Prokaryote celler udgør en enorm gruppe af medet små enkeltcellede organismer, blandt andet bakterier og arkæer. Størstedelen er bakterier. Selvom bakterier og arkæer, ligner hinanden, er deres kemiske opbygning forskellig. De tusinder arter af bakterier er forskellige på mange måder, for eksempel deres morfologi (form), kemiske sammensætning, ernæringsmæssige krav, biokemiske aktiviteter og energikilder. Det estimeres at 99% af alle bakterier i naturen, findes i biofilm.
3.2.1 Størrelsen, formen og arrangement af bakterieceller
De fleste bakterier varierer i størrelsen fra 0,2 til 2,0 µm i diameter og fra 2 til 8 µm i længden. De kan være kokkoide (kugleformede), eller stavformede (bacillus) og spiralformede (spirillus).
Kokkoide bakterier er sædvanligvis runde, men kan være ovale, forlængede eller flade på den ene side. Dår kokkoide bakterier deler sig ved reproduktion, kan cellerne forblive fastgjorte til hinanden. Kokkoide celler der forbliver fastgjorte i par, kaldes for diplokokker; dem der forbliver samlet i lange kæder, kaldes for streptokokker. De der deler sig i to planer og forbliver sammen i grupper af fire, kaldes tetrade. Dem der deler sig i tre planer og forbliver sammen i kasseformede grupper af otte, kaldes for sarcina. Dem der deler sig i mange planer og danner vindrueagtige klynger, eller brede flader, kaldes staphylokokker. Disse gruppekarakteristika er ofte nyttige når en bestemt kokkoid bakterie skal identificeres. Se skemaet herunder for en illustration af cellegrupperingerne for kokkoide celler.
Stavformede bakterier deler sig kun over deres korte akse, så der er færre grupperinger af stavormede bakterier end af kokkoide. De fleste stavformede bakterier er enkelte stave og kaldes bacillus. Diplobacillus fremstår som par efter deling og streptobacilli fremstår som kæder. Andre har tilspidsede ender som cigarer. Andre igen er ovale og ligner så meget kokkoide celler, at de kaldes for coccobacillus.
”Bacillus” har to betydninger i mikrobiologien. Som brugt her, henviser bacillus til en bakterieform. Når forbogstavet er stort og ordet er i kursiv, henviser det til en specifik slægt. For eksempel bakterien Bacillus anthracis som forårsager miltbrand. Se skemaet herunder for en illustration af cellegrupperingerne for stavformede celler.
Spiralformede bakterier har en eller flere snoninger; de er aldrig lige. Bakterier der ligner buede, eller bukkede stave, kaldes for vibrio. Andre, kaldes for spirilla (proptrækkerformede), har en spiralform, som en proptrækker og er temmelig stive kroppe. En anden gruppe af spiralformede bakterier, er skrueformede og fleksible; de kaldes for spirochetisk. Modsat spirilla, Modsat spirilla, som bruger propellignende vedhæftninger, kaldet flageller, til at bevæge sig, bruger spirirochete aksiale filamenter, der ligner flageller, men indeholdes i en ydre fleksibel kappe. Se skemaet herunder for en illustration af cellegrupperingerne for spiralformede celler.
Der findes også stjerneformede og rektangulære bakterier, som vist herunder.
Formen på en bakterie bestemmes ved arv. Genetisk, er de fleste bakterier monomorfiske; det betyder at de bevarer en enkelt form. Nogle miljømæssige betingelser, kan dog ændre på den form. Hvis formen ændres, bliver identifikationen svær. Desuden er nogle bakterier, som for eksempel Rhizobium og Corynebacterium, genetisk pleomorfiske, hvilket betyder at de kan have mange former og ikke kun en.
Strukturen for en typisk prokaryotisk celle er vist i figur 3.2.1.1 herunder.
3.2.2 Strukturer eksternt på cellevæggen
Blandt de strukturer der er mulige eksternt på den prokaryote cellevæg er glycocalyx, flageller, aksiale filamenter, fimbriae og pili.
Glycocalyx
Mange prokaryoter udskiller en stof kaldet glycocalyx på deres overflade. Glycocalyx (som betyder sukkerbelægning) er det generelle begreb, der bruges om stoffer der omgiver cellerne. Bakteriernes glycocalyx er en viskøs (klistret), gelantinøs polymer der er på ydersiden af cellevæggen og er sammensat af polysaccharid, polypeptid, eller begge. Dens kemiske sammensætning, varierer bredt med de forskellige arter. For det meste, fremstilles den inde i cellen og udskilles til cellevæggens overflade. Hvis stoffet er organiseret og solidt fastgjort til cellevæggen, beskrives glycocalyx som en kapsel. Tilstedeværelsen af kapsler kan vises med negativfarvning som beskrevet i forrige under 2.3.4 Specialfarvning. Hvis stoffet er uorganisereret og kun løst fastgjort til cellevæggen, beskrives glycocalyx som et slimlag.
I særlige arter, er kapsler et vigtigt bidrag til bakteriens virulens (i hvilken grad et patogen kan forårsage sygdom). Kapsler beskytter ofte patogene bakterier mod fagocytose fra værtens celler (som beskrives senere er fagocytose indtagelse og fordøjelse af mikroorganismer og andre faste partikler). For eksempel producerer Bacillus anthracis en kapsel af D-Glutaminsyre. Da det kun er indkapslede B. anthracis der forårsager miltbrand, antages det at kapslen kan forhindre bakterien i at blive ødelagt af fagocytose.
Et andet eksempel omhandler Streptococcus pneumoniae, som kun forårsager lungebetændelse når bakteriecellerne er beskyttet af en polysaccharid kapsel. Ikke-indkapslede S. pneumoniae kan ikke forårsage lungebetændelse og ødelægges let af fagocytose. Kapslen af polysaccharid i Klebsiella forhindrer også fagocytose og tillader bakterien at fylde og kolonisere luftvejene.
Glycocalyx er et meget vigtigt komponent i biofilm. Et glycocalyx der hjælper celler i en biofilm til at fastgøre sig til deres miljø og til hinanden, kaldes en ekstracellulær polymerisk substans (EPS). Den ekstracellulære polymeriske substans beskytter cellerne inden i, letter kommunikationen mellem dem og gør cellerne i stand til at overleve, ved at fastgøre sig til forskellige overflader i deres naturlige miljø.
Gennem fastgørelsen, kan bakterier vokse på forskellige overflader som sten i floder og åer med kraftig strøm, planterødder, tænder, medicinske implantater, vandledninger og endda andre bakterier. Streptococcus mutanz, en vigtig årsag til caries i tænderne, fastgør sig selv til tændernes overflade ved hjælp af et glycocalyx. S. mutanz bruger muligvis sin kapsel som næringskilde, ved at nedbryde og forbruge sukkerstofferne i den, når energioplaget er lavt. Vibrio cholerae, der forårsager kolera, fremstiller et glycocalyx der hjælper den med at fastgøre sig til cellerne i tyndtarmen. Et glycocalyx kan også beskytte en celle mod dehydrering, og dets viskositet kan forhindre næringsstoffer i at bevæge sig ud af cellen.
Flagel
Nogle prokaryote celler har flageller (ental: flagel), der er lange trådformede vedhæng, som giver bakterier fremdrift. Bakterier der mangler flageller betegnes som atrike (uden fremspring). Flageller kan være peritrike (fordelt over hele cellen), eller polære (i den ene eller begge ender af cellen). Hvis cellen er polær, kan flagellen være monotrik (en enkelt flagel i den ene ende), lobotrik (en samling flageller i den ene ende af cellen), eller amfitrik (flageller i begge ender af cellen). Se figur 3.2.2.1.
