Autor: PhDr. Přemysl Štindl Recenze: Mgr. Vladimír Bádr, Ph.D. 3.1. Prokaryotická buňka Autor: PhDr. Přemysl Štindl Recenze: Mgr. Vladimír Bádr, Ph.D.

Prokaryotická buňka prokaryotická buňka zástupci: velikost: tvar: pro (před), karyon (jádro), - tedy před jádrem zástupci: bakterie, sinice aktinomycety mykoplazmata rickettsie chlamydie velikost: buňky velmi malé (1-2µm) tvar: kulovitý, tyčinkovitý

stupeň organizace: metabolismus: výživa: rozmnožování: podstatně jednodušší než eukaryotické buňky metabolismus: velký poměr povrchu k objemu rychlejší komunikace s prostředím, rychlejší metabolismus – např. 100x rychlejší spotřeba kyslíku než srdeční sval) absence rozdělujících membrán výživa: chemotrofie, fotoautotrofie, fotoheterotrofie rozmnožování: dělením

Schéma prokaryotické buňky CYTOPLAZMA SLIZOVÉ POUZDRO NUKLEOID KAPSULA BUNĚČNÁ STĚNA CYTOPLAZMATICKÁ MEMBRÁNA RIBOSOMY FIMBRIE BIČÍK Obr. 1) Prokaryotická buňka (dle Kunkel, upraveno)

Popis stavby prokaryotické buňky

A) Buněčný povrch Buněčná stěna Cytoplazmatická membrána jen u některých: slizovitý obal, pouzdro - kapsula glykokalyx – další vnější obal

1) Buněčná stěna u většiny prokaryot (výjimku tvoří mykoplazmata) stavba: (je mohutná) přisedá na lipoproteinovou membránu typickou látkou buněčné stěny je peptidoglykan (v b.s. eukaryot není!), murein, pseudomurein, peptidy, bílkoviny, polysacharidy; je pórovitá

Funkce buněčné stěny Ochrana mechanická Ochrana chemická Udržuje vnitřní prostředí Udržuje tvar Kompenzuje vysoký osmotický přetlak uvnitř buňky Permeabilní (plně propustná) Povrch je nositelem antigenních vlastností

Typy bakterií podle Gramova barvení b. stěny grampozitivní (b.s. silná) gramnegativní (b.s. tenká a na její vnější straně je ještě druhá lipoproteinová membrána, tzv. vnější membrána) (1. roztok krystal. violeť, 2. roztok KI Lugolův roztok, vymývá se etanolem, acetonem) bakterie bez buněčné stěny buněčná stěna sinic je čtyřvrstevná a znemožňuje barvení dle Grama.

Obr. 2) Stavba buněčné stěny bakterie

Obr. 3) Rozdíly ve stavbě buněčné stěny bakterií

2) Cytoplazmatická membrána jediný membránový útvar u bakterií je povrchová membrána (plazmatická membrána) stavba: 2vrstvy fosfolipidů, bílkoviny, sacharidy model tekuté mozaiky tloušťka 5-9 µm u některých se vytváří klubíčkovitý útvar (mezozóm) fotosyntetizující prokaryota – vchlípením a odškrcením od povrchové membrány se vytváří systém tylakoidů (volné tylakoidy v plazmě, nikoli pravý plastid)

Obr. 4) Schéma stavby cytoplazmatické membrány – model polotekuté mozaiky

Funkce cytoplazmatické membrány stálost vnitřního prostředí semipermeabilní (reguluje transport) místo metabolických pochodů (enzymy dýchacího řetězce a pro syntézu lipidů, fotosyntéza) je plastická (její část se může oddělit či včlenit) reguluje syntézu buněčné stěny podílí se na reakci rostlinné buňky na podněty prostředí (světlo, dotyk, chemické vlivy)

B) Obsah buňky Cytoplazma Jaderná hmota Plazmidy Ribozomy Jen u některých jsou další organely…

1) Základní cytoplazma vyplňuje prostor buňky fce: vytváří prostředí pro metabolické děje, v ní obsaženy organely viskózní koncentrovaná směs koloidních a krystaloidních roztoků org. a anorganických látek neutrální vodný roztok anorganické látky (K, Mg, Ca, Cl, uhličitany, fosforečnany,...) organické látky (cukry, tuky, bílkoviny) proměnlivé složení dle metabolismu schopnost přecházet ze solu v gel a naopak zásobní látky (inkluze) – glykogen, poly-β-hydroxymáselná kyselina (zdroj uhlíku a energie) , volutin (zdroj P), někdy kapénky síry (sirné bakterie)

