BAKTERĠLERĠN YAPISI, ÜREME ÖZELLĠKLERĠ VE GENETĠĞĠ Doç.Dr. Hikmet Eda Alışkan Mikrobiyoloji ve Klinik Mikrobiyoloji ABD
Hücre nedir? Hücre, yaşayan organizmaların temel yapıtaşıdır.
Hücre yapısı Hücreler, bir çekirdeğe (genetik materyal ve onu saran bir zar) sahip olup olmamalarına göre iki büyük gruba ayrılır. Belirgin bir çekirdeğe (nukleus) sahip olan hücreler ökaryot (Yunanca gerçek çekirdek), Çekirdeğe sahip olmayan hücreler ise prokaryot (Yunanca primitif çekirdek) olarak isimlendirilir.
Hücre Yapısı Ökaryotlar: Hayvan, insan, bitki ve mantarlara ait hücrelerdir Prokaryot: Bakteriler ve mavi-yeşil algler Prokaryot hücreleri, ökaryot hücrelerden ayıran en önemli fark bir çekirdek zarına sahip olmamalarıdır.
Tablo 1: Prokaryot ve ökaryot hücrelerin temel özellikleri Ökaryot Prokaryot Ana gruplar Mantar, protozoa, bitki Bakteriler, mavi-yeşil algler Büyüklük >5 µm 0,5-3,0 µm Çekirdek zarı Var Yok Kromozom Diploid, linear DNA Haploid, bir tane, çembersel DNA Mitokondri Var Yok Golgi aygıtı Var Yok Endoplazmik retikulum Var Yok Ribozom (sedimentasyon katsayısı) 80 S (60S+40S) 70 S (50S+30 S) Sitoplazmik zar Sterol içerir Sterol içermez (Mycoplasma spp. hariç) Hücre duvarı Sadece mantarlarda var (+) Peptidoglikan, protein ve lipid yapıda Üreme Seksüel ve aseksüel Aseksüel (ikiye bölünme) Hareket Kompleks flajel Basit flajel Solunum Mitokondride Sitoplazmik zarda
Bakteriler 1-5 µm boyutlarındadır Bağımsız olarak yaşayabilen en küçük hücrelerdir Sadece mikroskopta görülebilirler
Bakteriler Her hücrede, genetik bilginin kodlandığı bir DNA genomu bulunur. Bu genetik bilgi, mrna ve ribozomlar aracılığıyla proteinlere dönüştürülür. Sentezlenen bu proteinler, enerji üretimi ve biyosentez için gerekli mekanizmaları kontrol eder.
Bakteriler Tüm yapılar bir zar ile paketlenmiştir. Ayrıca her hücre bölünerek çoğalır. Bu fonksiyonların hepsi temel olarak bütün hücrelerde aynı olmakla birlikte, bakteriler ve çok hücreli canlılarda farklılıklar göstermektedir.
Bakterilerin sınıflandırılması ve isimlendirilmesi Bakteriler, fenotipik, analitik ve genotipik özelliklerine göre sınıflandırılır. Bakterilerin tanımlanmasında öncelikle fenotipik olarak makroskobik mikroskobik biyokimyasal özellikleri incelenir.
Bakteriler Bakteri kolonilerin rengi, şekli ve kokusu gibi özellikler makroskobik tanımlamada kullanılır. Mikroskobik özelliklerin incelenmesinde ise en sık Gram boyama yöntemi kullanılır.
Gram boyama Bakterileri başlıca iki ana sınıfa ayırır. Gram pozitif ve Gram negatif Bu yöntem ile, duvar yapılarının farklı olmasından dolayı, Gram pozitif bakteriler mor, Gram negatif bakteriler pembe-kırmızı boyanır.
Gram Boyama Bu boyama tekniği ile bakteriler ayrıca yuvarlak (kok), çomak (basil) ve kıvrık (spiral) şekilli olarak sınıflandırılabilir.
Gram boyama yöntemi Preperat hazırlama 1) Agar plağından 2) Kültür tüpünden
Agar plağı Kültür tüpü
Bakterinin alınması Öze yardımı koloniler alır
Steril etmek için bunzen beki kullanılır Temiz bir preparata bakteri yayılır
1- Kristal viyolet damlatılır (1 dk) 2-Çeşme suyunda yıkanır 3-Ġodine solusyonu (1 dk) 4-Yıkanır 5-Alkol ile yıkanır 6-Safranin veya sulu fuksinle boyama 7-Yıkanır, kurutulur
Bakteriler nasıl boyanır? Gram negatif Gram pozitif
Gram pozitif kok Gram negatif kok
Gram pozitif basil Gram negatif basil
Bakteri şekilleri
Bakterilerin tanımlanması Bakteri tanımlanmasında en sık kullanılan yöntem; Çeşitli biyokimyasal özelliklerin Karbonhidratları fermente etme yeteneği, katalaz, koagülaz, proteaz, lipaz gibi enzimlerin varlığı gibi tespit edilmesidir
Bakterilerin tanımlanması Bakterilerin analitik özellikleri (hücresel yağ asidi, protein ve enzim analizleri), bakterilerin cins, tür ve alt tür düzeyinde sınıflandırılmasında kullanılır. Bakteri tanımlanmasında en doğru sonuç ise bakterilerin genetik yapısının incelenmesi sonucu elde edilir.