Figur 3.2.2.1 – Eksempler på flageller hos prokaryote celler
Flageller har tre grundlæggende dele. Se figur 3.2.2.2. Den lange yderste del, filamentet, har en konstant diameter og indeholder det globulære (groft cirkulære) protein flagellin, ordnet i adskillige kæder der sammenflettes og danner en spiral omkring et hult centrum. Hos de fleste bakterier, er filamentet ikke dækket af en membran eller kappe, som hos de eukaryote celler. Filamentet er fastgjort til en lidt bredere krog, der består af en andet protein. Den tredje del af en flagel, er det basale legeme, der fastgør flagellen til cellevæggen og plasmamembranen.
Det basale legeme består af en lille central rod, indsat i en serie ringe. Gramnegative bakterier indeholder to sæt ringe; det yderste sæt ringe er forankret til forskellige dele af cellevæggen og det indre sæt ringe er forankret til cellemembranen. I grampositive bakterier, er kun det indre sæt ringe til stede. Som det vil blive beskrevet senere, er flageller (cilier) hos eukaryote celler mere komplekse en dem hos prokaryote celler.
Hver prokaryote flagel en halvstiv, spiralformet struktur, der bevæger cellen ved en rotation fra det basale legeme. Rotationen af flagellen er enten med uret eller mod uret omkring dens lange akse (eukaryote flageller, derimod, bugter sig i en bølgelignende bevægelse). Bevægelsen af den prokaryote flagel resulterer fra rotationen i det basale legeme og er den samme som bevægelsen af skaftet i en elektromotor. Som flagellerne roterer, danner de et bundt, der skubber mod den omgivende væske og bevæger bakterien. Flagellens bevægelse, er afhængig af cellens konstante produktion af energi.
Bakteriecellerne kan ændre hastigheden og retningen af rotationen for flagellerne og bliver dermed i stand til forskellige mønstre af motilitet, evnen for en mikroorganisme til at bevæge sig af sig selv. Når en bakterie bevæger sig i samme retning i et tidsrum, kaldes bevægelsen for et ”løb”. ”Løb” bliver afbrudt af pludselige og tilfældige ændringer i retning og dette kaldes ”tumler”. Herefter genoptages et ”løb”. ”Tumler” forårsages af skift af flagellens rotationsretning. Nogle arter af bakterier udrustet med mange flageller – Proteus for eksempel – kan ”sværme” eller vise hurtige bølgelignende bevægelser på tværs af et fast medium.
En fordel ved motilitet er, at de gør en bakterie i stand til at bevæge sig mod et gunstigt miljø, eller væg fra et ugunstigt et. Bevægelsen af en bakterie imod eller væk fra en bestemt stimulans, kaldes for taksis. Sådanne stimulanser er blandt andet kemikalier (kemotaksis) og lys (fototaksis). Motile bakterier indeholder receptorer forskellige steder, så som i eller lige under cellevæggen. Disse receptorer modtager kemiske stimulanser, som for eksempel oxygen, ribose og galactose. Som svar på disse stimulanser, sendes informationen videre til flagellen. Hvis det kemotaksiske signal er positivt, kaldet en attraktant, bevæger bakterien sig mod stimulansen med mange løb og få tumbler. Hvis the kemotaksiske signal er negativt, kaldet en repellent, øges frekvensen af tumbler, som bakterien bevæger sig væk fra stimulansen.
Flagellens protein, kaldet H antigen er brugbar for skelnen mellem serovarer, eller variationer inden for en art af gramnegative bakterier. For eksempel er der mindst 50 forskellige H antigener for E. coli. Disse serovarer identificeret som E. coli O157:H7 er forbundet med fødevarebårne epidemier.
Aksiale filamenter
Spirocheter er en gruppe af bakterier har en unik struktur og motilitet. En af de bedst kendte spirocheter er Treponema pallidum, der forårsager syfilis. En anden spirochete er Borrelia burgdorferi, der forårsager borreliose (borrelia). Spirocheter bevæger sig ved hjælp af aksiale filamenter eller endoflageller, bundter af fibriller, der opstår ved enderne af cellen under en ydre kappe, og snor sig omkring cellen. Se figur 3.2.2.3.
Aksiale filamenter, der er forankret i den ene ende af spirocheten, har en struktur der ligner den for flagellen. Rotationen af filamentet skaber bevægelse af den ydre kappe, som dermed bevæger spirocheterne i en spiralbevægelse. Denne bevægelse er den samme som når en proptrækker bevæger sig gennem en korkprop. Denne spriralbevægelse er sandsynligvis årsagen til, at en bakterie som T. pallidum kan bevæge sig effektivt gennem kropsvæsker.
Fimbrier og pili
Mange gramnegative bakterier, har hårlignende vedhæng, der er kortere, mere lige og tyndere end flageller. Disse strukturer, der består af protein kaldet pilin, anbragt spiralformet omkring en central kerne, er opdelt i to typer, fimbrier og pili og har vidt forskellige funktioner (nogle mikrobiologer bruger de to udtryk i flæng for at henvise til alle sådanne strukturer, men her skelner vi imellem dem).
Fimbrier (Ental = fimbrie), kan opstå ved polerne af en bakteriecelle, eller fordelt ligeligt over hele cellens overflade. Deres antal varierer fra ganske få til adskillige hundrede per celle. Se figur 3.2.2.4. Fimbrier har en tendens til at klæbe til hinanden og til overflader. Som resultat heraf, er de involveret i dannelsen af biofilm og andre aggregeringer på overfladerne af væsker, glas og sten. Fimbrier, kan også hjælpe bakterier til at fastgøre sig på epiteloverflader inde i kroppen. For eksempel, hjælper fimbrier på bakterien Neisseria gonorrhoeae, som forårsager gonorré, den med at kolonisere slimhinderne. Når først denne kolonisation opstår, kan bakterien forårsage sygdom. Fimbierne på E. coli O157, gør denne bakterie i stand til at fastgøre sig til foringen af tyndtarmen, hvor den forårsager en alvorlig vandig diarré. Når fimbrierne mangler (på grund af genetisk mutation), kan koloniseringen ikke foretages og ingen sygdom følger heraf.
Pili (Ental = pilus) er normalt længere end fimbrier og er kun til stede i en eller to per celle. Pili er involveret i motilitet og DNA overførsel. I en type motilitet, kaldet trækmotilitet, udvider en pilus sig, til at tilføre underenheder af pilin, til den får kontakte med en overflade eller en anden celle og trækker sig derefter sammen som pilinunderenhederne adskilles. Dette kaldes for fangkrogsmodellen i trækmotiliteten og resulterer i korte, rykvise, periodiske bevægelser. Trækmotilitet har være observeret hos Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae og i nogle arter af E. coli. Den anden typer motilitet knyttet til pili er glidende motilitet, den glatte, glidende bevægelse af myxobakterier. Selvom den eksakte mekanisme er ukendt for de fleste myxobakterier, bruger nogle pilussammentrækning. Glidende motilitet giver mikroorganismer mulighed, for at bevæge sig i miljøer, med lavt vandindhold, som for eksempel biofilm og jord.
Nogle pili, bruges til at bringe bakterier sammen og tillade overførsel af DNA fra den ene celle til den anden, en proces der kaldes konjugation. Disse pili kaldes konjugations (sex) pili. I denne proces, forbindes en bakteries konjugations pilus kaldet en F+ celle til receptorer på ovefladen af en anden bakterie af samme eller anden art. De to celler opnår fysisk kontakt og DNA fra F+ cellen overføres til den anden celle. Den udvekslede DNA kan tilføre en ny funktion til den modtagende celle, for eksempel antibiotikaresistens eller evne til at fordøje dens næringsmedie mere effektivt. Se figur 3.2.2.4.
3.2.3 Cellevæggen
Cellevæggen på bakterieceller er en kompleks, halvstiv struktur, der er ansvarlig for cellens form. Næsten alle prokaryote celler har en cellevæg der omkranser det underliggende, skrøbelige plasmamembran (cytoplasmamembran) og beskytter den og cellens indre mod skadelige ændringer i det omkringliggende miljø. Se figur 3.2.1.1.
