infolinia 606 248 842 Kontakt

Dorimed Centrum Profilaktyki Zdrowia

Bakterie

Bakterie (łac. Bacteria, od gr. bakterion – "pałeczka") – grupa mikroorganizmów, stanowiących osobne królestwo. Są to jednokomórkowce lub zespoły komórek o budowie prokariotycznej. Badaniem bakterii zajmuje się bakteriologia, gałąź mikrobiologii.

Cechą charakterystyczną budowy komórek bakteryjnych jest brak otoczonych błoną organelli, takich jak jądro komórkowe czy mitochondrium, które występują u wszystkich innych organizmów żywych – grzybów, roślin, protistów i zwierząt. Wielkość bakterii wynosi od 0,2 do kilkudziesięciu mikrometrów (μm). Mogą mieć różne kształty, np. kulisty, pałeczkowaty lub spiralny. Niektóre bakterie potrafią łączyć się ze sobą, tworząc luźne, charakterystyczne układy przestrzenne (np. pakietowce, paciorkowce, trychomy).

Bakterie występują we wszystkich biotopach. Można je spotkać w glebie, w innych organizmach i w wodzie, na lodowcach Antarktydy i wokół oceanicznych kominów hydrotermalnych. Występują także na terenach radioaktywnych, co udowodnił eksperyment, w czasie którego bakterie poddawano działaniu promieniowania jonizującego[1]. W jednym gramie gleby można znaleźć nawet 40 milionów komórek tych organizmów, a około milion w mililitrze wody słodkiej. Na Ziemi jest w przybliżeniu pięć kwintylionów (5x1030) bakterii, które stanowią znaczną część biomasy planety[2].

Dotąd nie udało się opisać wszystkich bakterii. Przyczyną jest ogromna różnorodność tej grupy organizmów, ich małe rozmiary oraz problem z przetrzymywaniem w laboratoriachgatunki z około połowy gromad nie mogą być hodowane[3].

Pod względem sposobu odżywiania się, można je podzielić na heterotrofy i autotrofy, a także symbionty, komensale i pasożyty. Niejednokrotnie stawały się endosymbiontami.

Bakterie odgrywają ważną rolę w obiegu biogennych pierwiastków (są destruentami). Biorą udział w podtrzymywaniu wszystkich cykli biogeochemicznych (np. obiegu azotu) oraz w procesach fermentacji i gnicia. Jako symbionty żyjące w organizmach zwierząt, w tym ludzi, odpowiadają m.in. za trawienie pokarmów, umożliwiając lub przynajmniej ułatwiając w ten sposób ich odżywianie. Są producentami różnych ważnych dla funkcjonowania ekosystemu substancji, np. niektórych witamin dla konsumentów. Niektóre bakterie mogą zakłócać funkcjonowanie organizmów, powodując u nich choroby. W przemyśle i biotechnologii bakterie są niezwykle cenione, w tym przy biologicznym oczyszczaniu ścieków (jako główny element osadu czynnego) oraz przy wytwarzaniu produktów spożywczych, np. jogurtu i sera. Stosunkowo łatwo poddają się manipulacjom genetycznym, dzięki czemu mogą być wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym do produkcji peptydów i białek, które trudno uzyskać z innych źródeł. Modyfikowane genetycznie bakterie są producentami np. insuliny stosowanej jako lek w terapii cukrzycy.

Salmonella typhimurium – preparat mikroskopowy barwiony metodą Grama Wyhodowane z próbek wody mikroorganizmy na pożywce agarowej
Schemat przedstawia porównanie wielkości bakterii na tle innych organizmów a także cząsteczek oraz atomów

Morfologia

Bakterie charakteryzuje duża różnorodność kształtów i wielkości. Komórki bakteryjne są średnio ok. 10 razy mniejsze od komórek organizmów eukariotycznych. Osiągają od 0,5 do 5 mikrometrów wielkości. Kilka gatunków, na przykład Thiomargarita namibiensis i Epulopiscium fishelsoni, może dorastać nawet do połowy milimetra i są widoczne gołym okiem[16]. Do najmniejszych bakterii należą wszystkie z rodzaju Mycoplasma. Mają wielkość taką jak największe wirusy, osiągają maksymalnie 0,3 mikrometra[17]. Niektóre bakterie mogą być jeszcze mniejsze, ale ultramikrobakterie nie zostały na razie dokładnie zbadane[18].

