Budowa i funkcjonowanie komórki bakteryjnej oraz znaczenie bakterii w przyrodzie i w życiu człowieka.
Wszystkie organizmy żywe możemy podzielić na dwie grupy: organizmy, które nie mają wykształconego jądra komórkowego (Prokariota) oraz organizmy mające wykształcone jądro komórkowe (Eukariota). Bakterie są jednokomórkowymi organizmami prokariotycznymi tzn. nie mają typowego jądra komórkowego, które zostało zastąpione kolistą dwuniciową cząsteczką DNA poskręcaną i przyczepioną do białkowo-rybonukleinowego rdzenia, znajdującą się w części cytoplazmy zwanej obszarem jądrowym, czyli nukleoidem. DNA zawarty w nukleoidzie nie jest oddzielony od reszty cytoplazmy z rybosomami, dzięki czemu wykorzystanie informacji zawartej w tym materiale może być bardzo szybkie.
Bakterie występują we wszystkich możliwych środowiskach. Są w stanie przetrwać w najbardziej ekstremalnych warunkach dzięki swoim zdolnościom przystosowawczym. Mówimy że są organizmami kosmopolitycznymi. Nie oznacza to jednak że wszystkie bakterie mogą występować we wszystkich możliwych środowiskach. Znaczna część bakterii jest wysoce wyspecjalizowana a ich środowiska ograniczone do pewnych warunków tlenowych, temperaturowych i pokarmowych. Niektóre bakterie rozmnażające się w swoim biotopie mogą przetrwać także w innych środowiskach, nie mogą się w nich jednak rozmnażać.
Środowiskiem, w którym występuje największa liczba bakterii jest gleba. W 1 g gleby występuje ok. 950 mln bakterii. Największa ilość bakterii występuje w ryzosferze czyli warstwie gleby otaczającej korzenie roślin. Mnóstwo bakterii żyje w wodach przy czym ich liczba zależy od wielu czynników takich jak temperatura wody, jej zasolenie, zanieczyszczenie, natlenienie i zawartość składników odżywczych. Przeciętnie w 1 ml wody występuje ok. 1 mln bakterii. Bardzo dużo bakterii występuje także w mułach na dnie zbiorników wodnych. Kolejnym ważnym środowiskiem życia bakterii jest powierzchnia i wnętrze innych organizmów. Stosunkowo nieliczne są bakterie chorobotwórcze, znaczna ich część to komensale nie wywołujące żadnych szkód w organizmie oraz symbionty, które w zamian za udostępnienie miejsca i pożywienia dostarczają gospodarzowi pewne substancje chemiczne.
Należy tu zaznaczyć, że granice między tymi kategoriami są bardzo nieostre i może się zdarzyć, że w przypadku osłabienia organizmu zupełnie dla niego nieszkodliwa bakteria może spowodować stan chorobowy. Tego typu sytuacje obserwuje się niekiedy u pałeczki okrężnicy (Escherichia coli)żyjącej w jelicie cienkim człowieka czy bakterii z rodzaju Rhyzobium występującej w brodawkach korzeniowych roślin motylkowych. Bakterie a także ich formy przetrwalnikowe spotykane są również w powietrzu. Nie prowadzą tam jednak aktywnego życia, tylko przemieszczają się do odpowiedniego dla siebie środowiska.
Zróżnicowanie kształtów bakterii jest niewielkie. Mogą one występować pojedynczo lub w postaci kilku do kilkunastokomórkowych skupień i mają kilka podstawowych, często występujących kształtów i kilka nietypowych. Tak więc mamy bakterie kuliste (ziarniaki) które są bardzo pospolite. Występują pojedynczo lub w skupieniach o określonych nazwach. Do najbardziej znanych nalezą Do najbardziej znanych bakterii tej grupy należą: dwoinka zapalenia płuc i gronkowiec złocisty. Druga grupa to bakterie o walcowatych kształtach do której zaliczamy przede wszystkim pałeczki i laseczki. Należy do nich pałeczka okrężnicy oraz znana z wywoływania zatruć pałeczka Salmonella, a także powodujące tężec i produkujące jad kiełbasiany laseczki Clostridium. Do bakterii spiralnych zaliczamy przecinkowce, śrubowce krętki np. przecinkowiec cholery, i krętek blady wywołujący kiłę. Ostatnią grupę stanowią występujące w glebie promieniowce.
