Bakterienzelle: Verschiedene Teile einer generalisierten Bakterienzelle (erläutert mit Diagrammen) | Mikrobiologie

Die verschiedenen Teile einer generalisierten Bakterienzelle wurden in Abbildung 2.3 gezeigt und wie folgt beschrieben:

1. Flagellen:

Bakterienflagellen sind dünne, filamentöse haarähnliche, helixförmige Anhängsel, die durch die Zellwand vorstehen und für die Beweglichkeit von Bakterien verantwortlich sind. Die meisten beweglichen Bakterien besitzen Flagellen.

Seine Länge beträgt etwa 10-15µ. Bakterielle Flagellen unterscheiden sich in Struktur und Wirkungsmechanismus völlig von eukaryotischen Flagellen. Sie sind viel dünner als die Flagellen oder Zilien eukaryotischer Zellen. Im Gegensatz zu eukaryotischen Flagellen ist über den Bakterienflagellen keine Zellmembran vorhanden.

Darüber hinaus sind Bakterienflagellen im Gegensatz zu eukaryotischen Flagellen etwas starr und peitschen nicht hin und her, sie drehen sich eher wie der Propeller eines Bootes für die Bewegung der Zelle. Die Bakterienflagellen haben nämlich drei Teile; (a) Basalkörper, (b) Haken und (c) Filament (Abbildung 2.4).

(ein) Basalkörper:

Es bildet den Basisteil des Flagellums und ist in der zytoplasmatischen Membran und Zellwand verankert. Es verankert die Flagellen und fungiert als Motor, wodurch die Rotationsbewegung der Flagelle bewirkt wird.

Es besteht aus einem kleinen zentralen Stab, der durch ein Ringsystem geführt wird. Bei grampositiven Bakterien, bei denen die Zellwand allein aus einer Peptidoglycanschicht besteht, hat der Basalkörper nur ein Paar Ringe; der M-Ring und der S-Ring, beide in die Zellmembran eingebettet.

Diese Ringe umgeben eine Gruppe von Proteinen, genannt mot-Proteine. Die Protonenbewegung durch die Zellmembran durch diese mot-Proteine ​​erzeugt die Protonenbewegungskraft (Energie), die für die Rotation dieser beiden Ringe erforderlich ist, die letztendlich als Motor für die propellerartige Rotation des Flagellums wirken.

Eine weitere Gruppe von Proteinen, Fli-Proteine ​​genannt, befindet sich zwischen diesen beiden Ringen. Sie fungieren als Motorschalter und kehren die Rotation des Flagellums als Reaktion auf intrazelluläre Signale um.

Bei gramnegativen Bakterien, bei denen die Zellwand neben der dünneren inneren Peptidoglycanschicht aus einer äußeren Lipopolysaccharid (LPS) -Schicht besteht, weist der Basalkörper ein weiteres Paar Ringe auf; der in die LPS-Schicht eingebettete L-Ring und der P-Ring in der dünnen Peptidoglycan-Schicht.

(b) Haken:

Ein kurzer Haken verbindet den Basalkörper mit dem Faden der Geißel. Es ist etwas dicker als das Filament. Die motorische Wirkung des Basiskörpers wird durch den Haken auf das Filament übertragen.

(c) Filament:

Es ist der langhaarige, filamentöse Teil der Geißel, der aus dem Haken austritt. Sie ist um ein Vielfaches länger als die Bakterienzelle. Es besteht aus einem einzigen Protein, dem Flagellin, dessen Molekulargewicht etwa 40.000 beträgt. Flagellin-Moleküle bilden Ketten; Drei solcher Ketten sind miteinander verbunden, um das Flagellum zu bilden. Im Gegensatz zu einem Haar, das an seiner Basis wächst, wächst der Faden eines Flagellums an seiner Spitze.

Aminosäuren durchlaufen das hohle Zentrum des Filaments und fügen sich an seinem distalen Ende hinzu. Dieser Vorgang wird als Selbstorganisation bezeichnet, da alle Informationen für die Endstruktur des Filaments in den Proteinuntereinheiten selbst liegen. Das Filament ist etwas starr und peitscht nicht hin und her, vielmehr dreht es sich ähnlich wie der Propeller eines Bootes für die Bewegung der Zelle.

Die Spirochäten haben keine äußeren Flagellen. Sie bewegen sich jedoch mit Hilfe einer flagellenähnlichen Struktur, die sich innerhalb ihrer Zellen direkt unter der äußeren Hülle befindet. Man spricht von periplasmatischen Flagellen, axialen Flagellen, axialen Fibrillen oder Endoflagellen.

Flagellen sind in verschiedenen Bakterien unterschiedlich angeordnet. Die Anordnung von Flagellen auf Bakterienzellen wird als Flagellation bezeichnet. Flagellation ist von den folgenden vier Typen (Abbildung 2.5).

(a) Monotrichous Flagellation (Mono: single; trichous: hair): Ein einzelnes Flagellum befindet sich an einem Ende der Zelle.

(b) Lophotriche Geißelung (Lopho: Büschel; Trichus: Haar): An einem Ende der Zelle befindet sich ein Büschel oder eine Ansammlung von Flagellen.

(c) Amphitriche Flagellierung (Amphi: beide; trichous: Haare): Flagellen sind an beiden Enden der Zelle entweder einzeln oder in Büschel vorhanden.

(d) Peritrichöse Geißelung (Peri: herum; Trichus: Haare): Flagellen sind auf der gesamten Oberfläche der Zelle vorhanden.

2. Fimbriae:

Fimbrien sind dünne filamentöse haarähnliche Anhängsel, die strukturell den Flagellen ähneln, jedoch nicht an der Beweglichkeit von Bakterien beteiligt sind (Abbildung 2.3). Im Gegensatz zu Flagellen sind sie wesentlich kürzer und zahlreicher, aber wie Flagellen bestehen sie aus Proteinmolekülen.

Fimbrien sind in wenigen Bakterienarten vorhanden, die ihnen helfen, sich an die Zellen anderer Organismen anzulagern und zu verhindern, dass sie durch den Fluss von Schleim oder Körperflüssigkeit weggespült werden. Somit hilft es insbesondere den pathogenen Bakterien, eine Infektion im Wirtskörper zu etablieren. Sie helfen auch, Pellikel oder Biofilme auf Oberflächen zu bilden.

3. Pili:

Pili sind dünne filamentöse haarähnliche Gliedmaßen, die strukturell den Flagellen ähneln, jedoch nicht an der Beweglichkeit von Bakterien beteiligt sind (Abbildung 2.6). Sie sind auch strukturell Fimbrien ähnlich, sind aber im Allgemeinen länger und nur ein oder wenige Pili sind auf der Oberfläche einer Bakterienzelle vorhanden.

Es besteht aus einem einzigen Proteintyp, Pilin, dessen Molekulargewicht etwa 17.000 beträgt. Pilin-Moleküle sind helixförmig angeordnet, um ein einzelnes starres Filament mit einem zentralen hohlen Kern zu bilden. Bei einigen Bakterien wird genetisches Material während der Konjugation (Paarung mit einem anderen Bakterium) durch den hohlen Kern des Pili übertragen.

