Basal Bakteriologi OM6540 VT 20 EL.pdf: OM6540 V20 Anatomi, fysiologi, farmakologi och mikrobiologi

Basal

bakteriologi

OM6540

Erika Lindberg, 2020-03-12 erika.lindberg@gu.se

Varför är bakteriologi viktigt?

• En vanlig orsak till infektion – vårdrelaterade infektioner • Förstå hur de orsakar sjukdom -behövs kunskap om dess

utseende, egenskaper och funktion

• För att skilja bakterier mikroskopiskt - utnyttjar bakteriens cellvägg- gramfärgning

• Viktigt att snabbt kunna göra en bedömning tex vid

blodförgiftning/sepsis kan ana vad det är för bakterie och vad man kan behandla med för antibiotika

Översikt:

Bakgrund

Eukaryoten och prokaryoten Bakteriens olika delar

-yttre strukturer -inre strukturer Morfologi

Celldelning

Näringsupptag och metabolism Tillväxt

Genetik Taxonomi

Mikrobiologi

- läran om små levande organismer (=mikroorganismer)

Mikroorganism - ej synlig för ögat (>0,2mm – 10 nm)

Ljusmikroskop- 0,2 µm Elektronmikroskop- ytterligare 1000x ca 0,0002 µm Amöban – 300 µm Jästcellen – 8 µm Bakterier - 0,5-5 µm Virus ex influensaviruset – 20-300 nm

Typiska mikrober är:

- bakterier

(i Kingdom Monera)

- protozoer

(i Kingdom Protista)

- alger

(i Kingdom Protista eller Plantae, beroende på taxonomi)

- fungi

(i Kingdom Fungi)

• Notera: bara medlemmar av Kingdom Animalia

(och mest Plantae) är klassade som icke mikrober

Bakterier

djur

växter

Prokaryoter

celler utan cellkärna

svampar ciliater slem-svampar entamöba flagellater Arkéer proteobakterier fuso-bakterier aktinobakterier Chlamydiae spirochaeter Bacteroidetes Firmicutes

Livets träd

protister Virus

Mikroorganismer har funnits i miljarder år på

jorden

Fossila bakterier har hittats i klippor som är 3,8

miljarder år gamla

De har haft gott om tid på sig att anpassa sig

och återfinns i stort sett överallt.

Spridning av bakterier

Miljarder av bakterier/gram jord

Vi människor består av 1014 _{bakterieceller och 10}13 _{humana celler}

10% av vår torrvikt består av bakterier (främst i tjocktarmen) Faeces består till 1/3 av bakterier.

Bakterier sprids främst via direkt och indirekt kontakt, via mat och vatten och via aerosol

Storlek på olika organismer

Kocker: ca 1 um i diameter Stavar: 0,5-1 um i bredd 3-5 um i längde Spiraler: 0,3-0,6 um i bredd 1-3 um i längd

Eukaryoter

"eu" = sann, + "caryos" = kärna

Innehåller membranbundna organeller (mitokondrier, endoplasmatiskt retikulum Goligiapparat osv)

Storlek: från 5 micrometer (jäst) till 50 eller 100 micrometer

Inkluderar protista, fungi,

animalia och plantae Golgi

apparat ribosom Eukaryot cellkärna mikrotubili mitokondrier nukleol Endoplasmatiskt retikulum

Bakteriers struktur

1. Prokaryoter

"pro" = före, + "karyos" = kärna

Inkluderar bakterier och cyanobakterier (fd blå-gröna alger) Bara en kromosom Saknar cellkärna Saknar mitokondrier Enkel struktur Storlek: 1 µm diameter kapsel cellvägg cytoplasma pili flagell Ribosom DNA

Karaktäristika Prokaryoter Eukaryoter

Storlek 0,2-2,0 mm i diameter 10-100 m m i diameter

Kärna Ingen kärna Sann kärna med yttre membran Organeller Saknas lysosomer,Golgi,endoplasmiskt-reticulum, mitokondrier & kloroplast

Flageller Består av två protein block Komplex; multipla microtubuli Cellvägg Finns vanligtvis; kemiskt

komplex (bakteriecellvägg, inkl peptidoglycan)

Om finnes, kemiskt enkel

Plasmamembran Inga kolhydrater och saknar generellt steroler

Steroler och kolhyd- rater som fungerar som receptorer

Cytoplasma Inget cytoskelett eller cytoplasmic streaming

Cytoskelett; cytoplasmic streaming Ribosomer Mindre storlek (70S) Större storlek (80S); mindre storlek

