Mikrobiologie

4,853 views

Published on

Basics to subject Microbiology in Czech langguage

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
4,853
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
4
Actions
Shares
0
Downloads
47
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Mikrobiologie

  1. 1. Mikrobiologievěda, která se zabývá studiem vlastností a činností mikroorganismůMikroorganismy – převážně jednobuněčné, viditelné pouze mikroskopicky (heterogenní skupina)viry, bakterie a sinice, řasy, houby a prvociMikrobiologie se vzhledem k naznačené různorodosti dále člení na: - virologii, - bakteriologii, - protozoologii, - algologii - mykologiiNa našich univerzitách je protozoologie součástí zoologie a algologie a mykologie se přednáší vrámci systému vyšších rostlin. Nižší houby (kvasinky a plísně jsou předmětem studia mikrobiologie.Velmi malé rozměry mikrobů od několika setin µm do několika desetin mm daly mikrobiologii název(mikros – malý, bios –život, logos – věda). Název navrhl Pasteur.Ten je také považován za zakladatele mikrobiologieDůvody zájmu o mikroorganismy(dopad mikroorganismů na lidstvo) - mikrobiologie jako věda má své počátky spojeny se snahou porozumět příčinám nejrůznějších infekčních onemocnění - třebaže v současnosti jsou mnohé patogenní mikroorganismy pod kontrolou, - Pro nemocné AIDS (acquired immune defficiency syndrome), - pro pacienty s rakovinným onemocněním, jejichž imunitní systém je devastován následkem léčby - nebo pro onemocnění patogeny s mnohonásobnou lékovou rezistencí - mohou být mikroorganismy stále nejvážnější hrozbou …Důvody zájmu o mikroorganismy - mikrobiální onemocnění představuje stále hlavní příčinu úmrtí v mnoha rozvojových zemích - jedná se o onemocnění, která se v rozvinutých zemích daří držet díky pokroku v medicíně pod kontrolou (malárie, tuberkulóza, cholera, spavá nemoc, úporná průjmová onemocnění …) - Mikroorganismy jsou tedy stále vážnou hrozbou pro existenci lidstva - Na druhé straně je nutno zdůraznit, že většina mikroorganismů není pro člověka nebezpečná … - Ve skutečnosti je tomu právě naopak - většina mikroorganismů je pro existenci lidstva prospěšná … - např. v oblasti lidského zdraví prosperují mnohamiliardová odvětví farmaceutického průmyslu produkující antibiotikaMikroorganismy a zemědělství - Náš celý zemědělský systém je v mnoha důležitých ohledech přímo závislý na aktivitě mikroorganismů - Leguminózy (nodulující bakterie) - Bakterie v zažívacím traktu přežvýkavců - Klíčová role mikroorganismů v uzavírání koloběhů živin - Kromě prospěšného vlivu, je nutno počítat i s ekonomickými dopady mikrobiálních onemocnění rostlin a živočichůMikroorganismy a potraviny - Mikroorganismy mají významný vliv na celý potravinářský průmysl - Jakmile jednou sklidí člověk úrodu, nastává okamžitý a přirozený atak mikroorganismů - Průmysl konzervárenský, mrazírenský, sušení potravin … 1
  2. 2. - Ne všechny mikroorganismy mají škodlivý vliv, některé jsou dokonce záměrně vnášeny do potravin – využití při výrobě sýrů, jogurtů, zelí … - Alkoholové kvašení při výrobě piva, vína, …Mikroorganismy, energie a prostředí - Rozvinuté země jsou na energii závislé a také zde hrají mikroorganismy majoritní úlohu - Většina přírodního plynu je produktem aktivit metanogenních bakterií - V budoucnosti by měly mikroorganismy poskytovat alternativní zdroje energie – - fototrofní mikroorganismy mohou využívat světelnou energii na produkci biomasy – - nejrůznější organické látky (i odpadní) mohou být přeměněny rozkladnou činností mikroorganismů na biopalivo (metan, etanol) - Mikroorganismy mohou být dále využity při bioremediaciMikroorganismy a budoucnost - Biotechnologie využívá mikroorganismy v široké škále průmyslových procesů (obvykle s využitím geneticky modifikovaného mikroorganismu schopného syntetizovat určité produkty vysoké komerční hodnoty) - Biotechnologie je těsně provázaná s genetickým inženýrstvím (disciplína zabývající se záměrnými manipulacemi s geny a jejich produkty - S využitím technik genetického inženýrství je dnes možno „stvořit“ syntetický (umělý) gen a cíleně jej vložit do mikroorganismů - Příkladem by mohl být lidský inzulín, hormon, jenž se u nemocných cukrovkou vyskytuje v abnormálně nízkých množstvích …. Může být produkován uměle genem pro jeho tvorbu, vneseným do mikroorganismu3. Rozvoj hlavních mikrobiologických disciplín - Jak je zřejmé z nastíněného vývoje, musela se v určité fázi jako první odštěpit od obecné mikrobiologie (Koch) lékařská mikrobiologie a imunologie (na počátku dvacátého století) - Bylo to provázeno objevy mnoha nových patogenních bakterií a snahou o poznání principů jakými dochází k infekci a naopak jak je možno posílit imunitu lidského těla - Jiný časný pokrok (Beijerinck a Vinogradskij) vedl k osamostatnění zemědělské mikrobiologie, což vedlo k pochopení mikrobiálních procesů v půdě na jedné straně prospěšných pro rostliny a na straně druhé pro rostliny škodlivých - Později v průběhu dvacátého století měl pokrok v oblasti syntézy antibiotik a celé chemické komodity za následek formování samostatné průmyslové mikrobiologie4. Rozvoj hlavních mikrobiologických disciplín - Půdní mikrobiologie poskytovala dostatek poznatků pro studia mikrobiálních procesů ve vodách – mikrobiologie vod - Ta se v jedné ze svých větví zabývá také úpravou pitné vody či v jiné odstraňováním cizorodých látek z odpadních vod - Vzrůstající zájem o biodiverzitu a aktivity mikroorganismů v jejich přirozeném prostředí našel zázemí v mikrobiální ekologii - Kromě obrovského pokroku ve výše jmenovaných aplikovaných oblastech mikrobiologie, projevovaly se nově nashromážděné poznatky zpětně v obecné mikrobiologii – taxonomie bakterií, která vyžadovala studium živin pro jejich růst a produktů jejich aktivit – rozvíjí se oblast fyziologie bakterií - S pokrokem ve studiu fyzikální a chemické struktury bakterií se rozvíjí cytologie bakterií ruku v ruce s biochemií bakterií 2
  3. 3. Rozvoj hlavních mikrobiologických disciplín - Další významnou oblastí obecné mikrobiologie je genetika bakterií, studující změny, ke kterým dochází při vývoji bakterií - Genetika, biochemie a fyziologie bakterií se rozvíjeli hlavně v průběhu 50. a 60. let a znamenali velký pokrok v pochopení DNA, RNA a syntézy bílkovin. - Odvětví molekulární biologie má základní kameny postaveny na poznatcích shromážděných ze studií bakterií - Další důležitý rozvoj můžeme ve dvacátém století pozorovat v oblasti studia virů - virologie - Třebaže Beijerinck objevil první virus již před více než 100 lety, teprve v polovině 20. století byla podstata viru popsána. - Většina těchto prací zahrnuje studia virů, infikujících bakterie (bakteriofágy), zvlášť důležitý byl poznatek o analogii virové infekce s přenosem genetické informaceRozvoj hlavních mikrobiologických disciplín - V 70. letech byly naše vědomosti o základních procesech bakteriální fyziologie, biochemie a genetiky již na takovém stupni, že bylo možno experimentálně manipulovat s genetickým materiálem buněk s využitím bakterií jako „nástroje“ - Bylo již také možné vnášet genetický materiál (DNA) z cizích zdrojů dovnitř bakteriální buňky a kontrolovat jejich replikaci a charakteristiky - To vedlo k rozvoji na poli biotechnologie a třebaže biotechnologie původně „povstala“ z obecných věd, využití jejích poznatků vyžaduje aplikaci principů fyziologie a průmyslové mikrobiologie – dobrý příklad toho, jak může základní (obecná) a aplikovaná věda postupovat společně 3
  4. 4. 1. Kontrolní otázky1. Vliv MO na lidstvo v roce 1900 a v roce 20002. Hooke, Leeuwenhoeck, Linné3. Pasteur4. Koch5. Mečnikov, Hansen6. Beijerinck7. Vinogradskij8. Fleming9. Neisseria meningitidis, AIDS10. Prusiner, Montagnier, Venter1/1 Důvody zájmu o mikroorganismy(dopad mikroorganismů na lidstvo)-mikrobiologie jako věda má své počátky spojeny se snahou porozumět příčinám nejrůznějšíchinfekčních onemocnění-třebaže v současnosti jsou mnohé patogenní mikroorganismy pod kontrolou,-Pro nemocné AIDS (acquired immune defficiency syndrome),-pro pacienty s rakovinným onemocněním, jejichž imunitní systém je devastován následkem léčby-nebo pro onemocnění patogeny s mnohonásobnou lékovou rezistencí …. mikroorganismy stálenejvážnější hrozbou ….Vliv MO na lidstvo – na jeho zdraví srovnání dvou mezních letopočtůÚmrtnost lidí (graf) na 100 000 obyvatel1900 – zápal plic, chřipka, tuberkulóza, zažívací ústrojí2000 – srdeční nedostatečnost, rakovina - úmrtí na IMO – 9. místo 4
  5. 5. 1/2. Poznámky k historickým kořenům mikrobiologieRobert Hooke (1664) jako první díky pokroku v mikroskopické technice (první kondenzor) pozorujefruktifikační orgány plísní (eukaryotické buňky),Antony van Leeuwenhoeckholandský amatérský konstruktér mikroskopů, první, kdo pozoruje skutečné mikroorganismy(bakterie),Sám si sestrojil mikroskop, vybrousil a osadil čočky, které zvětšovaly nejprve 160 x a později 275x aměly rozlišovací schopnost 1,4 µm, pozoroval prokaryotické buňky a svá pozorování popisuje vdopisech Royal Society of LondonTa je v roce 1684 publikuje jako „Tajemství přírody odkryté A. v. Leeuwenhoeckem“Tato „stvoření“ zde byla označena jako „wee animalcules“ doslova „maličký mikroskopický živočich“i přes časový „most“ je možno rozeznat základní morfologické typy bakterií: tyčinkovité, kulovité ashluky kokůLinné(1707 – 1778) zpracoval systematiku vyšších rostlin a živočichů, mikroby zařadil do jednoho velkéhorodu … „chaos“1/3 Luis PasteurFrancouzský chemik Luis Pasteur vyvrátil teorii tzv. „spontánního generování“Myšlenka „spontánního generování“ byla velmi jednoduchá: pokud např. vystavíme jídlo po určitoudobu působení vnějších vlivů, kazí se a pokud jej prohlédneme pod mikroskopem, je v něm možnopozorovat množství mikroorganismů, které pocházejí ze semen nebo ze zárodků ze vzduchu nebo ževznikají spontánně z neživých substancíPasteur (1822-1895) prokázal přítomnost identických mikroorganismů, které jsou v kazících sepotravinách na částicích vzduchu. Přefiltroval určité množství vzduchu přes kolonu se střelnoubavlnou, ze které poté extrahoval mikroorganismy lihem a éteremTvrdil, že tyto zárodky jsou konstantně přítomné ve vzduchu a touto cestou jsou deponovány na všechobjektech.Pasteur použil teplo k vyloučení kontaminantů, již tehdy bylo prokázané, že po projití živného roztokuvarem nedochází k růstu mikrobů.Zastánci „spontánního generování“ kritizovali takové pokusy tvrdíc, že je k němu zapotřebíčerstvého vzduchu a že vzduch uvnitř je pozměněn varem natolik, že již nemůže dojít ke spontánnímugenerování mikrobůPasteur odmítl tuto teorii na základě experimentů s použitím tzv. „Pasteurovy nádoby“Fyziologické období rozvoje mikrobiologie.- (Kvašení a hnití jsou do této doby považovány za čistě chemické procesy. Pasteur prokázal v letech 1857 – 1861, že příčinou etanolového kvašení jsou kvasinky a mléčného a máselného kvašení baktérie, prokázal přítomnost baktérií ve vzduchu, začal používat tekutých živných půd, zavedl sterilizaci teplem a za studena filtrací, objevil původce sněti slezinné a cholery drůbeže, vypracoval základní metody očkování vakcínami (oslabenými kulturami – sněť slezinná, vzteklina)- Pasteur se objevem aktivní imunizace stal zakladatelem imunologie. Dokazoval, že jedny mikroby mohou účinně bojovat proti jiným a tak předurčil anabiozu a dnešní způsob boje antibiotiky proti patogenním mikrobům- Usmrcení všech bakterií včetně jiných mikroorganismů – prostý proces sterilizace. 5