Bakterilerin isimlendirilmesi Bakteriler isimlendirilirken önce cins ismi (ilk harf büyük) sonra tür ismi (ilk harf küçük) kullanılır ve italik harflerle yazılır. Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus v.b
BAKTERĠ HÜCRESĠNĠN GENEL YAPISI Flajel İnklüzyon cisimleri Ribozomlar Hücre duvarı Sitoplazmik zar Kapsül Pili Sitoplazma Mezozom Nükleoid
A. Sitoplazmik Yapılar Sitoplazma, hücre zarfı ile çevrelenmiş, DNA, mrna, ribozomlar, metabolitler, enzimler, iyonlar, plazmidler ve depolanmış granülleri içeren amorf ve sulu bir sıvıdır. Gram pozitif ve negatif bakterilerin sitoplazmik yapıları aynıdır.
Bakteri DNA sı ökaryot DNA sından farklı olarak, çift iplikli ve çembersel yapıdadır ve bir tanedir. Bakteri DNA nın sitoplazmada bulunduğu bölge nükleoid olarak isimlendirilir ve ökaryot hücrelerde olduğu gibi belirgin bir zar ile çevrelenmemiştir.
Plazmidler, bakteri kromozomundan bağımsız olarak çoğalabilen, çembersel, ekstrakromozomal DNA molekülüdür. Bakterinin DNA sından farklı olarak hücre canlılığı için gerekli olmayan, Antibiyotiklere karşı direnç ve toksin üretimi gibi çeşitli fonksiyonları kodlayan genleri taşırlar.
Ribozomlar, protein sentezleyen organellerdir. Hem ökaryot hemde prokaryot hücrelerde bulunur. Bakteri ribozomu 30S ve 50S alt ünitelerden oluşur ve 70S ribozom meydana getirir. Ökaryot ribozomu ise 80 S (40S+60S) dir
B. Hücre zarfı Bakteri sitoplazmasını dışarıdan çevreleyen yapıların tümüne hücre zarfı adı verilir. Hücre zarfı, hücre duvarı ve sitoplazmik zarı içerir.
I-Sitoplazmik (Hücre) zar Sitoplazmik zar, ökaryot hücre zarı ile benzer olarak çift tabakalı fosfolipid yapıdadır. Bununla birlikte ökaryotlardan farklı olarak sterol içermez (Mycoplasma spp. hariç). Zarın dış tabakası polar fosfat gruplarından, iç tabakası ise polar olmayan lipid zincirlerinden oluşmuştur.
Sitoplazmik (Hücre) zar Bu zar, hücre içine giren ve hücre dışına bırakılan moleküllerin yapısını ve miktarını sınırlayarak seçici geçirgen özelliktedir. Bakteri hücresinde mitokondri, golgi aygıtı, endoplazmik retikulum gibi organeller bulunmaz. Bu organellerin görevini bakteride sitoplazmik zar üstlenmiştir.
Sitoplazmik (Hücre) zar Sitoplazmik zarın başlıca fonksiyonları; a) Seçici geçirgenlik ve madde alışverişi, b) Elektron transportu ve oksidatif fosforilasyon, c) Çeşitli enzimlerin ve proteinlerin hücre dışına salgılanması, d) Biyosentez (hücre duvarı sentezi).
II-Hücre Duvarı Bakteri hücre duvarı, ökaryot hücrelerde bulunmayan ve peptidoglikan (=murein, =mukopeptid) olarak adlandırılan bir ağ yapısındadır. Bakterinin şeklinin korunmasını, Çevre şartlarına (osmotik basınç gibi) dayanıklılığını Fagositoza karşı korunmasını sağlar Bakterinin üreme için bölünmesinde başlangıç rolü oynar
Hücre Duvarı Hücre duvarının yapısı ve fonksiyonları Gram pozitif ve Gram negatif bakterilerde farklıdır.
Gram pozitif bakteri Gram negatif bakteri Dış zar Sitoplazmik zar Sitoplazma Periplazmik aralık Peptidoglikan tabaka
Gram pozitif bakteri duvarı Peptidoglikan tabaka: Gram pozitif bakterilerde peptidoglikan tabaka, kalın ve çok tabakalı bir yapıdır. (%80-85) Bu tabaka, teikoik asit, lipoteikoik asit ve komleks yapıdaki polisakkaritleri de içerir. Protein yapıda olan teikoik asit ve lipoteikoik asit antijeniktir ve önemli virulans faktörlerinden biridir.