Bakterie o kształcie kulistym – ziarenkowce (łac. coccus, z gr. kókkos – ziarno, nasiono) stanowią większość. Częsty jest też kształt pałeczki (łac. baculus – drążek). Niektóre bakterie o podłużnym kształcie są lekko wygięte w kształcie przecinka, dlatego nazywane są przecinkowcami (łac. vibrio). Inne mogą być w kształcie spirali – śrubowce (łac. spirilla), lub ściśle zwiniętych sprężynek – krętki (łac. spirochetae). Niewiele gatunków ma inne, specyficzne kształty[19]. Różnorodność kształtów zależna jest od występowania i rodzaju ściany komórkowej bakterii oraz jej cytoszkieletu. Może ona wpłynąć na zdolność bakterii do zdobywania składników odżywczych, przemieszczania się w cieczach i ucieczki przed drapieżnikami oraz na możliwości czepne powierzchni komórki[20].

Wiele bakterii występuje jako pojedyncze komórki. Inne grupują się, tworząc bardziej skomplikowane formy. Bakterie z rodzaju Neisseria tworzą pary, Streptococcus przyjmują postać łańcuszków, a Staphylococcus grupuje się w formy przypominające kiście winogron. Niektóre komórki są znacznie wydłużone i tworzą włókna, na przykład Actinobacteria. Bakterie Nocardia tworzą specyficzne układy, podobne do strzępków grzybni[21]. Również sinice przyjmują różne typy kolonii nitkowatych lub groniastych.

Możliwości rozwoju i kształty, jakie przybierają bakterie, najlepiej da się zauważyć przy ich hodowli na pożywkach. Skupiska bakterii, będących potomstwem jednej komórki macierzystej, nazywane są koloniami bakteryjnymi. Pojęcie to jednak nie jest tożsame z pojęciem kolonii używanym w innych dziedzinach biologii, gdzie zwykle oznacza ono skupisko osobników związanych ekologicznie i fizjologicznie, nierzadko o skomplikowanej strukturze powiązań i podziale funkcji. Kolonia bakteryjna jest po prostu wynikiem namnażania bakterii na dogodnym podłożu. Gdy mikroorganizmy trafią na odpowiednie warunki, mogą stworzyć kolonie o wielkości od kilku mikrometrów do pół metra wielkości. Duże kolonie składają się z różnorodnych grup bakterii, protistów i archeowców[21][22].Typ wzrostu na pożywkach stałych i płynnych, oraz wygląd i zapach kolonii, często jest charakterystyczny dla danego gatunku. Niejednokrotnie kolonie bakteryjne wiążą się z podłożem, tworząc warstwy o grubości od kilku mikrometrów do ponad pół metra. Są one zwane matami bakteryjnymi lub biofilmami. Biofilmy mają, między innymi, istotne znaczenie w medycynie. Pojawiają się bowiem często w trakcie przewlekłych infekcji bakteryjnych albo na wszczepianych implantach medycznych. Bakterie występujące w formie biofilmu są przez niego chronione i z tego powodu znacznie trudniej je zabić[23].

Możliwe jest również tworzenie przez bakterie bardziej złożonych form morfologicznych. Na przykład, Myxobacterie rozwijające się w środowisku ubogim w aminokwasy, zlokalizują w pobliżu inne komórki zbliżają się do nich, dzięki mechanizmowi quorum sensing.

Organizują się następnie w twór o długości 5000 mikrometrów (5 milimetrów), składający się w przybliżeniu z 100 tysięcy komórek bakteryjnych[24]. Poszczególne grupy komórek wykonują w nich różne złożone czynności. Na przykład około jednej dziesiątej komórek migruje w górę tej kolonii, gdzie przechodzą w stan hibernacji, przekształcając się w formy przetrwalnikowe, bardziej odporne na działanie środowiska[24].Organizacja ta przypomina normalny organizm wielokomórkowy.

Niektóre bakterie są w stanie wytwarzać endospory, nazywane czasami przetrwalnikami, które charakteryzują się znacznym stopniem odwodnienia zawartej w nich cytoplazmy, a także grubymi i wielowarstwowymi osłonami. Endospory umożliwiają bakteriom przetrwanie w niekorzystnych warunkach, a następnie powrót do normalnych funkcji życiowych, kiedy warunki zmienią się na sprzyjające. Bakterie wytwarzające przetrwalniki należą do rodzajów Bacillus i Clostridium.

