Bakterie są wszechobecne. Zasiedlają środowiska najrozmaitszych typów od najwyższych szczytów górskich po oceaniczne głębiny. Jednak środowiskiem najliczniej zasiedlonym przez bakterie jest gleba. Oczywiście każde środowisko jest zasiedlone przez jemu właściwe formy bakterii. Liczne bakterie przystosowane są do życia na powierzchni lub wewnątrz organizmów roślinnych i zwierzęcych (np. w ich przewodach pokarmowych). Nie jest od nich wolne nawet powietrze, szczególnie w rejonach o dużym zapyleniu, np. w miastach, między innymi dlatego, że bakterie są przenoszone przez drobiny kurzu i innych zanieczyszczeń.
Świat bakterii jest bardzo zróżnicowany- komórki bakteryjne występują we wszystkich środowiskach, mają różnorodne kształty i mogą przeprowadzać wiele typów reakcji metabolicznych. Pewne bakterie mają zdolność do zmieniana swoich kształtów, a w niekorzystnych warunkach życiowych wytwarzają zamknięte w grubej otoczce przetrwalniki tzw. formy inwolucyjne, które pomagają im przeżyć do momentu polepszenia warunków środowiska. Mogą one przez bardzo długi czas przeczekiwać niekorzystne warunki środowiskowe, ponieważ charakteryzują się ogromną wytrzymałością na wysuszenie, wysoką temperaturę oraz działanie promieni UV. Niektóre bakterie są chorobotwórcze dla człowieka, ale obecność innych, na przykład bakterii brodawkowych, może być korzystna dla ludzi.
Budowa komórki bakterii
Bakterie są komórkami prokariotycznymi (nie mają wyraźnie wyodrębnionego jądra komórkowego, a ich ciało zbudowane jest z jednej komórki, ich cytoplazma nie zawiera takich ultrastruktur, jak siateczka wewnątrzplazmatyczna i struktury Golgiego, które występują u Eukaryota, poza tym, z powodu braku mitochondriów, z procesami oddychania tlenowego związane są fragmenty błony cytoplazmatycznej), zawierają zatem wszystkie, typowe dla tej grupy struktury. Komórki bakterii charakteryzują się więc pewnym wspólnym planem budowy, co ma zasadnicze znaczenie zwłaszcza w kontekście leczenia chorób zakaźnych.
Każda komórka bakteryjna składa się z następujących elementów:
- ściany komórkowej - sztywnej, elastycznej błony, która otacza komórkę bakteryjną, nadaje jej kształt i pozwala jej na przeżycie w środowisku o innym ciśnieniu osmotycznym, niż wnętrze komórki bakteryjnej, posiada ponadto cechy półprzepuszczalności, umożliwiające wnikanie do wnętrza komórki substancji odżywczej o prostej budowie chemicznej, ściana ta otacza protoplast, tzn. cytoplazmę osłoniętą błoną cytoplazmatyczną i zawarte w niej struktury komórkowe,
- błony komórkowej (cytoplazmatycznej), która ma charakter błony półprzepuszczalnej i bierze udział w transporcie substancji do wnętrza komórki, tudzież w wydzielaniu innych związków na zewnątrz, jej zadaniem jest filtrowanie związków wchłanianych przez komórkę, przenikają przez nią tylko związki proste posiadające cechy rozpuszczania się w wodzie lub tłuszczach. Błona komórkowa bakterii, choć zbudowana według tego samego modelu płynnej mozaiki co błona komórek eukariotycznych, ma inny skład lipidowy. Przede wszystkim obserwuje się mniejszą różnorodność fosfolipidów oraz - u większości bakterii - brak cholesterolu,
- cytoplazmy, wypełniającej komórkę, która jednak ma inną strukturę niż cytoplazma Eucaryota, jest to galaretowata substancja o charakterze białkowym, nie wykonująca ruchów, jest wielofazowym układem koloidalnym o bardzo skomplikowanej budowie strukturalnej, chemicznej i złożonych funkcjach biochemicznych, w niej przebiega większość procesów metabolicznych i biosyntetycznych.
