Bakteri ve Arkeler: Prokaryotlar

Transkript

1 10 Bakteri ve Arkeler: Prokaryotlar

2 Başlıklar 1 Canlılar nasıl çeşitlendi? 2 Prokaryotlar nerede bulunur? 3 Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 4 Prokaryotların bilinen ana grupları nelerdir? (Arkeler ve bakterilerin farkları) 5 Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler?

3 Yaşamın üç domaini (üst alem/saha/alan): Bakteriler prokaryotlar 26.1 How Did the Living World Begin to Diversify? Arkeler prokaryotlar Ökaryotlar ökaryot Prokaryotlar Ökaryotlar Bakteriler Arkeler Ökaryotlar Kloroplast Mitokondri Hayvanlar Mantarlar Bitkiler Protistler

4 1 Canlılar nasıl çeşitlendi? Tüm domainlerin üyeleri: Glikoliz yapar (glukozdan enerji üretir ATP/NADPH ) Protein kodlayan DNA ya sahiptir DNA yı yarı korunumlu şekilde eşler Benzer genetik kod kullanarak protein üretir. Hücre zarı ve ribozomları vardır.

5 1 Canlılar nasıl çeşitlendi? Prokaryot ve ökaryotların farkları: Prokaryotların hücre iskeleti ve çekirdekleri yoktur; bu yüzden mitoz değil ikiye bölünme ile çoğalırlar. Tek bir DNA molekülü bulunur. Halkasal yapıdadır. Zarla çevrili organelleri yoktur.

6 Table 26.1 Üç temel domain Özellik Bakteriler Arkeler Ökaryotlar Zarla çevrili çekirdek Yok Yok Var Zarla çevrili organeller Yok Yok Var Hücre duvarında peptidoglikan Var Yok Yok Zar lipidlerinde dallanma Yok Var Yok Ribozomlar 70S 70S 80S

7 Arkeler ve ökaryotlar, bakterilere göre daha yakın bir ortak ata paylaşır Çok eski prokaryotlar Yaşamın başlangıcı BAKTERİLER ARKELER ÖKARYOTLAR Geçmiş Tüm günümüz organizmaları bu ortak atayı paylaşır Zaman Günümüz

8 1 Canlılar nasıl çeşitlendi? Üç domainin ortak atası da DNA ya ve RNA ve protein üretmek için gereken mekanizmalara sahipti. Kromozomu muhtemelen halkasaldı. Her üç domain de milyarlarca yıllık evrimin sonucudur ve günümüz koşullarına çok iyi uyum sağlamışlardır. Dolayısıyla hiçbiri «ilkel» değildir. En eski prokaryot fosilleri 3.5 milyar yıl öncesine dayanır ve o zaman bile çeşitlilik vardı.

9 2 Prokaryotlar nerede bulunur? Birey sayısı bakımından prokaryotlar dünyadaki en başarılı organizmalardır. Okyanustaki prokaryot sayısı, görünür uzaydaki yıldızların sayısından 100 milyon kat fazladır. Dünya üzerindeki her çevre koşulunda bulunabilirler

10 2 Prokaryotlar nerede bulunur? Bakterilerde 3 tip şekil bulunur: Küre (kok) (çoğul koki), tek başına veya bloklar, salkımlar halinde bulunabilirler. Çubuk (basil) (çoğul basilli) Sarmal (spiral) Basil ve sarmal şekilliler zincir veya kümeler oluşturabilir

11 Figure 26.2 Bacterial Cell Shapes Kok Basil Sarmal/spiral

12 Arkelerin şekilleriyle ilgili çok fazla bilgi yoktur çünkü çoğunluğu henüz hiç görülmemiştir. Sadece DNA bilgisi vardır. Yine de bazılarının bakteri biçimlerine benzediği görülmüştür Ayrıca kare, şekilsiz, yassı da olabilirler Sulfolobus sülfür ve asitli ortamlarda yaşar Halococcus salifodinae aşırı tuzlu ortamlarda yaşar Stafilothermus marinus Sıcak su kaynaklarında aşırı yüksek sıcaklıklarda yaşar

13 2 Prokaryotlar nerede bulunur? Neredeyse tüm prokaryotlar tek hücrelidir. Zincir veya kümeler halinde de bulunsalar, her hücre birbirinden bağımsızdır. Bu kümeler ikiye ayrılma sırasında hücrelerin birbirine tutunmasıyla oluşur. Zincir görünümünde olan kümelenmeye filament adı verilir. Bunlar dallanma yapabilir veya tüpsü bir kılıf içinde olabilir

14 2 Prokaryotlar nerede bulunur? Prokaryotlar genelde başka türlerle birlikte topluluk (komünite) halinde yaşarlar. Buna mikroskobik ökaryotlar da dahildir. Mikroskopik organizmalar bazen mikrop olarak da adlandırılır. Mikrop komüniteleri çoğunlukla çevrelerine yararlı hizmetlerde bulunur Örnek: bağırsaklarımızda besin sindirimi, atıkların ayrıştırılması.