 

Budowa komórki

Wszystkie bakterie mają stosunkowo prostą budowę komórkową. Nie mają jądra komórkowego, chloroplastów, mitochondriów, aparatu Golgiego[25], które są charakterystyczne dla komórek eukariotycznych. Zamiast jądra komórkowego mają jedną dużą, kolistą i nieupakowaną cząsteczkę DNA, czyli genofor, oraz niewielkie koliste cząsteczki DNA – plazmidy.

 

Budowa bakterii

1. Pile,
2. Plazmid,
3. Rybosomy,
4. Cytoplazma,
5. Błona zewnętrzna,
6. Ściana komórkowa,
7. Otoczka,
8. Nukleoid,
9. Wić

Głównymi składnikami komórek bakteryjnych są:

  • cytoplazma – substancja koloidalna, wypełniająca wnętrze komórki;
  • nukleoid – obszar cytoplazmy, w którym znajduje się nić DNA;
  • otoczka – ściana o funkcji szkieletowej, na niej są zawieszone rzęski;
  • ściana komórkowa, która pełni funkcję ochronną, w jej skład wchodzi mureina.
  • błona komórkowa – struktura oddzielająca wnętrze komórki od świata zewnętrznego;
  • rybosomy – organelle służące do produkcji białek;
  • rzęski i wici, które są wypustkami pełniącymi funkcję ruchową, nie we wszystkich typach bakterii są obecne;

 

Metabolizm

W przeciwieństwie do innych grup organizmów wśród bakterii można znaleźć przedstawicieli bardzo różnych strategii metabolicznych[60]. Różnice w sposobie uzyskiwania energii i różne substancje wykorzystywane w reakcjach katabolicznych i anabolicznych zostały uwzględnione przy ich podziale systematycznym. Jednak niejednokrotnie taka klasyfikacja nie oddaje filogenezy bakterii[61]. Bakteryjne strategie metaboliczne dzieli się ze względu na trzy kryteria: źródła energii, sposoby jej uzyskiwania i substraty reakcji chemicznych. Dodatkowym kryterium jest występowanie akceptorów elektronów pozwalających na beztlenowe oddychanie[62]. Stąd jednym z kryteriów podziału jest wykorzystywanie lub niewykorzystywanie tlenu, co daje podział na bakterie tlenowe (aerobowe) i beztlenowe (anaerobowe). Podział ten bywa użyteczny przy zwalczaniu bakterii, gdyż dla wielu chorobotwórczych bakterii beztlenowych tlen jest toksyczny (anaeorobowość obligatoryjna). Wśród bakterii zdarza się też anaerobowość fakultatywna, gdy tlen nie jest konieczny do oddychania, ale nie jest też zabójczy. Niektóre bakterie tworzą kolonie, w których jedne komórki żyją w warunkach tlenowych (fotosyntezują i oddychają tlenowo), a inne (tzw. heterocysty) są od tlenu izolowane i przeprowadzają reakcje, które obecność wolnego tlenu by zaburzała (np. wiązanie azotu atmosferycznego). Jest to zjawisko typowe dla niektórych sinic (np. trzęsidłowców).

Podział bakteryjnych metabolizmów
Grupa bakterii Źródło energii Składniki niezbędne do uzyskania energii Przykłady
Fotoautotrofy Światło słoneczne Związki organiczne lub wiązanie węgla sinice, zielone bakterie siarkowe, Chloroflexi i bakterie purpurowe
Litotrofy Związki nieorganiczne Związki organiczne lub wiązanie węgla Thermodesulfobacteria, Hydrogenophilaceae, i Nitrospirae
Organotrofy Związki organiczne Związki organiczne (chemoheterotrofy) lub wiązanie węgla (chemoautotrofy) Bacillus, Clostridium i Enterobacteriaceae