(70S) i organeller Kromosom (DNA)

arrangemang

Enkel cirkulär kromosom; saknar histoner

Multipla linjära Kromosomer med histoner

Sexuell reproduktion Ingen meios; (konjugation) Meios

cytoplasma pili flagell Ribosom DNA Bakteriens uppbyggnad 1. Flagellen 2. Kapsel 3. Pili 4. Cellvägg 5. Cellmembran Inre strukturer 5. Cytoplasman 6. Kromosomen 7. Plasmiden 8. Ribosomen 9. Sporer Cell-vägg Kapsel Yttre strukturer Plasmid

Flagellen

Bakteriers rörelseorgan

När bakterien rör sig i riktning till eller

från något kallas det kemotaxis

Positiv kemotaxis = mot näringsämnen

Negativ kemotaxis = från repellent (farligt

ämne)

Rörelseorgan - flageller

Många bakterier har flageller på utsidan med vars hjälp de kan röra sig. Beroende på

flagellens placering - olika namn A, Monotrick, ex Viborae cholerae

B, Lophotrick, ex Bartonella baciliformis C, amphitrick, ex Spinillum sorpens

D, peritrick, ex Escherichia coli

Flageller kan endast ses med speciell färgningsteknik

Främst stav- och skruvformade bakterier som har flageller.

Kocker oftast orörliga

A

B C

Kapsel och slemlager:

Glykokalyx: skal av polysackarider, proteiner eller både och

-hög-molekylärvikt, viskös Kapsel

Slemlager:

-löst, slemliknande skikt

• Skyddar mot fagocytos

• T.ex Streptococcus pneumoniae,

Haemophilus influenzae, Klebseilla pneumoniae.

kapsel Kapsel Slemlager

Glykokalyx - kapsel

Ett skyddande lager runt bakterien som kan vara ett löst

slemlager som skyddar mot uttorkning eller

näringsförlust eller en kapsel som är en ordnad struktur av polysackarider eller proteiner som är tjockare och mer gummiaktig och sitter fast på bakterien

Båda skyddar bakterien från omgivningen och är också viktiga för bildning av biofilm

Kallas K antigen – viktig virulensfaktor Flera vaccin bygger på kapselantigen

BIOFILM

Planktoniska bakterier

• Ändrad fenotyp – tex långsammare tillväxt

• Ökad överföring av tex resistensgener och mer resistenta

• Vid infektion – både biofilm + fritt levande planktonisk form samtidigt

• Tex lunginflammation- biofilm i lungorna, på tänderna, på främmande material

• Biofilm på en viss plats

• Svåra eller omöjliga att behandla bort med antibiotika trots full känslighet i planktonisk form

Fimbrie(pili):

Pili är släta, hårlika,

proteinstrukturer på ytan av många ffa gramnegativa

bakterier.

Viktiga vid addesion till värdcellen

Sex-pili

Vid konjugation- överföring av arvsanlag

LPS por yttre membran peptido-glykan lipoprotein cytoplasmamembran cytoplasmamembran peptidoglykan ( ≤50 lager) por teikoinsyra lipo-teikoinsyra

Gram-färgning

Fixering Lugol Kristallviolett Avfärgning Kontrastfärgning (Safranin) Gram + Gram

Bakterier utan peptidoglykan – ingen cellvägg

Lysozym eller penicillin kan förstöra cellväggen.

• Mycoplasma saknar cellvägg.

• Har kolesterol i membranet (finns inte hos andra

bakterier).

• Påverkas inte av penicillin.

• Vissa arter kan orsaka lunginflammation.

Cellmembranets huvudfunktioner

1. aktiv transport av molekyler

2. produktion av energi (oxidativ fosforylering)

3. syntes av cellväggskomponenter

4. utsöndring av enzym och toxiner

5. behövs för DNA-replikation

6. känna av förändringar i omgivningen

Bakterier har inte kolesterol i membran, med

undantag av mykoplasma.

Genetiskt material:

Nukleoiden/Kromosomen

DNA finns inte i ett kärnmembran (= prokaryot)

Men är ändå strukturerat samlat i mitten av

cyto-Plasman (ca 1 milj baspar- byggstenar)

Oftast en kromosom

Cirkulär

Plasmiden

• Kan vara flera i antal

• Extra-kromosomalt, cirkulärt, dubbelsträngat

DNA (ca 5000 baspar-byggstenar)

• Kan inkorporeras i DNA

• Kodar ofta för pathogenes och

antibiotika-resistens, tungmetall- och UV-ljusantibiotika-resistens,

toxiner, pili etc.