Solche Pili werden Fruchtbarkeitspili (F Pili) oder Geschlechtspili genannt. In einigen pathogenen Bakterien wirkt Pili ähnlich wie Fimbrien bei der Anheftung an die Wirtszellen und beim Aufbau einer Infektion. Die agglutinierende Wirkung von Pili führt zur Bildung von Bakterienfilmen, die auf der Oberfläche von Bouillonkulturen sichtbar sind.

4. S-Schicht:

Die S-Schicht (Oberflächenschicht) ist eine Schicht, die sich auf der Oberfläche der meisten pathogenen Bakterien befindet. Sie besteht aus einem zweidimensionalen Array von Proteinen mit kristallinem Aussehen in verschiedenen Symmetrien wie hexagonal, tetragonal oder trimere (Abbildung 2.7). .

Die Kristallsymmetrie hängt von der Zusammensetzung der Proteine ​​der S-Schicht ab. Es hängt mit der Zellwandstruktur zusammen (mit der Peptidoglykanschicht in grampositiven Bakterien und mit der LPS-Schicht in gramnegativen Bakterien).

Es fungiert als externe Permeabilitätsbarriere, die den Durchgang von niedermolekularen Substanzen erlaubt und hochmolekulare Substanzen ausschließt. Es bietet auch einen Schutz für die pathogenen Bakterien gegen den Wirtsabwehrmechanismus.

5. Kapsel (Schleimschicht oder Glykokalyx):

Viele Bakterien haben außerhalb der Zelle ein zähflüssiges, schleimiges oder gummiartiges Material, das die Zellwand umgibt (Abbildung 2.8). Es besteht aus Makromolekülen, die nicht kovalent an die Bakterien gebunden sind.

Diese Oberflächenmakromoleküle sind hauptsächlich geladene Polysaccharide (Glykoproteine ​​oder Glykolipide) und werden daher als "Glykokalyx" bezeichnet (Glyco: Kohlenhydrate; Kelch: Teil der Blüte unter den Blütenblättern, die sich vom Stiel nach außen erstrecken). Glykokalyx ist definiert als das Polysaccharid enthaltende Material, das außerhalb der Zelle liegt, als loses Netzwerk von Polymerfasern, die sich von der Zelle nach außen erstrecken.

Sie werden von den Bakterien synthetisiert und ausgeschieden, die an die Rezeptoren auf der Oberfläche des Wirtsgewebes binden. Glykokalyx wird nicht nur in der Umgebung einiger Bakterienzellen gefunden; Es wird auch gefunden, einige pflanzliche und tierische Zellen zu umgeben.

Glykokalyx kann aus drei Arten bestehen:

(a) Kapsel:

Es ist eine Polymerbeschichtung, die aus einer dichten, gut definierten viskosen Schicht besteht, die die Bakterienzellen vieler Arten eng umgibt. Die viskose Schicht kann durch Lichtmikroskopie mit einer speziellen Färbetechnik sichtbar gemacht werden.

Die Glycocalyx-Polymerfasern sind in einer festen Matrix organisiert, die Partikel wie Tusche ausschließt. Bakterien, die eine Kapsel haben, werden als kapsulierte Bakterien bezeichnet, während solche, die keine Kapsel haben, nicht gekapselte Bakterien genannt werden.

(b) Mikrokapsel

Es ist eine viskose Schicht, die die Bakterienzellen umgibt. Sie ist so dünn, dass sie durch Lichtmikroskopie nicht sichtbar gemacht werden kann.

(c) Schleim:

Es ist eine diffuse Masse von Polymerfasern, die scheinbar an keine einzelne Zelle gebunden ist. Die viskose Schicht ist so dick, dass viele Zellen in die Schleimmatrix eingebettet sind. Die Schicht ist leicht verformbar und schließt keine Partikel aus. Es ist schwierig, durch Lichtmikroskopie sichtbar gemacht zu werden.

Die Funktionen von Kapsel und Schleim sind unten angegeben:

1. Es verhindert das Austrocknen von Zellen durch die Bindung von Wassermolekülen.

2. Es verhindert die Anlagerung von Bakteriophagen (die Viren, die Bakterien angreifen) an den Bakterienzellen.

3. Es bietet Virulenz (die Fähigkeit zur Krankheitserzeugung), indem es deren Erkennung und anschließende Zerstörung durch Phagozyten (weiße Blutkörperchen oder Leukozyten) hemmt.

4. Es hilft den pathogenen Bakterien, sich mit Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtsgewebe zu infizieren.

5. Es sorgt für die Haftung zwischen verschiedenen Bakterienzellen.

6. Scheiden:

Hüllen sind lange hohle röhrenförmige Strukturen, die Ketten von Bakterienzellen einschließen, die "Trichome" bilden (Abbildung 2.9). Umhüllte Bakterien kommen häufig in Süßwasserlebensräumen vor, die reich an organischer Substanz sind, wie verunreinigte Bäche, Tropfkörper und Belebtschlammverdauler in Kläranlagen. Scheiden lassen sich leicht visualisieren, wenn einige der Zellen, die als "Flagellated Swarmer-Zellen" des Trichoms bezeichnet werden, sich aus der Scheide bewegen und die leere Scheide hinterlassen.

7. Pros-thecae:

Pros-thecaes sind zytoplasmatische Erweiterungen von Bakterienzellen, die Anhänge wie Hyphen, Stiele oder Knospen bilden. Sie haben einen kleineren Durchmesser als die reifen Zellen, enthalten Zytoplasma und sind an die Zellwand gebunden. Bakterien mit Pros-Theken werden Prosthecate-Bakterien genannt.

Im Gegensatz zu der Zellteilung in anderen Bakterien, die durch binäre Spaltung erfolgt, entstehen zwei äquivalente Tochterbakterienzellen, die in den Prosthekaten die Bildung einer neuen Tochterzelle beinhalten, wobei die Mutterzelle nach Beendigung der Zellteilung ihre Identität beibehält.

"Hyphen" sind Zellanhangsgebilde, die durch direkte Zellverlängerung der Mutterzelle mit Zellwand, Zellmembran, Ribosomen und gelegentlich DNA gebildet werden. Es entsteht durch die Verlängerung eines kleinen Auswuchses der Bakterienzelle an einem einzigen Punkt.

Ein solches Wachstum an einem einzigen Punkt wird als "polares Wachstum" bezeichnet, im Gegensatz zu dem "interkalaren Wachstum", das bei allen anderen Bakterien stattfindet, bei denen das Wachstum von Bakterien auf der gesamten Oberfläche stattfindet. Am Ende der Hyphe bildet sich eine Knospe, die sich vergrößert und ein Flagellum erzeugt.

Die DNA in der Mutterzelle repliziert sich und eine Kopie der zirkulären DNA wird über die Hyphenlänge in die Knospe verschoben. Dann bildet sich ein Kreuzseptum, das die sich noch entwickelnde Knospe von der Hyphen- und Mutterzelle trennt.