Gram negatif bakteri duvarı: Gram pozitif bakteri duvarına göre daha kompleks bir yapıdadır. Başlıca iki tabakadan oluşmaktadır Peptidoglikan tabaka Dış zar Gram pozitif bakterilerden farklı olarak periplazmik aralık bulunur.
Gram negatif bakteri duvarı Peptidoglikan tabaka: Gram negatif bakteri duvarının % 5-10 nunu oluşturur. Teikoik asit ve lipoteikoik asit içermez.
Gram negatif bakteri Dış zar: Peptidoglikan tabakanın dışında yer alır. Gram negatif bakterilere özgüdür. Bakteri sitoplazmik zarı ve dış zar arasındaki boşluğa periplazmik aralık denir. Burada bakteriye ait enzimler (proteaz, lipaz gibi) bulunur.
Gram negatif bakteri Dış zar, iki tabakalıdır ve diğer biyolojik zarlardan asimetrik yapısı ile farklıdır. İç tabaka, sitoplazmik zara benzer ve fosfolipid içerir. Dış tabaka ise lipopolisakkarit olarak isimlendirilir ve diğer biyolojik zarlardan farklı bir yapıdadır.
Dış zar, büyük moleküllere ve hidrofobik moleküllere karşı geçirgenlik bariyeri oluşturur ve bakterinin yapısının korunmasında görev alır. Hücre içine metabolit girişi, dış zarda bulunan porin kanalları aracılığıyla gerçekleşmektedir.
C. Kapsül ve glikokaliks Bazı bakteriler dıştan polisakkarit veya protein yapıda bir kapsül ile kaplıdır. Kapsül antijeniktir. Bakterileri fagositozdan korur, Glikokaliks bazı bakterilerde bulunur ve konak hücreye tutunmayı sağlar. Bu nedenle kapsül ve glikokaliks bakteriler için en önemli hastalandırıcılık (patojenite) özelliklerinden birisidir.
D. Flajel Bakterilerin hareketini sağlayan protein yapıda uzantılardır. Bakteriler yüzeylerinde bir veya birden fazla flajel taşıyabilir. Antijenik yapıdadır.
E. Fimbria (Pili-Pilus) Bakterilerin vücutta hastalık oluşturmasındaki en önemli basamak olan, konak hücreye tutunmayı sağlayan protein yapıda kısa uzantılardır.
F. Spor Bazı bakteriler çevre koşulları bozulduğu (besin maddelerinin azalması gibi) dönemlerde canlı kalmayı sürdürebilmek için yapısal ve metabolik değişikliğe uğrayarak spor meydana getirir. Sporlar bilinen en dirençli canlılardır. Sıcaklığa, ultraviyole ışığına ve kimyasal maddelere dirençlidirler.
BAKTERİYEL ÜREME VE METABOLİZMA Tüm hücreler yaşamlarını sürdürebilmek için belirli metabolik görevleri başarmak zorundadır. Besinlerin alınmasını, Bunların parçalanarak enerji sağlanmasını ve Protein, nükleik asit ve yağ yapıtaşlarının sentezini kapsar.
A. Bakterilerin üreme özellikleri Bakteriler ikiye bölünerek (bir ana hücreden birbirinin aynısı iki yavru hücre oluşur) çoğalır. Bölünme süresi türlere bağlı olarak 20 dakika kadar kısa veya birkaç gün kadar uzun olabilir. Örneğin E. coli nin bir tek hücresinden, uygun bir ortamda sekiz saat sonra 10 milyon hücre üreyebilir.
Daha sonra besin maddeleri azalıp toksik atık ürünler biriktikçe, üreme yavaşlar ve tamamen durur (Durgun faz). Durgun fazdaki hücreler uzun süre bekletilirse tümü ölür.
Bir tek bakteri hücresi bir katı besiyerinin yüzeyine ekilirse, bu hücreden üreyen yeni hücreler bir arada kalır ve gözle görülebilir bir hücre yığını (koloni) meydana gelir. Kolonilerin tüm özellikleri (renk, şekil, koku gibi) bakteri türlerinin tanımlanmasında kullanılır.
B. Metabolizma Bakterilerin üreme ve bölünmesi için; üreme ve beslenme gereksinimleri, uygun sıcaklık ve ph gibi fiziksel faktörleri içeren özel üreme koşulları sağlanmalıdır.
