Struktura i funkcija prokariotske ćelije...• Struktura: Dvostruki lipidni sloj, polisaharidi i...
Transcript of Struktura i funkcija prokariotske ćelije...• Struktura: Dvostruki lipidni sloj, polisaharidi i...
-
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)