Bakteriel struktur, vækst og metabolisme Flashcards
Hvordan er den cellulære verden opdelt?
Den cellulære verden er opdelt i to hovedgrupper, baseret på om cellerne har eller ikke har en nucleus.
Celler der har en veldefineret nucleus kaldes eukaryote, hvorimod celler der ikke har en nucleus kaldes prokaryote.
Hvilken type af celler er bakterier?
Alle bakterier er prokaryoter
Hvordan er det bakterielle DNA forskellig fra eukaryoters?
Bakteriel DNA er ikke organiseret i komplekse flerkromosomale strukturer som hos eukaryoter, men er typisk et enkelt dobbeltstrenget DNA molekyle.
Hvad dækker begrebet “cell envelope” over?
“Cell envelope” er en betegnelse, der anvendes om alt materiale uden for samt omgivende cytoplasmaet.
Den består af adskillige kemiske og funktionelt forskellige lag, hvoraf de mest fremtrædene er cellevæggen og cytoplasmamembranen. “Cell envelope” dækker også over kapslen og glycocalyx, hvis disse er tilstede.
Beskriv bakteriens cellemembran/plasmamembran
Bakteriens cellemembran/plasmamembran består af fosfolipider, hvis molekyler danner to parallelle overflader (kaldet et lipid-dobbeltlag), således at de polære fosfatgrupper er på ydersiden, og de upolære lipidkæder er på indersiden.
Membranen fungere som en permeabilitetsbarriere, der begrænser hvilken type samt mængde af molekyler, der kan komme ind og ud af cellen.
Beskriv strukturen af peptidoglycan
Peptidoglycan er en afgørende komponent i cellevæggen af mange bakterier. Det giver styrke og beskyttelse til bakterieceller og hjælper med at opretholde deres form. Her er en beskrivelse af strukturen af peptidoglycan:
Polysaccharidkæder: Peptidoglycan består af lange kæder af skiftevis gentagne sukkerenheder, der er forbundet med hinanden. Disse sukkerenheder danner et netværk af kæder, der giver cellevæggen dens styrke og tæthed.
- N-Acetylglucosamin (NAG) og N-Acetylmuraminsyre (NAM) er de to primære sukkerenheder i peptidoglycan.
Peptidfragmenter: Mellem polysaccharidkæderne er der peptidfragmenter, som består af aminosyrer som lysin eller diaminopimelinsyre. Disse er ansvarlige for at krydsbinde kæderne og danne et sammenhængende netværk.
Peptidoglycan er normal struktureret som et dobbeltlag (dvs. to parallelle lag af kæder), hvor sukkerkæderne polysaccharidkæderne er krydsbunder med peptidfragmenterne.
Beskriv Gram-positive bakteriers cellevæg
Gram-positive bakterier er primært opbygget af et tykt flerlagget peptidoglycan, der omkranser den cytoplasmiske membran.
Peptidoglycan er i de fleste Gram-positive bakterier kovalent forbundet med teichoic syrer.
- Teichoic syrer er en betydelig celleoverfladeantigen, der genkendes af værtsimmunsystemet.
- Teichoic syrer er integreret i peptidoglycanlagene, men er ikke fastgjort til den cytoplasmiske membran.
Lipoteichoic syrer er lipidmodificerede og integreret i det ydre lag af den cytoplasmiske membran.
Beskriv Gram-negative bakteriers cellevæg
Gram-negative bakterier har en mere kompleks cellevægsstruktur, der består af to membraner (en ydre membran og en indre cytoplasmisk membran). De to membraner adskilles af det periplasmiske rum.
Den ydre membran er kendetegnet ved tilstedeværelsen af indlejret lipopolysaccharid (LPS), som udgør den vigtigste bestanddel og kan udløse en kraftig immunrespons hos værten. Desuden findes poriner, som er specielle proteiner, der fungerer som kanaler og tillader selektiv passage af molekyler, såsom næringsstoffer og ioner, ind i cellen.
