1

MIKROBIOLOGIJA

MB / P2

Svojstva mikroorganizama

Osnovno svojstvo: mala veličina stanicaJedna od najmanjih bakterija: Dialister pneumosintens (0,15x0,30 µm);Jedna od najvećih: Spirillum volutans (1,5x15µm), doseže duljinu i do 60 µmBakterije: oblik štapića (prosječno 0,5x5 µm)/1µm=10-3 mm/

Oblik kuglice (prosječan promjer): 0,5-1,0 µmModre alge, kvasci, protozoe: <<<< od 10 µmStrukture unutar mikrobne stanice: u nm/1nm=10-3µm/

Približna

veličina

različitih

tipova

stanica/

objekata

(usporedba)-kokošje jaje- cm

-buha – mm

-bakterija -µm

-virus - nm

2

“Sićušnost” bakterijskih stanica-usporedba:

100 kuglastih bakterija, promjera 0,5µm poredanih u niz = debljini stranice bilježnice (50µm);

U kocku stranice 1cm (V=1cm3) stane približno 1012

kuglastih bakterija promjera 1 µm(V prosječne bakterijske stanice = 1µm3)

Što je stanica manja, to je njezin odnos površina-volumen veća pa je brža apsorpcija hrane, brži tijek kemijskih reakcija).To je razlog velikom prirastu u mikroorganizama.Kod metabolizma: primarna površina, sekundarna masa.

Ideja (razmišljanja):

sve veća brojnost ljudske populacije - veća potreba za proizvodnjom hrane - proteina.

(Govedo od 500 kg/24 sata - 0,5 kg proteina;

500 kg kvasca/24 sata 50000 kg proteina)

• Osnovna jedinica svih živih organizama je stanica (izuzev virusa)

• Svi živi organizmi u osnovi imaju istu strukturu: DNA, RNA, proteini, lipidi, fosfolipidi

• Dva osnovna tipa organizacije stanice: (jednostavni) prokarioti i (složeni) eukariotiOsnovne (bitne) razlike: u staničnoj strukturi (stanična stjenka, citoplazmena membrana, organele).

3

Prokarioti - bakterije, cijanobakterije. Bez jezgrine membrane i jasno izraženih organela obavijenih membranom-mitohondriji, kloroplasti, Golgijevo tijelo, lizosomi;

Osnovna obilježja prokariotske stanice:• Genetički materijal (DNA) nije obavijen membranom• Nedostaju membrane koje omeñuju organele• DNA nije povezana s histonima (specifični

kromosomski proteini)• Stanična stjenka sadržava polisaharidni kompleks

peptidoglikana• Razmnožavanje (najčešće) binarnim cijepanjem (DNA

se udvostručuje, a stanica se dijeli u dvije)

Eukarioti - protisti-alge, gljive, protozoe, biljke i životinje.

Imaju pravu jezgru (karion; nukleus), endoplazmatski retikulum, Golgijev kompleks. Organele obavijene membranama. Citoplazma je gibljiva. Jezgra sadrži više od jednog kromosoma koji sadrži DNA i proteine. DNA čvrsto povzana sa histonima (kromosomski proteini)

4

Prokariotska (bakterijska) stanica• Jednostanični organizam - obavlja sve reakcije

metabolizma (za koje su u viših organizama nužni milijuni specijaliziranih stanica

• velika rasprostranjenost, brzi rast• Razlikovanje na osnovi:

morfoloških osobina, kemijskog ustrojstva, zahtjeva za nutrientima i biokemijskog djelovanja

Veličina:Većina bakterija (dimenzije): promjer 0,2-2,0 ; duljina 2-8 µm

( U pravilu: razmnožavanje-jednostavnim dijeljenjenjem)

Osnovi oblici: kugličast (coccus), štapićast (bacillus), spiralni (spirillum), oblik kocke (arcula)-1980., oblik zvijezde (astra, stella)-1990., oblik ornamenta (rosette)-Caulobacter