Hovedformålet med cellevæggen, er at forhindre brud på bakteriecellerne, når vandtrykket inde i cellen er højere end uden for cellen. Den hjælper også med at holde formen på en bakterie og fungerer som forankringspunkt for flageller. Som volumen i en bakteriecelle stiger, udvider plasmamembranen og cellevæggene sig ligeledes. Klinisk, er cellevæggen vigtig, fordi den hos nogle arter bidrager til evnen til at forårsage sygdom og er virkningsstedet for nogle antibiotika. Desuden, anvendes den kemiske sammensætning af cellevæggen, til at adskille hovedtyper af bakterier.
Selvom nogle eukaryote celler som planteceller, alger og svampe har cellevægge, er deres cellevægge kemisk forskellige fra dem hos prokaryote celler og er simplere i struktur og mindre stive.
Sammensætning og karakteristika
Bakteriecellevæggen er sammensat af et makromolekylært netværk, kaldet peptidoglycan (også kendt som murein), der optræder enten alene eller i kombination med andre stoffer. Peptidoglycan består af gentagende kæder af disaccharider forbundet med polypeptider, der danner et gitter som omgiver og beskytter hele cellen. Disacchariden består af monosaccherider kaldet N-acetylglucosamin (NAG) og N-acetylmuraminsyre (NAM) (af murus der betyder mur), der er i familie med glucose. Den kemiske struktur for NAG og NAM kan ses i figur 3.2.3.1 og figur 3.2.3.2 for hvordan monosaccheriderne er bundet sammen til disaccheridet.
Figur 3.2.3.1 – Den kemiske struktur for NAG og NAM
De forskellige komponenter af peptidoglycan, samles i cellevæggen. Se figur 3.2.3.3. Vekslende NAG og NAM molekyler er bundet i rækker af 10 til 65 sukkermolekyler og danner en rygrad af kulhydrat (glycandelen af peptidoglycan). Tilstødende rækker er forbundet med polypeptider (peptiddelen af peptidoglycan). Selvom strukturen af polypeptidforbindelsen varierer, inkluderer den altid tetrapeptid sidekæder, der består af fire aminosyrer vedhæftet til NAM molekyler i kulhydratrygraden. Aminosyrerne forekommer i et vekslende mønster af D og L formerne. Dette er unikt, fordi aminosyrerne i andre proteiner kun er på L form. Parallelle tetrapeptid sidekæderne, kan være forbundet direkte med hinanden eller via en peptid tværgående bro, bestående af korte kæder af aminosyrer.
Penicillin forstyrrer den endelig sammenføjning af peptidoglycanrækker med peptid tværgående broer. Som et resultat heraf, bliver cellevæggen kraftigt svækket og cellen udsættes for lysis, der er ødelæggelse af cellen fordi plasmamembranen brister og cellen mister sit cytoplasma, figur 3.2.3.3 øverst.
Den Grampositive cellevæg
I de fleste Grampositive bakterier, består cellevæggen af flere lag af peptidoglycan og danner en tyk, stiv struktur, som vist i figur 3.2.3.3 midt. Derimod, består Gramnegative cellevægge kun et tyndt lag af peptidoglycan, som vist i figur 3.2.2.3 nederst. Mellemrummet mellem cellevæggen og plasmamembranen i Grampositive bakterier, kaldes det plasmiske mellemrum. Det indeholder det kornede lag, som består af teichoinsyre, der primært er sammensat af en alkohol (som for eksempel glycerol eller ribitol) og phosphat. Der er to klasser af teichoinsyre: lipoteichoinsyre, som spænder over peptidoglycanlaget og er knyttet til plasmamembranen og vægteichoinsyre, som er knyttet til peptidoglycanlaget. På grund af deres negative ladning (fra phosphatgruppen), kan teichoinsyre binde og regulere bevægelsen af kationer (positive ioner) ind og ud af cellen. De kan også spille en rolle ved cellevæksten, hvor de forebygger omfattende cellevægssammenbrud og deraf mulig cellelysis. Endelig giver teichoinsyre meget af cellevæggens antigenspecifitet og gør det således muligt at identificere Grampositive bakterier med bestemte larboratorieprøver. På samme måde, er cellevæggene i Grampositive streptokokker dækket med forskellige polysaccharider, som tillader dem at blive grupperet i medicinsk signifikante typer.
Den Gramnegative cellevæg
Cellevæggene på Gramnegative bakterier, består af et eller meget få lag af peptidoglycan og en ydre membran, se figur 3.2.3.3 nederst. Peptidoglycanet er bundet til lipoproteiner i den ydre membran og befinder sig i periplasmaet, en geleagtig væske i det periplasmiske mellemrum på Gramnegative bakterier, som er området mellem den ydre membran og plasmamembranen. Periplasmaet indeholder en høj koncentration af nedbrydende enzymer og transportproteiner. Gramnegative bakteriers cellevægge indeholder ikke teichoinsyre. Fordi cellevæggene på Gramnegative bakterier kun indeholder en lille mængde peptidoglycan, er de mere modtagelige for mekaniske skader.
Den ydre membran på Gramnegative bakterier, består af lipopolysaccharider (LPS), lipoproteiner og phospholipider. Se figur 3.2.3.3 nederst. Den ydre membran har adskillige specialiserede funktioner. Dens stærke negative ladning er en vigtig faktor i undgåelse af fagocytose og komplimenterende handlinger (lysis og celler der fremmer fagocytose), to dele af værtens forsvarsmekanismer. Den ydre membran, virker også som en barriere mod detergenter, tungmetaller, galdesalte, bestemte farvestoffer og antibiotika (for eksempel penicillin), og nedbrydningsenzymer som for eksempel lysosym.
Men den ydre membran blokerer ikke alle miljømæssige stoffer, fordi næringsstoffer skal ind i cellen for at opretholde cellens stofskifte. Den del af gennemtrængningsevnen af den ydre membran, skyldes proteiner i membranen, kaldet poriner. Poriner tillader passage af molekyler såsom nukleotider, disaccharider, peptider, aminosyrer, vitamin B12 og jern.
Lipopolysaccharidet (LPS) i den ydre membran, er et stort komplekst molekyle, der indeholder lipider og kulhydrater og det består af tre bestanddele: (1) lipid A, (2) et kernepolysaccharid og (3) et O polysaccharid. Lipid A er lipiddelen af LPS og er indlejret i det øverste lag af den ydre membran. Når Gramnegative bakterier dør, frigiver de Lipid A, der fungerer som et endotoxin. Lipid A er ansvarlig for symptomerne i forbindelse med infektioner med Gramnegative bakterier så som, feber, udvidelse af blodkar, shock og blodpropper. Kernepolysaccharidet er fastgjort til lipid A og indeholder usædvanlige sukkerarter. Dets rolle er strukturel – at give stabilitet. O polysaccharidet strækker sig udad fra kerne polysaccharidet og er sammensat af sukkermolekyler. O polysaccharidet fungerer som et antigen og er nyttigt til at skelne arter af Gramnegative bakterier fra hinanden. For eksempel bliver det fødevarebårne patogen E. coli O157:H7 adskilt fra andre serotyper, ved bestemte laboratorieprøver, der tester for disse specifikke antigener. Denne rolle er sammenlignelig med teichoinsyrer i Grampositive bakterier.