15 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 1. Mikrop komünitelerinin çoğu biyofilmler oluşturur. Biyofilmler, hücreler katı bir yüzeye temas ederek jel benzeri bir madde salgıladıklarında oluşur ve hücreleri hapseder.

16 Biyofilm oluşumu Serbest yüzen prokaryotlar Sinyal molekülleri Diğer organizmaları çeker Yüzeye tutunma Matriks Geri dönüşsüz bağlanma Sinyal molekülleri Tek tür içeren biyofilm Büyüme ve çoğalma, matriks oluşumu Olgun biyofilm

17 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Bir biyofilmdeki hücreleri öldürmek zordur (Ör: Film antibiyotikleri geçirmeyebilir). Biyofilmler pek çok yüzeyde oluşur: kontak lensler, yapay eklemler, diş plakları, su boruları gibi

18 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Biyofilmlerdeki bakteriler kimyasal sinyallerle iletişim kurarlar. Biyologlar biyofilm oluşumunu engelleyebilmek için bu sinyalleri engelleyecek yöntemler araştırmaktadır. Buna karşın bağırsaktaki biyofilmler besin geçişine yardımcı olur ve aynı zamanda B12 ve K vitamini üretir

19 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 2. Çoğu prokaryotun kalın bir hücre duvarı vardır. Yapısı bitki, alg ve mantarlardan farklıdır. Bakteri hücre duvarı peptidoglikandan oluşur amino-şeker polimeri. Arkelerin hücre duvarları farklı moleküllerden oluşur. Bir tanesi yalancıpeptidoglikandır.

20 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Bir bakteri boyama tekniği olan Gram boyaması, hücre duvarlarının karmaşıklığını ortaya çıkarır. Biri mor, diğeri kırmızı olan iki boya kullanılır. Gram-pozitif bakteriler mor boyayı içine alır ve kırmızıyı geçirmez. Gram-negatif bakteriler kırmızı boyayı içine alır ve moru geçirmez. Bu farklar hücre duvarlarındaki farklılıktan dolayı oluşur.

21 Gram boyaması ve bakteri hücre duvarı Gram-pozitif bakterilerde çoğunluğu peptidoglikandan oluşan yoğun bir hücre duvarı vardır Hücre duvarı Hücre dışı Peptidoglikan Hücre zarı Hücre içi Periplazmik boşluk Gram-negatif bakterilerde çok ince bir peptidoglikan tabaka ve bir de dış zar vardır Hücre duvarının dış zarı Peptidoglikan Hücre zarı Periplazmik boşluk

22 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Bakteri hücre duvarları genellikle bu canlılara karşı üretilen ilaçların hedefidir. Penisilin gibi antibiyotikler bakteride hücre duvarı sentezini engelleyerek etki gösterirler. Bu sayede ökaryot hücrelerine zarar vermezler.

23 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 3. Bazı prokaryotlar hareket etme özelliğine sahiptir. i. Sarmal bakteriler, ör; spiroketler, tirbuşon gibi hareket yaparak ilerler. ii. Bazıları süzülerek ve bazıları da yuvarlanarak ilerler. iii. Bazı siyanobakterler gaz keselerindeki gaz miktarını değiştirerek suda yukarı aşağı hareket eder.

24 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? net/p/d30_11_197/d30_11_197_de tail.mp4 Vibrio anguillarum siyanobakter, Spirulina =YIUi26dgkX0

25 Prokaryot hareketiyle ilgili yapılar Aksiyal filamentler Dış zar Hücre duvarı Gaz kesecikleri

26 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? iv. En bilinen prokaryot hareket yapısı kamçı (flagella) dır. Kamçı, hücreye tutunduğu noktada dönerek hareket sağlar.

27 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 4. Prokaryotlar kimyasal sinyallerle iletişim kurarlar. Çoğunluğu algılama (Quarum sensing): Bakteriler, ortamdaki kimyasal sinyallerin miktarına göre popülasyonun büyüklüğünü algılarlar. Sayıları yeterli olduğunda biyofilm oluşturma gibi işlemler başlatılır.