Cytoplazma bakterii zawiera też inne ważne cechy anatomiczne komórki, tzw. organelle komórkowe, o określonych funkcjach życiowych. Najważniejsze z nich to:
- rybosomy, które także różnią się od rybosomów komórek eukariotycznych. Nie odkryto do tej pory organizmów żywych pozbawionych białek. Budowanie tych skomplikowanych makrocząsteczek jest procesem złożonym, wymaga także bardzo dużej precyzji. W związku z tym każda żywa komórka posiada rybosomy - specjalne organella służące do produkcji białek. Ultrastruktur tych nie oddziela od cytoplazmy żadna błona biologiczna. Z chemicznego punktu widzenia w rybosomach występują dwa zasadnicze składniki: rybosomalny RNA oraz białkowy (białka zasadowe - strukturalne i białka kwaśne - enzymatyczne). Każdy kompletny rybosom składa się zawsze z dwóch podjednostek - większej i mniejszej. Rybosomy mają postać skupiska drobnych ziarenek,
- mezosomy są to pewnego rodzaju wgłębienia błony cytoplazmatycznej do wnętrza komórki, odgrywające ważną rolę w procesach oddychania komórki,
- nukleoid (tzw. obszar jadrowy), czyli chromosomu bakteryjnego, niosącego materiał genetyczny, będącego odpowiednikiem jądra u Eukaryota, DNA zawarty w nukleoidzie nie jest oddzielony od reszty cytoplazmy zawierającej rybosomy, dzięki czemu wykorzystywanie informacji zawartej w tym materiale może być bardzo szybkie. Z reguły nukleoid zawiera jedną kolistą dwuniciową cząsteczkę DNA, poskręcaną i przyczepioną do białkowo-rybonukleinowego rdzenia i jest luźno zawieszoną w cytoplazmie. Struktura ta nie przypomina chromosomów eukariotycznych,
- różne inkluzje cytoplazmatyczne, którymi są np. materiały zapasowe (grudki glikogenu (związki z grupy węglowodanów), tłuszczów, białek i innych materiałów odżywczych) i wodniczki,
- ciałka chromatoforowe - bakterie nie mają chloroplastów, ale niektóre z nich zawierają chlorofil, a czasami i inne barwniki. Ciała chromatoforowe są odpowiednikami chloroplastów komórek roślinnych i występują u samożywnych bakterii fotosyntezujących. Ciała te mają strukturę o wiele prostszą niż chloroplasty. Najczęściej są to kuliste, owalne lub bardzo wydłużone pęcherzyki, zawierające barwniki fotosyntetyczne i odpowiednie zestawy enzymów. Warto w tym miejscu wspomnieć, że bakterie mogą wykazywać zabarwienie nie związane z fotosyntezą. Niektóre bakterie są intensywnie żółte, inne brązowe, jeszcze inne czerwone, jak pałeczka cudowna, której kolonie przypominające krople krwi pojawiają się niekiedy na obrazach,
Poza tymi "typowymi" elementami komórek bakterii, w zależności od gatunku, czy też przynależności systematycznej, możliwe jest występowanie następujących "dodatków":
- rzęsek, które umożliwiają ruch (inaczej organelle ruchu), zwłaszcza bakteriom występującym w środowisku wodnym, występującym w różnej liczbie i rozmaitym ułożeniu, zależnej od gatunku bakterii. Rzęski bakterii zbudowane są inaczej rzęski komórek eukariotycznych; składają się z cząsteczek białka o nazwie flagelina, ułożonych w ten sposób, że puste wnętrze rzęski tworzy kanał na całej długości,
- fimbrii występują u większości bakterii oprócz rzęsek, są to licznie białkowe wyrostki krótsze i cieńsze niż rzęski, biorą one udział w przyczepianiu się komórek do różnych powierzchni, a tzw. fimbrie płciowe - w rozpoznawaniu osobników przeciwnej 'płci',
- otoczek i śluzów, ochraniających komórkę od zewnątrz przed negatywnym wpływem środowiska, przede wszystkim przed wysychaniem,
- plazmidów, stanowiących koliste cząsteczki DNA, niosące dodatkową informację genetyczną, związane między innymi z 'płcią' niektórych komórek, a także z ich opornością na antybiotyki,
- błony zewnętrznej, czyli dodatkowej błony, powlekającej ścianę komórkową u bakterii gramujemnych.
Na poniższych rysunkach (rys.1. i rys. 2.) przedstawione zostały- zgodnie z opisaną wcześniej teorią- dwa przykłady komórek bakteryjnych.