Nun bricht die Knospe von der Mutterzelle ab und schwimmt als Tochterzelle davon. Später verliert die Tochterzelle ihr Flagellum und wächst allmählich zu einer Mutterzelle, die für die Bildung von Hyphen und Knospen bereit ist.

Stängel sind zelluläre Anhängsel, die von bestimmten Wasserbakterien zur Befestigung an festem Boden verwendet werden. Am Ende des Stiels befindet sich eine Struktur, die als 'holdfast' bezeichnet wird, durch die der Stiel mit dem Substrat verbunden wird. Neben der Anhaftung erhöht der Stiel auch die Oberfläche der Bakterienzelle, was ihm bei der Nährstoffaufnahme und der Entfernung von Abfällen hilft.

Bei einigen Bakterien bleiben die Stiele mehrerer Individuen zu "Rosetten" verbunden. Die Zellteilung in gestielten Bakterien erfolgt durch die Verlängerung der Zelle in die der Stielrichtung entgegengesetzte Richtung, gefolgt von der Spaltung. An der Stange gegenüber dem Stiel bildet sich eine einzige Fahne.

Die so gebildete Tochterzelle mit Flagell wird "Swarmer" genannt. Sie trennt sich von der Mutterzelle ohne Flagellen, schwimmt umher und wird an einer neuen Oberfläche befestigt, die einen neuen Stiel am Flagellenstab bildet. Das Flagellum ist dann verloren.

"Knospen" sind zelluläre Anhängsel, die sich direkt als Tochterzellen aus den Mutterzellen entwickeln, ohne die Hyphenbildung einzuschränken.

8. Zellwand:

Zellwand ist die starre Struktur, die die Zellmembran von Bakterienzellen unmittelbar umgibt. Die Zellmembran von Bakterienzellen ist eine Phospholipid-Doppelschicht, die der aller anderen Tier- und Pflanzenzellen gleicht (Abbildung 2.11).

Während tierischen Zellen die Zellwand fehlt, haben Pflanzenzellen und Bakterienzellen eine Zellwand, die die Zellmembran umgibt. Im Gegensatz zu der Zellwand von Pflanzenzellen, die hauptsächlich aus Zellulose besteht, besteht die Zellwand von Bakterienzellen hauptsächlich aus Peptidoglycan-Schichten (Abbildung 2.10).

Früher wurde Peptidoglycan auch als Murein oder Mucopeptid bezeichnet. Peptidoglycan besteht hauptsächlich aus Aminosäuren und Zuckern (Peptido: Aminosäurekette; Glycan: Zucker). Zwei Zucker, nämlich N-Acetylglucosamin (NAGA) und N-Acetylmuraminsäure (NAMA), sind abwechselnd durch glycosidische Bindungen (β-1-4-Verknüpfung) miteinander verbunden, um lange parallele Zuckerketten zu bilden.

An die NAMA-Moleküle sind kurze Seitenketten von vier oder fünf Aminosäuren gebunden, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Normalerweise sind die Aminosäuren Alanin, Glutaminsäure und entweder Lysin oder Diaminopimelinsäure (DAP). Diese kurzen Peptide bilden Vernetzungen zwischen benachbarten Zuckerketten, um ein Netzwerk oder eine Schicht zu bilden.

Obwohl die glykosidischen Bindungen in den Zuckerketten sehr stark sind, können diese alleine nicht in alle Richtungen steif sein. Eine hohe Steifigkeit wird nur erhalten, wenn diese Ketten durch die Peptidbindungen in den vernetzenden kurzen Peptiden vernetzt werden.

Die Zusammensetzung der Zellwand ist nicht für alle Bakterien gleich; Vielmehr gibt es bemerkenswerte Unterschiede in seiner Zusammensetzung, basierend darauf, welche Bakterien wie folgt gruppiert wurden:

A. Basierend auf der Gramfärbung:

Basierend auf den Unterschieden in der Zusammensetzung der Zellwand unterscheidet eine spezielle Färbetechnik namens "Gram-Färbung", benannt nach Dr. Christian Gram, der sie entwickelt hat, Bakterien in zwei Gruppen wie folgt:

(1) grampositive Bakterien:

Nach dem Anfärben eines Bakteriums mit Kristallviolett ist es, wenn seine Zellwand der Entfärbung durch Waschen mit einem Entfärbungsmittel (Ethanol oder Aceton) widersteht, ein grampositives Bakterium. Beispiele: Bacillus, Staphylococcus.

(2) gramnegative Bakterien:

Nach dem Anfärben eines Bakteriums mit Kristallviolett ist es, wenn seine Zellwand eine Entfärbung durch Waschen mit einem Entfärbungsmittel (Ethanol oder Aceton) zulässt, ein gramnegatives Bakterium. Beispiele: Escherichia, Salmonellen, Vibrio.

Die Differenzierung von Bakterien in grampositive und gramnegative Gruppen liefert den wichtigsten Anhaltspunkt, um in die richtige Richtung weiterzugehen, um unbekannte Bakterien zu identifizieren.

Gram-positive Zellwand:

Die grampositive Zellwand ist sehr einfach. Es besteht hauptsächlich aus einer dicken Peptidoglycanschicht, die etwa 90% der Zellwand ausmacht. Diese dicke Schicht macht die grampositiven Bakterien resistent gegen osmotische Lyse.

Die Wand kann auch Teichonsäure, Lipoteichonsäure und M-Protein enthalten, die die Hauptoberflächenantigene der grampositiven Zellwand sind. Die Teichonsäure ist negativ geladen und ist teilweise für die negative Ladung der Zelloberfläche von Bakterien verantwortlich. Es hilft auch beim Durchtritt von Ionen durch die Zellwand.

Die Lipoteichonsäure ist die Teichsäure, die an die Membranlipide gebunden ist. Das M-Protein hilft einigen Bakterien bei der Entstehung von Krankheiten, indem es deren Inklusion durch WBC verhindert. Die Antibiotika Penicillin (produziert durch den Pilz Penicillium notatum) und Cephalosporin töten grampositive Bakterien, indem sie die Peptidoglycansynthese verhindern. Lysozym (ein Enzym, das in Tränen, Speichel, Eialbumin und Schleim von Fischen gefunden wird) tötet grampositive Bakterien durch Brechen der glykosidischen Bindung (β-1-4-Verknüpfung) zwischen NAGA und NAMA.

Gram-negative Zellwand:

Die gramnegative Zellwand ist sehr komplex und brüchiger als die grampositive Zellwand. Es hat eine dünne Schicht Peptidoglycan, die nur etwa 10% der Zellwand ausmacht. Es ist umgeben von einer dicken Schutzschicht, der sogenannten Lipopolysaccharid (LPS) -Schicht, die das Eindringen einiger potenziell toxischer Chemikalien in die Bakterienzelle verhindert.