  6. 6. Hlavní Pasteurovy objevy: vakcinace proti antraxu, choleře drůbeže a vzteklině (v období1880-1890)- Všechny tyto poznatky neměly grandiózní dosah pouze svým vlastním obsahem, pomáhaly současně podpořit koncepci přenosu zárodků nemocí, jejíž principy byly v té době rozvíjeny Pasteurovým současníkem Robertem Kochem- O „něčem“, co je přenášeno z nemocného na zdravého člověka a zapříčiňuje vznik nemoci se však uvažovalo již v 16. Století- Předpokládalo se, že se to nekontrolovaně šíří uvnitř populace a takto vznikající nemoci byly označovány jako nakažlivé- Neznámý aktivní agens byl označován jako nákaza- Po objevení mikroorganismů byly právě ony označovány za nákazu, ale důkaz chyběl!Důkaz:živná půda v baňce – nad plamenem ohnul krk, konec nechal otevřený,částečky (na nichž jsou spóry – mikroorganismy) jsou těžší než ostatní, zůstanou v ohybu, potom jimdodal živnou hmotu (tekutinu a skutečně se tam organismy objevily1/4 Robert Kochkultivoval bakterie na pevné živné půdě.Nejprve používal želatinu jako živné médium, která měla v době zásadního zájmu o lidské patogennímikroorganismy obrovskou nevýhodu, při teplotě lidského těla (37°C) nesetrvávala v pevném stavu.Pokrok - zavedení agarových živných půd (Agar – polysacharid, získávaný z červených mořských řasV roce 1887 publikoval Richard Petri krátký příspěvek o modifikaci Kochovy techniky s plochýmiskleněnými destičkami – Petriho misky – dodnes nepřekonáno v lab. tech.Koch si všiml morfologických charakteristik kultivovaných kolonií (barva, tvar velikost, rychlosttůstu, konzistence, apod.)Vnější rozdílnost kolonií byla potvrzena mikroskopickou odlišností a často i jinými nároky nakultivační teplotu či živinyTato rozdílnost vyhovovala požadavkům taxonomů na klasifikaci makroskopických organismůNejvětší úspěch - výzkum tuberkulózyV roce 1881 jedna sedmina všech doložitelných lidských úmrtí byla zapříčiněna tuberkulózou.Existovaly nesporné důkazy o tom, že se jedná o nemoc „nakažlivou“Objev a izolace Vibria cholerae, původce cholery, rozpoznal význam a důležitost filtrace vody prokontrolu cholerySe svými žáky objevil i původce tyfu, tetanu, záškrtu a dalších chorob 6
  7. 7. Koch významně přispěl k rozvoji serologie a imunologie i celé bakteriologické diagnostikyPři identifikaci původce tuberkulózy Myctobacterium tuberculosis postupoval podle vlastních postupů- izolace původce v čistých kulturách,- nákaza pokusných morčat,- opětobvná izolace čistých kmenů mycobat. tuberculosis,- opakování pokusu se stejným výsledkem.4 postuláty:1. Mikroorganismus musí být pozorován ve všech nemocných jedincích a v žádném zdravém.2. Musí být izolován z nemocného jedince a vypěstován mimo něj v laboratoři v čisté kultuře.3. Zdravý pokusný objekt musí po naočkování dostatečného počtu jedinců této čisté kultury onemocnět a vykazovat stejné příznaky onemocnění jako v bodě 1.4. Z tohoto onemocnělého pokusného objektu musí být izolován mikroorganismus identický s tím, který byl pozorován a izolován v původním nemocném jedinci.1/5 I.I. Mečnikov ((Ivanovska 1845, Paris 1916), Emil Kristian Hansen(1842-1909)I. Mečnikov ((Ivanovska 1845, Paris 1916se proslavil svojí fagocytární teorií zánětu a imunity při obraně těla proti infekci.Fagocytóza - pohlcování baktérií bílými krvinkami – fagocyty1. Autor originální teorie o příčinách předčasného stárnutí lidského organismu, podle které jsou hlavní příčinou stárnutí hnilobné pochody, jejichž jedovaté splodiny pozvolna otravují lidský organismus. Probíhají ve střevech činností hnilobných baktérií. Nadměrnému rozvoji hnilobných baktérií brání Escherichia coli (zkvašuje cukry na kyselinu mléčnou a octovou – kys. Reakce) a především baktérie mléčného kvašení – v kyselém mléce, smetaně a hlavně v jogurtu.2. Byl iniciátorem biologické metody boje proti zemědělským škůdcům,1885 Emil Kristian Hansen (1842-1909)rozvoj technické mikrobiologie - zavedl čisté startovací kultury kvasinek v procesu fermentace piva.,zaloužil se o pokrok v poznání procesu fermentace.Fermentace je definována jako chemický proces vyvolaný katalytickým působením enzymuobsaženého v živém mikroorganismu na substrát, například bakterie, houby. Na základě konečnýchproduktů se rozlišuje zejména kvašení alkoholové, mléčné, octové, propionové, butanolové, máselné.Na principu fermentace cukrů hlavně bakteriemi je založena jejich diagnostika.Na přelomu 19. A 20. století vynikl holandský mikrobiolog Martinus Beijerinck a ruský mikrobiologSergej VinogradskijOba se zajímali o bakterie žijící ve vodě a v půdě (spíše než o bakterie významné z lékařskéhopohledu) a oba mohou být považování za zakladatele OBECNÉ MIKROBIOLOGIE1/6 M. Beijerinckzakladatel zemědělské mikrobiologieTeorie obohacené kultury: namísto izolace mikrobů z prostředí pomocí univerzálních živných půd jevyužito selektivních živných médií a selektivních inkubačních podmínek, jež některé mikroorganismypodporují a jiné zase tlumí 7
  8. 8. Díky tomuto postupu se mu podařilo izolovat čisté kultury fixátorů dusíku, sulfát-redukující a síruoxidující bakterie, hlízkovité bakterie, některé příslušníky rodu Lactobacillus, zelené řasy amnohé další mikroorganismy Studiem tabákové mozaiky prokázal, že infekční agens není bakteriálního původu, že nějakýmzpůsobem proniká dovnitř hostitelské buňky a tuto využívá k vlastní reprodukci – popisuje základnítezi virologie.- azobacter chrobococcum (kokální bakterie – diplokok - žijící volně v půdě) slizový obalaerobní bakterie fixátor N2 v půdě – idndikátor) fixátor N2 -NN2 enzym nitrogenáza katalizuje proces N2 – 78% = v této podobě je neaktivní N2 + H ---- aktivuje se za dodání energie, vznikne –NH2 O2přinesou do půdy cca 1-10kg N/rokKoloběh dusíku je biogeochemický cyklus, který popisuje přeměnu dusíku a jeho sloučenin v přírodě.Velkou roli v koloběhu dusíku hrají organismy a zejména biologická fixace dusíku. Koloběh dusíkuprobíhá v několika fázích.Procesy v koloběhu dusíku1. diazotrofie2. asimilaci3. amonifikace4. Nitrifikace5. denitrifikace 8
  9. 9. Biologická fixace dusíku neboli diazotrofie, je schopnost některých prokaryotických organismů(bakterií včetně sinic) redukovat trojnou vazbu v molekule atmosférického dusíku a začlenit jej doorganické sloučeniny (amoniaku). Tento proces probíhá enzymaticky, pomocí enzymu nitrogenázy, aza dodání energie (ATP).Při asimilaci se začleňuje dusík do těla organismů.Rostliny přijímají dusík jako dusičnany, případně jako amonné ionty přímo z půdy. Dusičnany jsouredukované na dusitany a posléze zabudovány do aminokyselin, nukleových kyselin, chlorofylu, apodobně.Amonifikace je přeměna dusíkatých organických látek zpět na amoniak. Tento jev zprostředkovávajírozkladači, tedy zejména bakterie a houby. Amonifikace je proto jedním z pochodů biologickéhorozkladu (mineralizace).Nitrifikace probíhá ve dvou fázích.- Nitritace - Nitritační bakterie převádějí amoniak na dusitany. Známá nitritační bakterie jeNitrosomonas.- Nitratace - Nitratační bakterie převádí dusitany na dusičnany. Známá nitratační bakterie jeNitrobacter.Denitrifikace je přeměna dusičnanů na plynný dusík. Při nedostatku kyslíku ji využívají některébakterie např. Pseudomonas a některé houby.Koloběh síry je biogeochemický cyklus síry. Do značné míry se v něm účastní organismy, kterérozkládají či naopak syntetizují různé sirné sloučeniny. Složitost koloběhu síry je dána velkýmmnožstvím oxidačních čísel síry, od -2 do +6.Většina síry je vázána minerálně (pyrit, sádrovec) –H2S a SO2 je uvolňován z aktivních vulkánů,rozkladem organické hmoty –SO42- do atmosféry tříštěním slané vody, -DMS (dimethylsulfoxid)uvolňován do atmosféry planktonemČlověk: kolem 1/3 celkového množství síry do atmosféry (90% SO2), - spalování fosilních paliv (2/3),- zpracování ropy, minerálních zdrojů1/7 Sergej Vinogradskijizolovat mnoho významných půdních bakterií, zvláště těch, jež se uplatňují v kolobězích dusíku a síry Izoloval čistou kulturu nitrifikačních bakterií, na které prokázal, že proces nitrifikace je výsledkembakteriálních aktivit. Studoval oxidaci sirovodíku bakteriemi oxidujícími síru přímo v jejich přirozeném prostředí Popisuje u baktérií chemolitotrofii a na základě studií s nitrifikačními bakteriemi, které získávajíoxid uhličitý ze vzduchu popisuje u bakterií autotrofii. Pomocí selektivních živných půd poprvé izoloval anaerobní bakterii schopnou fixace vzdušnéhodusíku, kterou popsal a pojmenoval Clostridium pasteurianum (zamokřené půdy).1/8 Sir aAlexander FlemingZabýval se chováním bakteriií v krvi a v antisepticíchV roce 1921 objevil – lysozym – bakteriolytická látka v tělních sekretechV roce 1928, při studiu chřipkového viru, zjistil, že se na kultuře Staphylococcus náhodně vyvinulyplísně (Penicillium notatum) a že vytváří kolem sebe zónu prostou baktérií. Tím byl inspirován kdalším pokusům a zjistil, že kultura plísní zabraňuje růstu stafylokoka dokonce ještě při zředění 800x.Aktivní substanci pojmenoval jako penicilín. 9