Haloquadratum

Roseobacter

5

Struktura bakterijske stanice

• Posjeduju staničnu stijenku-osigurava oblik; zaštitna funkcija -lanci N-acetilglukozamina (NAG) i N-

acetilmuraminske kiseline (NAM), koji su povezani 1,4 -glikozidnom vezom i tvore peptidoglikan ili murein (makromolekula; biokemijski spoj)

• dodatne strukture: čahuru, citoplazmatske uklopine i dodatke na površini (bičevi, pile)

Bakterijska stanična stijenka-osobine• zaštita od osmotskog razaranja stanice (liziranja)

• čvrstoća i oblik• zaštita od mehaničkih i toplinskih utjecaja

• zaštita od kemijskih agenasa• reakcije bojenja po Gramu• toksički simptomi u bolesti (gram-negativne bakterije; endotoksin; LPS)

• osigurava potreban nosač za pokretanje flagela (bičeva)

• Strukture na vanjskoj površini stanične stijenke

- bičevi

- čahure (kapsule)

6

Pokretljivost bakterijske stanice• Jednostavnim bičevima (flagele) • Raspored i broj bičeva ovisi o vrsti

(monotrih, lofotrih, amfitrih, peritrih)• Prosječna dužina bičeva: 20 µm,

debljina: 10-30 nm• Brzina pokretanja: 40-80 vlastitih

dužina/sec (u svim smjerovima); velike brzine, mali prijeñeni put

• Način pokretanja: naprijed-u smjeru kazaljke na satu; kočenje-u obrnutom smjeru

RASPORED BIČEVA:• Monotrih

• Lofotrih

• Amfitrih

• Peritrih

Detalj strukture flagele u gram-pozitivne (a) i gram-negativne (b) bakterije

Bič ima tri osnovna dijela:1. FILAMENT (dugačak posljednji dio- koji sadrži protein flagelin poredan u nekoliko lanaca tvoreći spiralu), 2. KUKA3. BAZALNO TIJELO (pomoću kojeg se bič pričvršćuje na st. stijenku

7

• Čahura-sluzava, gumasta naslaga iznad stan. stjenke; nisu životno važni za bakteriju, ali joj daju otpornost, štite od dehidratacije, proždiranja (fagocitoze) i razgradnje što doprinosi sposobnosti bakterije da u prikladnim uvjetima uzrokuje bolest.

• Takve bakterije rastu na čvrstim podlogama u obliku S-kolonija (Smooth-glatke) koji prelaze spontano u R-oblik (Rough-hrapave).

• Antifagocitne čahure posjeduju (tvore) bakterije: Clostridium perfringens (plinska gangrena); Bacillus anthracis (antraks); Klebsiella pneumoniae(pneumonija); Haemophilus influenzae (meningitis)

• Glikokaliks (EPS)-

• želatinozni polimer sazdan od polisaharida, polipeptida ili oba;

• viskozan i ljepljiv; stvara se u unutrašnjosti stanice i izlučuje na površinu, gdje ako je čvrsto priljubljen tvori glikokaliks čahuru ili kapsulu odreñene debljine

-mikročahure <0,2 nm; makročahure >0,2 nmOmogućuje pričvršćivanje i preživljavanje bakterije na raznim površinama.

(EPS - Extracellular Polymeric Substance)

• Leuconostoc mesenteroides – nevolje u tvornicama šećera; nepoželjna jer pretvara otopinu saharoze u želatinoznu masu, polisaharid dekstran

• Proizvodnja dekstrana - zamjena za krvnu plazmu

8

• Streptococcus mutans –obitava u usnoj šupljini; zubni karijes. Stvara čahuru u prisutnosti saharoze (Sa). Cijepa Sa na Glu i Fru. Glu se polimerizira (1,6 veza) do dekstrana koji se taloži na zubima. Zubna caklina puca, razara ju mliječna kiselina iz Fru, napdaju brojne bakterije i stvara se karijes; otpočinje djelovanje bakterija iz usne šupljine. Otklanjanje Sa u prehrani –smanjuje se mogućnost tvorbe čahure i prianjanja bakterije na zube (zubni plakovi) – usporava razvoj karijesa.