BUDOWA KOMÓRKI BAKTERYJNEJ
Komórka bakterii jest całkowicie samowystarczalna co oznacza, że posiada wszystkie organelle komórkowe niezbędne do prawidłowego funkcjonowania. Elementami wspólnymi dla wszystkich bakterii są: błona komórkowa (o innym składzie lipidowym niż eukariotyczne; obserwuje się mniejszą różnorodność fosfolipidów oraz u większości bakterii brak cholesterolu.), mezosomy (centra energetyczne komórki bakteryjnej, zachodzi oddychanie komórkowe; prymitywne odpowiedniki mitochondriów), cytoplazma, rybosomy i nukleoid. Prawie wszystkie bakterie zawierają ścianę komórkową. Niektóre komórki wytwarzają rzęski służące do poruszania się, fimbrie (białkowe wyrostki cieńsze i krótsze od rzęsek, służą do przyczepiania się do różnych powierzchni a tzw. fimbrie płciowe do rozpoznawania osobników przeciwnej „płci”.), otoczki śluzowe oraz ciała chromatoforowe (zawierające chlorofil). Wiele bakterii posiada plazmidy czyli niewielkie cząsteczki DNA występujące poza nukleoidem związane m.in. z „płcią” komórek i opornością na antybiotyki. Cytoplazma bakterii jest gęsta i nie wykazuje ruchu. Nie zawiera również takich struktur jak aparaty Golgiego czy siateczka wewnątrzplazmatyczna. Często natomiast na jej obszarze występują materiały zapasowe (glikogen, tłuszcze, białka, wolutyna). Jest to pięć podstawowych różnic pomiędzy komórkami prokariotycznymi a eukariotycznymi (brak jądra, reticulum endoplazmatycznego, aparatów Golgiego, nieruchomość cytoplazmy i występowanie materiałów zapasowych). U wielu bakterii na zewnątrz ściany komórkowej znajduje się otoczka (zbudowana z polisacharydów), której średnica często przekracza średnicę komórki. Czasami wspólna otoczka obejmuje kilka komórek. Otoczka chłonąc wodę z otoczenia chroni bakterie przed wyschnięciem, natomiast otoczki bakterii chorobotwórczych są doskonałą ochroną przed reakcją obronną organizmu żywiciela ponieważ jest ona skierowana przeciwko otoczce, a samej bakterii nic się nie dzieje.
U niektórych bakterii występują ciała chromatoforowe czyli odpowiedniki chloroplastów. Są to kuliste, owalne lub bardzo wydłużone pęcherzyki zawierające barwniki fotosyntetyczne i odpowiednie zestawy enzymów. Występują one w komórkach bakterii fotosyntetyzujących. Bakterie mogą wykazywać zabarwienie nie związane z fotosyntezą. Niektóre są intensywnie żółte, inne brązowe a jeszcze inne jak np. pałeczka cudowna której kolonie przypominające krople krwi pojawiają się nieraz na obrazach są czerwone.
Bakterie z grupy laseczek mają zdolność wytwarzania przetrwalników, które mogą przez bardzo długi czas przeczekiwać niekorzystne warunki środowiskowe. Przetrwalniki charakteryzują się szczególną wytrzymałością na wysuszenie, wysoką temperaturę oraz promieniowanie UV.