Cellevæggen og Gramfarvning
Nu hvor vi har forklaret Gramfarvningen og kemien i bakterierne cellevægge, er det nemmere at forstå hvordan Gramfarvningen fungerer. Mekanismen i Gramfarvningen, er baseret på forskellene i cellevæggene hos Grampositive og Gramnegative bakterier og måden hver af dem reagerer på forskellige reagenser (stoffer der bruges til kemiske reaktioner). Krystalviolet, den primære farve, farver både Grampositive og Gramnegative celler, fordi farvestoffet kommer ind i cytoplasmaet hos begge typer celler. Når iodet (bejdsen) påføres, danner det store krystaller med farvestoffet, som er for store til at undslippe gennem cellevæggen. Afvaskningen med ethanol, dehydrerer peptidoglycanet på Grampositive celler og gør den uigennemtrængelig for krystalviolet-iod-komplekset. Effekten på Gramnegative celler er temmelig anderledes. Ethanolen opløser den ydre membran på Gramnegative celler og efterlader endda små huller i det tynde peptidoglycanlag, hvorigennem krystalviolet-iod-komplekset kan passere. Fordi Gramnegative bakterier er farveløse efter ethanolafvaskningen, gør tilførelsen af safranin (kontrastfarvning) at de Gramnegative celler farves lyserøde eller røde. Safranin giver en kontrastende farve til den primære farve (krystalviolet). Selv om både Grampositive og Gramnegative celler absorberer safraning, bliver den lyserøde eller røde farve maskeret, af den mørkere violette farve, der tidligere blev absorberet af de Grampositive celler.
I alle populationer af celler, vil nogle Grampositive celler give et Gramnegativt resultat. Disse celler er normalt døde. Der er dog få Grampositive genera, der viser et stigende antal Gramnegative celler, som kulturen ældes. Bacillus og Clostridium er eksempler herpå og er ofte beskrevet som Gramvariable. Se figur 3.2.3.4.
Tabel 3.2.3.1 viser nogle karakteristika for Grampositive og Gramnegative bakterier.
Atypiske cellevægge
Blandt prokaryoter, er der særlige typer af celler der ikke har nogle cellevægge, eller har meget lidt vægmateriale. Disse inkluderer medlemmerne af slægten Mycoplasma og beslægtede organismer. Mycoplasmaerne er de mindste af de kendte bakterier, der er i stand til at leve og reproducere sig uden for levende værtsceller. På grund af deres størrelse og fordi di ikke har nogen cellevæg, kan de passere gennem bakteriefiltre og blev først forvekslet med virusser. Deres plasmamembran er unik blandt bakterier, ved at have lipider kaldet steroler, som menes at hjælpe til beskyttelse mod lysis.
Arkæer kan mangle cellevæggen eller have cellevægge bestående af polysaccharider og proteiner, men manglende peptidoglycan. Disse cellevægge indeholder dog et stof der ligner peptidoglycan, kaldet pseudomurein. Pseudomurein indeholder N-acetyltalomannuronsyre i stedet for NAM og mangler D-aminosyrerne der findes i bakteriers cellevægge. Arkæer kan generelt ikke Gramfarves, men fremstår Gramnegative, da de mangler peptidoglycan.
Syrefaste cellevægge
Som gennemgået tidligere bruges syrefastfarvning til identifikation af alle bakterier i slægten Mycobacterium og patogene arter af Nocardia. Disse bakterier indeholder høje koncentrationer (60%) af en hydrofobisk voksagtig lipid (mykolsyre) i deres cellevægge, der forhindrer optagelse af farvestoffer, inklusiv dem der anvendes ved Gramfarvning. Mykolsyren danner et lag uden på et tyndt lag af peptidoglycan. Mykolsyren og peptidoglycanet holdes sammen af et polysaccharid. Syrefaste bakterier kan farves med karbolfuchsin, som gennemtrænger cellevæggen mere effektivt, ved opvarmning. Karbolfuchsinen gennemtrænger cellevæggen, binder sig til cytoplasmaet og modstår afvaskning med en syre-alkohol opløsning. Syrefaste bakterier bibeholder karbolfuchsins røde farve, fordi det er bedre opløseligt i cellevæggens mykolsyre, end i syre-alkoholopløsningen. Hvis mykolsyrelaget fjernes fra syrefaste bakterier, vil de farves Grampositive ved Gramfarvning. Se figur 3.2.3.5 for mykolsyres generelle struktur.
Skader på cellevæggen
Kemikalier der skader bakteriers cellevægge, eller forstyrrer deres syntese, skader ofte ikke cellerne i en dyrevært, fordi bakteriecellevæggen er opbygget af andre kemikalier end eukaryoters cellevægge. Cellevægssyntese er derfor målet for nogle antimikrobielle lægemidler. En måde, hvorpå cellevæggen kan beskadiges, er at blive udsat for fordøjelsesenzymet lysozym. Dette enzym forekommer naturligt i nogle eukaryote celler og er en bestanddel af sved, tårer, slim og spyt. Lysozym er særligt aktivt mod de store cellevægskomponenter på de fleste Grampositive bakterier og gør dem sårbare overfor lysis. Lysozym katalyserer hydrolyse af bindingerne mellem sukkerarterne i den gentagne disacchaerid ”rygrad” i peptidoglycan. Denne handling, svarer til at skære stålstøtter af en bro med en skærebrænder: den Grampositive cellevæg, bliver næsten helt ædelagt af lysozym. Det cellulære indhold, der forbliver omgivet af plasmamembranen, kan forblive intakt hvis ikke lysis efterfølgende indtræffer; denne cellevægsløse celle, bliver kaldt en protoplast. Typisk er en protoplast sfærisk og er stadig i stand til at fortsætte sit stofskifte.
Nogle medlemmer af slægten Proteus, såvel som andre slægter, kan miste deres cellevægge og svulme op til uregelmæssigt formede celler, kaldet L form, opkaldt efter The Lister Institute, hvor de blev opdaget. De kan dannes spontant, eller udvikles som respons på penicillin (der hæmmer dannelsen af cellevægge) eller lysozym (der ødelægger cellevæggene). L formerne kan leve og dele sig gentagne gange, eller vende tilbage til stadiet med cellevægge.
Når lysozym bruges på Gramnegative celler, ædelægges cellevæggen sædvanligvis ikke i samme omfang som ved Grampositive celler; noget af den ydre membran forbliver også intakt. I dette tilfælde bliver det cellulære indhold, plasmamembranen og den resterende ydre væg, kaldet en sfæroplast, som også er en kugleformet struktur. Før lysozym kan udøve sin virkning på Gramnegative celler, skal cellerne først behandles med EDTA (ethylendiamintetraeddikesyre). EDTA svækker de ioniske bindinger i den ydre membran og skader den dermed. Det giver lysozym adgang til peptidoglycanlaget.
Protoplastre og sfæroplastre brister i rent vand eller meget fortyndet salt- eller sukkeropløsninger, fordi vandmolekylerne fra den omgivende væske, hurtigt bevæger sig ind i cellen og forstørrer den, da den har en meget lavere koncentration af vand. Dette brud, der kaldes osmotisk lyse, vil blive beskrevet mere detaljeret senere.
Som beskrevet tidligere, kan visse antibiotika såsom penicillin, ødelægge bakterier ved at forstyrre dannelsen af den peptid tværgående bro i peptidoglycan, hvilket forhindrer dannelsen af en funktionel cellevæg. De fleste Gramnegative bakterier er ikke så modtagelige over for penicillin som Grampositive bakterier. Det er fordi den ydre membran hos Gramnegative bakterier danner en barriere, der hæmmer optagelsen af penicillin og andre stoffer og så har Gramnegative bakterier færre peptid tværgående broer. Gramnegative bakterier, er imidlertid ganske modtagelige over for nogle β-lactam antibiotika, som bedre trænger igennem den ydre membran end penicillin.
3.2.4 Strukturer inde bag cellevæggen
Hidtil har vi beskrevet den prokaryote cellevæg og strukturerne uden på cellevæggen. Vi vil nu kigge ind i den prokaryote celle og beskrive de strukturer og funktioner plasmamembranen og komponenterne i cellens cytoplasma har.