Mellem den ydre membran og den indre cytoplasmiske membran er der et periplasmisk rum, der indeholder en geléagtig substans og forskellige proteiner. Dette rum fungerer som en slags mellemzone, hvor en række biokemiske. processer forekomer, og det giver bakterien en ekstra beskyttelse mod eksterne faktorer.
- Det periplasmiske rum indeholder peptidoglycan-laget, som er betydeligt tyndere end hos Gram-positive bakterier.
Den indre cytoplasmiske membran er den inderste membran og er ansvarlig for transport af molekyler ind og ud af cellen.
Beskriv Gram-farvning
Gram-farvning er en laboratorieteknik, der anvendes til at differentiere bakterier i to hovedgrupper, kendt som Gram-positive og Gram-negative, baseret på forskelle i cellevægstrukturen.
- Forberedelse af en bakterieprøve: For at udføre Gram-farvning skal du først have en prøve af bakterier, som du ønsker at undersøge. Disse bakterier dyrkes normalt på et fast dyrkningsmedium, så de kan isoleres i en enkelt lag.
- Fiksering: Bakterieprøven fikseres først ved at opvarme den forsigtigt. Dette bevarer bakteriernes struktur og forhindrer dem i at vaske væk under farvningsprocessen.
- Farvning: Prøven farves først med krystalviolett, en lilla farvestof. Krystalviolett binder sig til alle bakterier i prøven og farver dem lilla.
- Jodbehandling: Efter farvning med krystalviolett behandles prøven med jod. Jod fungerer som en mordant, hvilket betyder, at det hjælper med at fiksere krystalviolett inde i bakterierne.
- Afskylning: Prøven skylles derefter forsigtigt med alkohol eller acetone. Dette trin er afgørende for differentieringen mellem Gram-positive og Gram-negative bakterier.
- Kontrastfarvning: Efter skylning farves prøven med safranin, en rød farvestof. Safranin binder sig til de bakterier, der har mistet krystalviolett på grund af alkoholbehandlingen.
Resultatet af Gram-farvning er, at bakterierne kan klassificeres i to hovedgrupper:
- Gram-positive bakterier: Disse bevarer krystalviolett-farvningen og ser lilla ud under mikroskopet. Dette skyldes, at deres cellevæg er tyk og indeholder meget peptidoglycan, som holder farvestoffet inde.
- Gram-negative bakterier: Disse mister krystalviolett-farvningen under alkoholbehandlingen og farves i stedet røde med safranin. Dette skyldes, at de har en tyndere cellevæg, og farvestoffet kan trænge igennem.
Beskriv den bakterielle kapsel og glycocalyx
Bakterielle kapsler og glycocalyx er to relaterede strukturer, der findes på overfladen af visse bakterier. De tjener forskellige funktioner, men begge er involveret i at beskytte bakteriecellen og hjælpe den med at interagere med sin omgivelse. Her er en beskrivelse af hver af disse strukturer:
Mange bakterier udskiller en klæbrig, viskøs substans, der danner et ekstracellulært lag omkring bakterien. Materialet er normalt et polysachharid, men i nogle tilfælde er det en sammensætning af poly-D-glutaminsyre.
- Hvis materialet er tæt bundet til cellen og har en organiseret struktur, kaldes det en kapsel.
- Hvis materialet er løst bundet og amorft (uregelmæssig form), kaldes det glycocalyx.
Kapslen og glycocalyx tillader bakterier at klæbe sig fast til overflade, beskytte bakterier mod antistoffer og fagocytose samt fungerer som diffusionsbarrierer mod visse antibiotika og dermed bidrage til organismernes patogenicitet. Kapsler kan også beskytte bakterier mod udtørring, hvilket faciliterer smitteoverførsel.