Metabolizm węgla jest u bakterii albo heterotroficzny, gdzie związki organiczne zostają wykorzystane do produkcji energii. Wiele bakterii heterotroficznych jest pasożytami innych organizmów. Znane są również bakterie autotroficzne, zdobywające węgiel z dwutlenku węgla. Do typowych bakterii samożywnych zalicza się cyjanobakterie (sinice), zielone bakterie siarkowe, niektóre bakterie purpurowe, ale też mnóstwo chemolitotrofów, takich jak bakterie nitryfikacyjne i bakterie siarkowe[63].
Innym kryterium podziału bakterii jest sposób produkcji użytecznej biologicznie energii – fotoautotrofy, używające światła do fotosyntezy oraz chemoautotrofy, które potrzebują substancji chemicznych do uzyskiwania energii w trakcie ich utleniania. Utleniaczem może być tlen, ale w warunkach beztlenowych także inne substancje.
Poza tym bakterie dzieli się na litotrofy, które używają związków mineralnych jako donorów elektronów oraz organotrofy, które jako donorów używają związków organicznych.

Organizmy chemotroficzne używają do wytwarzania energii, w procesach oddychania i innych reakcjach (np. biosyntezie), określonych substancji chemicznych. Fototrofy używają ich tylko do biosyntezy, natomiast energię czerpią ze światła. Organizmy oddychające, jako źródło energii wykorzystują związki chemiczne, pobierając elektrony od zredukowanego substratu i przenosząc je do akceptorów (reakcja redoks). Energia ta może zostać użyta do wytworzenia ATP i w postaci tego nośnika – do kolejnych reakcji metabolicznych. U organizmów tlenowych akceptorem elektronów (tj. utleniaczem) jest tlen. U bakterii beztlenowych są to inne substancje chemiczne, np. azotany, siarczany albo dwutlenek węgla. Reakcje te są podstawą wielu ważnych ekologicznie procesów, takich jak denitryfikacja, redukcja siarczanów i octanogeneza.

Innym sposobem życia chemotrofów, występującym w przypadku braku wyżej wymienionych akceptorów elektronów jest wykorzystywanie fermentacji, gdzie elektrony zredukowanego substratu są przenoszone do utlenionych nośników pośrednich, aby wytworzyć zredukowane produkty fermentacji (np. etanol). Fermentacja jest możliwa, ponieważ energia zawarta w substratach jest większa niż energia zawarta w produktach reakcji, dzięki czemu mogą one zsyntezować ATP i wykorzystać ten typ metabolizmu[64][65].

Ten proces ma także wielkie znaczenie w biologicznej reakcji na zanieczyszczenie. Bakterie siarkowe charakteryzuje produkcja niezwykle toksycznych substancji na bazie rtęci (metylortęci i dimetylortęci). Anaerobowe bakterie korzystają z fermentacji pozwalającej wytworzyć energię i siłę redukcyjną, przy czym dochodzi do ubocznego wytwarzania metabolitów (takich jak etanol, co ma znaczenie np. w piwowarstwie)[66]. Fakultatywne anaeroby mogą przechodzić między fermentacją a wykorzystywaniem innych różnorodnych akceptorów elektronów, w zależności od warunków środowiska.

Litotrofy mogą używać związków nieorganicznych jako źródła energii. Donorami elektronów w tym przypadku są substancje takie jak wodór, tlenek węgla, amoniak (proces nitryfikacji), monotlenek żelaza (tlenek żelaza(II)), zredukowane jony żelaza i kilka (również zredukowanych) związków siarki. Metan może także posłużyć bakteriom metanotroficznym do anabolizmu węgla i jako źródło elektronów[66]. Zarówno aerobowe fototrofy, jak i chemolitotrofy, używają tlenu jako ostatecznego akceptora elektronów, jednak w sytuacji niedoboru tlenu przechodzą one z powrotem na wykorzystywanie w tym celu związków nieorganicznych. Litotrofy w większości są samożywne, natomiast organotrofy – cudzożywne. Pewne bakterie potrafią wiązać azot atmosferyczny w procesie diazotrofii. Są to bakterie azotowe, czasem żyjące w symbiozie z roślinami jako bakterie brodawkowe. Ten szlak metaboliczny mający duże znaczenie dla środowiska (geochemiczny obieg azotu) można znaleźć u bakterii przyjmujących niemal wszystkie strategie metaboliczne, zatem niektóre bakterie potrafią wiązać zarówno atmosferyczny azot, jak i węgiel (w procesie fotosyntezy), nie jest jednak uniwersalny[67].