Die LPS-Schicht besteht aus 1) einer Lipoproteinschicht und 2) einer äußeren Membran. Eine Oberfläche der Lipoproteinschicht ist direkt an die Peptidoglycanschicht gebunden und die andere Oberfläche erstreckt sich in die äußere Membran.

Es fungiert als Anker zwischen der Peptidoglykanschicht und der äußeren Membran. Die Außenmembran ist eine in Protein eingebettete Phospholipid-Doppelschicht mit einer Strukturmatrix, die der Zellmembran ähnelt. Das innere Blatt der äußeren Membran ist eine Schicht aus Phospholipidmolekülen allein.

Anders als bei der Einheitsmembran werden jedoch einige Phospholipidmoleküle im äußeren Blatt durch LPS-Moleküle ersetzt. Jedes LPS-Molekül besteht aus einem Lipidanteil, der als "Lipid A" bezeichnet wird und kovalent an ein haarartiges Polysaccharid gebunden ist.

Wenn gramnegative pathogene Bakterien im Körper des Wirts abgetötet werden, wird das Lipid A, das eine interne Komponente von gramnegativen Bakterien ist, freigesetzt, wodurch toxische Reaktionen und Krankheitssymptome ausgelöst werden. Aus diesem Grund wird Lipid A auch als Endotoxin (Endo: intern) bezeichnet.

Im Gegensatz dazu ist "Exotoxin" die toxische Substanz, die innerhalb der Bakterienzellen synthetisiert und nach außen abgegeben wird, was zu Krankheiten führt, wenn sie im Körper des Wirts vorhanden sind oder in diesen eindringen. Im Gegensatz zu anderen normalen Lipiden wie Triglyceriden, die aus drei an ein Glycerin gebundenen Fettsäuren bestehen, besteht das Lipid A aus Fettsäuren, die an ein Disaccharid gebunden sind, das aus zwei NAGA-Phosphaten besteht.

Bei den Fettsäuren in Lipid A handelt es sich üblicherweise um Capronsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure und Stearinsäure. Das Polysaccharid, das am anderen Ende des Disaccharids an Lipid A gebunden ist, besteht aus zwei Teilen; 1) das innere Kernpolysaccharid und 2) das äußere O-Polysaccharid.

Die äußere Membran enthält auch Proteine, die als "Porine" bezeichnet werden und drei identische Untereinheiten enthalten. Jede Untereinheit ist zylindrisch mit einer zentralen Pore, durch die Materialien passieren können. Somit machen die Porine die äußere Membran relativ durchlässig.

Porins sind zwei Arten; 1) unspezifische Porine, die wassergefüllte Kanäle bilden, durch die kleine Substanzen jeglicher Art hindurchtreten können, und 2) spezifische Porine, die spezifische Bindungsstellen für bestimmte Substanzen aufweisen.

Verschiedene Materialien (Lösungen, Spritzen, Nadeln usw.) werden zwar durch Hitzesterilisation von pathogenen Mikroben befreit, behalten jedoch den Rest der Zellwand von gramnegativen Bakterien, die durch Abtöten erzeugt werden. Wenn diese Zellwandabfälle in den Wirtskörper eingebracht werden, können sie Krankheitssymptome hervorrufen. Dieser gebrochene Zellwandtrümmer, der Krankheitssymptome hervorrufen kann, wird als Pyrogen bezeichnet.

B. basierend auf säurefester Färbung:

Basierend auf den Unterschieden in der Zusammensetzung der Zellwand unterscheidet eine andere spezielle Färbetechnik, die als "saures schnelles Färben" bezeichnet wird, Bakterien in zwei Gruppen wie folgt:

(1) säurefeste Bakterien:

Ein Bakterium, das äußerst schwierig zu färben ist, aber sobald es angefärbt ist, ist es ebenso schwierig, den Farbstoff aus seinen Zellen zu entfernen, selbst wenn der Säure-Alkohol stark als Entfärbungsmittel verwendet wird, ist es ein säurefestes Bakterium (säureliebend Bakterien).

Beispiele: Mycobacterium spp. [M. Tuberkulose (TB-Bakterien), M. Leprae (Lepra-Bakterien), M. Smegmatis (natürliche Bakterien von Smegma), M. Marinum (TB-Bakterien von Meeresfischen)]. Sie besitzen eine dicke wachsartige Zellwand aus Lipidmaterialien.

(2) nicht säurefeste Bakterien:

Ein Bakterium, das leicht angefärbt werden kann und auch leicht von Säure-Alkohol als Entfärbungsmittel entfärbt werden kann, ist ein nicht säurefestes Bakterium (nicht säureliebende Bakterie). Beispiele: Alle anderen Bakterien außer Mycobacterium spp. In diesen Bakterien ist die Zellwand nicht dick wachsartig.

Die Differenzierung von Bakterien in säurefeste und nicht säurefeste Gruppen liefert den wichtigsten Hinweis für die Identifizierung von Mycobacterium spp.

Wanddefiziente Varianten:

Einige Bakterien existieren natürlicherweise ohne Zellwand. Mycoplasma, das kleinste Bakterium, hat keine Zellwand. Es wird vor osmotischer Lyse durch die Anwesenheit von Sterolen in der Zellmembran und durch die Annahme einer parasitären Existenz in einer osmotisch günstigen Umgebung eukaryotischer Wirte geschützt.

Ebenso fehlt einigen Meeresbakterien die Zellwand, in der die osmotische Lyse durch die hohe Salzkonzentration des Meerwassers verhindert wird. Die meisten grampositiven Bakterien verlieren ihre Zellwand (Peptidoglycan) in Gegenwart von Lysozym.

Ihre Zellen überleben jedoch, wenn sie in einer isotonischen Umgebung wie eitergefüllten Wunden vorhanden sind. Diese wandlosen Bakterien, die nur aus Protoplasma bestehen und von Zellmembran eingeschlossen sind, werden als Protoplasten oder L-Formen bezeichnet (L für Lister Institute in London).

Nach der Entfernung von Lysozym können sie das Wachstum wieder aufnehmen, indem sie ihre Zellwand synthetisieren. Wenn der Protoplasten Zellwandstücke zurückhält, so dass die Zelle eine Amöbenform annimmt und an der Stelle, an der keine Zellwand vorhanden ist, hervorsteht, spricht man von 'Sphäroplast'.

Spheroplast wird auch gebildet, wenn Peptidoglycan der gramnegativen Zellwand durch Behandlung mit Lysozym entfernt wird. Hier ist das Protoplasma von zwei Schichten eingeschlossen, der Zellmembran und der LPS-Schicht.

Funktionen der Zellwand:

(a) Schutzform Lyse:

Es schützt die Bakterienzellen vor osmotischer Lyse, da sich die meisten von ihnen in hypotonischen Umgebungen befinden. Das ist weil; Die Konzentration der gelösten gelösten Stoffe in den Bakterienzellen ist erheblich höher als in der Umgebung. Dadurch entsteht in den Zellen ein erheblicher Turgor-Druck, der mit dem Druck in einem Autoreifen vergleichbar sein kann. Die Zellwand hilft diesem Druck zu widerstehen.