Beskriv strukturen af lipopolysaccharid (LPS)
Lipopolysaccharid (LPS), også kendt som endotoxin, er en kompleks struktur, der findes i den ydre membran af Gram-negative bakterier. LPS er en afgørende komponent af cellevæggen hos disse bakterier og spiller en afgørende rolle i deres biologi og interaktion med værtsorganismer. Her er en beskrivelse af LPS-strukturen:
LPS består af tre hovedkomponenter:
1. Lipid A: Dette er den inderste del af LPS-molekylet og er normalt fastgjort til den ydre membran af bakterien. Lipid A består af en fedtsyre-kæde, der er bundet til to glucosaminmolekyler, og det er den mest kritiske del af LPS med hensyn til dens toksicitet. Lipid A betragtes som et endotoxin, da det kan udløse en stærk immunrespons hos værtsceller og forårsage skadelige virkninger.
2. Core-polysaccharid: Core-polysaccharidet er forbundet med Lipid A og fungerer som en bro mellem Lipid A og O-polysaccharidet. Core-polysaccharidet er relativt kort og er involveret i bakteriens struktur og stabilitet.
3. O-polysaccharid (O-antigen): O-polysaccharidet er den ydre del af LPS-molekylet og består af en lang kæde af gentagne sukkerenheder. Denne del af LPS er meget variabel og specifik for hver bakterieart og undertype. O-polysaccharidet fungerer som en antigenisk determinator, der gør det muligt for immunsystemet at genkende og differentiere mellem forskellige bakteriestammer og arter.
Beskriv bakteriers vedhæng
Bakterier kan have forskellige former for vedhæng eller udvækster, der stikker ud fra deres overflade. Disse strukturer tjener forskellige formål og kan hjælpe bakterier med at udføre forskellige funktioner i deres miljø. Her er nogle af de mest almindelige typer af bakterielle vedhæng:
Flageller: Prokaryote flageller er lange, tynde, helikale, hule rørstrukturer bestående af proteinet flagellin. De gør det muligt for bakterier at bevæge sig i en målrettet retning, for eksempel som reaktion på en kemotaktisk stimulus.
- Flageller er forankret i cellemembranen af en basal krop, som er en kompleks molekylær maskine, der roterer flagellum som skruepropellen på et skib.
- Bakterier kan have en eller flere flageller.
- Flageller er meget antigeniske.
Pili/fimbrae: Pili er kortere og tyndere en flageller og fungerer som vedhæftningsstrukturer, der fremme specifik celle-til-celle kontakt.
- Vedhægyningen kan forekomme mellem den bakterielle celle og værtens eukaryote celle eller mellem en bakteriecelle og en anden.
Disse bakterielle vedhæng spiller vigtige roller i bakteriers evne til at bevæge sig, klæbe sig fast til overflader og interagere med deres omgivelser. Flageller muliggør aktiv bevægelse, mens pili letter vedhæftning og interaktion mellem celler.
Hvordan udviser bakterier antigenisk variation?
Bakterier udviser antigenisk variation ved at ændre de antigener, der findes på deres overflade. Dette er en tilpasningsmekanisme, der tillader bakterier at undgå immunsystemets detektion og forsvar. Der er forskellige måder, hvorpå bakterier kan udvise antigenisk variation, og mekanismerne varierer afhængigt af den specifikke bakterieart. Her er nogle af de vigtigste måder, hvorpå bakterier kan opnå antigenisk variation:
Genetisk rekombination
- Rekombination ved rekombinaseenzymaktivitet: Nogle bakterier har rekombinaseenzymer, der kan ændre antigenet ved at skifte ud specifikke sekvenser af genetisk materiale. Dette ændrer antigenstrukturen på bakteriens overflade.
- Fasevariation: Dette er en proces, hvor bakterier skifter mellem forskellige variationer af antigenet ved at slukke eller tænde for specifikke gener. Dette skaber variation i antigenernes præsentation på bakteriens overflade.
Horisontal genoverførsel
- Konjugation: Ved konjugation overfører bakterier gener, der koder for forskellige antigenvarianter, til andre bakterier. Dette resulterer i ændringer i de antigener, der præsenteres på modtagerbakteriens overflade.
Mutationer
- Spontane mutationer: Nogle gange kan bakterier akkumulere spontane mutationer i gener, der koder for antigener. Disse mutationer kan ændre antigenstrukturen og føre til variation.