• Replikation (kopiering) oberoende av

bakteriekromosomen

Cytoplasman

Nukleoid

- kromosomalt DNA

- Plasmider

Inklusionskroppar

Lagring av extra näring och energi

Metakromatiska granula

Sporer

Ribosomen - proteinfabrik

30S: 16S rRNA 21 ribosomala proteiner 50S: 5S rRNA 23S rRNA

33 ribosomala protiener _{Bild från Voorhees RM, Weixlbaumer A, Loakes D, Kelley}

AC, Ramakrishnan V. (2009) Insights into substrate stabilization from snapshots of the peptidyl transferase center of the intact 70S ribosome. Nat.Struct.Mol.Biol. 16: 528-533.

Ribonukleoprotein komplex som sköter proteinsyntesen. 70S i storlek. En 50S och en 30S enhet.

Vissa bakterier bildar sporer

Sporbildande

bakterier i mikroskop

• Bildas under svåra förhållanden

• Extra tjock skyddande cellvägg – mycket tålig • Innehåller kromosomen

proteiner, ribosomer • ”sovande” form

överlever länge • kan utvecklas till

vanlig bakterie igen

t.ex. Clostridium

Bakteriesporer - Endospor

Vegetativ cell Bildande av spor vägg Modercell spor Fri endospor • Resistent struktur

-Tål hög värme, strålning, alkohol och kyla - Fortfarande viabel efter 1 timmes kokning

• Bacillus stearothermophilus sporer används som kontroll vid värmesterilisering

• Bacillus anthracis-sporer- Används vid biologisk krigsföring

• Clostridium difficile –vanlig på sjukhus- AAD (antibiotika associerad diarré

Vid studier av bakterier i mikroskop- väldefinierad morfologi- yttre form

Kocker, stavar och spiralvridna

Mellanformer t ex kockoida stavar Storlek 0,5-5 µm

Kocker storlek i diameter 0,1 µm Stavar- bredd 0,5-1 µm

längd 2-5 µm

Morfologi och delningsformer

Kocker

Stavar

Beroende på hur de delar sig - hänger ofta ihop i karaktäristiska delningsformer för olika arter.

Förökning genom delning

Stavar Kocker

Klasar

(stafylokock) Kedjor_{(streptokock)} Diplokock

Gram-positiva kocker Gram-negativa kocker

Gram-positiva stavar Gram-negativa stavar

Staphylococcus aureus

Streptokocker (grupp A, B, C, G) pneumokocker

enterokocker

koagulas-negativa stafylokocker

Meningokocker (Neisseria meningitidis)

Gonokocker (Neisseria gonorrhoeae)

Haemophilus influenzae Bordetella pertussis

Campylobacter

Enterobacteriaceae:

Escherichia coli (ex. EHEC), Klebsiella,

Salmonella, Shigella Clostridium difficile

Viktiga

gram-positiva

och gram-negativa bakterier

Den prokrayota cellcykeln

De flesta prokaryoter reproduceras sig via binär fission

-Enklare än mitosis och meiosis

Vissa prokaryoter reproducerar sig via

knoppning, fragmentering eller på andra sätt

Modercell

Startar att replikera

Bildar ett septum

Delning och 2 nya celler

Tid Antal bakterier (Log) 1 2 3 4 1. Lagfas (anpassningsfas)

- cellerna blir större och anpassar sig till miljön, låg celldelning

2. Logfas logaritmisk tillväxt fas (= exponentiell fas)

3. Stationärfas (=jämviktsfas)

4.Deklinationsfas (=dödsfasen)

Långsamtväxande och

snabb-växande celler

•

En långsamväxande E. coli beböver ca 1

timme för att dela sig: 40 min för DNA

replikation och 20 min för septum formation

och delning

•

Hur kan en snabbväxande E. coli slutföra

Snabb tillväxt

•

E. coli kan dela sig snabbare genom att

påbörja kopiering av sitt DNA både två, tre

och kanske 4 gånger innan första delningen

är slutförd.

•

Den nya cellen får två eller fler

replikationsgafflar och replikationen kan

fortsätta

Tillväxtförhållanden och metabolism

Respiration (aerob nedbrytning)

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2+ 6 H2O= + 2820 kj glukos Fermentation C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2+ 74 kj Glukos etanol C₆H₁₂O₆ 2 CH₃CHOHCOOH + 88 kj Glukos mjölksyra

Olika jäsningar: mjölksyra; mjölksyra +etanol + CO2; propionsyra + ättiksyra + CO2

 Tillgång till näringsämnen, omgivningsmiljö- syre, temperatur, pH

 Olika former av metabolism, kräsna och icke kräsna bakterier

Tillväxt och yttre faktorer:

Vatten

Är livsviktigt för alla vegetativa celler Trivs bäst i en miljö med fys NaCl 0,9%

Tryck

Den normala tillväxten är inte särskilt beroende av tryck. Mycket högt tryck har dock avdödande effekt Salttoleranta - tål hög koncentration salt

Halofila - kräver höga salthalter

Osmofila eller xerofila – kräver höga halter med lösta ämnen

O

Mikroorganismers behov av syre skiljer sig mycket

Kan dela in dem i grupper efter syre behov

Obligat aerob - kräver mkt syre

Obligat anaerob- tål inte syre

Fakultativt anaeroba – kan växa både med och utan fritt syre

Aerotoleranta anaerober - har en anaerob metabolism men kan växa i närvaro av syre

Mikroaerofila - föredrar ett lägre atmosfäriskt tryck av syre.