Współżycie z innymi organizmami

Bakterie niejednokrotnie żyją z innymi organizmami. Ich stosunkowo prosta budowa mimo wszystko pozwala im stworzyć bardziej skomplikowanej struktury, z innymi bakteriami (biofilm), lecz znacznie korzystniejsze jest jej utworzenie razem z innymi organizmami. Te różnorodne sposoby współżycia mogą być antagonistyczne i nieantagonistyczne. Wśród najczęściej występujących stosunków międzygatunkowych są symbioza (mutualizm), pasożytnictwo i komensalizm. Bakterie są bardzo małe, co pozwala im na występowanie w dużej ilości w biotopie. Dotyczy to zwłaszcza komensali, które żyją na wszystkich roślinach i zwierzętach, łącznie z ludźmi, u których powodują rozkład niektórych składników potu, przez co ma on charakterystyczny zapach, podobnie jak reszta ciała ludzkiego.

Symbioza

Pewne bakterie nie są w stanie przetrwać w izolacji, podobnie jak organizmy w których żyją (np. człowiek). Ta interakcja międzygatunkowa charakteryzuje się czerpaniem obustronnych korzyści przez organizmy. Jednym z szczególnych powiązań mutualitycznych jest współżycie bakterii z Archea. Beztlenowe bakterie potrzebują kwasów organicznych, takich jak kwas masłowy czy kwas propionowy. Produkują natomiast wodór, który jest zużywany przez archeowce metanogenowe[127]. Co więcej, gdyby bakterie te nie współżyły z Archea, byłoby to niekorzystne nie tylko dla archeanów (które nie miałyby zapewnionej podaży wodoru), ale również dla samych bakterii, gdyż wysokie stężenie tego pierwiastka jest dla nich toksyczne. Tak więc, gdyby nie było organizmów zużywających wodór, bakterie te nie mogłyby się prawidłowo rozwijać i rozmnażać.

Niektóre drobnoustroje żyjące w ryzosferze przeprowadzają wiązanie azotu cząsteczkowego, przekształcając azot z postaci gazowej w związki chemiczne złożone także z innych pierwiastków[128]. Jest to istotny proces dla roślin oraz organizmów z wyższych poziomów troficznych, gdyż jest to podstawowy sposób przekształcania azotu atmosferycznego w postacie zdatne do asymilacji biologicznej. Współżycie bakterii i roślin określa się bakterioryzą. Wiele innych bakterii znaleziono u zwierząt, np. w ludzkim organizmie jest ich około 1000 gatunków, zwłaszcza w jelicie cienkim, gdzie tworzą florę bakteryjną. Pełnią one wiele ważnych funkcji, bez których człowiek nie mógłby żyć. Produkują (syntezują) witaminy takie jak witamina K, kwas foliowy, biotyna (witamina H) i wiele innych. Oprócz tego przetwarzają białka znajdujące się w mleku w kwas mlekowy (głównie Lactobacillus) oraz rozkładają złożone węglowodany do prostszych związków chemicznych[129][130][131]. Obecność tej flory utrudnia rozwój patogenów (głównie na skutek konkurencji, zgodnie z zasadą Gausego) i z tego powodu są one jednymi z najważniejszych probiotyków zalecanych jako suplement diety[132].

Patogenność

Jeżeli bakterie szkodzą innym organizmom, wywołując u nich chorobę to określa się je mianem patogenów. Infekcje bakteryjne (bakteriozy) są jedną z przyczyn zgonów ludzi. Wywołują one choroby takie jak kiła (syfilis), rzeżączka, dur brzuszny, trąd, cholera, dżuma, gruźlica oraz odpowiadają za niektóre zatrucia pokarmowe. Mimo to nie każda bakteria może od razu wywołać infekcję. Wiele bakterii, takich jak Helicobacter pylori występuje u wielu ludzi, ale tylko czasami ta obecność skutkuje chorobą. Mimo to nosiciele tej bakterii muszą uważać, gdyż zwiększa ona szanse na wystąpienie innych problemów zdrowotnych, np. choroby wrzodowej. Poza tym bakterie mogą także atakować rośliny, gdzie sieją wielkie zniszczenia, co jest powodem wielkich strat w rolnictwie. Mogą one wywołać raka bakteryjnego, zarazę ogniową, kanciastą plamistość, guzowatość korzeni. Atakują też zwierzęta, przez co dodatkowo zagrażają rolnictwu, gdyż mogą wywołać choroby zwierząt gospodarskich, takie jak chorobę Johna, mastitis, salmonella czy wąglik.