ODŻYWIANIE SIĘ BAKTERII
Celem odżywiania jest dostarczenie organizmowi złożonych związków organicznych (lipidów, węglowodorów i białek), stanowiących punkt wyjścia syntezy wszystkich niezbędnych substancji, a także źródło energii dla organizmu.
Bakterie odżywiają się w bardzo różnorodny sposób. Niektóre z nich cechuje ogromna plastyczność biochemiczna, co oznacza, że w zależności od dostępnych pożywek mogą odżywiać się w sposób samożywny lub cudzożywny lub oddychać tlenowo bądź beztlenowo. Ze względu na sposób odżywiania bakterie dzielimy na dwie podstawowe grupy: heterotroficzne (saprofity, pasożyty) i autotroficzne, które z kolei dzielą się na fotosyntetyzujące : tlenowe i beztlenowe, oraz chemosyntetyzujące: nitryfikacyjne, siarkowe, wodorowe. Do wytworzenia złożonych związków organicznych z nieorganicznych potrzebna jest energia. Bakterie heterotroficzne czerpią ją z utleniania związków organicznych, natomiast bakterie autotroficzne z fotonów światła słonecznego.
Bakterie fotosyntetyzujące zawierają chlorofil (sinice) lub bakteriochlorofil (pozostałe) oraz karotenoidy. W przypadku tych ostatnich o zabarwieniu brązowym i czerwonym dochodzi do zamaskowania zielonego bakteriochlorofilu np. u bakterii purpurowych. Sinice przeprowadzają fotosyntezę podobnie jak rośliny, tzn. źródłem wodoru jest woda, a CO2 powietrze. Podobnie jak rośliny wydzielają tlen. W przypadku bakterii chemosyntetyzujących utlenianymi związkami są związki nieorganiczne np. związki siarkowe, wodorowe czy amoniak. Przykładem bakterii o dużej plastyczności biochemicznej są bakterie zielone i purpurowe mogące oddychać zarówno beztlenowo jak i tlenowo oraz odżywiać się w sposób hetero lub autotroficzny.
ODDYCHANIE BAKTERII
Oddychanie jest to proces chemiczny polegający na utlenianiu (spalaniu) związków organicznych w wyniku czego powstają związki nieorganiczne (CO2, H2O). W wyniku tego procesu wyzwala się energia magazynowana w ATP (adenozynotrifosforan).
Dwa podstawowe sposoby oddychania to tlenowe (aeroby) i beztlenowe (anaeroby) . W tym pierwszym procesie związek organiczny (najczęściej glukoza) ulega skomplikowanemu procesowi rozkładu przy udziale tlenu, w wyniku tego procesu uwalniane są duże ilości energii oraz powstają krańcowe produkty: woda i dwutlenek węgla. Natomiast oddychanie beztlenowe u bakterii może być dwojakiego rodzaju. Pierwszy z nich to fermentacja w której produkt wyjściowy jest tylko częściowo rozłożony tak, że produktami są prostsze związki organiczne oraz niewielkie ilości energii. Przykłady fermentacji:
Fermentacja alkoholowa: C6H12O6 → CO2 + alkohol + energia
Fermentacja mlekowa: C6H12O6 → kwas mlekowy + energia
Fermentacja masłowa: C6H12O6 → kwas masłowy + energia
Beztlenowy rozkład białek i aminokwasów to gnicie.
Drugi sposób oddychania beztlenowego bardzo przypomina tlenowe z tą tylko różnicą, że zamiast tlenu występuje inny związek nieorganiczny, który ulega redukcji (siarczany, azotany, związki żelazowe, metanogenne). Ten sposób oddychania nazwany został oddychaniem z nieorganicznym akceptorem elektronów innym niż tlen. W przeciwieństwie do fermentacji gdzie uwalniana jest niewielka ilość energii, drugi sposób oddychania beztlenowego jest o wiele wydajniejszy i wyzwala tyle samo energii co oddychanie tlenowe. Wśród bakterii beztlenowych mogą być beztlenowce bezwzględne (tlen jest dla nich śmiertelną trucizną) oraz względne potrafiące w miarę potrzeby przestawić swój metabolizm z oddychania beztlenowego na tlenowe i odwrotnie.
