
Jednoslojan ćelijski zid kod gram
pozitivnih bakterija
90%
Građa ćelijskog zida gram pozitivnih bakterija
Teijhojna kiselina
Višeslojan ćelijski zid kod gram
negativnih bakterija
5-20%
Gram-negativne bakterije - Spoljašnji sloj ćelijskog
zida (“outer membrane”) LPS
• Dvostruki lipidni sloj, pored fosfolipida ima polisaharide i proteine (lipopolisaharidni sloj LPS).
Endotoksin
• LPS gram-negativnih bakterija je toksičan (patogene za čoveka i druge sisare su Salmonella, Shigella i Escherichia).
• Lipid A, endotoksin, i kod nekih nepatogenih bakterija ova komponenta zida ima toksična svojstva.
• Porin 3 identične subjedinice proteina - kanali za prolaz hidrofilnih supstanci (1nm).
• Nespecifični ili visoko specifični
Komponenta Funkcija
Lipopolisaharid LPS Permeabilna barijera
Mg++ mostovi Stabilizuju LPS i esencijalni su permeabilnost
Braun-ov lipoprotein Povezuje “outer membrane” za peptidoglikan (murein)
Omp C i Omp F porini Proteini koji formiraju pore ili kanale kroz “outer
membrane” za prolaz hidroflnih molekula
Omp A protein Receptor za neke viruse i bakteriocine; stabilizuje
povezivanje ćelija u toku konjugacije
• Strukturne razlike u građi ćelijskog zida gram-pozitivnih i gram-
negativnih Bacteria dovode do razlike u bojenju po Gram-u.
• Alkohol prolazi kroz lipidima bogatu “outer membrane” gram-
negativnih Bacteria i rastvara i ispira teško rastvorljiv kompleks kristal
violet-jod.
Ćelijski zid Archaea
N-acetil talosaminuronska kiselina
N-acetil glukozamin
Pseudopeptidoglikan
Ćelijski zidovi Archaea od polisaharida,
glikoproteina ili proteina
• Zid od glukoze, glukuronske kiseline, galaktozamina i acetata - Methanosarcina, Halococcus, ekstremno halofilna.
• Parakristalni sloj (S-sloj) od proteina ili glikoproteina - (ekstremni halofili, metanogenih i hipertermofila.
• Methanospirillum i Methanothrix - ćelije odvojene gustim “space” regionom kompleksne strukture u zajedničkom S-sloju.
S- sloj – parakristalna priroda sloja
Ekstremno halofilne Archaea,
Halobacterium
Ekstremno termofilne Archaea,
Pyrolobus
Ekstremno acidofilna Archaea
bez ćelijskog zida,
Thermoplasma
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 (polimeri glicerolfosfata
ili ribitolfosfata).
Gram- bakterije 10% peptidoglikana.
Lipopolisaharidni sloj
Polisaharid - sr` polisaharida (heptoze,
glukoze, galaktoze i N-acetilglukozamina) i
O-polisaharid (galaktozu, glukozu,
ramnozu i manozu, kolitoza)
Lipid - lipid A (endotoksin).
Porini – proteini sa 3 identi~ne subjedinice.
Periplazma -12-15nm, proteini.
Pseudopeptidoglukan N-acetil glukozamin
N-acetil talosa minuronska kis.
β(1,3) glikozidna veza otporna na lizozim
Peptid (L-alanin, glutaminska kis., lizin).
Polisaharidi
Glikoproteini
Proteini
S- sloj (halofili, metanogeni, hipertermo).
Funkcija ćelijskog zida
Protoplasti
• Neki prokarioti su slobodno-živeći protoplasti.
• Oni mogu preživeti bez ćelijskog zida.
• Čvrstu membranu ili sredina sa optimalnim osmotskim pritiskom (toplokrvni organizmi).
• Grupa patogenih Bacteria, mikoplazme, mogu živeti bez ćelijskog zida.
Površinske strukture i inkluzije kod
prokariota
Površinske strukture
• Prokariotske ćelije na svojoj površini mogu imati
različite strukture, kapsule i sluzave omotače,
fimbrije i pile.
• Uloga ovih struktura: zaštita od fagocitoze,
isušivanja, prihvatanje za podlogu (domaćina).