Besinler Her canlı gibi bakterilerde yaşamlarını devam ettirmek ve çoğalmak için karbon ve nitrojen kaynaklarına, suya ve çeşitli iyonlara ihtiyaç duyar. Klinik yönden önemi olan bakterilerin tümü üremek için organik karbonu kullanır (Heterotrof). Enerji ve karbon kaynağı olarak inorganik maddeleri kullanabilen ve karbondioksidi indirgeyebilen organizmalar ise ototrof olarak isimlendirilir.
Bakteriler ayrıca azot, kükürt, fosfor, potasyum, kalsiyum, magnezyum ve demir gibi elementleride kullanır. Bakterilerin çoğu üremek için üreme faktörleri adı verilen ancak organizmanın kendisinin sentezleyemediği çeşitli organik bileşimlere (vitamin gibi) ihtiyaç duyarlar.
Oksijen gereksinimi Bakteriler oksijen varlığında veya yokluğunda üreme yanıtlarına göre sınıflandırılabilirler. Oksijen varlığında üreyen ve enerji üretiminde son elektron alıcısı olarak oksijeni kullanan bakterilere aerop, hem oksijenli ortamda hem de oksijensiz ortamda üreyebilenlere fakültatif anaerob, oksijensiz ortamda üreyebilen ve enerjilerini fermentasyon yolu ile üretenlere anaerob bakteriler denir.
Enerji üretimi Tüm hücreler hayatta kalmak için enerjiye ihtiyaç duyar. Bu enerji, çeşitli organik maddelerin (karbonhidrat, yağ ve protein) parçalanması sonucu (katabolizma) elde edilir ve adenosine triphosphate (ATP) yapısında depolanır. Daha sonra bu enerji, hücre yapıtaşlarının (hücre duvarı, proteinler, yağ asitleri ve nükleik asitler) sentezinde (anabolizma) kullanılır.
Bakteriler karbon kaynaklarından enerji üretmek için başlıca 3 mekanizma kullanır: aerop solunum, anaerob solunum ve fermentasyon.
Aerop solunumda son elektron alıcısı olarak moleküler oksijen görev alır. Anaerob solunum da son elektron alıcısı, moleküler oksijenin dışında inorganik bileşimlerdir (nitrat veya sülfat). Fermentasyon, son elektron alıcısı olarak organik bir metabolik ara ürün (pirüvik asit, asetaldehit gibi) kullanıldığı ve anaerobik solunuma alternatif bir metabolik süreçtir.
Metabolik işlemler tipik olarak hücre dışında, özel enzimler aracılığıyla, büyük makromoleküllerin (proteinler, yağlar ve polisakkaritler) parçalanmasıyla başlar. Daha sonra oluşan küçük moleküller (aminoasitler, serbest yağ asitleri ve monosakkaritler) bu moleküllere özgül transport mekanizmalarıyla hücre içine alınır. Bu metabolitler, hücre içinde ortak bir ara ürüne (pirüvik asit) parçalanır. Pirüvik asitin yapısında bulunan karbon atomları ya enerji üretiminde ya da yeni karbonhidrat, aminoasit, yağ ve nükleik asit sentezinde kullanılır.
BAKTERİ GENETİĞİ Bakteri kromozomu insan kromozomundan farklıdır. Bakteri kromozomu bir tane, çift iplikli, çembersel DNA içerir ve haploiddir (kromozomlarından tek kopya vardır).
İnsan kromozomu ise diploiddir (her kromozomdan iki kopya vardır). Çoğu bakteri hücresi arasında DNA değişimi olur. Bu genetik değişim bakteriye çeşitli avantajlar (antibiyotiklere karşı direnç veya zararlı toksinlerin üretimi) sağlar.
Genler bir bakteri hücresinden diğerine üç ayrı mekanizma ile nakledilebilir. Bu mekanizmalar; Konjügasyon, Transdüksiyon ve Transformasyondur.
Konjugasyon Bakteri hücreleri arasında bir köprü aracılığıyla temas kurulması sonucu, bir hücreden diğer bir hücreye genlerin nakledilmesine konjügasyon denir. Verici ve alıcı hücrelerin, birbirine tutunması ve hücreler arasında DNA nın geçebileceği bir sitoplazmik köprü oluşturması için uygun bir genetik yapıya sahip olmaları gerekmektedir.
Transdüksiyon Bakteri hücreleri arasında temas olmaksızın, bakteriyofaj (bakteri hücresi içinde çoğalan virus) aracılığıyla genler bir hücreden diğerine nakledilir.
Transformasyon Genler bir bakteriden diğerine çıplak DNA aracılığıyla nakledilir.
Saf bakteri kültüründeki tüm hücreler bir tek orijinal hücreden türediği halde, kültür içinde orijinal hücreden farklı ender hücreler bulunabilir. Böyle varyantlar (mutantlar) çoğunlukla DNA dizilimlerindeki değişikliklere (mutasyonlara) bağlı olarak ortaya çıkar.