(b) Form und Steifheit:

Es verleiht den Bakterienzellen Form und Steifheit.

9. Periplasmatischer Raum:

Es ist der dünne Raum zwischen der Zellwand und der Zellmembran (Abbildungen 2.10 und 2.11). Es ist mit Plasma gefüllt, das Periplasma genannt wird. Das Periplasma enthält mehrere Proteine, von denen drei wichtig sind.

Sie sind 1) hydrolytische Enzyme, die beim anfänglichen Abbau von Nahrungsmittelmolekülen von Bakterien helfen, 2) Bindungsproteine, die mit dem Transport von Substraten beginnen, und 3) Chemorezeptoren, die an der Chemotaxis-Reaktion von Bakterien beteiligt sind. Chemotaxis bedeutet Bewegung auf eine Chemikalie hin oder von ihr weg.

10. Zellmembran:

Es ist eine dünne Membran unter der Zellwand, die das Protoplasma vollständig umschließt. Sie wird auch als "Zytoplasmamembran" oder "Plasmamembran" bezeichnet. Es ist eine in ein Protein eingebettete Phospholipid-Doppelschicht (Abbildung 2.11).

Zwei Arten von Proteinen sind in die Doppelschicht eingebettet. Eine Art von Proteinen wird hartnäckig in der Doppelschicht gehalten und als "Integralproteine" bezeichnet. Die anderen Proteinarten sind lose auf der Oberfläche der Doppelschicht verankert und werden als "periphere Proteine" bezeichnet.

Die Komponenten der Membran sind nicht statisch; Sie sind vielmehr dynamisch und befinden sich immer in Bewegung wie eine „Flüssigkeit“. Die Proteine ​​verleihen der Membran ein 'Mosaik'-Aussehen.

Deswegen; Die Einheitsmembran wird normalerweise durch ein "Fluid-Mosaik-Modell" ausgedrückt. Die Phospholipid-Doppelschicht besteht aus zwei gegenüberliegenden, einander gegenüberliegenden Schichten, die jeweils aus einer Schicht Phospholipidmoleküle bestehen. Jedes Phospholipidmolekül hat einen Kopf und ein Paar Schwänze, die daraus austreten.

Der Kopf ist geladen und hydrophil (wasserliebend), wofür er in Richtung der wässrigen Umgebung bleibt. Die Schwänze sind ungeladen und hydrophob (wassergeschützt), weshalb sie in der Membran außerhalb der wässrigen Umgebung verborgen bleiben. Eine solche Membran wird als "Einheitsmembran" bezeichnet.

Sterine, die in der Einheitsmembran aller Eukaryonten als Verstärkungsmittel vorhanden sind, fehlen in den Einheitsmembranen praktisch aller Bakterien. Sterine ähnliche Moleküle, sogenannte Humanoide, sind jedoch in mehreren Bakterien vorhanden, die eine ähnliche Rolle spielen wie Sterole in Eukaryoten. Eines der wichtigsten Humanoide ist "Diplopten" mit 30 Kohlenstoffatomen.

Funktionen der Zellmembran:

(a) Permeabilitätsbarriere:

Das Innere der Zelle (das Zytoplasma) besteht aus einer wässrigen Lösung von Salzen, Zuckern, Aminosäuren, Vitaminen, Coenzymen und einer Vielzahl anderer löslicher Materialien. Die hydrophobe Natur der Zellmembran macht sie zu einer engen Barriere.

Obwohl einige kleine hydrophobe Moleküle durch Diffusion die Membran passieren können, passieren hydrophile und geladene Moleküle (die meisten wasserlöslichen Moleküle) nicht leicht. Diese Moleküle werden von spezifischen Transportsystemen über ihn transportiert.

Selbst eine so kleine Substanz wie ein Wasserstoffion (H ⁺ ) diffundiert nicht durch die Zellmembran. Das einzige Molekül, das die Membran durchdringt, ist Wasser, das ausreichend klein und ungeladen ist, um zwischen Phospholipidmolekülen zu gelangen.

Somit ist die Zellmembran eine kritische Barriere, die das Innere der Zelle von ihrer Umgebung trennt und den passiven Austritt von Zytoplasmabestandteilen in die Zelle oder aus der Zelle verhindert. Wenn die Membran zerbrochen ist, wird die Integrität der Zelle zerstört, der innere Inhalt gelangt in die Umgebung und die Zelle stirbt ab.

(b) selektive Barriere:

Die Zellmembran ist auch eine hochselektive Barriere. Spezifische Proteine, sogenannte Membrantransportsysteme, die auf und in der Zellmembran vorhanden sind, ermöglichen und erleichtern den Transport spezifischer Substanzen durch aktiven und passiven Transport.

Strukturell handelt es sich bei den Membrantransportsystemen um Proteine, die aus 12 Alpha-Helices bestehen, die sich durch die Membran hin und her bewegen, um einen Kanal zu bilden, durch den die zu transportierende Substanz in die Zelle hinein oder aus dieser heraus transportiert wird.

Diese Proteine ​​können sich an spezifische Substanzen binden, die transportiert werden sollen, und diese nach Bedarf durch die Membran in die Zelle oder aus der Zelle befördern. Dies ermöglicht einer Bakterienzelle, bestimmte Substanzen innerhalb der Zelle zu konzentrieren und bestimmte Substanzen aus der Zelle nach außen zu entfernen.

Es gibt drei Arten von Membrantransportproteinen, z. B. 1) Uniporter, die einen Molekültyp nur in eine Richtung durch die Membran transportieren, 2) Symporter, die einen Molekültyp transportieren und immer einen anderen Molekültyp mit sich bringen die gleiche Richtung und 3) Antiporter, die eine Art von Molekül und immer eine andere Art von Molekül in die entgegengesetzte Richtung transportieren.

Der Transport von Substanzen kann auf drei Arten erfolgen, z. B. 1) Einfacher Transport, bei dem der Transport durch die Energie der Protonenantriebskraft über die Membran erfolgt, 2) Gruppentranslokation, bei der die transportierte Substanz während des Transports chemisch verändert wird über die Membran und 3) ABC-Transport (ATP-Bindungskassette), bei dem ein periplasmatisch bindendes Protein im Periplasma spezifisch an die Substanz bindet, ein Membran überspannendes Protein, das sich über die Membran erstreckt, transportiert es über die Membran und ein Zytoplasma Das im Zytoplasma vorhandene ATP-hydrolysierende Protein liefert die Energie für das Transportereignis.

(c) Extrazelluläre Hydrolyse

Die Zellmembran verbirgt viele Enzyme nach außen, um große Nahrungspartikel extrazellulär in Moleküle zu zerlegen, die durch die Membran in die Zelle gelangen können.

(d) Atmung:

Bakterien haben keine Mitochondrien. Daher erfolgt die Zellatmung, um Energie aus Nahrungsmitteln zu gewinnen, in der Zellmembran, die die Enzyme der Atmungskette enthält. Es ist ein Gerät zur Energieeinsparung in der Zelle.