Rys. 1. Schemat komórki bakteryjnej (patrz załącznik)
Rys. 2. Klebsiella aeruginosa (Bayer 1996 www.bayer.com) (patrz załącznik)
1. otoczka bakteryjna,
2. ściana komórkowa,
3. chromatyna,
4. substancje zapasowe,
5. rybosomy
Rodzaje bakterii
Bakterie, określane jako Gram( ) i Gram(-) mają dwa podstawowe rodzaje ścian komórkowych. Nazwa pochodzi od różnicy w barwieniu się komórek bakterii z tych dwóch grup (Gram( ) barwią się na czerwono, Gram(-) na niebiesko), uzyskanej przy zastosowaniu metody wprowadzonej pod koniec XIX wieku przez Duńczyka Grama. Późniejsze badania wykazały, że obserwowane różnice w wynikach barwienia są wynikiem fundamentalnych różnic w strukturze między dwoma typami ścian. Ściany Gram( ) są stosunkowo grube (15-50 nm), składają się z kilku warstw mureiny - substancji o charakterze białkowo-cukrowym i stanowią typową zewnętrzną osłonę komórki. Ściany Gram(-), choć cieńsze (2 - 10 nm), mają o wiele bardziej złożoną budowę. Występuje w nich tylko jedna warstwa mureiny, pokryta od zewnątrz błoną białkowo-cukrowo-lipidową podobną do błony cytoplazmatycznej. Ściana Gram(-) nie jest wskutek tego tylko mechaniczną osłoną komórki, lecz w całości żywą, dynamiczną strukturą biologiczną. U wielu bakterii na zewnątrz od ściany komórkowej występuje gruba, śluzowata otoczka, której średnica często przekracza średnicę znajdującej się wewnątrz komórki. Niekiedy wspólna otoczka obejmuje kilka komórek. Podstawowymi składnikami otoczek są polisacharydy. Otoczki bakterii wolno żyjących chłoną wodę z otoczenia, zabezpieczając komórki przed wyschnięciem. Otoczki bakterii chorobotwórczych są doskonałą ochroną przed reakcją obronną organizmu żywiciela. Reakcja ta, skierowana przeciwko otoczce, nie czyni większych szkód schowanej wewnątrz bakterii. Otoczkowe szczepy bakterii są więc o wiele groźniejsze niż ich pozbawieni otoczek kuzyni.
Skład chemiczny komórki bakteryjnej
Bakterie pod względem budowy chemicznej są upodobnione do wszystkich organizmów występujących na ziemi. Do głównych substancji chemicznych wchodzących w skład komórki zalicza się:
- wodę - stanowi przeciętnie 75% do 85% komórki bakteryjnej, dzięki niej zachodzą reakcje biochemiczne, aktywnie uczestniczy w przemianach takich jak hydroliza, czyli uwodnieniu i rozkład związków złożonych do postaci prostej,
- białka - są składnikiem budowy błony cytoplazmatycznej oraz mezosomów, z nich także zbudowane są wszystkie enzymy, za pośrednictwem których zachodzi proces wchłaniania substancji pokarmowych,
- kwasy nukleinowe - polimery nukleotydów, czyli związków chemicznych stanowiących połączenie zasad organicznych, związków fosforanowych oraz cukrów. Wyróżnia się dwa typy: kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA ? występuje głównie w nukleoidzie, czyli ziarnie jądrowym przybierając postać długiej nici. DNA jest strukturą, w której jest zapisana informacja genetyczna o budowie komórki oraz informacja o przebiegu funkcji życiowych takich jak: budowa enzymów, regulacja funkcji fizjologicznych, synteza. RNA i białka ? tworzą razem, tzw. rybosomy, czyli nieregularne twory znajdujące się w cytoplazmie. RNA przenosi informacje z DNA znajdującego się w nukleoidzie do cytoplazmy. RNA bierze udział w kierowaniu syntezą białek.
- witaminy - są to związki występujące w postaci koenzymów oraz związków energetycznych (głównie witaminy z grupy B),
- węglowodany,
- tłuszcze,
- inne związki drobnocząsteczkowe.
Kształty komórek bakterii
Komórki bakterii, tak różnorodne pod względem funkcji życiowych, żyjące w tak zróżnicowanych środowiskach, są zadziwiająco proste, jeśli chodzi o kształt (w porównaniu z organizmami eukariotycznymi). Niektóre bakterie występują pojedynczo, inne mogą tworzyć luźne kolonie. Kolonie powstają wówczas, gdy po podziale komórki macierzystej komórki potomne nie odłączają się od siebie. Zasadniczo, możemy tutaj wyróżnić kilka podstawowych form:
- ziarniak - komórka bakteryjna o kształcie kulistym (jako dojrzałe, wegetatywne formy bakterii). W niektórych stadiach życiowych, np. pod postacią spor, bakterie mogą przybierać inny kształt, niż formy wegetatywne. Z drugiej zaś strony, działając np. lizozymem, który rozkłada ściany komórkowe bakterii, można uzyskać komórki mające kulisty kształt w roztworze izotonicznym. Nazywamy je protoplastami, ale nie mają one nic wspólnego z kształtem komórki, z której powstały, dlatego nie są one ziarniakami,
- laseczka (bacillus) i pałeczka (bacterium) - kształt bakterii jest wydłużony (cylindryczny). Rozróżnienie pałeczek od laseczek bywa nieco problematyczne. Jedni autorzy twierdzą, że pałeczki to formy wydłużone, grubsze od laseczek i w odróżnieniu od nich mogące wytwarzać zarodniki. Inni autorzy z kolei uważają, iż pałeczki to wydłużone, cylindryczne komórki gramujemne, natomiast laseczki to wydłużone, czasami nawet nitkowate formy gramdodatnie. Spotyka się także takie pozycje, w których mówi się jedynie o pałeczkach, mając na myśli wszystkie cylindryczne lub bardziej wydłużone kształty komórek bakteryjnych,
- formy spiralne - jak sama nazwa wskazuje, mamy tutaj do czynienia z kształtami mniej lub bardziej skręconymi wokół osi.