Površinski omotači
Kapsula
Glikokaliks
kolonije Bacillus anthracis
Površinske strukture
Fimbrije Pili
Genetička informacija se često nalazi na plazmidima
Ćelijske inkluzije Rezervne materije:
- glikogen (boji se rastvorom joda)
- polifosfat (metahromatične granule)
- poli--hidroksi butirat PHB
Granule sa fosfatom i sumporom
• Elementarni S se akumulira u
velikoj količini (u toku
oksidacije SO4, H2S, S i
tiosulfata).
• Depoi granula fosfata ili
polifosfata (metahromatične
granule).
Granule sa S kao rezultat oksidacije H2S
(purpurna sumporna bakterija Isochromatium buderi).
Inkluzije - Magnetozomi
• Magnetotaksiju -orijentaciju i kretanje
duž linije geo-magnetnog polja.
• Brojne, primarno akvatične bakterija, i
neke alge.
Magnetozomi izolovani iz
Magnetospirillum magnetotacticum (50 nm)
Gasne vezikule Oržavaje na površini ili u slojevima sa intenzitetom svetla
optimalnim za proces fotosinteze
• Izduženog oblika, 5-20% ćelije, od šupljikavog proteina (300-700nm).
• Membrana od proteina (2 nm) nepropustljive za vodu i druge rastvore a poropustljive za većinu gasova.
• Sastav gasa u vezikuli odgovara gasu spoljašnje sredine (u vezikuli 1 atm).
Gasne vezikule kod cijanobakterije Anabaena
i Microcystic
Anabaena
Microcystic
Endospore
• Diferencirane strukture koje produkuju neke gram-
pozitivne bakterije zemljišta.
• Otporne na visoku temperaturu, hemijske i fizičke agense
(boje, kiseline, dezinfekcione supstance, zračenje).
• Mogu biti dormantne izuzetno dug vremenski period.
Endospore
Fluorescentna
fotomikrografija sporulacije
Bacillus subtilis, zelena zona
potiče od specifičnog
bojenja proteina u omotaču
spore.
Sporulacija
Spore
• 10-30% vode.
• 10% težine Ca- dipikolinata.
• 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 predstavljaju izvor C i energije.
Struktura endospora
• Egzosporium - spoljašnji tanki omotači od više slojeva proteina.
• Korteks –peptidogikan sa malo unakrsnih veza i “core” ili protoplast spore (membrane, citoplazme, nukleoida).
• Endospore se mogu obojiti specifičnim metodom bojenja.
Germinacija endospore
Strukture za kretanje - flagela
(a) peritriha
(b) monotriha
(c) Lofotriha
amfitriha (nije prikazano) čuperak flagela na oba pola ćelije
Broj i položaj flagela je osobina vrste
Bakterijske flagele
Salmonella enteritidis 10,000X
Desulfovibrio species. 15,000X
Gram negativne bakterijae sa aksialnim filamentima (endoflagella),
Treponema pallidum (izazivač sifilisa) i Borrelia bergdorfi (izaziva Lyme's
bolest). Kod spiroheta strukture slične flagelama, aksijalni filamenti, koje se nalaze
u periplazmatičnom prostoru, polaze sa polova ćelije i spiralno je bavijaju.
Strukture za kretanje – aksijalni filament
Struktura flagela
• Filament -
proteina
flagelina.
• Struktura flagela
malo varira kod
prokariota.
Način kretanja peritriha
Način kretanja monotriha
Pokretljivost klizanjem • Mnogo sporije kretanje, filamentozni su ili štapićasti.
• Cijanobakterije, 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).
• Pozitivna hemotaksija –
kretanje usmereno ka
interesantnoj supstanci
(na osnovu periodičnog
uzorkovanja hemijskih
supstanci iz spoljnje
sredine).
• Ukoliko se radi o
nepovoljnim uslovima
kretanje se odvija u
suprotnom pravcu.
Fototaksija
• Fototrofi se kreću u pravcu svetla - fototaksija.
• Fotaksija omogćuje orijentaciju i najefikasniju fotosintezu.
• Fenomen je analog pozitivnoj hemotaksiji atraktant je svetlo.
• Regulatorni sitemi uključeni u hemotaksiju odgovorni su i za fototaklsiju (proteini citoplazme, Che kontrolišu pravac rotacije flagela).
• Visoko pokretni organizam Rhodospirillum
centenum, cela kolonija pokazuje fototaksiju.
• Fotoreceptori, analogi hemoreceptorima, ocenjuju
gradijente svetlosne energije.