Bakterilerin Genel Özellikleri PDF

Bakterilerin Genel Özellikleri Doç. Dr. Özge ÜNLÜ İstanbul Atlas Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı HÜCRE YAPISI Prokaryot ≈ 1 um çapında Çekirdek zarı ve zarlı organeller bulunmaz ≈1 mm DNA …. En az 1000de 1 katlanma gerekli DNA nükleoid olarak adlandırılan bölgede Ökaryot...

Bakterilerin Genel Özellikleri Doç. Dr. Özge ÜNLÜ İstanbul Atlas Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı HÜCRE YAPISI Prokaryot ≈ 1 um çapında Çekirdek zarı ve zarlı organeller bulunmaz ≈1 mm DNA …. En az 1000de 1 katlanma gerekli DNA nükleoid olarak adlandırılan bölgede Ökaryotlarda olduğu gibi organellerin zarla çevrili olduğu düzenli bir hücre organizasyonu prokaryotlarda bulunmaz 2 4 Nükleoid (Çekirdeksi) Gerçek bir çekirdek bulunmaz DNA’lar çekirdeksi adı verilen bir yapı şeklinde paketlenir Boyanmış örneklerde mikroskop ile görülebilir DNA genellikle tek ve halkasal yapıda İki, üç hatta 4 kromozomlu örnekler mevcut (Ör: Vibrio cholerae ve Brucella melitensis ikişer) Doğrusal kromozoma sahip örnekler de mevcut (Ör: Borrelia burgdorferi ve Streptomyces coelicolor) 5 Sitoplazma Yapıları Zarlı organel yok Elektron taşıma enzimleri sitoplazma zarında Zarda sterol bulunmaz (Mikoplazmalar dışında) Yedek maddeler iç cisimler (inclusion bodies) halinde depolanır Poli-β-hidroksibütirik asit (PHB): Ortamda Karbon bol, azot, sülfür ve fosfor kısıtlı iken oluşturulur Glikojen: Ortamda Karbon bol bulunduğunda Protein ve nükleik asit üretimi sırasında PHB ve glikojen C kaynağı 6 Polifosfat tanecikleri: Birçok bakteri organik olmayan fosfatı depolayabilir Depolar, nükleik asit ve fosfolipid sentezinde kullanılır Boyanın asıl renginden başka bir renge boyandıklarından metakromatik tanecikler ya da volutin tanecikleri olarak adlandırılır (Korinebakteriler!) 7 Hücre Zarının İşlevleri Geçirgenlik ve taşıma (Pasif ve Aktif taşıma) Elektron transportu ve oksidatif fosforilasyon Hidrolitik dış enzimlerin ve hastalandırıcı proteinlerin salgılanması Biyosentez işlevi Kimyasal uyarı ile hareket (kemotaktik) sistemleri 8 9 Hücre Duvarı Aktif taşıma yoluyla oluşan yüksek eriyik madde yoğunluğu nedeniyle çoğu bakterinin iç osmotik basıncı 5-20 atm arasında Yüksek gerilim gücüne dayanma? Peptidoglikan tabaka (mürein, mukopeptid) Hans Christian Gram çeşitli boyalara verdikleri yanıta göre Gram pozitif veya Gram negatif Bir grup bakterinin (Gram pozitiflerin) kristal viyole ve iyot bileşiğini tutup alkol ile yıkama sonrası bırakmaması bir grubun (Gram negatif) ise alkol ile dekolorize olması esasına dayanır Bu farklılığa duvar yapılarının farklılığı neden olur 10 11 12 13 Peptidoglikan üç ana elemandan oluşan karmaşık bir polimer 1) N-asetilglukozamin (NAGA) ve N-asetikmuramik asitten (NAMA) oluşan omurga (β1→4 glikozidik bağ) 2) N-asetilmuramik asite tutunmuş ve birbirinin aynı tetrapeptid yan zincirler 3) Birbirinin aynı peptid çapraz köprüler 14 15 Gram Pozitif Hücre Duvarına Özgü Yapılar Teikoik ve Teikuronik asit: Tüm duvar, zar ya da kapsüldeki gliserol fosfat ya da ribitol fosfat grupları içeren polimerleri kapsar Polialkol yapısında olup genelde yapılarına başka şekerler ile D-alanin de tutunmuş haldedir Negatif yüklü (hücrenin total negatifliğine kısmen katkı) Duvar teikoik asiti (DTA) peptidoglikana sıkıca bağlıdır Lipoteikoik asit (LTA) zar glikolipidine bağlı DTA ve LTA esneklik, geçirgenlik, gerilim gücü ve zarfın elektrostatik özellikleri ile