Plasmamembranen (cytoplasmisk membran)
Plasmamembranen (den cytoplasmiske membran eller den indre membran), er en tynd struktur der ligger på indersiden af cellevæggen og indeslutter cytoplasmaet i cellen. Se figur 3.2.1.1. Plasmamembranen hos prokaryoter, består primært af phospholipider, der er de mest udbredte kemikalier i membranen og proteiner. Eukaryote plasmamembraner indeholder også kulhydrater og steroler, såsom kolesterol. Fordi prokaryote plasmamembraner mangler steroler, er de mindre stive end eukaryote membranerm En undtagelse er den cellevægsløse prokaryot Mycoplasma, der indeholder steroler i membranen.
Struktur
I elektronmikroskopfotografier, ligner prokaryote og eukaryote plasmamembraner (og de ydre membraner på Gramnegative bakterier), to-lagdelte strukturer; der er to mørke linjer med lyst mellemrum mellem linjerne, se figur 3.2.4.1 (a). Phospholipidmolekylerne er anbragt i to parallelle rækker, kaldet et lipiddobbeltlag, se figur 3.2.4.1 (b). Hvert phospholipidmolekyle, indeholder et polært hoved, der består af en phosphatgruppe og glycerol, der er hydrofilt (vandelskende) og er opløselig i vand og ikke-polære haler, sammensat af fedtsyrer, der er hydrofobe (vandskyende) og er uopløselige i vand, se figur 3.2.4.1 (c). De polære hoveder er på de to overflader af lipiddobbeltlaget og de upolærer haler er i det indre af lipiddobbeltlaget.
Proteinmolekylerne i membranen kan arrangeres på en række forskellige måder. Nogle, kaldet perifere proteiner, fjernes let fra membranen med blide behandlinger og ligger på den indre eller ydre overflade af membranen. De kan fungere som enzymer, der katalyserer kemiske reaktioner, som et ”skelet” til støtte og som formidlere af ændringer i membranens form under bevægelse. Andre proteiner, kaldet integrale proteiner, kan kun fjernes fra membranen, efter lipiddobbeltlaget er blevet forstyrret (af for eksempel detergenter). De fleste integrale proteiner, trænger helt igennem membranen og kaldes for transmembrane proteiner. Nogle integrale proteiner er kanaler, der har en pore eller et hul, hvorigennem stoffer kan trænge ind i eller ud af cellen.
Mange af proteinerne og nogle af lipiderne på den ydre overflade af plasmamembranen, har kulhydrater knyttet til dem. Proteiner bundet til kulhydrater, kaldes for glycoproteiner og lipider knyttet til kulhydrater, kaldes for glycolipider. Både glycoproteinerne og glycolipiderne hjælper med at beskytte og smøre cellen og er involveret i celle-til-celle-interaktioner. For eksempel spiller glycoproteiner en rolle ved visse infektionssygdomme. Influenzavirus og de toksiner der forårsager kolera og botulisme, opnår adgang til deres målceller, ved først at binde sig til glycoproteiner på målcellernes plasmamembraner.
Studier har påvist, at phospholipid- og proteinmolekylerne i membranerne ikke er statiske, men kan bevæge sig frit inden for membranoverfladen. Denne bevægelse, er sandsynligvis forbundet med de mange funktioner, som plasmamembranen udfører. Fordi fedtsyre-halerne holder sammen, danner phosporlipiderne, i nærværelse af vand, et selvtættende dobbeltlag; Som et resultat heraf, kan sprækker og revner i membranen reparere sig selv. Membranen skal være omtrent lige så tyktflydende som olivenolie, der gør det muligt for membranproteinerne at bevæge sig frit nok, til at udføre deres funktioner uden at ødelægge strukturen i membranen. Dette dynamiske arrangement af phospholipider og proteiner omtales som den flydende mosaik model.
Funktioner
Den vigtigste funktion af plasmamembranen, er at tjene som en selektiv barriere, hvorigennem stoffer trænger ud af og ind i cellen. Ved denne funktion har plasmamembranen selektiv permeabilitet (undertiden også kaldet semipermeabilitet). Dette begreb betyder, at visse molekyler og ioner får lov til at passere gennem membranen, mens andre stoppes. Permeabiliteten af membranen afhænger af flere faktorer. Store molekyler (såsom proteiner), kan ikke passere gennem plasmamembranen, sandsynligvis fordi disse molekyler er større end porerne i de integrale proteiner, der fungerer som kabaler. Mindre molekyler (såsom vand, oxygen, kuldioxid og nogle enkle sukkerarter), kan sædvanligvis led passere igennem. Ioner gennemtrænger plasmamembranen meget langsomt. Stoffer der er letopløselige i lipider (såsom oxygen, kuldioxid og ikke-polære organiske molekyler), kommer lettere ind i og ud af cellen end andre stoffer, fordi plasmamembranen hovedsageligt består af phospholipider. Bevægelsen af stoffer på tværs af plasmamembranen afhænger også af transport-molekyler, som bliver beskrevet senere.
Plasmamembranen er også vigtig for nedbrydningen af næringsstoffer og produktionen af energi. Plasmamembranen hos bakterier indeholder enzymer, der er i stand til at katalysere den kemiske reaktion, der nedbryder næringsstoffer og producerer ATP. I nogle bakterier findes pigmenter og enzymer involveret i fotosyntese, i folder i plasmamembranen, der strækker sig ind i cytoplasmaet. Disse hindeagtige strukturer kaldes for kromatoforer. Se figur 3.2.4.2.
Set med et elektronmikroskop, synes bakterielle plasmamembraner ofte at indeholde en eller flere store, uregelmæssige folder, kaldet mesosomer. Mange funktioner er blevet foreslået til mesosomerne. Det er dog nu kendt, at de er artefakter og ikke ægte cellestrukturer. Mesosomer menes at være folder i plasmamembranen, der udvikles ved den anvendte proces for fremstilling af præparater til elektronmikroskopi.
Ødelæggelse af plasmamembranen af antimikrobielle stoffer
Fordi plasmamembranen er afgørende for den bakterielle celle, er det ikke overraskende, at flere antimikrobielle midler udøver deres virkninger dette sted. Ud over de kemikalier, som beskadiger cellevæggen og derved indirekte udsætter plasmamembranen for skadevirkninger, beskadiger mange midler direkte plasmamembranen. Disse stoffer indbefatter visse alkoholer og kvaternære ammoniumforbindelser, der anvendes som desinfektionsmidler. Ved at forstyrre membranens phospholipider, forårsager en gruppe antibiotika kendt som polymyxiner, lækage af det intracellulære indhold og heraf følgende celledød.
Bevægelsen af stoffer på tværs af plasmamembranen
Stoffer bevæger sig på tværs af plasmamembranen hos både prokaryote og eukaryote celler ved to slags processer: passive og aktive. I passive processer, krydserstoffer membranen, fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration (flytning af stoffer ved hjælp fra koncentrationsgradienten eller -forskel), uden forbrug af energi fra cellen. I aktive processer, skal cellen bruge energi, til at flytte stoffer fra områder med lav koncentration til områder med høj koncentration (flytning af stoffer mod koncentrationsgradienten).
Passive processer
Passive processer omfatter simpel diffusion, fremmet diffusion og osmose.
Simpel diffusion er nettobevægelse (total) af molekyler eller ioner fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration. Se figur 3.2.4.3 (a). Bevægelsen fortsætter indtil molekylerne eller ionerne er jævnt fordelt. Punktet hvor der er en lige fordeling, kaldes for ligevægt. Celler er afhængige af simpel diffusion, til at transportere visse små molekyler, såsom oxygen og kuldioxid, på tværs af deres cellemembraner.