Die Membran kann in einer energetisch "geladenen" Form vorliegen, in der eine Trennung von Protonen (H ⁺ ) von Hydroxylionen (OH-) über ihre Oberfläche erfolgt. Diese Ladungstrennung ist eine Form von metabolischer Energie, analog zu der potentiellen Energie, die in einer geladenen Batterie vorhanden ist.

Der energetisierte Zustand der Membran, der als "Proton Motive Force" (PMF) bezeichnet wird, ist für die Steuerung vieler energieaufwendiger Funktionen in der Zelle verantwortlich, einschließlich einiger Formen des Transports, der Motilität und der Biosynthese der Energiewährung der Zelle (ATP) .

(e) Photosynthese:

Phototrophe Bakterien führen die Photosynthese durch spezielle Organellen durch, die als "Chromatophoren" bezeichnet werden und durch die Phantasie der Zellmembran gebildet werden. Diese Organellen enthalten Enzyme und Pigmente für die Photosynthese.

(f) Absorption von Nährstoffen:

Nährstoffe in der Umgebung werden direkt durch die Zellmembran in die Bakterienzellen aufgenommen. "Mesosomen" sind membranartige Invaginationen der Zellmembran in das Zytoplasma, die die Oberfläche für eine effiziente Absorption vergrößern.

(g) Wiedergabe:

Bakterien reproduzieren durch binäre Spaltung. Jede Zelle teilt sich in zwei Tochterzellen. Dabei bildet die Zellmembran die neue Zellwand zwischen sich teilenden Tochterzellen.

11. Zytoplasma:

Die viskose flüssigkeitsähnliche Substanz, die das Kompartiment in der Zellmembran ausfüllt, wird als Zytoplasma bezeichnet (Abbildungen 2.10 und 2.11). Es ist eine Flüssigkeit aus Wasser, Enzymen und kleinen Molekülen. In der Flüssigkeit befindet sich eine relativ transparente Region aus chromosomalem Material, die als "Nukleoid" bezeichnet wird, Ribosomengranula und zytoplasmatische Einschlüsse, die Energie speichern.

12. Nukleoid:

Es ist die aggregierte Masse von DNA, die das Chromosom von Bakterien ausmacht (Abbildung 2.12). Da Bakterien Prokaryoten sind, ist ihre DNA nicht wie in Eukaryoten in einem membrangebundenen Kern eingeschlossen.

Es ist jedoch nicht überall in der Zelle verstreut, sondern neigt dazu, sich innerhalb der Bakterienzelle als bestimmte Struktur zu aggregieren und wird als "Nukleoid" bezeichnet (Abbildung 2.12). Ribosomen sind im Bereich des Nukleoids nicht vorhanden, da die Nukleoid-DNA in einer gelartigen Form vorliegt, die Feststoffe ausschließt.

Die meisten Bakterien enthalten nur ein einziges Chromosom, das aus einer einzigen zirkularen doppelsträngigen DNA besteht, obwohl einige Bakterien eine lineare chromosomale DNA aufweisen. Normalerweise wird die chromosomale DNA stark verdreht und zu "superspirierter DNA" gefaltet, um sie in dem kleinen Raum des Nukleoids unterzubringen.

Super-Coiled-DNA ist kompakter als die freie zirkularisierte DNA. Bakterien enthalten nur eine einzige Kopie jedes Gens auf ihrem Chromosom und sind daher genetisch "haploid". Im Gegensatz dazu enthalten Eukaryoten zwei Kopien jedes Gens in ihren Chromosomen und sind somit genetisch diploid.

Gen kann als ein beliebiges Segment einer DNA definiert werden, das für einen bestimmten Charakter des Wirtsorganismus verantwortlich ist. Jeder Charakter eines Organismus wird durch ein bestimmtes Gen bestimmt, das aus einem bestimmten DNA-Segment besteht.

Die chromosomale DNA von Bakterien enthält die essentiellen "Housekeeping-Gene", die für das grundlegende Überleben von Bakterien benötigt werden. Diese DNA wird während der Zellteilung zwischen den beiden Tochterzellen verteilt.

Außer den chromosomalen Genen gibt es auch nicht-chromosomale Gene außerhalb des Chromosoms. Zum Beispiel enthalten die Plasmide spezifische Gene, die Bakterien besondere Eigenschaften verleihen. Die Summe aller in einer Zelle vorhandenen Gene wird als "Genom" bezeichnet.

13. Plasmide:

Dies sind nur wenige nicht-chromosomale DNAs, die im Zytoplasma einiger Bakterien gefunden wurden (Abbildung 2.12). Jedes Plasmid besteht aus einem kleinen kreisförmigen Stück doppelsträngiger DNA, das sich unabhängig vom Chromosom replizieren kann. Viele Plasmide sind ziemlich klein, aber manche sind ziemlich groß.

Kein Plasmid ist jedoch so groß wie das Chromosom. Plasmide haben keine Gene, die für das Wachstum oder das Überleben von Bakterien wesentlich sind. Sie können Gene haben, die für die Resistenz gegen Antibiotika, für die Produktion von Toxinen oder für die Produktion von Oberflächenanhängungen verantwortlich sind, die für die Anhaftung und Etablierung einer Infektion wesentlich sind.

Daher enthalten die Plasmide Gene, die Bakterien besondere Eigenschaften verleihen, im Gegensatz zu chromosomaler DNA, die die für das grundlegende Überleben der Bakterien erforderlichen Gene enthält.

Einige Plasmide, die sich in die chromosomale DNA des Wirts integrieren können, werden als "Episomen" bezeichnet. Plasmide können auch durch den als "Heilung" bezeichneten Prozess aus der Wirtsbakterienzelle eliminiert werden. Einige Plasmide werden häufig in der Genmanipulation und Gentechnik eingesetzt.

14. Ribosomen:

Hierbei handelt es sich um im Zytoplasma vorhandene Körnchen, in denen die Proteinsynthese stattfindet (Abbildung 2.3). Sie sind so zahlreich, dass ihre Präsenz das Zytoplasma dunkel erscheinen lässt. Die Größe jedes bakteriellen Ribosoms beträgt 70 S (70 Svedberg) und besteht aus zwei Untereinheiten der Größe 50S und 30S. Im Gegensatz dazu beträgt die Größe jedes eukaryontischen Ribosoms 80 S, bestehend aus zwei Untereinheiten der Größe 60S und 40S.

15. Gasvakuolen:

Gasvakuolen sind spindelförmige, gasgefüllte Strukturen im Zytoplasma (Abb. 2.3 und 2.13). Es sind hohle zylindrische Rohre, die an jedem Ende durch eine hohle konische Kappe verschlossen sind. Ihre Anzahl in einer Zelle kann von wenigen bis zu Hunderten variieren.

Ihre Länge und Breite variieren bei verschiedenen Bakterien, aber die Vakuolen der jeweiligen Bakterien sind mehr oder weniger konstant. Sie sind hohl, aber starr. Sie sind undurchlässig für Wasser und gelöste Stoffe, aber für die meisten Gase durchlässig. Daher ist die Zusammensetzung des Gases in ihnen dieselbe wie die des Gases, in dem der Organismus suspendiert ist.