Strukture ispod stanične stijenke

citoplazmatska membrana

tanki sloj ispod st. stijenke uglavnom grañen od lipoproteina

9

Citoplazmena membrana - funkcije:

• prijenos molekula u stanicu i izvan stanice• sekrecija ekstracelularnih enzima (biološki

katalizatori - cjepanje velikih molekula)• disanje i fotosinteza• razmnožavanje• sinteza stanične stijenke

Prijenos tvari kroz staničnu membranu

• Organizam (mikroorganizam) regulira prijenos hranjivih tvari u stanicu i otpadnih produkata iz stanice preko selektivne stanične (citoplazmene) membrane.

• Koncentracijski gradijent (razlika): koncentracija tvari na jednoj strani membrane je veća od one na drugoj strani; stvaranje ravnoteže

• U prokariotskim i eukariotskim stanicama tvari prolaze kroz staničnu (citoplazmenu) membranu:

• pasivnim transportom - bez utroška ATP-a, s mjesta veće koncentracije otapala na mjesto manje koncentracije (difuzija, osmoza, olakšana difuzija)

• aktivnim transportom -uz utrošak energije (ATP), s mjesta manje koncentracije na mjesto veće koncentracije

10

Osmoza-gibanje molekula vode kroz polupropusnu membranu s mjesta manje konc. prema mjestu veće konc.

Osmotski tlak-sila koja se pojavljuje kao rezultat razlike u konc. na različitim stranama polupropusne membrane

11

TAKSONOMIJA

Definicija:Biološka znanost koja se bavi

klasifikacijom, nazivljem i identifikacijom organizama (mikroorganizama)

(gr. taxis – položaj, svrstavanje; nomos – zakon, propis, znanost)

- Carl Linnaeus (1707-1778)“Otac taksonomije”

• Sistematika – sastavni dio taksonomije; niz teorijskih i praktičkih proučavanja koja su uključena u klasifikaciju organizama; a istražuje raznovrsnost organizama (mikroorganizama) i njihovu meñusobnu povezanost.

• Korjeni suvremene sistematike – od Carla Linnea

• Danas: molekularna sistematika – analizom DNK

12

�Klasifikacija:s gledišta bioloških znanosti je ureñeni poredak

(nomenklatura) organizamaRazvrstavanje organizama (mikroorganizama) u

taksonomske skupine na osnovi sličnih fizioloških osobina ili biokemijskih i genetičkih značajka unutar skupine

njihova povezanost (carstvo, razdjel, razred, red, porodica, rod, vrsta, podvrsta)

Vrsta: osnovna klasifikacijska jedinica-skupina sojeva koji imaju zajedničke osobine, a po bitnim morfološkim, fiziološkim, antigenim i genetskim osobinama te patogenosti razlikuju se od drugih mikroorganizama.

• Nekoliko (2) pristupa odreñivanja stupnja sličnosti:

-prirodni (filogenetički) sustav (na osnovi podrijetla organizama) -umjetni sustav (osniva se na jednostavnijim, prepoznatljivim osobinama poznatih organizama)

Meñunarodna komisija za nomenklaturu prihvatila:

Za determinaciju bakterija: Bergey* s Manual of Determinative Bacteriology; Bergey* s Manual of Systematic Bacteriology

1923. izašlo prvo izdanje Bergeyeva priručnika za identifikaciju bakterija, danas priručnik sadrži nekoliko podvolumena,a svaki od njih prikazuje specifične

skupine bakterija

13

• Identifikacija:

Postupak kojim se odreñuje pripadnost odreñenog (izdvojenog) mikrobnog soja nekoj poznatoj taksonomskoj jedinici.

• Kriteriji za identifikaciju mikroorganizama:Morfološke osobine:

oblik; veličina-dimenzije;

graña; pokretljivost; spore;

Bojenje(složeno-diferencijalno);

Enzimska aktivnost(biokemijski testovi);

Uzgojne osobine; Antigene osobine; Patogenost; Fagotipizacija; Rezistencija na antimikrobne agenseGenetske osobine

• Danas (pri identifikaciji mikroorganizama):

presudna je DNA i različitost mikroorganizama po DNA bazama(Alanin, Gvanin, Citozin, Uracil, Timin)U bakterija, različite vrste se razlikuju s obzirom na (% AK) sastav G i C.