I fremmet diffusion, fungerer integral proteiner i membranen som kanaler eller bærere, som letter bevægelsen af ioner eller store molekyler gennem plasmamembranen. Sådanne integrale proteiner kaldes transportører eller permeaser. Fremmet diffusion ligner simpel diffusion ved, at cellen ikke forbruger energi, fordi stoffet bevæger sig fra en høj koncentration til en lav koncentration. Processen adskiller sig fra simpel diffusion, ved brug af permeaser. Nogle permeaser tillader passage af overvejende små, uorganiske ioner, der er for hydrofile til at kunne passere det ikke-polære indre af lipiddobbeltlaget. Se figur 3.2.4.3 (b). Disse permeaser, der er almindelige i prokaryoter, er ikke-specifikke og tillader en bred vifte af ioner eller små molekyler, at passere gennem kanalerne i de integrale membranproteiner. Andre permeaser, som er almindelige i eukaryoter, er specifikke og transporterer kun bestemte og sædvanligvis store molekyler, såsom simple sukkerarter (glucose, fructose og galactose) og vitaminer. I denne proces, binder det stof der skal transporteres sig til en specifik permease (integral protein) på den ydre overflade af plasmamembranen, der så undergår en ændring i form; herefter frigiver permeasen så stoffet på den anden side af plasmamembranen. Se figur 3.2.4.3 (c)
In nogle tilfælde er molekylerne, som bakterierne behøver, for store til at blive transporteret ind i cellerne ved disse processer. De fleste bakterier, producerer imidlertid enzymer, der kan nedbryde store molekyler til mindre dele (såsom proteiner til aminosyrer og polysaccharider til simple sukkerarter). Sådanne enzymer, der frigives af bakterierne til det omgivende medium, kaldes passende ekstracellulære enzymer. Når enzymerne nedbryder de store molekyler til underenheder, bliver underenhederne transporteret ind i cellerne ved hjælp af permeaser. For eksempel, henter specifikke bærere purin DNA-baser, som for eksempel guanin fra det ekstracellulære medium (uden for cellen) og transporterer dem ind i cellens cytoplasma.
Osmose er nettobevægelse af vandmolekyler igennem en selektiv permeabel membran, fra et område med høj koncentration af vandmolekyler (lav koncentration af opløste molekyler), til et område med lav koncentration af vandmolekyler (høj koncentration af opløste molekyler). Vandmolekyler kan passere gennem plasmamembranen ved at passere gennem lipiddobbeltlaget ved simpel diffusion eller ved integrale membranproteiner, kaldet aquaporiner, der fungerer som vandkanaler. Se figur 3.2.4.3 (d).
Osmose kan påvises med forsøgsopstillingen vist i figur 3.2.4.4 (a). En pose fremstillet af cellofan, der er en selektiv permeabel membran, er fyldt med en 20% opløsning af sacharrose (almindeligt sukker). Cellofanposen anbringes i et bægerglas der indeholder destilleret vand. Begyndelsesvis er koncentrationerne af vand på begge sider af cellofanmembranen forskellig. På grund af sacharrosemolekylerne er koncentrationen af vand mindre inde i cellofanposen. Derfor vil bandet bevæge sig fra bægerglasset (hvor koncentrationen af vand er højere) og ind i cellofanposen (hvor koncentrationen af vand er lavere).
Sacharrose bevæger sig ikke ud af cellofanposen og ud i bægerglasset, da cellofan ikke er permeabel for sacharrose – sukkermolekylerne er for store til at kunne passere igennem cellofanens porer. Som vand bevæger sig ind i cellofanposen, bliver sacharroseopløsningen i stigende grad fortyndet og fordi cellofanposen har udvidet sig til sin maksimale størrelse, begynder vandet at bevæge sig op i glasrøret. Med tiden, begynder det vand der har hobet sig op i cellofansækken og i glasrøret, at yde et nedadrettet tryk, der tvinger vandmolekylerne ud af cellofanposen og tilbage til bægerglasset. Denne bevægelse af vand gennem en selektiv permeabel membran frembringer et osmotisk tryk. Det osmotiske tryk, er det tryk, der kræves for at forhindre bevægelse af rent vand (vand uden nogle opløste stoffer) ind i en opløsning med nogle opløste stoffer. Med andre ord, er det osmotiske tryk, det tryk der er nødvendigt for at bremse strømmen af vand på tværs af den selektivt permeable membran (cellofan). Når vandmolekylerne tilføres og forlader cellofanposen med samme hastighed, er ligevægten nået. Se figur 3.2.4.4 (b).
En bakteriecelle kan underkastes en af tre typer af osmotiske opløsninger: isotonisk, hypotonisk eller hypertonisk. En isotonisk opløsning, er en opløsning, hvor den samlede koncentration af opløste stoffer er lig den, der findes i en celle (iso betyder lige). Vand bevæger sig ind i og ud af cellen med samme hastighed (ingen nettoændring); cellens indhold er i ligevægt med opløsningen uden for den cytoplasmiske membran. Se figur 3.2.4.4 (c).
Som tidligere nævnt, kan lysozym og visse antibiotika (for eksempel penicillin), skade bakterielle cellevægge, hvilket får cellerne til at springes eller lysere. En sådan bristning af cellen opstår, fordi bakteriel cytoplasma normalt indeholder høje koncentrationer af opløste stoffer, og der ved cellevæggens ødelæggelse kommer yderligere vand ind i cellen ved osmose. Den skadede (eller ødelagte) cellevæg kan dermed ikke begrænse ekspanderingen af den cytoplasmiske membran og membranen brister. Dette er et eksempel på lysis, forårsaget af nedsænkning i en hypotonisk opløsning. En hypotonisk opløsning, er en opløsning, hvor koncentrationen af opløste stoffer er mindre end inde i cellen (hypo betyder under eller mindre). De fleste bakterier lever i hypotoniske opløsninger og cellevæggen er modstandsdygtig over for osmose og beskytter dermed cellen mod lysis. Celler med svage cellevægge, som for eksempel Gramnegative bakterier, kan briste eller underkastes osmotisk lysis som følge af ukontrolleret optag af vand i cellen. Se figur 3.2.4.4 (d).
En hypertonisk opløsning, er en opløsning med en højere koncentration af opløste stoffer end inde i cellen (hyper betyder over eller mere). De fleste bakterieceller, der bliver anbragt i en hypertonisk opløsning vil skrumpe og kollapse, eller udsættes for plasmolyse, fordi vand forlader cellerne ved osmose. Se figur 3.2.4.4 (e). Husk, at udtrykkene isotonisk, hypotonisk og hypertonisk beskriver koncentrationen af opløste stoffer i opløsningen uden for cellen, i forhold til koncentrationen af opløste stoffer inde i cellen.
Aktive processer
Simpel diffusion og fremmet diffusion, er nyttige mekanismer for transport af stoffer ind i cellen, når koncentrationen af stofferne er større uden for cellen. Men når den bakterielle celle er i et miljø, hvor der er lav koncentration af næringsstoffer, skal cellen bruge aktive processer, som for eksempel aktiv transport og gruppetranslokation, for at opsamle de nødvendige stoffer.
Ved udførelsen af aktiv transport, bruger cellen energi i form af ATP, til at flytte stoffer gennem plasmamembranen. Blandt de stoffer som transporteres aktivt er ioner (for eksempel Na+, K+, H+, Ca2+ og Cl–), aminosyrer og simple sukkerarter. Selv om disse stoffer også kan bevæge sig ind i celler ved passive processer, kan deres bevægelse gå i mod koncentrationsgradienten ved aktive processer, så cellen kan optage de nødvendige stoffer. Bevægelsen af et stof ved aktiv transport, foregår sædvanligvis fra ydersiden til indersiden, selv om koncentrationen kan være meget højere inde i cellen. Ligesom ved fremmet diffusion, afhænger aktiv transport af transportproteiner i plasmamembranen. Se figur 3.2.4.3 (b). Der synes at være forskellige transportører for hvert stof, eller gruppe af nært beslægtede stoffer. Aktiv transport giver mikroorganismerne evnen, til at transportere stoffer genemme plasmamembranen ved en konstant hastighed, selv om de er en mangelvare.