Fagevner
- Nogle bakteriofager (virus, der inficerer bakterier) kan indsætte eller slette specifikke DNA-sekvenser i bakteriens genom. Dette kan ændre antigenernes struktur og skabe antigenisk variation.
Et klassisk eksempel på antigenisk variation ses i Neisseria-arterne, der forårsager infektioner som gonoré og meningitis. Disse bakterier har evnen til at ændre pilinmolekyler, som er vigtige komponenter af pili (vedhæftningsstrukturer), ved hjælp af genkonvertering. Dette tillader dem at producere forskellige pilinmolekyler, der undgår immunsystemets genkendelse og giver dem mulighed for at vedhæfte værtsceller.
Antigenisk variation er en vigtig overlevelsesstrategi for mange patogene bakterier og gør det vanskeligere for værtens immunsystem at udvikle immunitet mod dem.
Hvad er sporer?
Sporer er knyttet til en bestemt form for overlevelsesmekanisme hos visse bakterier og andre mikroorganismer. Sporer er en form for celle, der er i en hviletilstand og er yderst modstandsdygtige over for ekstreme miljøforhold.
- Dette forbedrer overlevelsen under perioder med ugunstige miljøforhold (såsom ernæringsmangel).
For at forbedre overlevelsen gennemgår nogle Gram-positive stave omfattende strukturelle og metaboliske ændringer, som resulterer i dannelsen af en inaktiv celle kaldet en endospor befindende inden i den oprindelige celle.
- Endosporer kan frigives fra den oprindelige celle som frie sporer.
Sporer er bemærkelsesværdigt resistente over for varme (de overlever kogning), udtørring, ultraviolet lys og bakteriedræbende kemiske midler.
- Steriliseringsprocedurer vurderes efter deres evne til at inaktivere sporer.
Beskriv sporulation
Sporulation er den komplekse biologiske proces, hvor visse bakterier omdanner sig selv til en form for inaktiv celle kaldet en endospor. Denne proces er en tilpasningsmekanisme, der tillader bakterier at overleve i ugunstige miljøbetingelser, såsom ernæringsmangel eller udsættelse for skadelige faktorer. Her er en beskrivelse af sporulationstrinene:
- Indledende fase: Sporulation begynder som svar på ugunstige miljøforhold. Bakterien registrerer signaler, der indikerer, at dens omgivelser er udfordrende eller farlige. Dette kan omfatte mangel på næringsstoffer eller andre stressfaktorer.
- Septationsfase: I denne fase begynder bakterien at opdele sit indre i to separate celler. En af disse celler vil blive den nye endospor, mens den anden forbliver som en moder- eller morcelle. Morcellen forbereder sig på at beskytte og fodre den kommende endospor.
- Engulfmentfase: Morcellen omslutter den kommende endospor med flere membraner, hvilket danner en beskyttende hylster omkring den. Dette beskytter endosporerne mod de skadelige miljøbetingelser.
- Maturationsfase: Endosporerne gennemgår yderligere modningsprocesser, herunder dannelsen af beskyttende strukturer som en sporekappe og kernehylster. Disse lag beskytter endosporerne mod ekstreme temperaturer, stråling og kemiske midler.
- Frigivelsesfase: Når endosporerne er fuldt modne, går morcellen til grunde, og de færdige endosporer frigives i miljøet. De kan overleve under ekstreme betingelser i meget lang tid, indtil de igen udsættes for gunstige forhold.
Endosporer er kendt for deres ekstreme modstandsdygtighed over for en række skadelige faktorer. De kan overleve kogning, udtørring, ultraviolet lys og mange kemiske desinfektionsmidler. Faktisk er effektiviteten af sterilisationsprocedurer ofte vurderet ud fra deres evne til at inaktivere endosporer. Når endosporerne udsættes for gunstige betingelser, kan de spire og give anledning til en ny aktiv bakteriecelle.