28 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Ateş böceklerinde olduğu gibi, bazı bakteriler biyoluminesans ile ışık yayarlar. Genelde belirli bir çoğunluk algılandığında ışık yayılır. Örnek: Vibrio kolonileri balıkların onları yemeleri için ışık yayarlar çünkü en iyi balıkların sindirim sistemlerinde gelişirler. Hint Denizindeki Vibriolar uzaydan görünebilmektedir.

29 Figure 26.8 Bioluminescent Bacteria Seen from Space

30 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? 5. Prokaryotların kullandığı metabolik yolaklar çok çeşitlidir. Ökaryotların metabolizmaları çok daha sınırlıdır. Enerjilerinin çoğu ya mitokondri ya da kloroplasttan sağlanır. Bunlar da zaten bakterilerden türemiştir. Prokaryotların uzun evrimsel tarihi çok çeşitli hayat tarzları oluşturmuştur: Elektron alıcısı olarak oksijen kullanıp kullanmamaları Enerji kaynakları Karbon kaynakları değişkendir

31 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? A) Oksijen kullanma: i. Anaeroblar: - Zorunlu anaerob - Geçici anaerob - oksijene tahammüllü anaerob ii. Aeroblar: Zorunlu aerob

32 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Anaeroblar solunumda elektron alıcısı olarak oksijen kullanmazlar. Zorunlu anaeroblar: oksijen bu canlilar için ölümcüldür. Geçici anaeroblar: Metabolizmalarını oksijenli ve oksijensiz durumlara göre değiştirebilirler Ör: fermentasyon. Tahammüllü anaeroblar: oksijenli solunum yapmazlar fakat ortamda oksijen bulunması onlara zarar vermez. Zorunlu aeroblar: Oksijen olmazsa yaşayamazlar

33 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? B) Beslenme biçimleri: Organizmalar enerji ve karbon ihtiyaçlarını nasıl karşılar BESLENME ENERJİ KAYNAĞI KARBON KAYNAĞI Fotoototroflar Işık Karbon dioksit (her 3 domainde bulunur) Fotoheterotrof Işık Organik bileşikler (Bazı bakteriler) Kemolitotroflar İnorganik Karbon dioksit (bazı bakteriler, maddeler çoğu arke) Kemoheterotroflar Organik Organik (Her 3 domainde bileşikler bileşikler bulunur) Prokaryotlar her dört kategoride de bulunur

34 Siyanobakter 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Fotoototroflar: fotosentez yapar. ÖR: Siyanobakter (mavi yeşil alg) klorofil a kullanır ve O 2 son üründür Diğer bakteriler bakterioklorofil kullanır ve O 2 açığa çıkarmazlar. Bazıları H 2 O yerine elektron verici olarak H 2 S kullanır ve sülfür açığa çıkarır. Bakterioklorofil daha uzun dalga boylarındaki ışığı soğurabilir. Dolayısıyla yoğun alg tabakaları altında yaşayabilirler.

35 Figure 26.9 Bacteriochlorophyll Absorbs Long-Wavelength Light Algler mavi ve kırmızı dalgaboylarındaki ışığı soğurur. Bu yüzden altlarında yaşayan bakteriler ışık alamaz Mor sülfür bakterisi Yeşil alg Bakterioklorofil kullanan bakteriler uzun dalga boyundaki ışığı kullanır bu yüzden alglerin altında yaşayabilir

36 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Fotoheterotroflar: Enerji kaynağı olarak ışığı kullanır fakat başka canlıların ürettiği organik karbona ihtiyaçları vardır. Örnek: Mor sülfür kullanmayan bakteriler. Işık fotofosforlanma yoluyla ATP sağlar.

37 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Kemolitotroflar (kemoototrof) inorganik bileşikleri yükseltgeyerek enerji elde ederler: Amonyak, nitrit, H 2, H 2 S, S, ve benzeri molekülleri kullanırlar. Bu enerjiyi CO2 bağlamak için kullanırlar Çoğu arke kemolitotroftur Derin hidrotermal ekosistemler kemolitotroflara bağlıdır. Volkanik kayalardan salınan H 2 S ve diğer bileşikleri diğer canlıların kullanabileceği organik bileşiklere dönüştürürler.