Obligat anaerob Obligat aerob Micro aerofil Fakultativ Bakterie växt

Temperatur

Optimal temperatur någonstans mellan 20-40°C De flesta vi bakterier vi odlar 35-37 °C Svamp vid 30 °C Campylobakter 42 °C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Temperatur C T illvä x t ha stigh et psykrofil mesofil moderat termofil extrem termofil extrem termofil archae

pH (surhetsgrad)

De flesta

mikroorganismer påverkas i hög

utsträckning av pH och kan oftast bara tillväxa i vissa pH-intervall

Bakterier växer vanligt vis bäst vid pH 6-8

Svampar kan växa i pH 3-9

2 7 12

pH

ACIDOPHILER (A).Vissa bakterier gillar sura miljöer.

NEUTROPHILER (B). Vid växt vid neutralt pH

ALKALINOPHILER (C). Vissa gillar basiskt pH, tex bakterier som växer I alkaliska sjöar

Stor tillväxt av bakterier

• Tillgång till syre

• Lagom varmt – ca 37 grader • Normalt tryck

• Neutralt pH

• Lagom salthalt (fysikalisk koksaltlösning) • Tillgång till mycket näring

Hur kan bakterier

förändra sitt genetiska

material ?

Kort om bakteriegenetik

•

En upplaga av kromosomen

•

Polymeras

DNA/RNA replikation

•

Ribosom

proteinsyntes

•

Plasmid

självreplikerande genfragment

•

Konjugering, transformation, transduktion

DNA

RNA

PROTEIN Transkription

Bakterier har en mycket god förmåga att

anpassa sig till nya förhållanden

•

Kort generationstid

•

Fördelaktiga förändringar kan fort få fäste

Två huvudsakliga mekanismer:

•

Förändringar i befintligt DNA

•

Förvärvande av DNA från andra bakterier i

Förändring i befintligt DNA

•

Vanligen via mutationer

•

Naturliga förändringar i generna som selekteras

fram via den korta generationstiden

•

Selektionstryck – tex på sjukhus

•

Vanligt med mer ”mutationsbenägna” bakterier

F-plasmid

F+ F- Hfr

F-/Hfr-Kromosom Kromosom

Överföring av DNA via sex-pili. Antingen vid F+ eller Hfr

KONJUGATION

”Könspili”

TRANSFORMATION

”fritt DNA”

Trasig bakterie DNA läcker ut

Löst DNA kan tas upp av en annan bakterie

TRANSDUKTION

”via bakteriofager”

Bakteriofager- virus som kan infektera bakterier

Prokaryoter

celler utan cellkärna

Bakterier Arkéer Actino-bacteria Firmicutes Proteobacterier Rike Fylum Bacteri-oidetes Gamma- proteo-bacteria Klass Ordning Enterobacteriales Familj Enterobacteriaceae Släkte Escherichia Art Escherichia coli

Indelning (taxonomi)

Indelning (taxonomi)

Rike (kingdom) Fylum (phylum) Klass (class) Ordning (order) Familj (family) Släkte (genus) Art (species) Proteobacteria Gamma-proteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia Escherichia coli Bacteria Domän (domain) _Prokaryota

Staphylococcus aureus

Stahlyo – druva Coccus - liten rund

Aureus - av aurarum- guld

Enterococcus fecalis

Entero – tarm

Coccus - liten rund Fecalis - avföring

Olika varianter på namngivning:

•

Campylobacter jejuni

•

Gr. Kampylos- böjd

•

Bakterion – liten stav

•

Jejenum – del av tarmen

•

Lactobacillus sanfransisco

•

Lacto – mjölk

•

Bacillus- liten stav

Efter personer som upptäckt dem ”Gubbnamn”

Pasteur - Pasteurella Salmon - Salmonella Shiga - Shigella Yerisa - Yersinia

Giard och Lambl - Giardia Lamblia (parasit) Shuttle - Shuttlewortia

Bakterieidentifikation

• Odling av bakterier på olika

medier (främst agarplattor)

• Mikroskopering

• Biokemiska test

• Molekylärbiologi

• MALDI-TOF

• Antibiotikaresistensbestämning