  10. 10. Pozn: Francouzský doktor Ernest Duchesne zaznamenal v roce 1896 tezi, že určité plísně druhuPenicilium ničí bakterie. Duchesne skonal během několika let a jeho výzkum byl zapomenut pogeneraci, až do přispění náhody….Mechanismy působení antibiotikNejdůležitější vlastností antibiotik je selektivita jejich účinku, tzn. že zasahují struktury, které jsouspecifické pro mikroorganismy a pacienta víceméně nepoškozují. Podle působení na bakterie seantibiotika dělí na dvě velké skupiny: baktericidní a bakteriostatická. První skupina bakterie hubí (tj.usmrcuje), bakteriostatická zastavují jejich množení, ale mnoho bakteriostatických antibiotik působí vevyšších koncentracích rovněž baktericidně. Oba dva typy jsou nicméně schopné potlačit růst kolonií invitro.Podle mechanismu účinku na bakteriální buňku se dělí antibiotika do několika skupin:Antibiotika, která inhibují syntézu lipidů a jiných látek pro buněčné stěny:Antibiotika, která narušují cytoplazmatickou membránu:Antibiotika, která inhibují syntézu nukleových kyselin:Antibiotika, která interferují s bakteriální proteinovou syntézou:Antibiotika, která inhibují syntézu kyseliny listové:1/9 Neisseria meningitidis, AIDSInvazivní meningokoková onemocnění (IMO) (původce Neisseria meningitidis, v ČR přibližně 100 onemocnění ročně, celková úmrtnost kolem10% - ve věkové skupině 15 – 19 let úmrtnost 25% (Data SZÚ Praha)). K polovině úmrtí dochází do 24 hodin od vzniku prvních klinických příznaků, část nemocnýchumírá už před přijetím do nemocnice, většinou se jedná o pacienty s meningokokovou sepsí seseptickým šokem. IMO postihují především mladší věkové kategorie, maximum výskytu je ve věkové skupině 0-4roky (prevalence séroskupiny B) a 15-19 let (prevalence séroskupiny C). Výskyt IMO je častější vnově vzniklých kolektivech (vojáci, studenti, pobyt v táboře, na diskotéce).Způsob přenosu IMOJedná se o kapénkovou nákazu, která se přenáší vzdušnou cestou prostřednictvím kapének slin (přikašli či kýchání). Mezi další způsoby přenosu nákazy patří přímý kontakt s nakaženou osobou, např.líbání.Neisseria meningitidis je bakterie, která se přirozeně vyskytuje v nose a v krku asi u 5 -10 %populace. Tito jedinci jsou nosiči bakterie a zatím není známo, proč se u některých vyvine akutníonemocnění a u jiných nikoliv. Významnou roli zde pravděpodobně hraje zdravotní stav jedince.Před propuknutím nemoci prodělalo velké množství postižených osob katar horních cest dýchacích,byli vystaveni fyzické zátěži či se zúčastnili různých kolektivních aktivit.V RÁMCI IMO JE MOŽNO ROZLIŠIT 3 KLINICKÉ FORMY:meningokokovou sepsi (čtvrtina onemocnění, úmrtnost 25%),meningokokovou sepsi s meningitidou (smíšená forma, polovina onemocnění, úmrtnost 5%)meningokokovou meningitidu (čtvrtina onemocnění, úmrtnost do 2%)Časná stádia invazivního meningokokového onemocnění se dají diagnostikovat obtížně, protože sepodobají nachlazení. Inkubační doba je velmi krátká. Mezi nejčastější příznaky meningokokovéhoonemocnění se řadí : celková nevolnost, vysoká teplota, zvracení, zimnice, bolest hlavy, bolestv krku, bolest svalů a kloubů. Po těchto příznacích může následovat náhlý nástup ospalosti,zmatenosti, ztuhlosti krku, vyrážka, poruchy vědomí, křeče. Protože se bakterie šíří do ostatních částí 10
  11. 11. těla pomocí krevního oběhu, mohou být zánětem postiženy i další orgány, např. oči, srdce, plíce, játra,ledviny.Proti invazivnímu meningokokovému onemocnění sérologické skupiny B nebyla zatím vyvinutauniverzálně použitelná vakcína.Onemocnění sérologickou skupinou C je možno předcházet očkováním, které v organizmu vyvolátvorbu protilátek. Ty pak chrání jedince při styku s bakteriemi před rozvojem onemocnění.Pro očkování proti invazivnímu meningokokovému onemocnění sérologické skupiny C byla vyvinutanová generace očkovacích látek. Jsou známy jako konjugované vakcíny a jedná se o očkovací látkyúčinnější než byla předchozí generace polysacharidových vakcín.Očkovat se mohou děti od 2 měsíců věku, adolescenti i dospělí. Konjugovaná vakcína zaručídlouholetou ochranu proti invazivnímu meningokokovému onemocnění sérologické skupiny C.Klinické studie prokazují, že k vytvoření ochranných protilátek u dětí starších 1 roku, dospívajících adospělých postačuje pouze jedna dávka konjugované vakcíny.1/10 Stanley B. Prusiner, Profesor Montagnier, J. Craig VenterStanley B. Prusiner, profesor neurologie, biochemie a biofyziky, byl oceněn v roce 1997 Nobelovoucenou za svůj objev úplně nového původce vzácného, pomalu se rozvíjejícího mozkovéhoonemocnění, nazvaného prion (1981),Professor Montagnier, věnoval celý svůj profesionální život nalezení vakcíny proti AIDS, navrhlurčité kroky pro kontrolu světově rozšířené epidemie AIDS (1983).Vyvíjel také úsilí směřující k pokračování snah vyspělých zemí k nalezení léčby AIDS, která zabíjí vAfrice desetkrát více lidí než vojenské konflikty.Celkový počet infikovaných činí cca 50 miliónů. Zhruba 70 % případů je hlášeno z oblasti subsaharskéAfriky, podle zprávy spojených národů má onemocnění stupeň globální epidemie.Nejrychleji však vzrůstá počet nakažených HIV/AIDS v Rusku, východní Evropě a v centrální Asii.Většina je připisována rychlému růstu počtu lidí, kteří si aplikují heroin a jiné drogy a většinainfikovaných je mladších 30 let.1995 – J. Craig Venter a Hamilton Smithkompletní sekvence bakteriálního genomuJ. Craig Venter - je považován mnohými za toho rozhodujícího jemuž (jimž) se podařilo dekódovatlidský genom (2000). 11
  12. 12. 2. Kontrolní otázky1.Priony2.Obecná charakteristika virů3.Teorie vzniku virů4.Členění virů5.Bakteriofág6.Kvantifikace bakteriálních virů7.Virus chřipky8.Lytický a lysogenní cyklus virů9.Retroviry10.Formy virové infekce, PPV virus2/1 PrionyPrusiner identifikoval a definoval prionovou infekci, klasifikoval prion jako infekční částici skládajícíse z bílkoviny (PrP – Prion Protein), která zapříčiňuje fatální neurodegenerativní onemocnění (chaos,zmatek).- jsou tvořeny jedinou proteinovou molekulou, která je kódována samotnou hostitelskou DNA.- Infekce prionem vede k syntéze této bílkoviny místo původní formy.- Hromadí se v nervových buňkách a způsobuje poruchy centrálního nervového systému až smrt.- jsou infekční agens ve smyslu biologickém a medicínském, ale se zcela ojedinělými vlastnostmi, kterými se liší od konvenčních nákaz způsobených např. mikroby.PrPc je normální, buněčný prionový protein a je přeměňován na PrPSc (označení podle scrapu).Normální protein se sestává hlavně z α-helixu se spirálovitou kostrou, ale nový, mutovaný protein jetvořen zejména z β- řetězců s plně rozšířenou kostrou. Tato změna v terciální struktuře je důkazempost-translační modifikace bílkoviny.Mechanismus replikace zahrnuje syntézy polypeptidů za absence určité NA-matrice a post-translačnímodifikace bílkovin. Pro priony představuje proces replikace přeměnu konvenčních bílkovin napriony. Výsledný PrPSc je čtyřhelixový bílkovinný svazek se čtyřmi oblastmi sekundární struktury,pojmenovanými H1 až H4.- Priony se replikují transformací normálních bílkovin na bílkoviny infekční, které infikují jiné buňky nebo živočichy.- Tato změna iniciuje řetězovou reakci a nově transformované priony přemění ostatní proteiny se kterými přijdou do styku.- PrPSc se akumuluje v lysosomech až do té doby než explodují, uvolňujíc priony k útoku na jiné buňky.Mnohé studie ukazují, že blanokřídlý hmyz a roztoči mohou v sobě obsahovat zárodky scrapu a tímmohou sloužit jako vektor k infikování dosud zdravých živočichů.Lidská pokožka je přirozeným cílem pro oba zkoumané parazity a také vytváří PrP bílkoviny vevelkém množství.Na druhé straně je autokatalytická metoda rozšiřování prionů určitým redukčním činitelem omezujícímmnožství PrPSc nutné k indukci infekce.Priony zapříčiňují mnoho degenerativních neurologických onemocnění, které mohou být infekčního,zděděného nebo nahodilého původu. 12
  13. 13. Příčina nahodilých forem je neznámá; zděděné formy jsou zapříčiněné až 20 mutacemi lidskéhogenu pro tvorbu PrP a infekční formy jsou přenosné kontaktem nebo pozřením infikované tkáně.Lidská prionová onemocnění:Creutzfeldt–Jakobovu nemoc, nemoc kuru, Gerstman–Sträussler–Scheinker syndrom a fatálnídědičnou nespavost.Nemoc kuru se vyskytovala u domorodců z Nové Guiney a přenášela se rituálním pojídáním mozkůzabitých nepřátel. Vymýcením kanibalismu zanikla i choroba.Další dobře známá prionová onemocnění, která ovlivňují živočichy:scrap (u ovcí a koz), bovinní spongiformní encefalopatii (BSE, nebo nemoc šílených krav se načlověka přenáší pojídáním tkání infikovaných zvířat), přenosnou encefalopatii norků, kočičíspongiformní encefalopatii atd.2/2 Obecná charakteristika virůViry jsou nebuněčné částice, nejmenší „organismy“ (velikost 15-390 nm), jsou patogenníVirus mimo hostitelskou buňku je chápán jako neživý (neprojevuje žádné známky a vlastnosti života).Není schopen samostatně vykonávat životní funkce. Pouze v závislosti na hostitelské buňce můžerealizovat přenos genetické informace.Lze s nimi zacházet způsobem, který by živé organizmy zahubil: - můžeme je rozložit a složit, aniž byutrpěla schopnost infikovat hostitele. Všechny životní funkce provádí v závislosti na translačním (přenosovém) systému hostitelskébuňky, informace uložená v DNA nebo RNA viru se překládá do jejich bílkovin na ribozómechhostitelské buňky (vlastní ribozomy nemá – nevešly by se do virové buňky)Nejmenší jednotka viru, která je schopna infikovat hostitele, je virion. U malých, jednoduchých virů jeto pouze komplex nukleové kyseliny a bílkoviny, u složitějších ještě povrchové obaly, které získávápři uvolnění z hostitelské buňky (cytoplazmatická obálka).kapsid = bílkovinný obal viru (molekuly těchto bílkovin se nazývají kapsomery), může býtjednovrstevný i vícevrstevný, mohou z něj vyčnívat různé výběžky a hroty, které jsou bílkovinnéhocharakteru a jsou dány genetickou informací viru. Komplex nukleové kyseliny a bílkoviny označujemejako nukleokapsid. U jednoduchých virů je shodný s virionem.2/3 Teorie vzniku virů – máme vynechat – prý nebude zkoušetPředpokládá, že viry jsou zjednodušené složitější organismy, např. bakterie, přechodem by mohly býtintracelulárně (uvnitř buněk) žijící bakterie (např. chlamydie), jež ztratily většinu biosyntetických drah.Teorie vzniku virů1. Viry - zjednodušené složitější organismy,2. Vyvinuly se z RNA nebo DNA hostitelské buňky, která získala schopnost množit se nezávisle na buňce, např. viroidy (10 x menší než NA virů – napadají rostliny) jsou autonomně se replikující kruhové molekuly RNA, které nekódují žádný bílkovinný obal. Z čeho se ale vyvinula kapsida (bílk. obal), když se v eukaryotech podobná bílkovina nevyskytuje?3. Za předpokladu, že dříve sloužila k uchování genetické informace RNA (nikoli DNA), která je univerzálněší (RNA má ribózu s OH skupinami v poloze 2´ a 3´, které umožňují vykonávání enzymatických funkcí - štěpit fosfodiesterové vazby, provádět sestřih (splicing) nebo katalyzovat 13