Ved aktiv transport, bliver det stof der krydser plasmamembranen, ikke ændret ved transporten gennem membranen. I gruppetranslokation, der er en særlig form for aktiv transport der udelukkende forekommer i prokaryoter, bliver stoffet kemisk ændret under transporten gennem membranen. Når stoffet er ændret og er kommet ind i cellen, bliver plasmamembranen uigennemtrængelig for det, så det bliver inde i cellen. Denne vigtige mekanisme, gør det muligt for en celle at ophobe forskellige stoffer, selv om de kan være i lave koncentrationer uden for cellen. Gruppetranslokation kræver energi leveret af højenergi-phosphatforbindelser, som for eksempel phosphoenolpyrodruesyre (PEP).
Et eksempel på gruppetranslokation, er transporten af sukkerarten glucose, som ofte bruges i vækstmedier for bakterier. Mens et specifikt bærer-protein transporterer glukosemolekylet gennem plasmamembranen, bliver en phosphatgruppe tilføjet til molekylet. Denne phosphorylerede form af glucose, kan ikke transporteres ud af cellen og kan efterfølgende anvendes i cellens metaboliske systemer.
Nogle eukaryote celler (dem uden cellevægge) kan bruge to ekstra aktive transportprocesser, kaldet fagocytose og pinocytose. Disse processer, der ikke forekommer i bakterier, beskrives senere.
Cytoplasma
For en prokaryot celle, refererer begrebet cytoplasma, til indholdet inden for plasmamembranen. Se figur 3.2.1.1. Cytoplasma består af omkring 80% vand og indeholder primært proteiner (enzymer), kulhydrater, lipider, uorganiske ioner og mange lavmolekylære forbindelser. Uorganiske ioner er til stede i meget højere koncentrationer i cytoplasmaet, end i de fleste næringsmedier. Cytoplasmaet er tyk, vandig, halvtransparent og elastisk. De største strukturer i cytoplasmaet er en nukleoid (indeholdende DNA), partikler kaldet ribosomer og reserveaflejringer, kaldet inklusioner.
Begrebet cytoskelet er en fælles betegnelse for en række af fibre (små filamenter og cylindre) i cytoplasmaet. For ikke så lang tid siden, troede man at fraværet af et cytoskelet, var et særkende for prokaryoter. Men biologer opdagede for nyligt, at prokaryote celler har et cytoskelet, der ligner eukaryoter. Komponenterne omfatter MreB og ParM, cresetin og FtsZ, som svarer til de mikrofilamenter, intermediære filamenter og mikrotubuli i det eukaryote cytoskelet. Det prokaryote cytoskelet, indtager roller ved celledeling, ved opretholdelse af celleform, ved vækst, ved DNA bevægelse, ved proteinmålretning og tilpasning af organeller. Cytoplasmaet hos prokaryoter er ikke i stand til cytoplasmisk strømning, som beskrives senere.
Nukleoidet
Nukleoidet i en bakteriecelle (se figur 3.2.1.1), indeholder sædvanligvis en enkelt lang, kontinuerlig og ofte cirkulær tråd af dobbeltstrenget DNA, kaldet det bakterielle kromosom. Dette er cellens genetiske information, der bærer alle de oplysninger som er nødvendige i forbindelse med cellens strukturer og funktioner. I modsætning til kromosomerne i eukaryote celler, er bakterielle cellers kromosomer ikke omgivet af en nuklear kappe (membran) og omfatter ikke histoner. Nukleoidet kan være sfærisk, aflangt eller håndvægtsformet. I aktivt voksende bakterier, er det så meget som op til 20% af cellens volumen, der optages af DNA, fordi sådanne celler præfremstiller DNA til fremtidige celler. Kromosomet er fastgjort til plasmamembranen. Proteiner i plasmamembranen, menes at være ansvarlig for replikeringen af DNA og adskillelse af nye kromosomer til datterceller, ved celledelingen.
Ud over det bakterielle kromosom, indeholder bakterier ofte små, sædvanligvis cirkulære, dobbeltstrengede DNA molekyler, kaldet for plasmider. Disse molekyler er ekstrakromosomale genetiske elementer; det vil sige, at de ikke er bundet til det primære bakterielle kromosom og det replikerer uafhængigt af det kromosomale DNA. Forskning viser at plasmiderne er forbundet med plasmamembranproteiner. Plasmider indeholder sædvanligvis fra 5 til 100 gener, der almindeligvis ikke er afgørende for overlevelsen af bakterien under normale miljøforhold; plasmider kan tilføres eller fjernes fra cellen uden at skade den. Under visse betingelser, er plasmider dog en fordel for bakteriecellen. Plasmider kan bære gener for egenskaber som antibiotikaresistens, tolerance over for giftige metaller, produktion af toksiner og syntese af enzymer. Plasmider kan overføres fra en bakterie til en anden. Faktisk anvendes plasmid-DNA til genmanipulation i bioteknologien.
Ribosomer
Alle eukaryote og prokaryote celler indeholder ribosomer, som er der hvor proteinsyntesen finder sted. Celler der har høj proteinsyntese, for eksempel celler der er aktivt voksende, har et stort antal af ribosomer. Cytoplasmaet hos en prokaryot celle, indeholder titusinder af ribosomer, som giver cytoplasmaet et kornet udseende. Se figur 3.2.1.1.
Ribosomer er sammensat af to underenheder, som hver består af protein og en bestemt type RNA, kaldet ribosomal RNA (rRNA). Ribosomerne i prokaryoter afviger fra dem i eukaryoter, i antallet af proteiner og rRNA-molekyler, de indeholder; de er også noget mindre og mindre tætte end ribosomer i eukaryote celler. Derfor kaldet prokaryote ribosomer, for 70S ribosomer (se figur 3.2.1.1) og ribosomerne fra eukaryote celler, kaldes for 80S ribosomer. Bogstavet S, henviser til Svedberg-enheder, som angiver den relative sedimentationshastighed under ultra-højhastighedscentrifugering. Sedimentationshastigheden er en funktion af størrelsen, vægten og formen af en partikel. Underenhederne i et 70S ribosom, er en lille 30S underenhed der indeholder et molekyle rRNA og en større 50S underenhed der indeholder 2 molekyler af rRNA (bemærk, at 70S værdien ikke er summen af 30S plus 50S). Den tilsyneladende aritmetiske fejl, har tit undret studerende. Man kan nemmere forstå det, hvis man tænker på en Svedberg-enhed som en enhed for størrelse snarere end for vægt. Derfor er kombinationen af 50S og 30S, ikke det samme som at kombinere 50 gram og 30 gram.
Adskillige antibiotika virker ved at hæmme proteinsyntesen i prokaryote ribosomer. Antibiotika, som for eksempel streptomycin og gentamicin vedhæfter sig 30S underenheden og forstyrrer proteinsyntesen. Andre antibiotika, som for eksempel erythromycin og kloramfenikol, forstyrrer proteinsyntesen, ved at binde sig til 50S underenheden. På grund af forskellene i prokaryote og eukaryote ribosomer, kan den mikrobielle celle blive dræbt af antibiotikummet, mens den eukaryote værtscelle forbliver upåvirket.
Metakromatisk granulat
Metakromatiske granulater, er større inklusoner, der har fået deres navn på baggrund af det faktum, at de nogen gange farves røde med visse blå farvestoffer, som for eksempel methylenblåt. Samlet er de kendt under navnet volutin. Volutin betegner en reserve af phosphat (polyphosphat), der kan anvendes i syntesen af ATP. Det bliver generelt dannet af celler, der vokser i phosphat-rige miljøer. Metakromatiske granulater findes i alger, svampe og protozoer, såvel som i bakterier. Dette granulat er karakteristisk for Corynebacterium diphtheriae, der forårsager difteri og har de en diagnostisk værdi.