Gas liegt in den Vakuolen bei etwa 1 atm vor. Druck. Daher ist die Steifigkeit der Gasvakuolenmembran für die Vakuole wesentlich, um dem von außen auf sie ausgeübten Druck standzuhalten. Aus diesem Grund besteht es aus Proteinen, die in der Lage sind, eine starre Membran zu bilden, und nicht aus Lipiden, die eine flüssige, hochbewegliche Membran bilden würden.

Es gibt zwei Arten von Proteinen, aus denen die Membran besteht. Sie sind 1) GvpA und 2) GvpC (Gasvakuolenprotein A und C). GvpA ist das Hauptgasvakuolenprotein, das klein und stark hydrophob ist (Abbildung 2.13). Es ist das Schalenprotein und macht 97% des Gesamtproteins der Gasvakuolen aus.

Gasvakuolen bestehen aus mehreren GvpA-Proteinmolekülen, die als parallele "Rippen" angeordnet sind und eine wasserdichte Oberfläche bilden. GvpA-Proteine ​​falten sich als (3-Faltblatt) und verleihen der gesamten Vakuolenstruktur eine beträchtliche Steifigkeit. GvpC ist ein größeres Protein, liegt jedoch in viel geringerer Menge vor.

Es verstärkt die Hülle der Gasvakuolen, indem es als Vernetzer wirkt und mehrere GvpA-Rippen wie eine Klammer miteinander verbindet. Die endgültige Form der Gasvakuolen, die in verschiedenen Organismen von lang nach dünn und kurz und fett variieren kann, hängt davon ab, wie die GvpA- und GvpC-Proteine ​​angeordnet sind, um die intakten Vakuolen zu bilden.

Da die Gasvakuolen mit Gasen gefüllt sind, beträgt ihre Dichte etwa 5 bis 20% derjenigen der eigentlichen Zelle. Somit verringern die intakten Gasvakuolen die Dichte der Bakterienzellen und verleihen ihnen dadurch Auftrieb.

Die meisten der schwimmenden aquatischen Bakterien haben Gasvakuolen, die Auftrieb verleihen und ihnen helfen, auf der Wasseroberfläche oder irgendwo in der Wassersäule zu schwimmen. Gasvakuolen wirken auch als Bewegungsmittel, sodass Zellen in Reaktion auf Umweltfaktoren in der Wassersäule auf und ab schwimmen können.

Zum Beispiel profitieren aquatische phototrophe Organismen von Gasvakuolen, die ihnen helfen, ihre Position in der Wassersäule schnell an Bereiche anzupassen, in denen die Lichtintensität für die Photosynthese optimal ist. Die Gasvakuolenmembran kann einem hohen hydrostatischen Druck nicht standhalten und kollabieren, was zum Verlust des Auftriebs führt. Nach dem Zusammenbruch können Gasvakuolen nicht erneut aufgeblasen werden.

16. Einschlüsse:

Die im Zytoplasma suspendierten nichtlebenden Reservematerialien werden als "Einschlüsse" bezeichnet (Abbildung 2.3). Die meisten Einschlüsse sind durch eine dünne, nicht-einheitliche Membran begrenzt, die aus Lipiden besteht, die sie vom umgebenden Zytoplasma trennen.

Ihre Funktion ist die Speicherung von Energie- oder Strukturbausteinen. Verschiedene Bakterien enthalten unterschiedliche Einschlüsse.

Einige der häufigsten Einschlüsse in Bakterienzellen werden im Folgenden beschrieben:

(a) Poly-β-hydroxybuttersäure (PHB) -Körnchen:

Dies sind Granulate, bestehend aus β-Hydroxybuttersäure (PHB), eine lipidähnliche Substanz. Monomere der β-Hydroxybuttersäure sind durch Esterbindungen in einer Kette aneinander gebunden, um das Polymer aus β-Hydroxybuttersäure. Die Polymere aggregieren zu Granulat.

(b) Poly-β-hydroxyalkanoat (PHA) -Körnchen:

Es ist ein Sammelbegriff, der alle Klassen von Kohlenstoff- / Energiespeicherpolymeren beschreibt, die im bakteriellen Zytoplasma vorkommen. Die häufigsten PHA-Granulate sind die PHB-Granulate. Die Länge der Monomere in einem Polymer kann in vielen Bakterien von C ₄ (in PHB-Granulaten) bis zu C ₁₈ (in anderen Granulaten) variieren.

(c) Volutinkörnchen:

Dies sind Granulate aus Polyphosphaten. Der basische Farbstoff Toluidinblau wird rotviolett, wenn er sich mit dem Polyphosphat-Granulat verbindet. Dieses Phänomen der Farbveränderung wird als "Metachromasie" bezeichnet. Daher werden Volutin-Granulate auch als "metachromatische Granulate" bezeichnet.

(d) Glykogenkörnchen:

Hierbei handelt es sich um stärkehaltige Polymere aus Glukose-Untereinheiten. Glykogenkörnchen sind normalerweise kleiner als PHB-Körnchen. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.

(e) Sulphur Granules:

These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.

(f) Magnetosomes:

Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe ₃ O ₄ . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.

The membrane proteins play a role in precipitating Fe ³⁺ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe ₃ 0 ₄ in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.

Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.

There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.

17. Endospore:

It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.

Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:

I. Aerobic rod-shaped bacteria

1. Bacillus spp.

II. Anaerobic rod-shaped bacteria

2. Clostridium spp.

3. Desulfotomaculum spp.

Structure of Endospore:

The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).

(ein) Exosporium:

It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.

(b) Spore coat:

It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.

(c) Kortex:

It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.

(d) Core:

It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.

Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.

Eigenschaften des Endosporenkerns:

Der Kern eines ausgereiften Endosporens unterscheidet sich stark von der vegetativen Zelle, aus der es gebildet wird.

Die Eigenschaften des Endosporenkerns lauten wie folgt:

(a) Eine chemische Substanz, die für Endosporen charakteristisch ist, aber in vegetativen Zellen nicht vorhanden ist, ist Dipicolinsäure (DPA). Es befindet sich im Kern.

(b) Sporen sind auch reich an Calciumionen, von denen die meisten mit Dipicolinsäure kombiniert werden. Der Calcium-Dipicolinsäure-Komplex des Kerns macht etwa 10% des Trockengewichts des Endosporens aus.

(c) Abgesehen davon, dass der Gehalt an Calciumdipicolinsäure (Ca-DPA) reichlich ist, befindet sich der Kern in einem teilweise dehydratisierten Zustand. Der Kern eines ausgereiften Endosporens enthält nur 10 bis 30% des Wassergehalts der vegetativen Zelle, und daher ist die Konsistenz des Kerncytoplasmas die eines Gels.