Istnieją również bakterie które oprócz oddychania tlenowego potrafią wychwytywać energię słoneczną. Nie przeprowadzają fotosyntezy, natomiast uzyskana energia uzupełnia braki w okresach niedoboru tlenu w środowisku.
ROZMNAŻANIE BAKTERII
Bakterie są organizmami haploidalnymi. Najczęściej rozmnażają się przez podział komórki. Częstotliwość podziałów bakterii zależy od warunków środowiskowych oraz wielkości materiału genetycznego. W warunkach laboratoryjnych niektóre gatunki bakterii mogą się dzielić co 20 minut, w naturze rzadziej zdarzają się tak dobre warunki, toteż podziały zachodzą trochę rzadziej, ale ich częstotliwość i tak jest imponująca. U nielicznych bakterii występuje pączkowanie czyli proces, w którym komórka potomna powstaje poprzez uwypuklenie ściany komórki macierzystej.
Pomimo tego, że u bakterii nie występuje płciowy sposób rozmnażania się, często spotyka się procesy płciowe. W tym wypadku różnica pomiędzy rozmnażaniem a procesem płciowym polega na tym, że w wyniku procesu płciowego liczba komórek się nie zwiększa, zostaje za to wymieniony materiał genetyczny pomiędzy dwoma komórkami bakteryjnymi co prowadzi do zwiększenia różnorodności genetycznej bakterii i ich lepszego przystosowania się do środowiska w jakim żyją. Istnieją trzy główne formy przenoszenia materiału genetycznego:
Transformacja – komórka bakterii pobiera DNA z otaczającego ją roztworu i włącza go do swojego chromosomu. W warunkach laboratoryjnych proces ten często jest pobudzany w celu zmuszenia bakterii do pobrania obcego DNA. Transformacja jest wykorzystywana w inżynierii genetycznej.
Koniugacja – proces polegający na tym, że komórka „męska” („dawca”) tworzy kanalik cytoplazmatyczny, przez który przekazuje komórce „żeńskiej” („biorcy”) część swojego materiału genetycznego, który zostaje włączony do DNA biorcy. Kiedy potem komórka – biorca się dzieli, nowo powstałe komórki bakteryjne mają cechy obydwu koniugujących bakterii.
Transdukcja – fragmenty DNA są przenoszone między komórkami za pośrednictwem bakteriofagów. Bakteriofagi, które opuszczają komórkę bakteryjną „pomyłkowo” zabierają wraz ze swoim materiałem genetycznym odcinek DNA bakterii.
ZNACZENIE BAKTERII W PRZYRODZIE I W ŻYCIU CZŁOWIEKA
Bakterie są niezbędnym ogniwem w obiegu materii w przyrodzie. Są destruentami (saprofity) rozkładającymi martwą materię organiczną do prostych związków nieorganicznych mogących być potem wykorzystanych przez rośliny. Gdyby nie było bakterii cała ziemia pokryłaby się ciałami martwych roślin i zwierząt.
Wiele bakterii żyje w symbiozie z innymi organizmami. Na przykład bakterie azotowe Rhyzobium mające zdolność wiązania azotu atmosferycznego wchodzą w symbiozę z roślinami motylkowymi i rozwijają się w ich brodawkach korzeniowych. Część soli azotowych bakterie oddają roślinie w zamian otrzymując organiczne produkty fotosyntezy. Powiązania bakterii ze światem zwierząt są bardzo różnorodne. Bakterie są pokarmem wielu pierwotniaków lecz także przeżuwaczy takich jak krowa czy owca. W żwaczu tych zwierząt żyją bakterie i inne drobnoustroje rozkładające celulozę. Te drobnoustroje stają się następnie pokarmem trawionym przez zwierzę. W przewodzie pokarmowym innych zwierząt i człowieka także żyje wiele bakterii rozkładających nie strawiony pokarm czy celulozę oraz dostarczających istotnych składników swoim gospodarzom. Przykładem może być pałeczka okrężnicy czyli Eschelichia coli. Zwierzęta eksperymentalnie pozbawione wewnętrznych drobnoustrojów od urodzenia, nie rozwijały się prawidłowo i wykazywały rozmaite anomalie anatomiczne.