Polysaccharid granulat
Inklusioner af såkaldte polysaccharid granulater, består typisk af glycogen og stivelse og deres tilstedeværelse kan påvises, når iod tilføres cellerne. Ved tilstedeværelsen af iod, vises glycogen som rødbrune granulater og stivelsesgranulater er blå.
Lipidinklusioner
Lipidinklusioner ses i forskellige arter af Mycobacterium, Bacillus, Azotobacter, Spirillum og andre slægter. Et almindeligt lipidoplagsmateriele, som er unikt for bakterier, er polymeren poly-b-hydroxysmørsyre. Lipidinklusioner kan afsløres ved farvning af celler med fedtopløselige farvestoffer, som for eksempel Sudan-farvestoffer.
Svovlgranulater
Visse bakterier, for eksempel de svovlbakterier, der hører til slægten Acidithiobacillus, udvinder energi ved at oxidere svovl og svovlholdige forbindelser. Disse bakterier kan deponerer svovlgranulater i cellen, hvor de tjener som en energireserve.
Carboxysomer
Carboxysomer er inklusioner, der indeholder enzymet ribulose 1,5-diphosphatcarboxylase. Fotosyntetiske bakterier anvender kuldioxid, som deres eneste kulde til kulstof og kræver dette enzym til kuldioxid-fiksering. Blandt de bakterier som indeholder carboxysomer er nitrificerende bakterier, cyanobakterier og acidithiobacilli.
Gasvakuoler
Tomme hulrum findes i mange akvatiske prokaryoter, herunder cyanobakterier, anoxygenitisk fotosyntetiske bakterier og halobakterier og kaldes for gasvakuoler. Hver vakuole består af rækker af flere individuelle gasvesikler, der er hule cylindre omsluttet af protein. Gasvakuoler vedligeholder opdriften, således at cellerne kan forblive i den vanddybde, hvor de kan modtage tilstrækkelige mængder oxygen, lys og nærengsstoffer.
Magnetosomer
Magnetosomer er inklusioner af jernoxid (Fe3O4) omgivet af invaginationer i plasmamembranen. Magnetosomer dannes af flere Gramnegative bakterier, som for eksempel Magnetospitillum magnetotacticum og opfører sig på samme måde som magneter. Se figur 3.2.4.5. Bakterier kan bruge magnetosomer til at bevæge sig nedad, indtil de når et egnet bindingssted. In vitro kan magnetosomer nedbryde hydrogenperoxid, der dannes i cellerne i nærvær af oxygen. Forskerne mener, at magnetosomer kan beskytte cellen mod ophobning af hydrogenperoxid.
Endosporer
Når essentielle næringsstoffer er opbrugt, danner visse Grampositive bakterier, for eksempel slægterne Clostridium og Bacillus, specialiserede ”hvilende” celler kaldet endosporer. Se figur 3.2.4.6. Endosporer er meget holdbare, dehydrerede celler med tykke vægge og yderligere beskyttelseslag, der er unikke for bakterier. De dannes inden for cellens cellemembran.
Når de frigives til miljøet fra cellerne, kan de overleve ekstrem varme, mangel på vand og eksponering til mange giftige kemikalier og stråling. For eksempel har 7.500 år gamle endosporer fra Thermoactinomyces vulgaris, der stammer fra indefrysningen af mudder i Elk Lake i Minnesota, spiret når de blev genopvarmet og placeret i et næringsmedie. 25 til 40 millioner gamle endosporer er blevet fundet i tarmen på en brodløs bi, begravet i rav (hærdet harpiks) fra Den Dominikanske Republik og rapporteret at have spiret efter de blev placeret i et næringsmedie. Selvom ægte endosporer kan findes i Grampositive bakterier, har man set en Gramnegativ art, Coxiella burnetii, danne endospore-lignende strukturer, der modstår varme og kemikalier og kan farves med endosporefarvning. C. burnetii kan forårsage Q-feber hos mennesker, en som regel mild sygdom med influenza-lignende symptomer.
Processen ved endosporedannelse i en vegetativ celle, tager flere timer og er kendt som sporulering eller sporedannelse. Se figur 3.2.4.6 (a). Vegetative celler af endosporedannende bakterier, begynder sporulering når et nøglenæringsstof, som for eksempel kulstof- eller nitrogenkilder, bliver knappe eller ikke længere er til stede. I den første fase af den observérbare sporulering, er et nyligt replikeret bakterielt kromosom og en lille del cytoplasma, blevet isoleret ved en indvækst i plasmamembranen. Sporens septum, bliver til en dobbeltlaget membran, der omgiver kromosomet og cytoplasmaet. Denne struktur, helt lukket af fra den oprindelige celle, kaldes en forspore. Tykke lag af peptidoglycan sættes fast mellem de to membranlag. Så dannes en tyk sporekappe af protein på ydermembranen; det er denne kappe der er ansvarlig for endosporers resistens mod mange skrappe kemikalier. Den oprindelige celle nedbrydes og endosporen frigives.
Endosporers diameter kan være den samme som, mindre eller større end diameteren af den vegetative celles. Afhængig af arten, kan endosporen være placeret terminalt (i den ene ende), subterminalt (nær den ene ende – figur 3.2.4.6 (b)) eller centralt inde i den vegetative celle. Når endosporen modnes, brydes den vegetatives celles cellevæg (lyserer), cellen dræbes og endosporen frigives.
Det meste af vandet til stede i forsporens cytoplasma, elimineres på den tid det tager at gøre sporedannelsen færdig og en endospore kan ikke udføre metaboliske reaktioner. Endosporen indeholder en stor mængde af en organisk syre kaldet dipicolinsyre (DPA), som ledsages af et stort antal af calciumioner. Beviser tyder på, at DPA beskytter endosporens DNA mod skader. Den stærkt dehydrerede endosporekerne, indeholder kun DNA, små mængder RNA, ribosomer, enzymer og et par vigtige små molekyler. Disse cellulære komponenter er afgørende for at kunne genoptage stofskiftet senere.
Endosporer kan forblive hvilende i tusinder af år. En endospore, vender tilbage til sin vegetative tilstand, ved en proces kaldet spiring. Spiring udløses af høj varme, som for eksempel anvendes ved konserves, eller små udløsende molekyler, kaldet spirer. Spirer der er identificeret til dato er alanin og inosin (et nukleotid). Derefter nedbryder endosporen det ekstra lag der omgiver den og der trænger vand ind i cellen og stofskiftet genoptages. Fordi en vegetativ celle, kun danne en spore, der efter spiring, fortsat kun er en celle, er sporulering i bakterier ikke en metode til reproduktion. Denne proces øger ikke antallet af celler. Bakterielle endosporer, afviger fra sporer dannet af (prokaryotiske) actinomycetes og de eukaryotiske svampe og alder, der løsner sig fra forældrecellen og udvikler sig til en anden organisme og repræsenterer derfor reproduktion.
Endosporer er vigtige, set ud fra et klinisk synspunkt og i fødevareindustrien, fordi de er resistente over for processer, der normalt dræber vegetative celler. Sådanne processer omfatter opvarmning, udtørring, brug af kemikalier og stråling. Hvor de fleste vegetative celler dræbes af temperaturer over 70 ºC, kan endosporer overleve i kogende vand i flere timer eller længere. Endosporer af termofile (varmeelskende) bakterier kan for eksempel overleve i kogende vand i 19 timer. Endosporedannende bakterier er et problem i fødevareindustrien, fordi de er tilbøjelige til at overleve den konserveringsbehandling som fødevarerne udsættes for og opstår der så vækstbetingelser i fødevaren, er de tilbøjelige til at producere toksiner og forårsage sygdom.