  14. 14. polymeraci), RNA viry by tedy byly nejstarší organizmy. Tato hypotéza předpokládá vznik předbuněčných forem života.2/4 Členění virůKaždý virus je schopen infikovat jen určitý okruh buněk, které mu umožňují navázat se na specifickoumolekulární strukturu v membráně, respektive stěně, na tzv. receptor.Jen buňky nesoucí specifické receptory mohou být virem infikovány. Receptory pro daný virus nesoujen buňky určitého druhu a obvykle ještě jen buňky určitého tkáňového typu.bakteriofágy: zkráceně fágy, existují DNA i RNA-fágy, napadají bakteriecyanofágy: napadají sinicerostlinné viry: většinou RNA virymykofágy: napadají houbyživočišné viry: DNA i RNA viry, dělí se na viry bezobratlých a viry obratlovcůpodle složeníDNA viryss DNA (= single stranded ) = jen jednořetězcová DNA, obsahují ji ty nejjednodušší viry- má jen jedno vlákno, to komplementární je syntetizováno až v hostitelské buňceds DNA (= double stranded) = standardní DNA- má lineární nebo kruhové uspořádání 14
  15. 15. RNA viryss RNA = standardní RNAds RNA = dvoušrouboviceRNA viry mají zpravidla lineární uspořádání nukl.kys.Pozitivní RNA viry- jejich RNA se chová hned jako mRNA a může být hned použita pro výroby virových proteinů- z toho vyplývá, že už samotný +RNA vir je infekčníNegativní RNA viry- jeho RNA je pro buňku nepřeložitelný- vlákno, kt.se dodá je hloupost, ale když se k němu vyrobí komplementární vlákno, znamená to vznik pozitivního viruSložení viruNukleová kyselina- DNA může být dvouřetězcová i jednořetězcová, lineární nebo cyklická a obsahovat 3 až stovky genů. Kapsid virů s dvouřetězcovou DNA je nejčastěji pravidelný dvacetistěn (kapsid ikosaedrický), kapsidy virů s jednořetězcovou DNA bývají dvanáctistěnné (dodekaedrické) nebo šroubovicové (helikální).- RNA je dvouřetězcová, nebo jednořetězcová a lineární.Vir obsahuje nukleovou kyselinu (buď RNA-zpravidla rostlinné viry nebo DNA- zpr.živočišné viry,nikdy ne obě zároveň!!!Kromě nukl.kys.mohou být ve viru enzymy (př.RNA replikáza)Některé viry jsou schopné buňce ukrást membránový obal (z bílkovin a fosfolipidů), usnadňuje topotom proniknutí do další buňkyStruktura kapsidu- Kapsid je tvořen z opakujících se jednotkových makromolekul nazvaných kapsomery.- Z existujících typů kapsomer se mohou utvořit dva typy virionů: a) tyčinkové b) kulovité (resp. mnohostěnné - bakteriofágy)a) Tyčinkovité viry jsou pevné nebo ohebné, vždy s helikální symetrií (Kapsid s touto symetrií je vytvořen z elipsoidních jednotek, které jsou sestaveny šroubovicovitě a nukleová kyselina je protažena mezi jejich užšími částmi. Neleží volně v dutině virionu.).virion = jednotlivá částice viru, která je schopná infikovat další buňku, velikost je asi 20-300 nm INCLUDEPICTURE "http://mujweb.cz/veda/biologie/vir.jpg" * MERGEFORMAT tyčinkový vir (virion tabákové mozaiky) kulovitý vir a – RNA, b - bílkoviny kapsidu,b) Kulovité viry mají většinou ikosaedrickou symetrii (Takovéto kapsidy jsou tvořeny desítkami až stovkami identických jednotek, které vytváří tvar dvacetistěnu o 20 shodných stěnách, 30 hranách a 12 vrcholech.). 15
  16. 16. 2/5 Bakteriofágyjsou tvarově rozmanité, ale i u nich se vyskytuje ikosaedrická nebo helikální symetrie. Největší z nichjsou tvořeny hlavičkou s ikosaedrickou symetrií (obsahuje nukleovou kyselinu), bičíkem se symetriíhelikální, může být stažitelný nebo nestažitelný (nikdy neslouží k pohybu!) a bičíkových vláken.Menší bakteriofágy jsou bez bičíku.struktura a tvar bakteriofága T4, a - hlavička, e - DNA, b - kapsid, f - bičík (stažitelný), c - dutina (trubice) bičíku, g - vlákna d - hroty bičíku,bakteriofág – vpouští svoji DNA do buňky a tím ji ničíMembránový obal viru- Membrána viru je odvozena od jaderné nebo plazmatické membrány hostitelské buňky, kterou vir získá v konečné fázi zrání (maturace). Membrána buňky se vychlipuje kolem viru a nakonec se virus pučením (exocytózou) dostává i s membránou ven.- Takovýmto virům se říká viry obalené. Největší viry mohou mít membrány dvě; jednu z jaderné membrány, druhou z membrány plazmatické. 16
  17. 17. 2/6 Kvantifikace bakteriálních virůs využitím techniky agarového překryvuUrčování množství bakteriálních virů – viz cvičení 17
  18. 18. 2/7 Virus chřipkyVirová infekce- Většinou se viry jeví jako nitrobuněční parazité, ale ne vždy buňka soužitím s virem strádá. Virus může být přítomen, a přesto může buňka bez omezení fungovat. Virové geny se také mohou stávat součástí jaderných genomů a naopak.- Proniknutí viru do organismu (respektive vniknutí jeho nukleové kyseliny) se nazývá infekce.- Viry se přenáší vdechnutím, krví, slinami atd. Aby mohl virus proniknout do buňky, musí nejdříve najít vhodnou buňku, kterou pozná podle určitých molekul (receptorů) na jejím povrchu.- Přítomnost receptorů na povrchu buněk jednotlivých orgánů je příčinou orgánového tropizmu virů (náklonnost k určitému orgánu, napadají určitý orgán).- Po navázání na povrch (na receptor), proniká vir do buňky.U obalených virů se tak děje endocytózou - membrána splyne s membránou hostitelské buňky a kapsidje uvolněn do cytoplazmy. Uvnitř buňky dochází k rozložení viru, tj. obnažení nukleové kyseliny.- Bakteriofágové pouze vstříknou nukleovou kyselinu.- Ven z buňky se vir dostává pučením (vznikají tak obalené viry) nebo lyzí, tj. rozpad buňky pomocí enzymu, který je produkován virem.- Co se bude dít s virem dál po vstupu do buňky záleží na druhu nukleové kyseliny.- DNA viry - přímé transkripce a translace virové DNA- pozitivní RNA viry - jednovláknová RNA slouží jako mRNA pro syntézu proteinů- negativní RNA viry - jednovláknová RNA je zreplikována - vzniká komplementární vlákno, které slouží jako mRNA, přepis je katalyzovánn dependentní RNA polymerázou, která je přinesena v kapsidu virionu- vir s dvouvláknovou RNA - přepis do mRNA- retroviry – RNA je reverzní transkriptázou (je přinesena v kapsidu) přepsána do DNA (zpětná transkripce)Doba od proniknutí viru do organismu do propuknutí choroby se nazývá inkubační doba.Množení viru probíhá tak, že buňka pracuje s DNA viru jako se svou vlastní a tím vytváří novéviriony.Některé viry se množí již v místě vstupu (např. virus rýmy), jiné se šíří lymfatickými cévami a krví donervové soustavy, kůže nebo svalů. V těchto cílových buňkách se pomnoží, čímž se buňky poškodínebo dokonce rozloží a tím se choroba projeví.Infekce zjevná (aparentní) se projeví hned po inkubační době.Latentní infekce se projevuje jen čas od času při aktivaci viru, která je způsobena např. horečkounebo ultrafialovým zářením. Příznaky odezní, když je zastaveno množení viru, ten však v organismupřetrvává dál.Vir se v buňce replikuje a syntetizuje proteiny (enzymy a kapsidové proteiny). Kapsidové proteiny sesamovolně skládají kolem nukleové kyseliny a vytvářejí obal (kapsid). Většina virů obsahuje jedinoumolekulu nukleové kyseliny. 18
  19. 19. Výjimkou jsou retroviry, které mají dvě identické molekuly.2/7 Virus chřipkymá nepravidelnou stavbu, mají ochranný obal a velikostně se pohybují v rozmezí 80-120 nm.Genetická informace je uložena ve fragmentované molekule RNA - 8 fragmentů RNANa povrchu viru jsou v bílkovinné obálce 2 komponenty: - hemaglutinin (16 typů) - neuramidin (9 typů)Tyto viry jsou inaktivovány při 56°C za 30 minut a během několika minut při pH nižším než 5.Protože nukleová kyselina je specifická, rozdělují se tyto viry do tří rodů (A, B, C). Různékombinace hemaglutininu a neuraminidázy pak určují podtypy.Poprvé byl přenos ptačí chřipky z ptáků na člověka zaznamenán v Hong Kongu, kde zapříčinil těžkáonemocnění a smrt.- ptačí chřipka (H5N1) napadá ty části plicních sklípků, které jsou velmi hluboko,k tomu, aby onemocnění vzniklo je potřeba velké množství virových částic (protože zapadení virovýchsegmentů není optimální)nebezpečí spojení ptačí a lidské chřipky (schoval by se v jejích bakteriích)Virus RNA (Orthomyxoviridae, genus Influenza). 80 - 120 nmVIROVÁ INFEKCE- vir nejprve přilne na buněčný povrch, musí být opatřen specifickými receptory (specifita = antigenita) na principu zámku a klíče,- buňka přijme buď celý virus (pomocí endocytózy nebo splynutí membrán př.HIV) nebo jen jeho část (př.jen nukl.kys.u bakteriofágů).- pokud vnikne celý je jeho membránový obal a kapsid rozložen hydrolytickými enzymy buňky2/9 RetroviryRetroviry= zvláštní skupinaRNA virů- mají speciální enzym=reverzní transkriptáza- ihned po vstupu do buňky tento enzym přepíše virovou RNA do DNA- DNA jde do jádra, kde se nacpe do chromozomu- přijde v podobě RNA sám se přepíše do DNA, buňka vyrábí novou mRNA (tím, že se začlení do řetězce, je to mnohem efektivnější2/10 Formy virové infekce, PPV virus 19
  20. 20. 1. virus v buňce přetrvává aniž by se replikoval (perzistence) a jeho molekula v buňce přetrvává jakomimochromozomální kruhová molekula (virus Epstein-Barrové)- nebo se začlení do genomu buňky (virogenie), na venek se nijak neprojevuje (latentní infekce)- nebo ji přitom může změnit, nejčastěji v buňku rakovinnou. V genomu buňky se může přenášet z generace na generaci.- Takovýto virus je označován jako provirus, jsou jimi retroviry.2. buňkou je pomnožován a ta tím zaniká (lyze buňky) schéma průběhu infekce DNA virem v buňcea - rozpad kapsidu, b - replikace, c - virová DNA,d - uvolnění DNA, e - transkripce, f - mRNA, g - translace,h - virové proteiny, i - vznik virionů,Litický cyklus (Li, Na, K, NH4, Mg, Ca, Al, Fe) – cyklus směřuje k rozkladu buňkyLyzogenní cyklusVirová infekceDruhy výskytu chorob:- lokální infekce - výskyt choroby pouze na malém území- epidemie - rozšíření choroby přes větší území, stát (chřipka)- pandemie - výskyt choroby přes celý kontinent popřípadě svět (AIDS)Koevoluce viru a hostitele- Společný vývoj, př. po vysazení králíků do Austrálie jich 99,8 % uhynulo na myxomatózu králíků, 0,2 % si na vir zvykla a přežila, viry jim pomáhají chránit teritorium - kdyby přišli noví králíci, nakazili by se chorobou a zemřeli.Virus HIV• izolován v roce 1983 virus nedostatečnosti imunity (Human immunodeficiency virus).• Vznikl asi před 50-100 lety v izolované oblasti Afriky. Pochází ze šimpanzů - SIV (simian immunodeficiency virus) zmutoval a přenesl se na člověka.• Je to obalený virus přenášející se tělními tekutinami (krví, pohlavním stykem, mateřským mlékem, při porodu). Napadá T4-lymfocyty (pomocné T-lymfocyty), které mají specifický receptor CD4. 20