Natomiast biochemiczne umiejętności bakterii już od dawna wykorzystywane są do produkcji artykułów spożywczych (serów, kefirów i jogurtów), wszelkie procesy kiszenia (kapusty, ogórków) również opierają się na działalności bakterii fermentacyjnych.
Z drugiej strony to właśnie bakterie powodują psucie się produktów żywnościowych. Aby temu zapobiec stosuje się różne zabiegi konserwujące np. pasteryzacja, zamrażanie, solenie, słodzenie, czy dodawanie związków chemicznych hamujących rozwój bakterii.
W przemyśle wykorzystuje się bakterie do produkcji różnych substancji chemicznych m.in. niektórych kwasów organicznych, wielu witamin i aminokwasów. Dzięki bakteriom z obornika można otrzymać metan wykorzystywany jako źródło energii np. do poruszania silników. Bakterie mają również ogromne znaczenie w rozkładaniu szkodliwych substancji produkowanych przez ludzi. Wiele detergentów i środków ochrony roślin jest rozkładanych przez bakterie. Są one również wykorzystywane w biologicznym oczyszczaniu ścieków gdzie stanowią podstawowy składnik tzw. osadu czynnego, w którym następuje przerabianie substancji zawartych w ściekach na składniki ciała bakterii.
Wiele bakterii ma zastosowanie w medycynie. Wytwarzają one substancje hamujące rozwój konkurencyjnych bakterii tzw. antybiotyki, które wykorzystywane są w leczeniu wielu zakażeń bakteryjnych. Najważniejszą grupą bakterii pod względem produkcji antybiotyków są promieniowce wytwarzające streptomycynę i tetracyklinę. Niektóre bakterie wykorzystuje się do produkcji węglowodanu dekstranu, który stanowi podstawę płynu krwiozastępczego.
Bakterie mają wielkie znaczenie w badaniach biologicznych, oraz w inżynierii genetycznej. Są bowiem źródłem enzymów restrykcyjnych służących do przecinania obcych cząsteczek DNA w ściśle określonych miejscach. W naturze enzymy te wykorzystywane są do cięcia DNA bakteriofagów, lecz w inżynierii genetycznej wykorzystuje się je do cięcia cząsteczek DNA różnych organizmów celem wyizolowania i sklonowania odpowiednich genów.
Krótko mówiąc bakterie, którym wstawi się do komórek geny odpowiedzialne za wytwarzanie określonego białka ludzkiego lub zwierzęcego stają się „fabrykami” tego białka. Niektóre bakterie w naturze powodujące choroby roślin wykorzystywane są przez inżynierów genetycznych do przenoszenia genów z jednych roślin na drugie w celu otrzymania nowych odmian o korzystnych z punktu widzenia człowieka właściwościach. Niektóre szczepy Eschelichia coli wykorzystuje się do produkcji insuliny. Obecnie naukowcy prowadzą badania nad wykorzystaniem bakterii do produkcji szczepionki przeciwko wirusowi HIV.
Nie wszystkie bakterie są jednak tak pożyteczne. Niewielki ich procent wywołuje mniej lub bardziej groźne choroby roślin, zwierząt i człowieka.