38 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Kemoheterotroflar: Hem enerji hem de karbonu organik bileşiklerden elde ederler Bilinen çoğu bakteri ve arke, tüm hayvanlar, rüm mantarlar, ve çoğu protist.

39 3. Prokaryotların başarılarının temeli nedir? Azot ve sülfür metabolizması: Bazı bakteriler elektron taşıma sisteminde elektron alıcısı olarak nitrat, nitrit veya sülfat kullanır. i. Denitrifikasyon bakterileri: Oksijensiz koşullara maruz kaldıklarında elektron alıcısı olarak NO 3 kullanır ve atmosfere N 2 salar - Bacillus ve Pseudomonas. ii. Nitrojen bağlayıcılar: N 2 gazını amonyağa çevirirler. Bu hayati olay çoğu arke ve bakteri tarafından gerçekleştirilir. iii. Nitrifikasyon bakterileri: Amonyağı nitrata yükseltgeyen kemolitotroflardır. Elde edilen elektronlar taşıma sisteminde kullanılır.

40 5. Prokaryotların sınıflandırması Günümüzde kabul edilen sınıflandırma sistemine göre 12 den fazla bakteri grubu bulunmaktadır. Bunlardan 6 tanesini inceleyeceğiz. Üç bakteri grubu termofildir sıcak seven. En eski gruğlar olduğu düşünülürken son DNA analizleri daha yakın zamanda ortaya çıktıklarını göstermiştir.

41 Figure Two Domains: A Brief Overview Spiroketler Klamidyalar Yüksek GC Gram pozitif Tüm canlıların ortak atası Siyanobakterler Düşük GC Gram pozitif Proteobakterler Krenarkeota Öryarkeota Ökaryotlar

42 5. Prokaryotların sınıflandırması 1. Spiroketler: Gram negatif Hareketli Kemoheterotrof Çoğu insan paraziti olarak yaşar Azı zararlıdır Sifilis, Lyme hastalığı Diğerleri çamur veya suda serbest oloarak yaşar

43 5. Prokaryotların sınıflandırması 2. Klamidyalar: Gram negatif kok Çok küçük boyutlu Tamamı parazit olarak yaşar İnsanlarda göz enfeksiyonları trahom Cinsel yolla bulaşan hastalıklar Bazı zatürre türleri

44 5. Prokaryotların sınıflandırması 3. Yüksek GC Gram pozitifler: Aktinobakterler olarak bilinir Yüksek GC: DNA yapılarında G-C baz çifti miktarı A-T baz çiftlerinden daha fazladır Üretilen antibiyotiklerin çoğu bu bakterilerden sağlanır Ör: Streptomisin Tüberküloza yol açan Mycobacterium tuberculosis 3 milyon yıl önce Doğu Afrika da ortaya çıkmıştır.

45 5. Prokaryotların sınıflandırması 4. Siyanobakterler: Mavi yeşil alg de denir. Yaşamak için sadece su, azot gazı, karbon dioksit, ışık ve birkaç element yeterlidir. Fotosentez yapar ve oksijen üretirler Bu sayede dünyanın atmosferinde O2 oluşmuştur Çoğu tür azot bağlayıcıdır.

46 5. Prokaryotların sınıflandırması 5. Düşük GC Gram pozitifler: G-C oranları A-T oranına göre düşüktür Aslında bazıları Gram negatiftir ve bazılarının hücre duvarı bile yoktur fakat DNA analizlerine göre bu şekilde sınıflandırma uygun görülmüştür Bazı türleri uygun olmayan çevre koşullarında endospor oluşturur Yarı cansız durum Çok zor koşullara dayanıklıdır, 1000 yıl sonra bile tekrar canlı hale gelebilir Bu özellikleri biyolojik silahlarda kullanılır: Bacillus anthracis Antraks hastalığı: Endosporlar bağışıklık sistemi hücreleriyle karşılaşınca tekrar canlı hale gelir Diğer örnekler: Stafilokoklar solunum, sindirim enfeksiyonları

47 5. Prokaryotların sınıflandırması 6. Proteobakterler: Bilinen en büyük grup Gram-negatif, sülfür kullanan fotoototroflar. Fakat bunlara benzerliği olmayan bazı türler de bu grup içerisindedir. Ökaryotlardaki mitokondrinin bu gruptan türediği düşünülmektedir. Örnekler: Rhizobium en önemli azot bağlayıcı E. Coli koli basili Salmonella bağırsak enfeksiyonu

48 5. Prokaryotların sınıflandırması Arkeler aşırı koşullarda yaşamalarıyla ünlüdür: yüksek tuz, sıcaklık, yüksek/düşük ph, az oksijen. Fakat diğer arkeler normal çevrelerde yaşar. İki temel gruba ayrılır: Öryarkeota ve Krenarkeota. Yeni keşfedilen iki grup daha: Korarkeota ve Nanoarkeota. Arkeler hakkında çok az bilgi vardır. Hiçbirinde peptidoglikan hücre duvarı bulunmaz ve hücre zarlarında prokaryot ve ökaryotlardan farklı lipidler bulunur.