  21. 21. virus HIV,a - 120 kD protein, e - RNA,b - transmembránový protein, f - integráza (32 kD),c - matricový 17 kD protein, g - zpětná transkriptáza (66 kD),d - kapsid (protein 25 kD),Virus HIV• Množením viru se naruší jejich funkce a postupně ubývají na počtu.• Virus HIV se vyznačuje antigenní proměnlivostí, díky níž uniká imunitnímu systému.• Do tří týdnů po nakažení se mohou objevit první příznaky - vyrážka, horečka, v 50% případů nic. Virus se pomnoží a vyvolá prudkou reakci bílých krvinek, ty většinu virů zahubí.• V buňkách po celém těle, ale pár virů zůstane, zpětnou transkripcí nasyntetizují DNA uloží ji do DNA hostitele - provirus. Za 5-10 let se projeví první příznaky AIDS , po 13 letech se vyvine do konečného stadia AIDS (Acquirec Immunodeficiency Syndrom -syndrom získaného selhání imunity).• Syndrom AIDS byl poprvé popsán počátkem 80. let minulého století v USA. V ČR dosud na AIDS zemřelo cca 100 lidí, v celém světě bylo nakaženo 40 mil. lidí, nejvíce v Africe a Asii, velký nárůst v Rusku a Ukrajině.Možný účinek živočišných virů na buňky- na rozdíl od bakterifágů proníká do buňky hostitele celý virionHIV (Human Immunodeficiency Virus)- typický retrovir- napadá lymfocyty typu T (většina z nich je v mízním systému)- patří mezi obalené viry-krade membrány, ale dělá si ještě na ně obaly z bílkovin, ale různé typy, proto je těžké vyrobit vakcínu- obsahuje dvě stejné molekuly RNA, je kulatá- člověk se stává infekčním asi po 3 týdnech, ale mezi nakažením a vypuknutím mohou být třeba 3 roky- virus je přítomen ve všech tělních tekutinách- v posledním stádiu dochází k výraznému poklesu T lymfocytů a tím k výraznému snížení imunity (člověka pak může zabít i chřipka)PODVIROVÉ (subvirové) INFEKČNÍ JEDNOTKYVIROIDY= pouze molekula nukl.kys.- jsou původci onemocnění rostlin (př.bledost okurek, zakrnělost chmele, vřetenovitost bramborových hlíz)PRIONY= „nekonvenční viry“ 21
  22. 22. - škodlivá není nukl.kys., ale bílkovina-prionové proteiny vznikají mutací membránových proteinů- napadají buňky nervové soustavy, hlavně šedou kůru mozkovou (vede to k postupné demenci)- dlouhá inkubační doba, nejsou léky, pomalý, ale jistý průběhCreutzfeldt-Jacobova nemoc- nazývá se také neurodegenerativní onemocnění mozku spojené s úbytkem nervové tkáně- je geneticky podmíněna, vede k demenci a poté i smrti, postihuje spíš starší lidi- v 90 letech 20 století byla objevena nová varianta CJN, která postihuje i mladší lidi, a která se považuje za lidskou obdobu BSE- nCJN se porjevuje nejprve psychickými problémy (deprese, úzkost), později ztrátou pamětu a poruchou rovnováhy, po 8-15 měsících končí smrtíBSE (Bovinní Spongiformní Encefalopatie)- nemoc šílených krav, přenosná na člověka konzumací hov.masaSCRAPIE (drbavka)- projevuje se hlavně u ovcí- nejstarší znám choroba způsobená prionyKURU- hlavně kanibalové na Nové Guiney-pojídají mozky svých mrtvýchPlum Pox Potyvirus (PPV) virus šarky švestkyVirus šarky švestky je obávaný patogen ovocných dřevin, napadá slívy, meruňky, broskvoně, višně,třešně aj. Má tvar tyčinky dlouhé 750 a široké 13 nanometrů (nm = 10–9 m), uvnitř je jednovláknovámolekula ribonukleové kyseliny (genom viru) a na povrchu je bílkovinný obal (kapsida). Strukturaobou komponent je známá a umožnila další výzkum.Virus vyvolává deformace a strupovitost plodů a skvrny na listech. Přenáší se mšicemi, očky a rouby.První výskyt této virózy byl zaznamenán roku 1917 v Bulharsku. V roce 1952 byl poprvé nalezenv naší zemi a během 70 let se plošně rozšířil po celé Evropě. V posledních dvou letech pronikl do USAa Kanady. Jsou popsány čtyři kmeny a několik subkmenů tohoto viru. Je známa sekvence nukleotidůjeho RNA i struktura produkovaného proteinu. To umožnilo odkrýt na molekule místa (epitopy)uplatňující se v imunitní reakci a připravit jim odpovídající protilátky. Dr. Navrátil a spol. připravilijako první na světě monoklonální protilátky, které umožňují molekulárně biologickou diagnostiku virua jeho variant. Vyrábějí se a užívají u nás a ve Švýcarsku. 22
  23. 23. 3. Kontrolní otázky1. Trojdoménový strom života2. Rozdíly mezi klasickým a molekulárně biologickým pohledem na třídění organismů3. Mikroorganismy a vývoj planety4. Obecná charakteristiky prokaryot5. Doména Archaea6. Thermus aquaticus7. Doména Bacteria8. Velikost a tvar bakterií9. Bdellovibrio bacteriovorus10. Peptidoglykan11. G- bakterie12. G+ bakterie3/1 Trojdoménový strom života• Před cca dvěma desítkami let byly buněčné organismy klasifikovány do pěti říší: Animalia, Planta, Fungi, Protista (Protozoa) a Monera (Bacteria).• Příslušníci těchto pěti říší byli rozděleni na prokaryontní organismy (Monera) a eukaryontní z důvodu chybějící či přítomné jaderné membrány.• Tyto dvě kategorie byly považovány za nezávislé s tím, že většina biodiverzity leží uvnitř eukaryot, zvláště pak jejich mnohobuněčných forem.• Většina biologů samotných považuje procaryota za primitivní, jednoduché a relativně uniformní v jejich vlastnostech.Evoluční příbuznost mikroorganismů• Avšak vědci, zabývající se molekulární fylogenezí, zrevidovali obecný pohled na evoluci a na diverzitu života.• tu můžeme určit porovnáním řazení všech nukleotidů v jejich odpovídajících genomech (taková řada analýz je obecně nepraktická),• proto jsou porovnávány charakteristické, homologní („pradávné, konzervativní“) geny z rozdílných organismů a je spočítán počet rozdílů v jejich sekvencích nukleotidů,• vzhledem k nepatrné rychlosti evolučních změn malých podjednotek genových sekvencí (16S nebo 18S) rRNA, jsou tyto obvykle užívány pro schémata fylogenetické příbuznosti• evoluční vzdálenost, část sekvenčních rozdílů v souboru sekvencí, je využita k vytvoření fylogenetického stromu, k mapám evoluční diverzity.Fylogenetický strom („strom života“) je grafické zobrazení připomínající strom, jímž se znázorňujípříbuzenské vztahy mezi různými biologickými druhy či jinými taxonomickými jednotkami, o nichž sepředpokládá, že mají jednoho společného předka. Každé větvení (uzel) představuje hypotetickéhoposledního společného předka. Každá větev znamená jednu evoluční linii, na jejichž konci jsou danétaxony.Srovnání tří domén životaTři základní domény života některé své rysy sdílejí a některé se naopak liší. Následující tabulky uvádíněkteré významné rozdíly a podobnosti mezi třemi fundamentálními skupinami života. 23
  24. 24. Základní znaky znak přítomen u bakterií přítomen u archeí přítomen u eukaryot fylogenetické asi nezávislá skupina blízko k eukaryotům blízko k archeím postavení rozmnožování nepohlavní nepohlavní nepohlavní i pohlavní autotrofie (foto či chemo), chemoautotrofní či obligátně chemoheterotrofní či výživa heterotrofie (foto či chemo) chemoheterotrofní obligátně fotoautotrofní Buňka znak přítomen u bakterií přítomen u archeí Přítomen u eukaryot často 10× menší než u často 10× menší než u často 10× větší než u velikost buněk eukaryot eukaryot ostatních domén typ buněk prokaryotický prokaryotický eukaryotický pravé buněčné jádro NE NE ANO typ ribozomů 70S 70S 80S stavební látka bičíků flagelin flagelin tubulinpřítomnost membránou obalených organel NE NE ANO (systém vnitřních membrán) přítomnost cytoskeletu jen v menší míře jen v menší míře ANO peptidoglykan v buněčné stěně ANO NE NE vazba na lipidech v cytoplazmatické esterová vazba etherová vazba esterová vazba membráně Genom přítomen u přítomen u Znak přítomen u bakterií archeí eukaryot zpravidla cirkulární (vzácně Chromozom cirkulární více lineárních lineární) přítomnost intronů (nekódující DNA) NE NE ANO přítomnost nukleozomů a histonů na NE ANO ANO chromozomech přítomnost operonů v genomu ANO ANO NE Proteosyntéza přítomen u znak přítomen u archeí přítomen u eukaryot bakterií přítomnost transkripčního faktoru TBP NE ANO ANO počet RNA polymeráz Jedna více Více mRNA nesoucí informaci pro syntézu více ANO ANO NE proteinů N- methionin (ale v plastidech a start kodon methionin formylmethionin mitochondriích formylmethionin)3/2 Rozdíly proti klasickému pojetíVelký vývojový rozdíl mezi Archaea a Bacteria rozbíjí hluboce zakořeněný názor o evoluční jednotěuvnitř prokaryot.Navíc prapůvodní eukaryontní větev, stejně stará jako prapůvodní prokaryontní větve, je mnohemstarší, než jsou linie pro organely.Tedy obecně uznávaná myšlenka, že se eukaryotická buňka vyvinula před 1 až 1,5 miliardou let fůzídvou buněk prokaryontních, se nyní jeví jako nesprávná.• Nicméně takto získané poznatky potvrzují původní předpoklady o tom, že mitochondrie a chloroplasty jsou endosymbiotického bakteriálního původu. 24
  25. 25. • Z hlediska různorodosti rRNA představují však mnohobuněčné formy života - živočichové, rostliny a houby, relativně nepatrnou větévku na vrcholu eukaryontní větve.• Ve skutečnosti jsou na této škále člověk a myš nebo člověk a potkan stěží rozlišitelní.• Jestliže byl tedy stupeň fylogentické příbuznosti mezi zvířaty, rostlinami a houbami dostatečný k definování říší, potom by tady mohlo být množství dalších říší v doméně Eucarya a obdobný počet říší v doméně Bacteria.• Trojdoménový strom života poskytuje tedy nový pohled na biodiverzitu, podtrhujíc, že většina genetické diverzity je mikrobiální, ať již prokaryontní nebo eukaryontní3/3 Mikroorganismy a vývoj planetyMikroorganismy – převážně jednobuněčné, viditelné pouze mikroskopicky (heterogenní skupina)viry, bakterie a sinice, řasy, houby a prvoci3/4 Prokaryotické organismy- Prokaryota (někdy označované jako Monera) zahrnují bakterie a sinice – Cyanophyta. Nemají jadernou membránu, neprobíhá u nich mitotické dělení jádra a buněčná stěna obsahuje typické polymery – peptidoglykany.- Bakterie – mikroskopické, jednobuněčné organismy – nemají jádro (v obvyklém cytologicko- morfologickém významu, chybí i ostatní membránové struktury uvnitř buňky (mitochondrie, chloroplasty, apod.). Funkce enzymatické a syntetizující u nich plní cytoplazmatická membránaV současné taxonomii – říše archaebakterie a eubakterie- Říše archaebakterie (Archaebacteria) nemají v buněčné stěně kyselinu muramovou a D- aminokyseliny, dále pak to jsou ty organismy, jejichž stěna je složena z glukozoaminů, proteinů nebo heteropolysacharidů. 25