Do chorób roślin wywołanych przez bakterie należą: więdnięcie, gnicie i powstawanie rakowatych narośli. Bakteryjne choroby zwierząt natomiast często przypominają choroby ludzi lub są z nimi tożsame. Przyczyną występowania objawów bakteryjnych chorób zakaźnych jest namnażanie się bakterii w komórkach i wydzielanie przez nie jadów, czyli substancji o charakterze toksycznym. Są dwa rodzaje takich toksyn: wydzielane poza komórkę egzotoksyny i uwalniane z komórki podczas jej rozpadu endotoksyny. Podczas kiedy bakterie nie wnikają do narządów, ich toksyny mogą wraz z krwią zostać rozniesione po całym organizmie powodując uszkodzenia tkanek i narządów. Obecnie dzięki szczepieniom ochronnym oraz profilaktyce można uniknąć wielu groźniejszych chorób bakteryjnych. Natomiast wprowadzenie leków takich jak sulfonamidy i antybiotyki znacznie ograniczyły ataki bakterii i pozwalają szybko powstrzymać ich rozwój w organizmie żywiciela. Jednak dany antybiotyk w przypadku jednego szczepu bakterii może się okazać skuteczny, a w innym szczepie nie wyrządzi żadnych szkód. Ma to związek z opornością bakterii na antybiotyki. Bakterie nabywają ją w dwojaki sposób. Pierwszy polega na mutacjach. Antybiotyki można podzielić na dwie grupy: blokujące rozbudowę ścian komórek bakteryjnych oraz łączące się z rybosomami bakteryjnymi i blokujące syntezę białek. W przypadku streptomycyny blokuje ona syntezę białek w komórce bakteryjnej poprzez wiązanie się z rybosomami. W skład rybosomu wchodzą cząsteczki rRNA i liczne białka. Mutacja polega na podstawieniu pojedynczego aminokwasu w określonym białku rybosomalnym co powoduje zmianę w całym rybosomie i streptomycyna przestaje hamować jego działanie. Drugi sposób polega na przemieszczaniu się plazmidów z jednej komórki bakteryjnej do drugiej. W niektórych plazmidach bakterii są geny kodujące enzymy degradujące określone antybiotyki. Bakteria zawierająca taki gen jest oporna na dany antybiotyk, gdyż w przypadku wniknięcia jego cząsteczek do komórki, są one natychmiast niszczone przez odpowiednie enzymy. Plazmidy maja tę cechę, że mogą się przedostawać z jednej komórki bakteryjnej do drugiej, nawet jeśli należy ona do drugiego rodzaju . Jeżeli organizm jest zarażony przez szczep bakterii wrażliwych np. na ampicylinę lecz znajdują się w nim symbiotyczne bakterie oporne na ten antybiotyk, wówczas plazmid z genem warunkującym tę oporność może przedostać się do komórek bakterii wrażliwych przekształcając je w oporne. Po zakończeniu kuracji antybiotykiem te bakterie, które nabyły oporność mogą spowodować zakażenie wtórne, ale tym razem nie zabije ich ampicylina i trzeba zastosować inny antybiotyk.
Do najważniejszych chorób bakteryjnych człowieka należą: cholera, trąd, gruźlica, dur brzuszny, angina, czerwonka bakteryjna, szkarlatyna, krztusiec, borelioza, zapalenie opon mózgowych, kiła, rzeżączka, dyfteryt. Prócz typowych chorób wyróżnić możemy też zatrucia, w których nie bakterie są czynnikiem wywołującym objawy choroby, ale wytwarzane przez nie egzotoksyny. Do najczęstszych należą zatrucia pokarmowe powodowane przez bakterie z rodzaju Salmonella , natomiast do najgroźniejszych – zatrucie toksyną produkowaną przez laseczkę tężca oraz jadem kiełbasianym wytwarzanym przez laseczkę jadu kiełbasianego.
Jak widać, czasami najmniejsze organizmy, których nie możemy nawet zobaczyć, mają ogromny wpływ na nasze życie, oraz na życie całej planety.