2) Jaderná hmota - nukleoid 1 bakteriální chromozóm, 1DNA, haploidní bka=sada genů v bce jen jednou) volně v plazmě, není obklopena jaderným obalem, chemicky holá molekula DNA (kruhová dvoušroubovice) nevytvářející komplex s histony 1000x delší DNA než sama bka 20% objemu buňky fce: řízení, genetická informace (asi 3500genů)

3) Plazmidy malé cyklické molekuly DNA v cytoplazmě (doplňková informace) charakteristické pro bakterie v buňce více druhů (mohou se zmnožit): konjugativní (mohou přecházet z buňky do buňky) nekonjugativní epizomální (samostatné i včleněny do nukleoidu) Funkce: nese geny (např. rezistence vůči antibiotikům) Využití: v genovém inženýrství

4) Ribozómy 2podjednotky: nejsou ohraničeny membránou menší: 1mol RNA + 21 molekul bílkovin větší: 2mol RNA + 34 molekul bílkovin nejsou ohraničeny membránou menší než u eukaryot volné či přisedlé zevnitř k povrchové membráně počet dle metabolické aktivity (sta až tisíce) funkce: syntéza nových polypeptidů (bílkovin) jsou na nich vazebná místa pro RNA

C) Další organely jen některých prokaryotických buněk

Slizovitý obal (pouzdro)= kapsula nad buněčnou stěnou stavba: hydratovaná vrstva polysacharidů, bílkovin, lipidů aj. funkce: zvyšuje odolnost

Glykokalyx (další vnější obal) stavba: plsťovitě propletená vlákna polysacharidů funkce: umožňuje buňkám na základě působení elektrostatických sil ulpívat na různých předmětech nebo se přichytnout na povrch sliznice

Bičík (vlákno delší než buňka) stavba: (jiná než u eukaryot) molekuly globulárních bílkovin (flagelinů) podobných myozinu tvoří duté vlákno stočené do šroubovice, v cytoplazmě zakotven bazálním tělískem (dvě kruhovité destičky se otáčejí proti sobě – spotřeba energie, rotace ne základě elektrického náboje – stator a rotor) funkce: pohyb (20-500 µm/s) – šroubový pohyb, zřeďuje prostředí před buňkou, okolní prostředí tlačí vpřed, bičík táhne buňku

Obr. 5) Schéma stavby bičíku

Fimbrie (pilusy) krátká křehká nepohyblivá vlákna na povrchu jen gramnegativních bakterií fimbrie bývají ve větším počtu pily (pilusy) jen vzácně stavba: bílkoviny uspořádané do duté šroubovice funkce: zřejmě umožňuje přilnutí k povrchu (fimbrie) či konjugaci (pily) bakterií

Mezozóm vchlípenina cytoplazmatické membrány heterotrofních bakterií funkce: na něj se váže konec DNA (rozpletení DNA) zřejmě aerobní respirace možná souvislost s dělením buňky

Chromatofory, thylakoidy, chlorobiové váčky váčkovité vchlípeniny cytoplazmatické membrány nebo tělíska ohraničená membránou obsahují fotosyntetická barviva (bakteriochlorofyl, karotenoidy, chlorofyl, aj.) na povrchu tylakoidů přichycená zrníčka (fykobilizomy) obsahující modré a červené pigmenty Obr. 6) Thylakoidy s fykobilizomy, buňka sinice

Plynové vakuoly (pseudovakuoly) u fototrofních buněk váčky ohraničené membránou, propustné pro plyny a vodu funkce: nadnášejí buňku

Endospory tvoří se u některých grampozitivních bakterií rozdělí se nukleoid a jedna část přejde do tvořící se spóry, pak se tvoří několikavrstevný tuhý obal spóry velmi odolné, za příznivých podmínek klíčí buňka s endosporou se nazývá klostridie

Vegetativní buňka Asymetrické buněčné dělení Vznik spory Syntéza buněčných obalů (dalších vrstev) Dozrání spory, lýze mateřské buňky Obr. 7) Schéma vzniku endospory, upraveno