  26. 26. - Říše eubakterie (Eubacteria) – buněčná stěna je složena z kyseliny muramové a D-aminokyselin. Některé nemají buněčnou stěnu, podle obsahu fotosyntetických barviv se dělí na dvě podříše – sinice a bakterie o Podříše sinice – Cyanobacteria autotrofní prokaryotické organismy, obsahující v buňkách chlorofyl a akcesorická barviva fykoerytrin a fykocyanin o Podříše bakterie – Bacteria prokaryota, živící se autotrofně (fotolitotrofně a chemolitotrofně) a heterotrofně (fotoorganotrofovně – využívají jako zdroj uhlíku organickou látku a chemoorganotrofně)3/5 Doména ArcheaArchea jsou prastará forma života a stáří některých fosílií se odhaduje až na 3,5 miliardy let.Předpokládalo, že archea žijí jen v extrémních podmínkách (tzv. extrémofilové), jako jsou napříkladhorká vřídla či slaná jezera. Na konci dvacátého století se však zjistilo, že se archea běžně vyskytujíi na mnohem méně extrémních stanovištích, jako je například půda či mořská voda. Archea zde bylaobjevena na základě sběru vzorků nukleových kyselin z prostředí. Ty byly pak namnoženy pomocípolymerázové řetězové reakce a identifikovány, většinu archeí totiž nelze kultivovat v laboratořiVelikost individuální archeální buňky se pohybuje od 0,1 μm do více než 15 μm v průměru a existujíbuňky velmi odlišných tvarů – kokovité, tyčinkovité, spirálovité i ploché.Struktury na povrchu buněk archeí mohou připomínat bakterie. Také archea totiž majícytoplazmatickou membránu a kolem ní buněčnou stěnu. Strukturálně se podobají grampozitivnímbakteriím, jelikož mají jedinou plazmatickou membránu i buněčnou stěnu a postrádají periplazmatickýprostor. Výjimkou z pravidla je archeon rodu Ignicoccus, který periplazmatický prostor má, a ten navícobsahuje membránové váčky (vezikuly) a je uzavřen vnější membránou.[Většina archeí má kolem své cytoplazmatické membrány rovněž buněčnou stěnu, která však nenítvořená peptidoglykanem. Výjimkou jsou rody Thermoplasma a Ferroplasma, jež ji nemají vůbec.Mnohá archea mají ve stěně tzv. S-vrstvu, tvořenou povrchovými proteiny. Tato vrstva zajišťujeochranu před chemickými i mechanickými vlivy. Specifickou buněčnou stěnu mají archea řáduMethanobacteriales, u nichž je základním stavebním prvkem pseudopeptidoglykan.Archea se rozmnožují výhradně nepohlavně, a to binárním dělením, fragmentací či pučením. Všichnipotomci jednoho archea mají tedy víceméně stejný genetický materiál (meióza neprobíhá). Buněčnédělení u archeí následuje jako jedna z fází buněčného cyklu poté, co se replikuje DNA a oddělí sedceřiné „chromozomy“. Detaily buněčného cyklu jsou na základě studií rodu Sulfolobus podobné jakbakteriálním, tak eukaryotním obdobám. Ve srovnání s bakteriemi, u nichž replikace probíhá jenz jednoho místa, u archeí je těchto míst zpravidla více. Také příslušné DNA polymerázy jsou podobnéspíše eukaryotním DNA polymerázám. Na druhou stranu mnohé proteiny řídící buněčné dělení a takéstavba septa při dělení buněk jsou spíše podobné svým bakteriálním ekvivalentům.U archeí nebyla objevena tvorba spor v bakteriologickém slova smyslu. Přesto některá Haloarchaeastřídají několik rozdílných morfologických typů buněk, včetně tlustostěnných struktur, které odolávajívysokému osmotickému tlaku na halofilních stanovištích. Ty se však nedají považovat zarozmnožovací útvary.Organismy v Archae mají jinak postavenou cytoplazmatickou membránuv buněčné stěně není kyselinaExtrémní organismy – mají schopnost adaptace v bezkyslíkatých prostředích, odolávají vysokýmtlakům a teplotám 26
  27. 27. Charakteristika domény Archaea (archea)Jako bakterie:• prokaryotní buňka• cyklický genom• operonyJako eukaryota:• některé geny – introny• mechanismus replikace a transkripceRozdíly:•buněčná stěna – pseudomurein•buněčná membrána – etherlipidy – membránová jednovrstvaMembránové lipidyBacteria, Eucarya - fosfolipidArchaea - etherlipidZástupci domény Archaea (archea)Pyrococcus, Halocossus, Methanogen, Methanococcus, Halobacterium salinarum,3/6 Thermus aquaticusIzolován z termálních pramenů, byla z něho izolována Taq-polymeráza (enzym katalyzující štěpeníDNA) – polymerázová řetězová reakce sloužící k pomnožení této bakterie = potřeba při výzkumech3/7 Doména BacteriaDoména Bacteria – buněčná stěna je složena z kyseliny muramové a D-aminokyselin. Některé nemajíbuněčnou stěnu, podle obsahu fotosyntetických barviv se dělí na dvě skupiny – sinice a bakterieSinice – Cyanobacteria autotrofní prokaryotické organismy, obsahující v buňkách chlorofyl(bakteriochlorofyl) a akcesorická barviva fykoerytrin a fykocyaninBakterie – prokaryota, živící se autotrofně (fotolitotrofně a chemolitotrofně) a heterotrofně(fotoorganotrofovně – využívají jako zdroj uhlíku organickou látku a chemoorganotrofně)Bakterie jsou jedinou skupinou organizmů, u které se setkáváme se všemi hlavními typy získáváníenergie a zdroji uhlíkaté výživy. Největší skupinou jsou ale chemoheterotrofové. 27
  28. 28. Podříše bakterie – Bacteria prokaryota, živící se autotrofně (fotolitotrofně a chemolitotrofně) aheterotrofně (fotoorganotrofovně – využívají jako zdroj uhlíku organickou látku a chemoorganotrofně)Bakterie (Bacteria, dříve též Bacteriophyta či Schizomycetes), nebo také eubakterie (Eubacteria), jedoména jednobuněčných prokaryotických organismů. Mívají kokovitý či tyčinkovitý tvar a zpravidladosahují velikosti v řádu několika mikrometrů. Studiem bakterií se zabývá bakteriologie, významnětuto vědu rozvinuli Robert Koch a Louis Pasteur.Typickou součástí bakteriálních buněk je peptidoglykanová buněčná stěna, jaderná oblast (nukleoid),DNA bez intronů, plazmidy a prokaryotický typ ribozomů. U bakterií se nevyskytuje pohlavnírozmnožování, namísto toho se nejčastěji dělí binárně. Bakterie jsou nejrozšířenější skupinouorganismů na světě. Dříve se druhy bakterií klasifikovaly podle vnějšího vzhledu, dnes jsou modernízejména genetické metody. Díky nim se dnes rozlišuje asi 25 základních kmenů bakterií.Bakterie mají velký význam v planetárním oběhu živin a mnohdy vstupují do oboustranněprospěšných svazků s jinými organismy. Mnohé patří mezi komenzálické druhy, které žijí například vlidské trávicí soustavě. Na druhou stranu je známo i mnoho patogenních bakterií, tedy druhů, kterézpůsobují infekce. I člověk mnohé z bakterií využívá, například v potravinářském a chemickémprůmyslu. Vědci využívají bakterie ve výzkumu.Streptococcus thermophilusVýskyt a význam: výskyt - intestinální trakt člověka a zvířat, lidské sliny, tepelně ošetřené mléko;použití - fermentované mléčné výrobky (- společně s Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricusvytváří jogurtovou kulturu, součást směsnýchStaphylococcus aureusVýskyt a význam: nosní přepážka a kůže teplokrevných živočichůPoznámka: potenciálně patogenní druh , vyvolávající široké spektrum onemocnění a intoxikací(abscesy, meningitidy, furunkolózy, osteomyelitidy atd.)3/8 Velikost a tvar bakteriíKulovité formy (koky) mají průměr 0,5 – 2 μmTyčinkovité formy bývají široké 0,2 – 1,0 μm, často i více.- Beggiatoa gigantea může být dlouhá několik cm a průměrná šířka jejího vlákna bývá 35 – 40 μm- Dialister pneumosintes jako zástupce nejmenších bakterií je dlouhý jen 0,15 – 0,30 μm a široký jen asi 0,10 μm, což mu umožňuje procházet přes bakteriologické filtryV přirozených podmínkách mají bakterie obecně menší rozměr než při kultivaci- Dceřiné buňky mohou po dělení vytvářet taxonomicky významné základní tvary:Mikrokoky – buď úplně oddělené nebo se seskupují do nepravidelných shluků – Micrococcus roseusDiplokoky – buňky jsou ve dvojicích, dělení probíhá v jedné rovině – Diplococcus pneumoniaeVelikost a tvar bakterií- Tetrakoky - buňky tvoří čtveřice, které vznikají dělením ve dvou na sebe kolmých rovinách – Micrococcus tetragenes- Sarciny – koky jsou uspořádány do podoby kostek, vznikajících při dělení mateřské buňky ve třech navzájem kolmých rovinách, v kostce zůstává 8, zřídka 16 koků (Sarcina lutea)- Streptokoky – koky jsou uspořádány řetízkovitě po dělení v jedné rovině – spojeny jsou jemným tmelovým můstkem (Streptococcus lactis)- Stafylokoky – koky jsou uspořádány ve shlucích po nepravidelném dělení (Staphylococcus aureus) 28
  29. 29. - Dalším základním tvarem bakterií je tvar tyčinkovitý. Tento tvar podmiňuje více variací než tvar kulovitý. Základní tvar tvoří jednoduchá tyčinka – Bacillus – tento název se používá pro sporulující tyčinky, zatímco nesporulující - BacteriumVelikost a tvar bakterií- Diplobacillus - buňky po dělení vytváří dvojici- Streptobacillus – tyčinkovité buňky vytvářejí po dělení řetízky Po dělení mohou některé svírat ostrý úhel (korynebakterie), nebo mohou být paralelně palisádovitě uspořádané • Rohlíčkovitě zahnuté – Vibrio • Slabě zvlněné tyčinky ve tvaru písmene S – spirily • Dlouhé, tenké tyčinky s několika závity – spirochéty • Na jednom konci kyjovitě ztloustlé – korynebakterie Vznikající endospora může způsobit charakteristické druhotné tloustnutí – na konci tyčinky (plektridiový typ), nebo uprostřed tyčinky (klostridiový typ)Mykobakterie mají znaky rozvětvení- Krátké tyčinky, přibližující se tvarem kokům – kokobacily- Zvláštní skupinou jsou vláknité bakterie – Leptotrichia (vlákna hladká a pravidelná) a aktinomycety (vlákna zrnitě granulovaná a nepravidelná, paprskovitě se rozbíhající)Vznik některých základních tvarů dělením mateřské bakterie3/9 Bdellovibrio bacteriovorusnejstarší predátor na zemi bdellovibrio (rozpouštěti) - mikrobrychlost 100 buněčných délek za sekundu = 1 m překoná za 2 hodinydochází ke kolizi – proniká buněčnými obaly dovnitř kořistiStále více baktérií je imunních vůči antibiotikům. Němečtí vědci před časem objevili nového spojencev boji proti tomuto velkému problému medicíny budoucnosti: tak zvaný bacil-zabiják. Ten navrtávábakterii způsobující nemoc a tohoto původce choroby následně zkonzumuje."Zabijácký bacil", odborně zvaný Bdellovibrio Bacteriovorus, by se tak v budoucnosti mohl stát živýmantibiotikem v boji proti infekčním nemocím. Živí se totiž ostatními bakteriemi, jako například bacilyzpůsobujícími choroby. Je přitom úzce specializován pouze na tento typ potravy a nenapadá lidské 29