Beskriv karakteristika ved bakteriel vækst
Den bakterielle vækstcyklus består af flere faser, der beskriver, hvordan en bakteriepopulation udvikler sig over tid. Her er en beskrivelse af de typiske faser i den bakterielle vækstcyklus:
- Lagfase (Lag Phase): I denne indledende fase har bakterierne lige blevet indført i et nyt miljø, og væksten er langsom eller ikke-eksisterende. Dette skyldes, at bakterierne tilpasser sig de nye miljøforhold, opnår næringsstoffer og aktiverer de nødvendige enzymer og gener for vækst. Lagfasen kan variere i længde afhængigt af mange faktorer, herunder næringsstoftilgængelighed og den specifikke bakterieart.
- Eksponentiel fase (Log Phase): Efter lagfasen, når bakterierne er tilpasset, begynder den eksponentielle vækstfase. I denne fase deler bakterierne sig ved binær fission, hvilket betyder, at antallet af celler fordobles i hver generationscyklus. Dette resulterer i en markant stigning i antallet af bakterier over tid. Eksponentiel vækst er kendetegnet ved en konstant fordoblingstid, hvor antallet af celler stiger jævnt.
- Stationær fase (Stationary Phase): Efterhånden som eksponentiel vækst fortsætter, opbruges næringsstofferne i miljøet gradvist, og giftige affaldsprodukter akkumuleres. Dette fører til en afmatning i vækstraten, og antallet af nye bakterier, der produceres, balancerer med det antal, der dør. Resultatet er en stabil population, hvor antallet af levende bakterier forbliver konstant. Stationær fase kan vare i varierende tid, afhængigt af miljøbetingelserne.
- Dødsfasen (Death Phase): Efter stationær fase begynder dødsfasen. I denne fase overstiger dødeligheden væksten, hvilket resulterer i en gradvis nedgang i antallet af levende bakterier. Næringsstoffer er næsten udtømt, og de giftige affaldsprodukter har nået kritiske niveauer, der hæmmer overlevelsen af bakterier.
Det er vigtigt at bemærke, at varigheden af hver fase i den bakterielle vækstcyklus kan variere afhængigt af miljøbetingelser, tilgængeligheden af næringsstoffer og den specifikke bakterieart herunder deres fordoblingstid.
Beskriv bakteriers energiproduktion
Bakterier producerer energi gennem en proces kaldet cellulær respiration. Denne proces involverer nedbrydning af kulhydrater, fedtstoffer eller andre organiske stoffer for at frigive energi i form af adenosintrifosfat (ATP), der fungerer som cellens energivaluta. Der er flere måder, hvorpå bakterier kan generere energi, og det afhænger af de tilgængelige næringsstoffer og tilstedeværelsen af ilt i miljøet. Her er nogle af de vigtigste måder, hvorpå bakterier producerer energi:
Aerob respiration: Nogle bakterier udfører aerob respiration, hvor de bruger ilt som den endelige elektronmodtager i elektrontransportkæden. Dette er den mest effektive måde at producere ATP på, da det genererer den største mængde energi. Under aerob respiration nedbrydes organiske stoffer som glukose til kuldioxid og vand.
Anaerob respiration: Hvis ilt ikke er tilgængeligt i miljøet, kan visse bakterier udføre anaerob respiration ved at bruge alternative elektronmodtagere, såsom nitrat, sulfat eller andre kemikalier. Dette producerer stadig ATP, men genererer ikke lige så meget energi som aerob respiration.
Fermentering: Bakteriers energiproduktion ved fermentering er en anaerob proces, hvor bakterier nedbryder organiske stoffer uden brug af ilt som den endelige elektronmodtager. I stedet bruger de organiske forbindelser som elektronmodtagere. Fermentering er en mindre effektiv måde at generere energi på sammenlignet med aerob respiration, da det producerer færre ATP-molekyler pr. molekyle glukose eller anden organisk forbindelse, der nedbrydes.
Beskriv syntesen af peptidoglycan
Syntesen af peptidoglycan er en nøgleproces i bakteriers cellevæg, der giver strukturel styrke og stabilitet til bakteriecellen. Peptidoglycan er en kompleks makromolekylær struktur bestående af sukkerarter og aminosyrer. Denne synteseproces foregår i flere trin:
1. Aktivering af kulhydratsubenheder:
- Nøglekomponenterne i peptidoglycan er N-acetylglucosamin (NAG) og N-acetylmuraminsyre (NAM).