ilgili işlev görürler – ana yüzey antijeni 16 17 Gram Negatif Hücre Duvarına Özgü Yapılar 1) Dış zar: Çift katmanlı asimetrik bir yapısı vardır İç zar hücre zarına benzer, dış zar farklı (lipopolisakkarit) yapıda Dış zar diğer biyolojik zarlardan farklı olarak hidrofobik molekülleri içeri almaz → Safra tuzlarına karşı korur enterikler için avantaj Hidrofilik molekülleri de direkt geçirmez Porin adı verilen kanal proteinleri aracılığıyla şekerler, aminoasitler ve bazı iyonlar gibi düşük molekül ağırlıklı hidrofilik moleküller geçebilir Büyük antibiyotik molekülleri de zarı görece yavaş geçer → Bakterilerin antibiyotik direncine katkı! 19 20 2)Lipopolisakkarit (LPS): Lipit A adı verilen karmaşık bir glikolipitin tutunduğu bir polisakkarit kor ile uç yerleşimli bir seri yineleyen birimden oluşmuştur Lipit A zarın dış yaprağına gömülü durumdadır ve kor polisakkaritlerine bağlanır Kor polisakkaritleri tüm Gram negatiflerde aynı iken kor polisakkaritlerinin ucundaki yineleyen birimler değişken olup O-antijeni olarak isimlendirilir 21 Hayvanlara aşırı derecede toksik olan LPS hücre yüzeyine sıkıca bağlı olup ancak hücre parçalandıktan sonra serbest kaldığından dolayı endotoksin adıyla anılır Lipit A endotoksin aktivitesinden sorumlu O-antijen yinelemeleri antijenik farklılıktan sorumlu 22 3) Lipoprotein: Dış zar ile peptidoglikan katmanlarını çapraz şekilde bağlar 4) Periplazma aralığı: Dış ve iç zar arasındaki boşluğa denir Peptidoglikan tabakayı ve jel halindeki protein çözeltisini içerir Özgül maddelerin bağlandığı proteinler, hidrolitik enzimler ve bazı antibiyotikleri parçalayan enzimler bulunur 23 24 25 26 Aside Dirençli Hücre Duvarı Bazı bakteriler duvarlarında mikolik asit adı verilen karmaşık hidrokarbonlardan oluşmuş büyük miktarda mum içerirler Peptidoglikanla birlikte hidrofobik bir yapı oluşturarak deterjan ve güçlü asitler gibi yıkıcı kimyasallara karşı direnç sağlarlar Bir boya maddesi hafif ısıtılarak hücreye sokulursa sulu HCL ile diğer bakterilerde olduğu gibi boyayı bırakmadığı görülür Aside dirençli bakteriler (Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, Mycobacterium avium-intracellulare complex, Nocardia türleri) Hidrofilik bileşiklere E.coli’ye kıyasla geçirgenliği 100-1000 kat az 27 Hücre duvarında peptidoglikan yapısına ek olarak glikolipidler İnce bir peptidoglikan yapı arabinogalaktan (D-arabinoz ve Dgalaktoz) ile devam eder Arabinogalaktan mikolik asit içeren dış membrana bağlı Arabinogalaktan/mikolik asit tabakası serbest lipid, glikolipid ve peptidoglikolipid içeren polipeptid ve mikolik asit tabası ile kaplı Gram-negatif bakterilerde olduğu gibi dış membran porin içerir Peptidoglikan ve sitoplazmik membran arasında jelatinöz bir yapı gösteren periplazma bulunur 28 Aside Dirençli Boyama (Ehrlich Ziehl Neelsen – EZN) 29 1- %0.3 Karbol Fuksin 2- %1 asit alkol 3- Metilen mavisi 30 Hücre Duvarına Saldıran Enzimler Peptidoglikan omurganın β1→4 bağları lizozim ile hidroliz edilebilir Peptidoglikan tabaka uzaklaştırıldığında Gram pozitif bakteri osmotik basınç farklarına dayanamaz patlar, dış ortamla osmotik denge sağlandığı takdirde protoplast ortaya çıkar Gram negatif hücre duvarı EDTA veya antibiyotikler ile muamele edilmedikçe lizozim geçişine izin vermez EDTA+ lizozim Gram negatif bakterilerde sferoplast ları oluşturur Protoplast ve sferoplastların üreme ve bölünme yeteneğinde olanlarına L formu denir → konakta saklanarak kalıcı enfeksiyona