  30. 30. buňky. Týmu vědců z Ústavu Maxe Plancka pro vývojovou biologii sídlícího v Tübingenu se nynípodařilo dekódovat genom tohoto mikroorganismu."Bacil-zabiják" se přisaje na jiné bakterie, provrtá do jejich buněčné stěny otvor a tím se dostane doprostoru mezi vnější stěnu a vnitřní membrány své kořisti. Z této pozice potom konzumuje vnitřekoběti. Pomocí řady enzymů pro své vlastní specifické potřeby přestaví jednotlivé části buňky, ve kteréparazituje, tak, aby ho obklopovaly. V tomto prostředí potom dál roste, až se několikanásobněrozmnoží dělením. Až pukne hostitelská buňka, "bacil-zabiják" se dostane na svobodu a může se vydatna lov dalších potenciálních obětí.To, že bakterie Bdellovibrio bacteriovorus nedisponuje instrumenty pro napadení buněk u člověka,není jedinou pozoruhodností". Tento bacil je také mnohem méně alergenní. To dokázaly i pokusy uzvířat, u kterých tato bakterie nevyvolala žádné reakce imunitního systému. Právě alergická reakce bypřitom byla při léčbě lidí tím největším nebezpečím.Nová antibiotika vyrobená na základě bakterie Bdellovibrio bacteriovorus by spočívala na zcela jinémprincipu než dnes známá a užívaná chemická antibiotika. To by lékařům i pacientům otevíralo novémožnosti - zejména vzhledem ke stále sílící a šířící se rezistenci známých antibiotik na určité bacily.Tato rezistence by totiž tyto bakterie v žádném případě nechránila před "bacilem-zabijákem".Nasazení nového bacilu u člověka se však zatím považuje za vhodné pouze jako poslední řešení, kdyuž není jiná možnost. Například u pacientů s otravou krve, kteří jsou krátce před smrtí. Nebo unemocných AIDS. Hladový Bdellovibrio bacteriovorus sice není schopen napadnout přímo virus HIV,může se však vypořádat s bakteriemi způsobujícími nemoci, na které nemocný AIDS umírá, tedynejrůznější sekundární infekce.3/10 Stavba bakteriální buňky- Ústřední živá hmota bakterií – protoplast (cytoplasma a jaderná hmota) – protoplast obaluje cytoplazmatická membrána pevně přiléhající k buněčné stěně- Buněčná stěna je obalová vrstva, která je od cytoplazmatické membrány oddělena periplazmatickým prostorem (místo, kde se odehrává řada enzymatických procesů)Peptidoglykan – tvoří molekulovou síť a dává buňce potřebnou pevnost a charakteristický tvar(heteropolysacharid, murein či mukopeptid)I když existují různé typy bakteriálních peptidoglykanů, ve všech případech jde o heteropolymeryobsahující jako stavební jednotky aminocukry, jako jsou N-acetylglukózoamin a kyselina N-acetylmuramová, a aminokyseliny, jako je D-alanin, kyselina D-glutamová, kyselina mezo-diaminopimelová, lyzin, případně serin nebo kyselina asparagováStavba bakteriální buňky- Skelet peptidoglykanu tvoří polysacharidový řetězec, ve kterém se střídají jednotky N- acetylglukózoaminu a kyseliny N-acetylmuramové (aminosacharidů) spojené vazbami β – (1→4). Na laktylovou skupinu kyseliny N-acetylmuramové navazuje oligopeptid a boční oligopeptidové řetězce se spojují příčnými vazbami, díky čemuž vytváří peptidoglykan kolem celé buňky plášť silný cca 2nm.- V peptidoglykanovém komplexu je glykanová složka relativně stálá na rozdíl od peptidové, která je velmi proměnlivá a charakteristická pro jednotlivé druhy či systematické skupiny mikrobů.3/11 Stavba bakteriální buňkyBakteriální buněčná stěna obsahuje kromě peptidoglykanu ještě i další polymery. Christian Z. Gramodlišil (v roce 1884) vlastní metodou diferenciačního barvení dvě velké skupiny bakterií. Podle toho,zda jsou bakterie schopny zadržet použité barvivo (např. krystalovou violeť) i po promytí preparátuorganickým rozpouštědlem (např. etanolem) – G+ bakterie (grampozitivní), nebo se odbarví – G-bakterie (gramnegativní) 30
  31. 31. Stavba bakteriální buňky- Gramnegativní bakterie mají peptidoglykanovou vrstvu obalenou vnější fosfolipidovou membránou, která na tuto vrstvu navazuje prostřednictvím hydrofobního proteinu s velkým počtem aminokyselinových podjednotek.- Kromě hydrofobního proteinu obsahuje vrstva mezi vnější membránou a peptidoglykanovou vrstvou ještě hlavní stěnový protein, ovlivňujeící pevnost buněk tyčinkovitého tvaru.- Vnější povrch vnější membrány gramnegativních bakterií pokrývá lipopolysacharid, který je zodpovědný za somatickou (0) antigenní specifitu G- bakterií.- Celkově je buněčná stěna těchto bakterií tenká (asi 8nm), obsahuje značný podíl lipidů (10–20 %) a 15-20% polysacharidů.- Peptidoglykanový polymer je jednovrstevný a tvoří pouze 10-12%sušiny buněčné stěny.3/12 Stavba bakteriální buňky- Grampozitivní bakterie mají peptidoglykanovou vrstvu obsahující na rozdíl od G- bakterií kyseliny teikoové, které se skládají ze dvou hlavních podjednotek – glukóza-ribitol-fosfát-alanin (fosforylovaný polyalkohol) nebo alanin-(glukóza)-glycerol-alanin (kyselina lipoteikoová).- Buněčná stěna G+ bakterií je silnější, od 15nm (Staphylococcus aureus) do 80nm (Lactobacillus acidophyllus), má nižší obsah lipidů (0-2%) a vyšší obsah polysacharidů (35-60%).- Peptidoglykanový polymer je vícevrstevný, ve vytvořené síťce se nacházejí i kyseliny teikoové, které tvoří až 50% sušiny buněčné stěny některých G+ bakterií.- Buněčná stěna je z fyzikálního hlediska permeabilní membrána (velikost pórů je asi 100Å)- Její funkce je převážně mechanická – ochranná (protektivní) a současně podmiňuje tvar buňky (morfogenní funkce) 31
  32. 32. 4. Kontrolní otázky1.CPM, monofýlie, jednotkový princip2.CPM stavba3.Úkony uskutečňované bílkovinami CPM4.Mesosom5.Cytoplasma bakterií6.Bakteriální ribosomy7.Nukleoid8.Inkluze, vakuoly9.Bakteriální sporulaceBakteriální buňka4/1 Bakteriální buňka – cytoplazmatická membrána (CPM)- Cytoplazmatická membrána (plazmolema) – proteiny, lipidy, proteiny- Monofýlie - jednotný princip- Jednotková membrána (unit membrane)- Hydrofilní, hydrofóbní a hydrofilní - semipermeabilita cyt. membrány.- Lipidová složka – fosfolipidy (např. specifické aktivátory enzymů)- Sacharidová složka – glykoproteiny a glykolipidy- Bílkovinná složka – globulární proteiny4/2 Úkony uskutečňované membránovými bílkovinami: - Translokace molekul - Konverze energie (zachování) - Recepce signálůHlavní funkce cytoplazmatické membrány- (Semi) permeabilní bariéra – zabraňuje „vypuštění“ buňky a funguje jako vstupní brána pro transport živin dovnitř a ven z buňky- Proteinová výztuž – místo s integrálními proteiny (70 – 80% bílkovin membrány) podílejícími se na transportech látek, bioenergetice buňky a chemotaxi- Zachovávání energie – místo, kde se vytváří čí využívá protonmotivní síla (tj. rozdíl v elektrochemické aktivitě vodíkových iontů na obou stranách membrány)Membránové transportní systémyJednoduchý transport - řízenTranslokace skupiny- chemická změnaSystém ABCMembránové transportní systémy(a) Jednoduchý transport je řízen energií protonmotivní síly (1) Antiport (2) Uniport (3) Symport(b)Translokace skupinynapř. fosfotransferázový systém – následuje chem. změna (fosforylace transportované substance)(c) Systém ABC - vazebný periplazmatický protein váže substanci k transportování (1), ta jetransportována integrálním proteinem (2) a nutná energie je získána hydrolýzou ATP na proteinu (3) 32
  33. 33. 4/5 Bakteriální buňka – cytoplazmatická membrána (CPM) - stavba- účastní se na exo(endo)cytóze, transportech látek uvnitř buňky, morfogenních procesech atd.- udržuje osmotickou rovnováhu buňky- invaginace membrány – mesozóm - podíl na replikaci bakteriální DNA (chromozómu), - na tvorbě příčných stěn buněk, na sporulaci, - výzmnamné i pro dýchací procesy některých bakterií (azotobakter, nitrifikační a fotosyntetizující purpurové sirné bakterie)- významné při separaci chromozómů- vývojově příbuzné s jadernou membránou u eukaryotProkaryota – cytoplazmatická membrána – musí plnit všechny základní funkce buňkyBakteriální buňka – cytoplazma Obecná struktura aminokyselin:(a) aminoskupina, karboxylová sk., liší se bočními řetězci „R“(b) dipeptid vzniká vazbou aminosk. jedné aminokyseliny s karboxyl. sk. druhé aminokyseliny, čímž vzniká peptidová vazba…….. ….více AK …. až proteinyCytoplazma - amorfní, bezstrukturní, koloidní roztok - proteiny,Obsahují: ribonukleové kyseliny, aminokyseliny, nukleotidy, soli organických kyselin, intermediárníprodukty metabolizmu atd.základní funkce:- katalýza syntézy aminokyselin, nukleotidů, nukleových kyselin a polysacharidů, částečná degradace proteinů a uvolňování energie anaerobní glykolýzou- vytváří příznivé prostředí pro funkci jaderné hmoty a ribozómů- je acidofilní, zatímco jádro a jiné struktury mají zásaditou reakciV průběhu růstu čirá hmota, v mladých buňkách tekutá, ve starších se zahušťuje a objevují se vakuoly4/6 Bakteriální buňka – ribozómyRibozómy - složité struktury - proteosyntéza- dvě podjednotky - větší 2/3 (= 2 RNA, 34 polypeptidů), menší 1/3 (= 1RNA, 21 polypeptidů) mol. hmotnosti ribozómu, ribozómy eukaryot jsou o něco většíz chemického hlediska - ribonukleotidové částice- tři formy ribozómové ribonukleové kys. (rRNA) s rozdílnou mol. hm.- ribozómové bílkoviny - rozdílná mol. hm. 33
  34. 34. - bílkoviny (většinou zásadité) - kostra obou podjednotek- bílkoviny účast na biologické aktivitě ribozómů- na podjednotkách vazebná místa pro faktory syntézy bílkovin- na jednom vláknu NK více ribozómů – polyzómy (na 1mRNA více ribozómů)Bakteriální buňka – ribozómytRNA (transferová, též iniciátorová) připomíná jetelový trojlístek. Nosí jednotlivé aminokyselinyk ribozómůmfunkce: - multienzymový komplex, - katalyzuje vznik peptidové vazbyRibozómy (i polyzómy) – volné nebo vázané na biomembránu - částice, které jsou v buňkách nejhojněji zastoupené (E. coli - průměrně 15 000 ribozómů (1/4 hmotnosti buňky)vysoký obsah ribozómů … vysoká rychlost syntézy buněčné hmotyv optimálních podmínkách – zdvojnásobení hm. již za 15 – 20 minuttRNA (transferová, též iniciátorová) připomíná jetelový trojlístek. Nosí jednotlivé aminokyseliny kribosomům- Ribosomy - složité struktury - proteosyntéza4/7 Bakteriální buňka – nukleoidNukleoid - jaderná hmota, oblast jádra- tvoří asi 10 % objemu buňky - jedna molekula DNA 34