- Disse molekyler syntetiseres inde i bakteriecellen og transporteres gennem cellemembranen og ind i periplasmatisk rum (mellem cytoplasmamembranen og ydremembranen hos gram-negative bakterier) ved hjælp af specifikke transportproteiner, hvilket i dette tilfælde er nukleotidet uridindiphosphat (UDP).
2. Syntese af forbindelsespeptidet:
- Et pentapeptid tilføjes til UDP-NAM ved sekventiel overførsel af aminosyrer, hvor de to terminale alaninrester tilføjes som et dipeptid.
- Dette pentapeptid kan indeholde nogle ikke-standard aminosyrer, herunder f.eks. diaminopimelinsyre (DAP) og D-amino syrer.
- Sekvensen af pentapeptidet dikteres ikke af en RNA-skabelin, men derimod af specificiteten af de enzymer, der danner peptidbindingerne.
3. Overførsel af peptidoglycan-enheden til bactoprenolphosphat:
- NAM-PEP-fragmentet overføres fra UDP-transporteren til en anden transporter, bactoprenolphosphat (BPP), der er placeret på den indre flade af cellemembranen.
- På dette tidspunkt overfører UDP-NAG NAG til NAM-PEP og fuldender peptidoglycan-gentagelsesenheden, NAG-NAM-PEP, som nu er fastgjort til bactoprenolphosphat.
4. Tilføjelse af gentagelsesenheden til det eksisterende peptidoglycan:
- Bactoprenolphosphat bærer gentagelsesenheden NAG-NAM-PEP gennem cellemembranen til den ydre overflade, hvor peptidoglycan i den eksisterende cellevæg er placeret.
- Gentagelsesenheden tilføjes til en fri ende af det eksisterende peptidoglycan, hvilket øger polymerens længde med én gentagelsesenhed.
5. Krydsbinding af pentapeptid til peptidoglycan:
- Krydsbinding opnås gennem en transpeptidasereaktion, der binder diaminopimelinsyre fra peptidkæden til en tilstødende peptidkæde med alanin (ala) på position fire i peptiden, hvilket medfører frigivelsen af den terminale alanin. Denne form for direkte tværbinding er karakteristisk for E. coli og mange andre Gram-negative arter.
- I modsætning hertil, i Gram-positive bakterier som Staphylococcus aureus, indsættes normalt en glycine-pentapeptid mellem lysin (lys) på position tre i en PEP og alanin på position fire i den PEP, som krydsbindingen skal foretages til.
Er der forskel ved krydsbindingen i peptidoglycan hos Gram-positive og Gram-negative bakterier?
Krydsbinding opnås gennem en transpeptidasereaktion, der binder diaminopimelinsyre fra peptidkæden til en tilstødende peptidkæde med alanin (ala) på position fire i peptiden, hvilket medfører frigivelsen af den terminale alanin. Denne form for direkte tværbinding er karakteristisk for E. coli og mange andre Gram-negative arter.
I modsætning hertil, i Gram-positive bakterier som Staphylococcus aureus, indsættes normalt en glycine-pentapeptid mellem lysin (lys) på position tre i en PEP og alanin på position fire i den PEP, som krydsbindingen skal foretages til.
Hvordan påvirker antibiotikummet bacitracin syntese af peptidoglycan?
Bacitracin inhiberer genbrugen af bactoprenolphosphat
Hvordan påvirker antibiotikummet cycloserin syntese af peptidoglycan?
Cycloserin hæmmer syntesen af D-ala-D-ala dipeptidet
Hvordan påvirker antibiotikummet vancomycin syntese af peptidoglycan?
Vancomycin blokerer indarbejdelsen af gentagelsesenheden NAG-NAM-PEP i den voksende peptidoglycan-kæde.
Vancomycin binder også til den terminale D-ala-D-ala dipeptid, hvilket forhindrer transpeptidation.