neden olur Otolizinler; muramidaz, glukozaminidaz, endopeptidaz, karboksipeptidaz 31 Mikoplazmalar Peptidoglikan bulundurmayan ve hücre duvarı olmayan bakterilerdir Duvar baskılayıcı antibiyotiklere karşı dirençlidir Zarlarında sterol bulunur Uygun koşulları bulduğunda yeniden duvar sentezleme kabiliyetindeki L formlarından farklı 32 Dış yapılar Bazı bakteriler kapsül (polisakkarit veya protein) tabaka ile sıkıca çevrili Zayıf antijenik ve antifagositiktir → Ana virulans faktörü Glikokaliks ise hücre dışına uzanan polisakkarit içeren maddelere denir ve konağa tutunmada yardımcıdır (S.mutans diş minesine tutunur) Bazılarında bu tabaka hafif yapışkan ve gevşektir sümüksü tabaka (slime tabaka) olarak isimlendirilir 33 Flagella (kamçı) flagellin protein alt birimlerinden oluşmuş hareket organı Fimbria diğer hücrelere adhezyondan sorumlu ipliksi yapılardır (E.coli ve N.gonorrhoeae’de üriner sistem kolonizasyonunda önemli virulans faktörü) 34 Endosporlar Bacillus ve Clostridium gibi bazı gram pozitifler Sporlanma besinlerden birinin tükenmesi ile uyarılır Her hücre bir adet oluşturabilir Kromozomun tam kopyasını, esas protein ve ribozomun minimum konsantrasyonunu ve yüksek konsantrasyonda kalsiyum dipikolinat – dipikolinik asit içerir Kuruluğa, sıcaklığa ve kimyasal maddelere oldukça dirençlidir Uygun şartları bulduğunda çimlenerek vejetatif hücreye dönebilir 35 36 37 BAKTERİLERİN SINIFLANDIRILMASI 38 Boyanma özelliklerine göre, Gram (+) bakteriler Streptococcus pneumoniae, Bacillus antrachis Gram (-) bakteriler Salmonella enterica, Escherichia coli 39 40 BAKTERİLERİN SINIFLANDIRILMASI Morfolojilerine göre, Kok (coccus) Çomak (bacillus) Çok kısa çomak (cocobacillus) Spiral (spirilla) Virgül (vibrio) 41 Bakterilerin şekillerine ek olarak farklı dizileri ya da dizilimleri olabilir Koklar çift diplococcus (çoğul diplococci), zincir streptococcus, (çoğul streptococci), üzüm salkımı şeklinde staphylococcus (çoğul staphylococci) şeklinde bulunurlar 42 Metabolizma: Bir canlı içerisinde meydana gelen kimyasal reaksiyonların tümüne metabolizma denir. Canlılarda meydana gelen anabolizma ve katabolizma olaylarının tümüdür. Mikroorganizmalarda 2.000 kadar farklı kimyasal reaksiyon vardır. Mikroorganizmaların Üreyebilmeleri için fiziksel, kimyasal koşulların uygun olması ve besin maddelerinin bulunması gerekmektedir. Bunun için aminoasitleri, karbonhidratları ve lipitleri ya hazır elde etmek ya da sentezlemek zorundadırlar. Üreyebilmesi için gerekli olan minimal ihtiyaçlar: karbon kaynağı, azot kaynağı, enerji kaynağı, su, değişik iyonlar. BAKTERİ METABOLİZMASININ TEMEL İLKELERİ Bakterilerin fizyolojileri de bir hücre fizyolojisidir. Yapılarının basitliğine karşın, bakterilerin fizyolojileri basit değildir. Hücrelerin metabolik görevleri; Besinlerin alınması Enerji sağlanması Protein, nükleik asit ve yağ yapıtaşlarının sentezi Üreme ve bölünme Bakteri metabolizmasının kapsadığı olaylar; ► Dış ortamdaki besin maddelerinin parçalanarak, hücre zarından geçebilecek nitelikteki maddelere ayrıştırılmaları, ► Hücre zarından sitoplazmaya alınmaları, ► Sitoplazmada yapıtaşlarına kadar ayrıştırılmaları (Katabolizma), ► Bu yapıtaşı birimlerinin yeniden sentezlenmesi ile mikroorganizmaya özgü maddelerin oluşturulması (Anabolizma) Katabolizma; besin maddeleri gibi büyük kompleks moleküllerin, enzimler yardımıyla parçalanarak, hücre zarından geçebilecek kadar küçük moleküllere dönüştürülüp sitoplazmaya