  35. 35. - Makromolekula dvojzávitnicové DNA - jediný bakteriální chromozóm- DNA - kruhový (prstencový tvar), rel. hm. 2,5 . 109, délku cca 1 mm- Prakticky jedinou bílkovinou, která se našla v izolovaných prokaryotických chromozómech, byla DNA-polymeráza- Chromozóm se určitým místem připojuje na CPM, resp, mezozóm- Prokaryota - zpravidla 1chromozóm- více chromozómů - rychlejším dělením než rychlost dělení buňky, (replikace DNA neprobíhá totiž současně s buněčným dělením)- DNA mimo jadernou hmotu - plazmidy, (včleněn do chrom.- epizóm)4/8 Bakteriální buňka – inkluze, vakuoly- Inkluze – korpuskulární útvary nejčastěji granule (zásobní látky?)- tvorba a množství závisí na povaze prostředí (např. poměr C:N) a na metabolické aktivitě buněk- Volutin – vytváří granulky obsahující Na-polymetafosfát (zdroj fosforu a volné, biochemicky využitelné energie)- glykogen, amylopektin (v prostředí s dostatkem C, nedostatkem N)- granulky kyseliny poly-ß-hydroxymáselné v buňkách aerobních druhů Bacillus a Pseudomonas a v buňkách fototrofních bakteriíVe fototrofních a purpurových sirných bakteriích, ale i v některých jiných bakteriích se vyskytujíplynové vakuoly ohraničené jednoduchou membránou proteinové povahy. Membrána je pevná,nepropouští vodu, ale pouze plynyV bakteriálních buňkách vznikají ale nejčastěji tzv. nefunkční vakuoly stárnutím buněk a vlivemnepříznivých podmínek vnějšího prostředí (dochází k tvz. vakuolizaci buněk).4/9 Bakteriální buňka – endospóry- Endospory – trvanlivé a odolné formy- především G+ rody Bacillus a Clostridium ve zhorš. podmínkách- Hypobióza redukovaný metabolizmus- Tvorba spor je energeticky náročná (jen v dobře vyživovaných kult.)Sporulace (sporogeneze) je sled strukturních a biochemických změn- 1. nejprve se rozdělí nukleoid- 2. chromozóm putuje do místa vzniku budoucí spory- 3. tvorba membrány - sporové septum (přihrádka)- 4. protoplast spory, od cytoplazmy buňky oddělený vlastní memb.- 5. vnější obal spory (kortex) a nakonec plášť- 6. spora dozrává a zbytek mateřské buňky (sporangium) se oddělí- 7. některé druhy mají ještě další obalovou vrstvu – exosporiumTermorezistence - účast iontů vápníku, snížení obsahu vody (asi 15%)- Spory obsahují i enzymy, ze kterých je část termorezistentní- Enzymatické pochody pozastavené - přítomné enzymy jsou vázány na velké inaktivní proteinové komplexy- Spory mohou velmi dlouhou dobu v tomto stadiu, ovšem není to nevyhnutelná fáze jejich individuálního vývinu, poté – v příhodných podmínkách - germinace – klíčení 35
  36. 36. 5. Kontrolní otázky1.Bakteriální bičík2.Bakteriální fimbrie3.Bakteriální slizy a pouzdra4.Rozdělení bakterií5.Aktinomycety6.Mykoplasmy, Rickettsie7.Sinice – obecně8.Stromatolit9.Sinice a eutrofizace vod10.Eukaryotické organismy11.Rostlinná s živočišná buňka12.Cytoskelet eukaryot13.Buněčné jádro14.Chromosom15.Endoplasmatické retikulum16.Mitochondrie17.Chloroplasty18.Ostatní plastidy a vakuoly19.Golgiho komplex20.Lysosomy5/1 Bakteriální buňka – bičíky - bičíky - tenká vlákna - bazální disk - tloušťka od 10 – 20 nm, délka …, počet od 1 – 100 (taxonomie)1. Monotricha dopředu s malými odchylkami na obě strany2. Lofotricha vlnovitý a to buď dopředu, nebo dopředu i dozadu3. Amfitricha přímočarý dopředu i dozadu4. Peritricha v libovolném směru (E. coli, Bacillus subtilis) - Aktivní pohyb - počáteční fáze růstu, - starší bičíky ztrácí, ne však svou životnost, - pohyblivost - vnější činitelé - globulární bílkovina flagelin - receptory signálů prostředí 36
  37. 37. 5/2 Bakteriální buňka – fimbrie - Fimbrie (pilusy) polymer z bílkovin (závitnice) - u některých G- - přichycení - patogenní - virulentní s fimbriemi – Neisseria gonorrhoeae - adsorpce bakteriofágů5/3 Bakteriální buňka – slizy a pouzdra - slizová vrstva - polymer vysoké viskozity, nemá tvar ani strukturu - může být smyt - zooglea více buněk - chrání je hygroskopicitou před vysycháním - Pouzdra mají strukturu - polymery polysacharidů, polypeptidů - pouzdra pod 0,2nm mikropouzdra (mikrokapsuly) - pouzdrová hmota je citlivá na různé enzymy - autoenzymy rozklad hmoty pouzdra - pouzdro není nevyhnutelné - dobrá ochrana, před fagocytózou, buňky virulentnější5/4 Rozdělení bakterií5/5 Aktinomycety- absence jádra, organizace buněk, složení buněčných stěn, metabolizmus N, citlivost na protibakteriální antibiotika a fágy- většina saprofytická, některé parazitují, aktinomykózy – chronické (nejčastěji plíce)- Mycobacterium leprae (malomocenství), M. diphterieae (záškrt)- důležití zástupci půdních organismů- mycelium, hyfy – cca 1µm - bez přehrádky - jediná rozvětvená buňka, spory, sporofory, druhově typické- antibiotika (streptomycin, aktinomycetin, aureomycetin, tetramycin) 37
  38. 38. 5/6 Mykoplasmy, RickettsieMykoplasmy - nejmenší mikroorg., nemají buněčnou stěnu - biosyntetické možnosti limitované - reprodukují se přehrádečným dělením, fragmentací, pučením - živočišné - extracelulární paraziti, přenos dotyk či aerosol - rostlinné - intracelulární paraziti přenos hmyzemRickettsie - mají buněčnou stěnu (citlivé na penicilín a jeho analogy) - ve vodivých pletivech rostlin, (zakrslost vojtěšky)5/7 Sinice (Cyanobacteria) - autotrofní, fotolitotrofní prokaryotické org. - chlorofyl (voda - donor el., na světle uvolňují O2) - některé poutají N2 - zákl. stavba - jednobuněčná, kulovité nebo tyčinkovité - polysacharidový sliz - agregáty jednobuněčných sinic - plynové vakuoly a granule - jednobuněčné se množí dělením, - přisedlé formy uvolňováním exospor - mnohobuněčná vlákna – pospojovaná společnou stěnouhormogonie – rozmnožování, pigmenty, cyanotoxiny - Nostoc - heterocysty, akineta, - vláknité - plazivý pohyb (vylučování slizu) do okolí buněk - v přírodě „vodní květ“Sinice (Cyanobacteria) „ „architekti Zemské atmosféry“ n nejstarší fosílie – z hornin Archeanu 3,5 mld let n nejstarší horniny 3,8 mld. Let c chemické fosílie – rozkladné produkty pigmentů Bitter Springs chert, stř. Austrálie (pozdní Proterozoikum, 850 million let), vlevo kolonie chrookokální, vpravo vláknitá Palaeolyngbya.5/8 StromatolitePrvní bakterie jsou známy z archaika, nalézány jsou stromatolity, tedy horniny obsahující fosíliebakterií, zvláště sinic.Stromatolit (z řeckého strōma - vrstva, a lithos - kámen) je hlízovitá vápnitá biogenní usazeninabochníkovitého až polokulovitého tvaru. Je tvořena povlaky kalu bohatého na vápník, který sevysrážel, nebo jinak dostal na povrch porostů sinic nebo bakterií v bezkyslíkatém (nebo málokyslíkatém) prostředí v mělkých oblastech moří.Stromatolity jsou nejčastěji v ale lze je najít i v staroprvohorních, případně triasových horninách.Dodnes se vyskytují v některých západoaustralských mořských zátokách s vysokou salinitou.Stromatolity patří mezi nejstarší zkameněliny z prekambrických usazenin, jsou staré přibližně 3,5miliardy let. Další nalezené v oblasti u australského North Pole v oblasti Pilbara v západní Austráliijsou z období prekambria a archaika.K nejstarším patří i nálezy z Bolívie, jejich stáří je odhadováno na 2,2 až 2,4 miliard let. vrstvený stromatolite, produkovaný aktivitou prehistorických sinic, vrstvy byly vytvořeny vysráženým uhličitanem vápenatým nad rostoucí spletí vláknitých sinic; procesem fotosyntézy došlo k vyčerpání CO2 v okolní vodě a k iniciaci srážení. 38
  39. 39. Slizový obal některých sinic obsahuje určité množství CaCO3 (1-2 %) => tvorba stromatolitůsinice známy již z doby před 3-2 miliardami let v té době dominantní skupina organismů (viz podíl nazměně složení atmosféry)z této doby dobře zachovány stromatolity, mnohem lépe než z pozdějších dob, kdy se vyvinuli jejichkonzumenti - dnes se mohou vytvořit již jen na extrémních stanovištích (horké nebo slané vody)5/9 Sinice a eutrofizace vodVe srovnání s ostatními českými přehradami patří brněnská nádrž mezi deset nejhorších, pokud jde ovýskyt sinic," uvedl Blahoslav Maršálek z Botanického ústavu Akademie věd.Brněnská přehrada je živnou půdou pro sinice zejména proto, že do ní přitéká padesát šest tunfosforu a sedm set padesát tun dusíku ročně, které se do vodního toku dostávají z povodí řekySvratky.Dosavadní opatření proti sinicím ve světě byla z osmdesáti procent neúspěšná, z patnácti procentúspěšná jen po určitou dobu. Jen v pěti procentech byl úspěch trvalý, a to tam, kde se uskutečnilaopatření v celém povodí vodní nádrže.Možné zdroje znečištění – zastaralé a nefunkční čistírny vodběžných původců vodních květů- rody Microcystis a Anabaena Anabaena scheremetieviSinice (Cyanobacteria, ale také Cyanophyta, Cyanoprokaryota, Archephyta, Myxophyta) je kmen čioddělení gramnegativních bakterií. Vyznačují se schopností fotosyntézy, při níž vzniká kyslík (tzv.oxygenní typ).Buňky sinic jsou jednobuněčné či vláknité, nejčastěji modrozeleně zbarvené a v mnohých ohledechtypicky prokaryotické: obsahují kruhovou molekulu DNA, bakteriální typ ribozomů a chybí u nichsložitější membránové struktury. Fotosyntetická barviva se nachází ve speciálních útvarech,fykobilizomech nebo thylakoidech. K hlavním pigmentům účastnícím se fotosyntézy patří chlorofyl a(někdy též b, c, nebo d) a dále allofykocyanin, fykocyanin, fykoerythrin a další. Sinice se rozmnožujínepohlavně, buněčným dělením či fragmentací vláken.Vyskytují se velmi hojně ve vodním prostředí, ale i v půdě a mnohdy také v extrémních podmínkách,jako jsou pouště či polární oblasti. Velmi často také vstupují do symbiotických vztahů. Vyjmaendosymbioticky vzniklých plastidů je možné se setkat s mnoha případy, kdy sinice pomáhají svémuhostiteli fixovat dusík či uhlík.5/10 Eukaryotické organismy- jádro, jiná struktura chromozomů, membránová soustava,- biomembrány selektivně propustné,- ohraničené reakční prostory - kompartmenty- Kompartmentace - metabolická funkce a koordinace procesů 39
  40. 40. Velikostní porovnání Prokaryotické organismy – základní charakteristiky - jednodušší stavba, - Jediná membrána – cytoplasmatická Zastupuje funkce membrán organel (dýchání, fotosyntéza) a reguluje příjem a výdej látek.5/11 Všeobecná struktura – rostlinná a živočišná buňka:Buněčné povrchy - pouzdro, buněčná stěna, cytoplasmatická membrána cytoplasma, molekula DNA(jádro není oddělené od cytoplasmy membránou) ribosomy, inkluse, pohybové strukturyA) Schéma živočišné buňky:a - lysosom, b - sekreční váček, c - plasmatická membrána, d – Golgiho komplex, e – desmosom(propojení buněk), f - centriol, g - endoplasmatické retikulum, h - jádro, i - jadérko, j - chromatin, k -ribosomy, l - mitochondrie, m - základní cytoplasma.B) Schéma rostlinné buňky:a - vakuola, b - váček, c - plasmatická membrána, d - diktyosom (Golgiho tělísko), e - plastid, f -plasmodesma, g - endoplasmatické retikulum, h - jádro, i - jadérko, j - chromatin, k - ribosomy, l -mitochondrie, m - základní cytoplasma, n - buněčná stěna.Buněčná stěna- rostlinné, bakteriální a houbové buňky,- tvar a pevnost buněk,- buněčná stěna u rostlin - zejména celulóza,- celulóza má micelární strukturu – propustná,- u hub - chitin- chitin - i u živočichů CPM - složená z dvoujvrstvy lipidů a bílkovin, ty jsou integrální a periferní 40

×