Ten prosty podział można dalej rozszerzać na bardziej subtelne kształty. W przypadku ziarniaków możemy wyróżnić:
- pojedyncze komórki, tzw. ziarenkowce (coccus),
- dwoinki (diplococcus), czyli dwie połączone komórki,
- paciorkowce (streptococcus), stanowiące łańcuch komórek i powstające na skutek podziałów kolejnych komórek w tej samej płaszczyznie,
- gronkowce (staphylococcus), będące, jak sama nazwa wskazuje, zgrupowaniami komórek o kształcie grona; powstają one na skutek podziałów komórek w wielu różnych płaszczyznach,
- pakietkowce (sarcina), są one zgrupowaniami o kształcie sześcianów, powstającymi w wyniku podziałów w trzech różnych płaszczyznach,
- tetrady (czwórniaki) to grupy czterech komórek połączonych ze sobą w jednej płaszczyźnie.
Wśród form wydłużonych możemy, poza pałeczkami i laseczkami, wyróżnić:
- maczugowce o kształcie maczugi,
- wrzecionowce o kształcie wrzeciona,
- nici lub nitkowce, stanowiące bardzo silnie wydłużone komórki.
Należy zauważyć, że niektóre gatunki bakterii, szczególnie te należące do form wydłużonych, mogą w zależności od warunków wykazywać dosyć duże zmiany w kształcie komórek. Zjawisko to nazywamy pleomorfizmem i jest ono spotykane zwłaszcza w przypadku maczugowców. Niezwykle ciekawym pod tym względem rodzajem bakterii jest Arthrobacter, którego można wyizolować z gleby. Młode kolonie tej bakterii wykazują obecność głównie form o kształcie silnie wydłużonych pałeczek, jednak kolonie starsze składają się praktycznie w całości z ziarenkowców. Przykład ten pokazuje, iż tak naprawdę, określanie kształtu bakterii jest w znacznej mierze umowne, a potwierdzić to może fakt, iż do dziś trwają dyskusje, które bakterie należy zaliczyć do maczugowców
Jeśli chodzi o morfologię spiralną, wyróżnia się:
- krętki - mają komórkę skręconą o niezwykle charakterystycznej i niespotykanej wśród innych bakterii budowie,
- przecinkowce (vibrio) - mają kształt przecinków, zbliżony do kształtu bumerangu,
- śrubowce (spirillum) - mają śrubowaty kształt komórki i są urzęsione perytrychalnie.
Morfologia bakterii ma znaczenie w identyfikacji gatunków i wspólnie z barwieniem metodą Gramma jest jednym z pierwszych kroków w określaniu przynależności systematycznej.
Poniżej przedstawiono schematycznie wygląd różnych rodzajów komórek bakteryjnych (rys. 3.) (patrz załącznik)
Rys. 3. Przykładowe kształty komórek bakteryjnych:
a. ziarniak,
b. dwoinka,
c. czwórniak,
d. paciorkowiec,
e. pakietowiec,
f. gronkowiec,
g. pałeczka,
h. laseczka,
i. przecinkowiec,
j. śrubowiec, k. krętek
Wielkość bakterii
Bakterie, podobnie jak pozostałe komórki prokariotyczne, wykazują zwykle niewielkie rozmiary. "Standardowa" komórka bakteryjna, ma zwykle średnicę ok. 1 ?m (tj. 10-6m), przy długości nie przekraczającej 5 ?m. Spotyka się jednak również bakterie o mniejszych wymiarach, np. wiele ziarniaków ma średnicę 0,5 ?m, a z drugiej strony znane są również prawdziwe giganty. Największym znanym obecnie gatunkiem bakterii jest Thiomargarita namibiensis ("siarkowa perła Namibii"), której komórka może mieć długość nawet 2 mm. Mniejsze od bakterii są już tylko wirusy, natomiast nieco większe- komórki grzybów.