Bakterie

Bakterie Obr. 8) tyčinkovité bakterie rodu Salmonella Obr. 9) mléčné bakterie rodu Lactobacillus

Výživa bakterií autotrofní (C z CO2) fotoautotrofní: energie ze slunečního záření chemoautotrofní: energie z anorganických látek dusík získávají z dusitanů, dusičnanů, amoniaku heterotrofní (C z organických látek) fotoheterotrofní: energie ze slunečního záření chemoheterotrofní: energie z organických látek (dýchání, kvašení) dusík získávají z bílkovin nebo z jiných organických látek aerobní (potřebují O2) anaerobní obligátně anaerobní (O2 je pro ně jed) fakultativně anaerobní (O2 mohou i nemusí mít)

Výskyt bakterií Půda Vzduch Voda Lidský organismus

1) Půdní bakterie ovlivňují její úrodnost půdy humus obsahuje saprofytické bakterie > rozkládají organické zbytky > mineralizace nitrifikační bakterie: amoniak a dusitany přeměňují na dusičnany (ty můžou rostliny využít) denitrifikační bakterie: opak nitrifikačních hlízkové bakterie: dokáží vázat vzdušný dusík a přeměnit ho na dusičnany; žijí v symbióze na kořenech bobovitých rostlin Azotobacter: žije na rozdíl od hlízkových samostatně; využívá vzdušný dusík nezávisle na ostatních organismech aktinomycety: vytvářejí antibiotika (streptomycin, aureomycin, tetracyklin, ...)

2) Bakterie ve vzduchu Do vzduchu se dostávají bakterie z půdy větrem. Nejvíce bakterií je ve městech, v průmyslových oblastech. Saprofyti i patogenní bakterie. Lidé dodávají bakterie do vzduchu mluvením, kýcháním, kašláním > kapénky (sliny a hlen) infekční prach = zaschlé kapénky (usazuje se při zemi)

3) Bakterie ve vodě málo bakterií: prameny, horské toky zdravotně závadná voda > znečištěná splašky z kanalizace a průmyslovými odpadními vodami vodou se přenáší bakteriální choroby (cholera, tyfus, úplavice, ...) v moři jsou bakterie ve všech hloubkách

4) Bakterie a lidský organismus kůže – hlavně vlhká místa (třísla, podpaží, …) ústa, ústní dutina – teplo, vlhko, živí se bílkovinami ze slin laktobacily: z cukrů dělají kyselinu mléčnou > odvápnění zubní skloviny > vzniká zubní kaz) dýchací cesty - jen v horní části (nosohltan, průdušky), zachyceny sliznicí v nose, řasinkovým epitelem v průdušnici, ve zdravých plicích bakterie nejsou střeva Escherichia coli: kvasí cukry kvasné bakterie: zkvašují nestravitelné polysacharidy (celulóza) hnilobné bakterie: zpracovávají zbytky bílkovin > „mrtvolné plyny“ (ptomainy, merkaptány - R–SH, sirné obdoby alkoholů)

Bakteriální nákazy přemnožení bakterií > zvýšení produktů jejich metabolismu > vzniká více jedů (toxinů) poranění > hnis († bílé krvinky) > bakterie zdroj nákazy: nemocný člověk, nemocné zvíře, bacilonosič šíření nákazy: přímo (pohlavní styk, polibek, kousnutí, ...) × nepřímo (kapénková infekce, půda, voda, potraviny, předměty denní potřeby,...) inkubační doba: doba od vniknutí infekce do propuknutí prvních příznaků choroby epidemie (hromadné rozšíření) × pandemie (celosvětové, celokontinentální rozšíření) × endemie (rozšíření pouze někde)

Přenos nákaz Vzdušnou cestou Alimentárně Poraněná kůže Pohlavní styk Zvířaty

Likvidace bakterií  sterilizace: odstranění všech živých organismů (vzniká sterilní prostředí) dezinfekce: usmrcení škodlivých mikroorganismů chemikáliemi antiseptika: sloučeniny, které jsou méně toxické, a přitom usmrcují patogenní bakterie

Dezinfekční látky fenolické sloučeniny (do 24 hodin usmrtí vše) alkohol (ne moc účinný) formaldehyd (velmi účinný, ale jedovatý) chlór (úprava pitné vody) jód (jódová tinktura) mýdla (základní prostředek) rtuť (užívá se sublimát – chlorid rtuťnatý)