alınması ve sitoplazmada yapıtaşlarına ayrıştırılması olaylarının tümüdür. Anabolizma; yapıtaşlarından, canlı hücrelerdeki kompleks molekül ve yapıların biyosentezidir. Bakterilerin üreme ve bölünmesi için; –üreme ve beslenme gereksinimleri, –uygun sıcaklık ve pH gibi fiziksel ve çevresel faktörleri içeren özel üreme koşulları sağlanmalıdır. Üremeyi etkileyen faktörler; Ortamdaki besin maddeleri, pH, sıcaklık, oksijen ihtiyacı, karbondioksit ihtiyacı, osmotik basınç, yüzey gerilimi, oksidasyon-redüksiyon potansiyeli, ışık, tuz miktarı, basınç Oksijen (O2) gereksinimi Mikroorganizmaların oksijen ihtiyaçları farklıdır. Oksijen istekleri dikkate alındığında 5 grup; I- Zorunlu (Obligat) Aerop Mikroorganizmalar havada mutlaka serbest oksijen olmalı. Mycobacterium tuberculosis II- Fakültatif Anaerop Mikroorganizmalar Oksijenli ve oksijensiz ortamda. Staphylococcus aureus III- Mikroaerofil Mikroorganizmalar % 5-6 gibi düşük oksijen miktarına ve % 8-10 CO2’li ortam. Campylobacter jejuni, Helicobacter pylori IV- Aerotolerant Mikroorganizmalar oksijen kullanmazlar ve oksijenden zarar da görmezler. Lactobacillus sp., Enterobacter aerogenes V- Zorunlu (Obligat) Anaerop Mikroorganizmalar Oksijenli ortamda üreyemezler. oksijen toksik etki yapar. Clostridium botulinum, Clostridium tetani Aerop Metabolizması Dersin Konusu 57 Aerop Metabolizması Hidrojen Peroksit (H2O2) ve Süperoksit (O2-) aerop metabolizmasının doğal yan ürünleridir. Demir varlığında bu iki molekül Hidroksil radikallerini (.OH) oluşturur. Çoğu aerop, aerotoleran ve fakültatif anaerop Superoksit dismutaz (SOD) ve Katalaz enzimleri ile bu ürünlerden korunabilirler. 58 pH Mikroorganizmalar gelişebilmek için belli pH’lara gereksinim duyarlar. 1 – 6 pH değerlerinde gelişebilen mikroorganizmalar asidofil Lactobacillus spp., H. pylori 6 - 8 pH değerlerinde gelişebilen mikroorganizmalar nötrofiller Tıpta önemli birçok mikroorganizma bu grup içerisindedir. 8 - 11 gibi yüksek pH değerlerinde gelişebilen mikroorganizmalara ise alkalifil Proteus vulgaris 59 Sıcaklık Sıcaklık üremeyi etkileyen önemli faktörlerden birisi Sıcaklık arttığında - kimyasal ve enzimatik reaksiyonlar hızlanır Ancak çok yüksek sıcaklıklarda - ölüm Mikroorganizmalar belirli sıcaklık dereceleri arasında çoğalabilirler. Mikroorganizmalar sıcaklık derecelerine göre tıpta 3 grupta a- Psikrofil (Soğuk seven) Mikroorganizmalar 20 °C altında (15-20 °C optimal) Pseudomonas alcaligenes gibi. Kutup bölgelerinde… b- Mezofil Mikroorganizmalar Patojen olarak ilgilendiğimiz mikroorganizmaların çoğu gelişme sıcaklığı 25-45 °C arasında olan mikroorganizmalar İnsan patojenleri bakteriler genelde bu grupta (30-37°C optimal) Düşük sıcaklık derecelerine toleranslı mezofilik mikroorganizmalar psikrotolerant (fakültatif psikrofil, psikrotrof) olarak isimlendirilir. Yersinia enterocolitica ve Listeria monocytogenes en önemli örnekler c- Termofil (sıcak seven) Mikroorganizmalar Yüksek sıcaklıklarda gelişen ve canlı kalan organizmalar. Termofil mikroorganizmaların geliştikleri sıcaklık dereceleri; optimum 50-60 °C Bacillus stearothermophilus ve Lactobacillus thermophilus gibi 80°C’ nin üzerinde optimum gelişen mikroorganizmalar hipertermofil (Volkanların çevresi…) 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 solunumda son elektron alıcısı, moleküler oksijenin dışında inorganik bileşimlerdir (nitrat veya sülfat). Fermentasyon, son elektron alıcısı olarak organik bir metabolik