Die Dehydratisierung des Kerns erhöht die Wärmebeständigkeit des Endosporens erheblich und verleiht Chemikalien wie Wasserstoffperoxid (H ₂ O ₂ ) eine Widerstandsfähigkeit und bewirkt, dass die im Kern vorhandenen Enzyme inaktiv bleiben.

(d) Neben dem niedrigen Wassergehalt der Spore liegt der pH-Wert des Kerncytoplasmas um etwa eine Einheit niedriger als der der vegetativen Zelle.

(e) Der Kern enthält große Mengen an kernspezifischen Proteinen, die als "Small Acid Solly Spore Proteins" (SASPs) bezeichnet werden. Diese werden während des Spekulationsprozesses synthetisiert und haben zwei Funktionen. Zum einen binden sie sich fest an die DNA im Kern und schützen sie vor möglichen Schäden durch UV-Strahlung, Austrocknung und trockener Hitze. Zweitens fungieren sie als Quelle von Kohlenstoff und Energie für das Auswachsen einer neuen vegetativen Zelle durch den Keimungsprozess.

Sporenzyklus:

Unter widrigen Bedingungen wird eine Spore in einer vegetativen Zelle durch Dehydratisierung und Kontraktion des Zellinhalts erzeugt (Abbildung 2.14). Diese in der Bakterienzelle gebildete Spore wird Endospore genannt. Wenn sich ungünstige Bedingungen verschlechtern, reißt die Zelle, wodurch der Endospor freigesetzt wird, der nun zu einer unabhängigen, ruhenden Zelle namens "Spore" wird.

Der Vorgang, durch den eine vegetative Zelle eine Spore produziert, wird "Sporogenese" oder "Sporulation" genannt. Die Spore bleibt in der inaktiven ruhenden Form, bis die widrigen Bedingungen anhalten. Bei günstigen Bedingungen kehrt die Spore in die vegetative Form zurück und wird wieder aktiv.

Die den Sporenbruch bedeckenden Schichten und die Spore erzeugen eine metabolisch aktive vegetative Zelle. Der Prozess, durch den sich eine Spore in eine vegetative Zelle verwandelt, wird als Keimung bezeichnet.

Der zyklische Prozess des Übergangs von der vegetativen Form zur Spore unter ungünstigen Bedingungen und zurück zur vegetativen Form unter günstigen Bedingungen wird als "Sporenzyklus" bezeichnet.

Die zwei Hälften des Sporenzyklus sind unten angegeben:

A. Sporulation:

Die Sporulation beinhaltet eine sehr komplexe Reihe von Ereignissen bei der Zelldifferenzierung (Abbildung 2.14). Viele genetisch gerichtete Veränderungen in der Zelle beruhen auf der Umwandlung von einer feuchten, metabolisch aktiven Zelle in eine trockene, metabolisch inaktive, aber extrem resistente Spore.

Die strukturellen Veränderungen, die in sporulierenden Zellen auftreten, können in mehrere Stufen unterteilt werden. Der gesamte Sporulationsprozess dauert einige Stunden. Genetische Untersuchungen haben gezeigt, dass bis zu 200 Gene an einem typischen Sporulationsprozess beteiligt sind.

Während der Sporulation hört die Synthese einiger Proteine ​​auf, die an der Funktion vegetativer Zellen beteiligt sind, und die Synthese spezifischer Sporenproteine ​​beginnt. Diese Proteine ​​werden als "kleine säurelösliche Sporenproteine" (SASPs) bezeichnet.

Dies wird durch die Aktivierung einer Vielzahl von sporenspezifischen Genen erreicht, einschließlich spo, ssp (die SASPs kodieren) und vielen anderen Genen als Reaktion auf die nachteiligen Umweltbedingungen. Die von diesen Genen kodierten Proteine ​​katalysieren die Reihe von Ereignissen, die eine vegetative Zelle zu einer Spore machen.

Die Spore gewinnt ihre Hitzebeständigkeit durch mehrere Mechanismen, die noch nicht klar erklärt wurden. Es ist jedoch klar, dass die undurchlässigen Schichten wie Sporenrinde und Sporenmantel die Spore vor jeglicher physischer Beschädigung schützen.

Ein wesentlicher Einflussfaktor für die Wärmebeständigkeit einer Spore ist die Menge und der Zustand des Wassers darin. Während der Sporulation wird das Protoplasma auf ein minimales Volumen reduziert, als Folge der Anhäufung von Ca ²⁺, kleinen säurelöslichen Sporenproteinen (SASPs) und der Synthese von Dipicolinsäure, die zur Bildung einer gelartigen Struktur führt.

In diesem Stadium bildet sich um den Protoplastenkern eine dicke Kortikalis. Die Kontraktion der Kortikalis führt zu einem geschrumpften, dehydratisierten Protoplasten mit einem Wassergehalt von nur 10 bis 30% desjenigen einer vegetativen Zelle. Der Wassergehalt des Protoplasten und die Konzentration der SASPs bestimmen die Hitzebeständigkeit der Spore.

Wenn die Spore eine geringe Konzentration an SASPs und einen hohen Wassergehalt aufweist, zeigt sie eine geringe Wärmebeständigkeit. Wenn es eine hohe Konzentration an SASPs und einen geringen Wassergehalt aufweist, zeigt es eine hohe Wärmebeständigkeit. Wasser bewegt sich frei in und aus der Spore. Daher ist es nicht die Undurchlässigkeit der Sporenschicht, sondern das gelartige Material im Sporenprotoplasten, das Wasser ausschließt.

B. Keimung:

Ein Endospore bleibt viele Jahre lang inaktiv, kann sich aber relativ schnell in eine vegetative Zelle zurückverwandeln. Dieser Prozess umfasst drei Schritte. Aktivierung, Keimung und Auswuchs. Bei der Aktivierung wird die Spore aktiviert und für die Keimung vorbereitet.

Die "Keimung" beinhaltet den Verlust der mikroskopischen Brechkraft der Spore und den Verlust der Beständigkeit gegen Hitze und Chemikalien. Die Spore verliert Kalziumdipicolinsäure und Cortexkomponenten. Darüber hinaus werden die SASPs abgebaut.

"Auswachsen" beinhaltet sichtbare Schwellungen aufgrund der Wasseraufnahme sowie die Synthese neuer DNA, RNA und Proteine. Die Zelle tritt aus dem gebrochenen Sporenmantel hervor und beginnt sich schließlich zu teilen. Die Zelle bleibt dann im vegetativen Wachstum, bis die Umweltbedingungen günstig sind.

Beim Sterilisieren eines Materials, um es bakterienfrei zu machen, werden die darin enthaltenen Bakterien durch eine Methode abgetötet. Wenn das Material jedoch Sporenbildner enthält, wird es schwierig, es zu sterilisieren. Je größer die Anzahl der Sporen im Material ist, desto höher ist die zum Sterilisieren erforderliche Belastung.

Für Kolonien sporebildender Bakterien, die auf Agarplatten oder Schrägflächen gezüchtet werden, bilden sie mit zunehmendem Alter der Bakterien Sporen aufgrund von Alterung, Nährstoffmangel und Ansammlung von Metaboliten.