14

Imenovanje organizama

Suvremeni sustav klasifikacije primijenjujeLinneov binominalni sustav nomenklature:- svi organizmi označeni imenima (dvije latinske riječi; nazivlje)

- prva riječ: rod, druga: vrsta(npr. Escherichia coli )

U Linneovom sustavu, klasifikacija započinje podjelom svih oblika života u Carstva.

• Podjela Carstva:

- phyla (skupine; taksonomski stupnjevi)- razred- red- porodica (obitelj)- rod (genus)- vrsta (species)- podvrsta (subspecies) (najmanje taksonomske

jedinice)

Shematskiprikazpodjeleunutarcarstva

15

Klasifikacija organizama

• Sustav od pet carstva (Robert H. Whittaker, 1969.):biljke (carstvo Plantae), životinje (carstvo Animalia), gljive (carstvo Fungi), protisti-protozoe / praživotinje (carstvo Protista) i prokarioti-prave bakterije/eubakterije (carstvo Procaryiotae)

• Sustav se osniva na trima razinama stanične organizacije (ovisno o oblicima prehrane: fotosintezi, apsorpciji i ingestiji)prokarioti (Procaryiotae); jednostanični eukarioti (Protista); višestanični eukarioti (Fungi, Animalia, Plantae)

Sustavpetcarstava(Whittaker)

16

Karakteristike sustava pet carstavaZnačajke B Ž Prot G Prok______________________________________

Stan organizac.

- Prokarioti +

- Eukarioti + + + +

- Višestanični + + +

- Jednostanični + + +

Stan. stijenka

- Posjeduje + +(alge) + +

- Ne posjeduje +

Značajke B Ž Prot G Prok______________________________________

Diferencir.tkiva

- Imaju + +/-

- Nemaju + + +

Tip/način prehr.

- Fotosinteza + + +

- Ingestija + +

- Apsorpcija + + + +

- Kombinacija +

Značajke B Ž Prot G Prok___________________________________________

Razmnožavanje- Spolno + + + +- nespolno + + + + +Pokretljivost- Aktivno pokret. + +/- +/-- Aktivno nepokr. + +Mikroskopski oblici alge,

protozoe plijesni, kvasci

bakterije,cijanobakt.

________________________________________________

B- biljke; Ž-životinje; Prot-Protisti; G-gljive; Prok-Prokarioti

17

• Sustav triju carstava (Carl R.Woese, 1978.):temeljen na dokazu da se sustav RNA i genetička struktura u specifičnih bakterija, nazvanih metanogeni razlikuju od ostalih mikroorganizama, biljaka i životinja (sugerira postojanje treće evolucijske crte).

Sustav triju

carstava(C. R. Woese)

Neke osobine arheobakterija (ARHEB), eubakterija (EUB) i eukariota (EUKAR)

ARHEB EUB EUKAR_______________________________________________Primjer: Methanosarcina sp. E. coli ameba sa

pseudopodijimaTip stanice: prokariotska prokariot. eukariotskaSt.stjenka: različita sastava, sadrži različita sastava,

bez peptidoglikana peptidogl. sadrži ugljikohidrateLipidi u razgranati lanci ravni ravni lanci Cmembrani: C atoma povezani s lanci C atoma povezanih

glicerolom eterskim atoma s glicerolomvezama povezanih esterskim

est. vez. vezamaOsjetljivostna antibiotike: otporne osjetljive otpornePočetni signalza sintezuproteina: metionin formilmetionin metionin

18

• Sustav 6 carstva:Eubacteria; Archaeobacteria; Protista; Plantae; Fungi; Animalia

Sustav 8 carstava (1987. Cavalier-Smith):Imperij Bacteria (Eubacteria; Archaeobacteria)Imperij Eucaryota -Archaeozoa (najprimitivniji živući eukarioti-zajednički predak gljiva, biljaka i životinja); Protozoa; Plantae; Chromista (niže gljive), Fungi, Animalia

Moderna klasifikacija