Zneškodňování bakterií fyzikálními činiteli vyšší teploty (dělení bakterií podle optimální teploty): bakterie psychrofilní (do 20 °C) bakterie mezofilní (20–40 °C) bakterie termofilní (55–90 °C) ultrafialové světlo (extrémně destruktivní na všechny bakterie)

Využití bakterií v průmyslu využití při výrobě kyseliny mléčné (bakterie na ni kvasí sacharidy) využití při výrobě butanolu a acetonu (sacharidy > kyselina máselná > butanol, aceton) uplatňují se při zrání sýrů užívají se při kysaní mléka (jogurty, kefíry,...) např. r. Lactobacillus výroba některých vitaminů, antibiotik a AK součást nádrží čistíren odpadních vod (rozklad látek) genové inženýrství (využití plazmidů)

sinice

Sinice Planktonní druhy - tvorba „ vodního květu “ nashromáždění velké biomasy sinic na vodní hladině – květu“ Často v různých symbiózách (fykobiont) s houbou – lišejníky (bioindikátory – indikátory čistoty prostředí) s kapradinami, nahosemennými rostlinami atd. Podílely se na tvorbě travertinu a stromatolitů. Jedna z nejstarších skupin autotrofních organizmů. Existovala již v prekambriu (asi 3,5mld. let) dochovány vláknité druhy podobné dnešnímu rodu Oscillatoria. Tvorba toxických metabolitů: Rody: Aphanizomenon , Microcystis

stromatolity jedny z nejstarších geologických útvarů na světě vznikly působením sinic hřibovité útvary vznikají usazováním především uhličitanu vápenatého v pochvách sinic "Živé" stromatolity jsou dnes celkem ojedinělé útvary (nejvíc jich je v Shark Bay v Austrálii a v přílivovém kanálu na Exuma Island na Bahamách ) v prekambrických horninách se vyskytují velice často byly to jedny z nejstarších skupin organismů produkujících kyslík, které svým působením (uvolňováním kyslíku do atmosféry) změnily složení atmosféry Země až do dnešní podoby.

Obr. 11) Schéma stavby buňky sinice Obr. 10) Stromatolity

Literatura: Alberts B. a kol. (1998): Základy buněčné biologie. Espero Publishing, Ústí nad Labem. Berger J. (1996): Buněčná a molekulární biologie. Tobiáš, Havlíčkův Brod. Bumerl J. a kol. (1997): Biologie 1 pro střední odborné školy. SPN, Praha. Dostál P., Řeháček Z., Ducháč V. (1994): Kapitoly z obecné biologie. SPN, Praha. Jelínek J., Zicháček V. (1999): Biologie pro gymnázia. Nakladatelství Olomouc. Kubišta V. (1998): Buněčné základy životních dějů. Scientia, Praha. Kubišta V. (1992): Obecná biologie. Fortuna, Praha.

Loewy et al (1991): Cell Structure and Function Loewy et al (1991): Cell Structure and Function. Saunders College Publishing, USA. Romanovský A. a kol. (1983): Obecná biologie. SPN, Praha. Rosypal S. a kol. (1998): Přehled biologie. Scientia, Praha. Rosypal S. a kol. (2003): Nový přehled biologie. Scientia, Praha. Villee C. et al (1989): Biology. Saunders college Publishing, USA. Wallace R., Sanders G., Ferl R. (1996): Biology. H. Collins College Publishers, USA. http://algologie.upol.cz/files/system/Sinice.pdf (autor Hasler) http://biomach.wz.cz/mikrobiologie_bakterie.htm

Zdroje obrázků: Obr.1) www.DennisKunkel.com (autor Dennis Kunkel) Obr. 7) http://www.micro.cornell.edu/cals/micro/research/labs/angert- lab/images/stages_1.jpg Obr. 8) http://www.uen.org/utahlink/tours/admin/tour/13349/1334997198a.jpg Obr. 9) autoři VOŠZ a SZŠ HK Obr. 10) http://blog.sme.sk/blog/8444/135350/strom.JPG Obr. 11) http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-006/hesla/img__d10e16105.html

Konec 02/09 PhDr. Přemysl Štindl