ara ürünün (pirüvik asit, asetaldehit gibi) kullanıldığı ve anaerobik solunuma alternatif bir metabolik süreçtir. Peptidoglikanın Sentezi Sitoplazmada UDP’ye N- asetilglukozamin tutturulur PEP ile yoğunlaştırılıp indirgenerek UDP- N- asetilmuramik asite dönüştürülür Pentapeptid aminoasitleri sırayla eklenir UDP-N-asetilmuramik asit- pentapeptid membranda baktoprenole tutturulur NAMA, UDP’den alınır Transpeptidazlar (PBP) ile pentaglisin köprüleri oluşturulur Bir zincirdeki 3. aminoasit ile komşu zincirin 4. aminoasiti arasında pentaglisin çapraz bağları oluşması ile 5.aminoasit D-alanin yapıdan ayrılır 69 70 71 72 Bakterilerin üreme özellikleri Bakteriler ikiye bölünerek (bir ana hücreden birbirinin aynısı iki yavru hücre oluşur) çoğalır. Bir bakterinin ikiye bölününceye kadar geçirdiği süre bölünme (jenerasyon) süresidir. Bölünme veya jenerasyon süresi türlere bağlı olarak 20 dakika kadar kısa veya birkaç gün kadar uzun olabilir. Üreme: Organizmanın tüm bileşenleri toplamının düzenli olarak artması Bakteri popülasyonunda sayı artışı Uygun üreme koşulları sağlanmış ortamda: Hücre beslenir Belli bir büyüklüğe erişir Ortadan ikiye bölünür Hücre sayısı geometrik olarak artar- 2n 20 21 22 23 24............. 1 2 4 8 16.......... Jenerasyon zamanı: Bir hücrenin bölünmesi için gerekli zaman Örneğin; (optimum koşullar altında); Escherichia coli – 20-30 dak. Staphylococcus aureus – 30 dak. Mycobacterium tuberculosis – 12-18 saat Saccharomyces cerevisiae - 2 saat Mycobacterium leprae – 11-13 gün Bakterilerde üreme eğrisi Bir bakteri kültürü uygun bir besiyerine ekilip, İnkübasyon süresince belirli aralıklarla besiyerinden örnekler alınıp, Standart plak sayım yöntemlerine göre ekimler yapılıp, Sonuçlar grafik üzerine geçirildiğinde, STANDART ÜREME EĞRİSİ elde edilir. Üreme eğrisi hücre konsantrasyonunun zamana bağlı olarak değişimini gösteren bir eğridir Lag Fazı – Latent Faz İlk bölünmenin başladığı zamana kadar geçen süredir. Hücre sayısında artış olmaz. Üreme için gerekli yeni bileşenler, enzimler sentezlenir. Hücreler yeni besi ortamına veya diğer koşullara adapte olurlar. Eksponensiyel faz (logaritmik üreme fazı) Logaritmik üreme dönemi olarak da isimlendirilir. Üremenin en hızlı (jenerasyon süresinin en kısa) olduğu dönemdir. Kimyasal ve fiziksel etmenlere en fazla duyarlı olunan dönemdir (bu dönemdeki mikroorganizmaları öldürmek daha kolaydır). Logaritmik üreme döneminin sonlarına doğru ortamdaki besin maddeleri azalmaya, Bakterilerin oluşturduğu metabolik ürünler ve atıklar birikmeye başlar. Böylece bir çok hücrenin üremesi durur, hatta bazıları ölür. Duraklama fazına geçişin muhtemel nedenleri: Besin maddelerinin sınırlanması Ortam koşulları kullanılabilirliğinin sınırlanması Toksik atıkların birikimi Populasyon yoğunluğunun artışı Duraklama Fazı Duraklama fazı; çoğalan hücre sayısı ile ölen hücre sayısı birbirine eşit sayıdadır. Metabolik olarak aktif olan hücrelerin çoğalmalarının yavaşlamasına bağlıdır. Duraklama Fazında hücre ölümü=hücre bölünmesi Ölüm fazı Hücreler logaritmik düzeyde (hızlı) ölmeye başlarlar. Üreme yeteneğinde geri dönüşümsüz kayıplar olur. Ortamda dirençli hücreler varsa ölüm oranı daha yavaş seyredebilir. Vejetatif bakteriler tamamen ölürken, sporlar canlılığını koruyabilir. Ölüm fazında; Ölen hücre sayısı > Bölünen hücre sayısı Doç. Dr. Özge ÜNLÜ Atlas Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Mikrobiyoloji Anabilim Dalı [email protected]