49 5. Prokaryotların sınıflandırması Çoğu bakteri ve ökaryot hücre zarında gliserole ester bağıyla yağ asitleri bağlanmasıyla oluşan lipidler bulunur. Arke hücre zarı lipidleri gliserole eter bağı ile bağlanan yağ asitlerinden oluşur

50 5. Prokaryotların sınıflandırması The long-chain hydrocarbons in Archaea are unbranched. One class of these lipids has glycerol at both ends, and forms a lipid monolayer. Lipid bilayers and lipid monolayers are both found in the Archaea.

51 Figure Membrane Architecture in Archaea Bazı arkelerde tek katmanlı zar da bulunur. Uzun yağasitlerinin iki ucuna da gliserol bağlıdır Bazı arkelerde ökaryot ve prokaryotlara benzer dizilim gözlenir

52 5. Prokaryotların sınıflandırması Bilinen çoğu Krenarkeota termofilik ve asidofiliktir (asit seven) Sulfolobus sıcak sülfür kaplıcalarında yaşar (70 75 C, ph 2-3). Ferroplasma ph 0 a yakın yerlerde yaşar. Buna rağmen iç ph larını 7 ye yakın tutarlar.

53 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Prokaryotların çok az bir bölümü insan patojenidir (hastalık yapan organizma) Çoğu türden aslında pek çok farklı uygulamada yararlanılır peynir yapımı, atık su temizliği, antibiyotik, vitamin, kimyasal üretimi. Prokaryotların çoğu ayrıştırıcıdır ölü canlılardaki organik maddeleri ayrıştırırlar. Bu sayede karbondioksit gibi ürünler tekrar çevreye verilir ve ekolojik döngüler tamamlanır.

54 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Bitkiler besinleri için projaryotlara muhtaçtır: azot bağlanması ve döngüsüne ihtiyaçları vardır. Geçmişte siyanobakterlerin dünya atmosferinde oksijen oluşumunu sağladığını biliyoruz.

55 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Pek çok prokaryot diğer canlıların içinde veya üzernde yaşar. Hayvanlar sindirim sistemlerinde pek çok prokaryot barındırır. Büyükbaş hayvanlardaki bakteriler, selüloz sindirimini sağlayan selülaz enzimi üretir. İnsan bağırsaklarındaki bakteriler B 12 ve K vitaminleri üretir. Oluşturdukları biyofilm, besin emilimini kolaylaştırır.

56 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Patojen olan prokaryotların hastalık yaptığığı 19. yy da kanıtlanmıştır. Robert Koch Belirli bir organizmanın nasıl hastalık yaptığına kuralları öne sürmüştür Koch un varsayımları.

57 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Koch un varsayımları: Mikroorganizma her zaman hasta kişilerde bulunur. Konak kişiden alınarak kültür ortamında büyütülebilir. Kültürden alınan bir örnek yeni bir kişide hastalık oluşturabilir. Yeni konak kişiden örnek alınırsa yine kültürde büyütülerek aynı organizma elde edilir.

58 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Bir organizmanın patojen olması için: Konak canlının vücut yüzeyine ulaşması Konağın vücuduna girmesi Konağın bağışıklık sisteminden kaçması Konak içinde üremesi Yeni bir konağı enfekte etmesi gerekir

59 6. Prokaryotlar çevrelerini nasıl etkiler? Bakteri enfeksiyonu: Patojenin yayılma kapasitesine: Konak içinde çoğalma kapasitesi. Toksik madde üretme kapasitesine bağlıdır.

60 26.6 How Do Prokaryotes Affect Their Environments? Corynebacterium diphtheriae (difteri) düşük yayılma fakat ürettiği toksinler tüm vücudu etkiler. Bacillus anthracis (antraks) düşük toksisite fakat yüksek yayılma. Tüm kan dolaşımına yayılır.

61 26.6 How Do Prokaryotes Affect Their Environments? Salmonella enteritidis bölünmesi 59/view