Każdy gatunek bakterii ma charakterystyczne "spektrum" działania na gospodarza. Gronkowiec lub paciorkowiec może np. spowodować infekcję skóry, zapalenie płuc, zapalenie opon mózgowych, a nawet spowodować sepsę, czyli odpowiedź układu immunologicznego (odpornościowego), o bardzo gwałtownym przebiegu, którego skutkiem jest wstrząs i wazodilatacja (zwiotczenie mięśni wokół naczyń krwionośnych), co prowadzi do śmierci organizmu[133]. Dodatkowo wiele bakterii mogących powodować chorobę ustroju przebywa w jelicie, składając się na jego florę, ale nie wywołując infekcji. Istnieją też mikroorganizmy, które niezmiernie rzadko powodują chorobę lub takie, które rzadko pojawiają się w organizmie, jak riketsje, które są pasożytami wewnętrznymi. Jedną z chorób wywoływanych przez riketsje (riketsjoz), czasem uznawaną za najgroźniejszą z tej grupy, jest tyfus plamisty. Inne gatunki mogą wywoływać tyfus plamisty Gór Skalistych, gorączkę okopową i kilka innych chorób. Wśród chlamydii, gromady bakterii będących pasożytami wewnętrznymi, znajduje się gatunek wywołujący u ludzi jeden z typów zapalenia płuc (Chlamydophila pneumoniae) albo zapalenie układu moczowego. Mogą one w skrajnych przypadkach wywoływać nawet chorobę wieńcową serca[134]. W końcu gatunki takie jak Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cenocepacia i Mycobacterium avium są jedną z przyczyn zakażenia oportunistycznego, wywoływanego przez potencjalnie niegroźne bakterie, mogące jednak zbytnio namnożyć się przy osłabionej odporności, czyli u ludzi dotkniętych immunosupresją lub mukowiscydozą[135][136].

 
Infekcja forsycji spowodowana Agrobacterium tumefaciens

W przypadku infekcji spowodowanej przez bakterie bardzo często do ich zwalczania stosuje się antybiotyki, które mają działanie bakteriobójcze, jeżeli zabijają bakterie lub bakteriostatyczne, jeżeli ich działanie polega na uniemożliwianiu ich prawidłowego wzrostu i rozmnażania. Istnieje bardzo wiele rodzajów antybiotyków, ale każdy jest inhibitorem dla jakiegoś procesu przeprowadzanego tylko przez komórki bakteryjne. Na przykład istnieją antybiotyki o silnej toksyczności, takie jak chloramfenikol lub puromycyna, które działają jednak tylko na rybosomy bakterii, a nie na komórki eukariontów[137]. Antybiotyki są jednak stosowane nie tylko w przypadku ludzi, ale także przy chorobach i profilaktyce zwierząt gospodarczych, co niejednokrotnie może im zaszkodzić, a dodatkowo zwiększa szansę na uodpornienie się szczepu[138]. Rozwojowi bakterii można zapobiegać przez zabiegi antyseptyczne, np. sterylizację miejsca planowanego nakłucia przed zrobieniem zastrzyku, oraz staranne oczyszczenie samej igły. Również przyrządy stomatologiczne i dentystyczne są odpowiednio czyszczone przed wykonaniem zabiegu, by uniknąć możliwości przeniesienia na ich powierzchni patogenów na innych ludzi. Środki do dezynfekcji, takie jak alkohol etylowy, stosowane są, by usunąć wszelkie bakterie z jakiejś powierzchni i zarazem zmniejszyć ryzyko infekcji.

Źródło: pl.wikipedia.org

Media

Odcinek 2 - Wybuch epidemii

Obcy wewnątrz nas

obejrzyj

Odcinek 3 - Obcy wewnątrz nas

Obcy wewnątrz nas

obejrzyj
zobacz wszystkie filmy

Centrum Profilaktyki Zdrowia Dorimed
2013 © Wszystkie prawa zastrzeżone

Projekt i realizacja: