Bacteriecel: verschillende delen van een gegeneraliseerde bacteriecel (uitgelegd met diagrammen) | Microbiologie
De verschillende delen van een gegeneraliseerde bacteriecel zijn weergegeven in figuur 2.3 en zijn als volgt beschreven:
1. Flagella:
Bacteriële flagella zijn dunne filamenteuze haarachtige helixvormige aanhangsels die door de celwand steken en verantwoordelijk zijn voor de beweeglijkheid van bacteriën. De meeste van de beweeglijke bacteriën bezitten flagellen.
De lengte is ongeveer 10-15μ. Bacteriële flagellen zijn totaal verschillend van eukaryote flagellen in structuur en werkingsmechanisme. Ze zijn veel dunner dan de flagellen of cilia van eukaryote cellen. Geen celmembraan is aanwezig over de bacteriële flagellen in tegenstelling tot eukaryote flagellen.
Bovendien zijn bacteriële flagellen, in tegenstelling tot eukaryotische flagella, enigszins rigide en zwiepen niet heen en weer, in plaats daarvan draaien ze veel als de propeller van een boot voor de beweging van de cel. De bacteriële flagellen hebben drie delen namelijk; (a) basislichaam, (b) haak en (c) gloeidraad (figuur 2.4).
(een) Basale lichaam:
Het vormt het basisgedeelte van de flagellum en is verankerd in het cytoplasmatische membraan en de celwand. Het biedt verankering aan de flagella en functioneert ook als een motor, waardoor de draaiende beweging van het flagellum wordt verkregen.
Het bestaat uit een kleine centrale staaf die door een ringensysteem gaat. In het geval van gram-positieve bacteriën, waarbij de celwand alleen uit een peptidoglycanlaag bestaat, heeft het basale lichaam slechts één paar ringen; de M-ring en de S-ring, beide ingebed in het celmembraan.
Rondom deze ringen zitten een groep eiwitten die mot-eiwitten worden genoemd. Protonbeweging over het celmembraan door deze mot-eiwitten produceert de proton-aandrijfkracht (energie) die nodig is voor de rotatie van deze twee ringen, die uiteindelijk fungeren als de motor voor de propellervormige rotatie van het flagellum.
Een andere groep eiwitten, genaamd fli-eiwitten, zit ingeklemd tussen deze twee ringen. Ze fungeren als motorschakelaar en keren de rotatie van het flagellum om in reactie op intracellulaire signalen.
In het geval van gramnegatieve bacteriën, waarbij de celwand naast de dunnere binnenste peptidoglycanlaag uit een buitenste lipopolysaccharide (LPS) -laag bestaat, heeft het basale lichaam nog een paar ringen; de L-ring ingebed in de LPS-laag en de P-ring in de dunne peptidoglycaanlaag.
(b) Haak:
Een korte haak verbindt het basale lichaam met de gloeidraad van de flagellum. Het is iets dikker dan de gloeidraad. De motorwerking van het basale lichaam wordt via de haak doorgegeven aan de gloeidraad.
(c) Gloeidraad:
Het is het lange haarachtige filamenteuze gedeelte van de flagellum, dat uit de haak komt. Het is een aantal keer langer dan de bacteriecel. Het is gemaakt van een enkel type eiwit, 'flagellin' waarvan het molecuulgewicht ongeveer 40.000 is. Flagellin-moleculen vormen ketens; drie van dergelijke ketens worden samengevoegd om het flagellum te vormen. In tegenstelling tot een haar, dat aan de basis groeit, groeit de gloeidraad van een flagellum aan de punt.
Aminozuren passeren langs het holle midden van het filament en voegen toe aan het distale uiteinde. Dit proces wordt zelfassemblage genoemd, omdat alle informatie voor de uiteindelijke structuur van de gloeidraad zich in de eiwitsubeenheden zelf bevindt. De gloeidraad is enigszins stijf en zwiept niet heen en weer, maar draait veeleer als de propeller van een boot voor de beweging van de cel.
De spirocheten hebben geen externe flagellen. Ze bewegen echter met behulp van een flagellenachtige structuur die zich in hun cellen bevindt, net onder de buitenste omhulling. Deze worden periplasmatische flagellen, axiale flagella, axiale fibrillen of endoflagella genoemd.
Flagella zijn op verschillende manieren gerangschikt in verschillende bacteriën. De rangschikking van flagellen op bacteriecellen wordt flagellatie genoemd. Flagellering bestaat uit de volgende vier types (figuur 2.5).
(a) Monotrichous flagellum (Mono: single; trichous: hair): aan het ene uiteinde van de cel bevindt zich een enkele flagellum.
(b) Lophotrichous flagellatie (Lopho: tuft; trichous: hair): Aan een uiteinde van de cel is een tuft of een cluster van flagellen aanwezig.
(c) Amfitrichous flagellation (Amphi: both; trichous: hair): Flagella is aanwezig aan beide uiteinden van de cel, hetzij afzonderlijk, hetzij in bosjes.
(d) Peritrichous flagellation (Peri: around; trichous: hair): Flagella is aanwezig op het gehele oppervlak van de cel.
2. Fimbriae:
Fimbriae zijn dunne draadachtige haarachtige aanhangsels, die qua structuur vergelijkbaar zijn met flagella, maar niet betrokken zijn bij de beweeglijkheid van bacteriën (Figuur 2.3). In tegenstelling tot flagella zijn ze aanzienlijk korter en talrijker, maar net als flagella zijn ze gemaakt van eiwitmoleculen.
Fimbriae zijn aanwezig in enkele soorten bacteriën, die hen helpen zich te hechten aan de cellen van andere organismen en te voorkomen dat ze worden weggespoeld door de stroom van slijm of lichaamsvloeistof. Zo helpt het met name de pathogene bacteriën om infecties in het lichaam van de gastheer te veroorzaken. Ze helpen ook om vliesjes of biofilms op oppervlakken te vormen.
3. Pili:
Pili zijn dunne draadachtige haarachtige aanhangsels, die qua structuur vergelijkbaar zijn met flagella, maar niet betrokken zijn bij de beweeglijkheid van bacteriën (figuur 2.6). Ze zijn ook structureel vergelijkbaar met fimbriae, maar zijn over het algemeen langer en slechts één of enkele pili zijn aanwezig op het oppervlak van een bacteriecel.
Het is gemaakt van een enkel type eiwit, 'pilin', waarvan het molecuulgewicht ongeveer 17.000 is. Pilinemoleculen zijn spiraalvormig gerangschikt om een enkele stijve draad te vormen met een centrale holle kern. In sommige bacteriën wordt tijdens de conjugatie genetisch materiaal door de holle kern van pili overgebracht (paring met een andere bacterie).
Dergelijke pili worden vruchtbaarheidspili (F pili) of sex pili genoemd. In sommige pathogene bacteriën werken pili op dezelfde manier als fimbriae in hechting aan de gastheercellen en het ontstaan van een infectie. De agglutinerende werking van pili resulteert in de vorming van films van bacteriën die zichtbaar zijn op het oppervlak van kweekvloeistoffen.
4. S-laag:
S-laag (oppervlaktelaag) is een laag op het oppervlak van de meeste van de pathogene bacteriën, die is samengesteld uit een tweedimensionale reeks van eiwitten met een kristallijn uiterlijk in verschillende symmetrieën, zoals hexagonaal, tetragonaal of trimeer (figuur 2.7) .
De kristallijne symmetrie hangt af van de samenstelling van de eiwitten van de S-laag. Het is geassocieerd met de celwandstructuur (met de peptidoglycanlaag in grampositieve bacteriën en met de LPS-laag in gramnegatieve bacteriën).
Het functioneert als een barrière tegen externe permeabiliteit, waardoor stoffen met een laag moleculair gewicht kunnen passeren en stoffen met een hoog molecuulgewicht worden uitgesloten. Het biedt ook bescherming tegen de pathogene bacteriën, tegen het verdedigingsmechanisme van de gastheer.
5. Capsule (slijmlaag of glycocalyx):
Veel bacteriën hebben buiten de cel een viskeus slijmerig of gomachtig materiaal dat de celwand omgeeft (figuur 2.8). Het is gemaakt van macromoleculen, die niet covalent aan de bacteriën zijn gehecht.
Deze oppervlakte-macromoleculen zijn hoofdzakelijk geladen polysacchariden (glycoproteïnen of glycolipiden) en worden daarom 'glycocalyx' (glyco: koolhydraten, kelk: een deel van de bloem onder de bloembladen die zich van de stengel naar buiten uitstrekken) genoemd. Glycocalyx wordt gedefinieerd als het polysaccharide-bevattende materiaal dat buiten de cel ligt als een los netwerk van polymeervezels dat zich naar buiten uitstrekt vanuit de cel.
Ze worden gesynthetiseerd en uitgescheiden door de bacteriën, die binden aan de receptoren op het oppervlak van de gastheerweefsels. Glycocalyx wordt niet alleen rond enkele bacteriecellen gevonden; het wordt ook gevonden rond sommige planten- en dierencellen.
Glycocalyx kan als volgt uit drie typen bestaan:
(a) Capsule:
Het is een polymeerlaag die bestaat uit een dichte, goed gedefinieerde viskeuze laag die de bacteriecellen in veel soorten nauw omsluit. De viskeuze laag kan worden gevisualiseerd door middel van lichtmicroscopie met behulp van een speciale kleuringstechniek.
De glycocalyx-polymeervezels zijn georganiseerd in een dichte matrix die deeltjes zoals Indiase inkt uitsluit. Bacteriën, die een capsule hebben, worden gekapselde bacteriën genoemd, terwijl die, die geen capsule hebben, niet-ingepakte bacteriën worden genoemd.
(b) Microcapsule:
Het is een stroperige laag rond de bacteriecellen, die zo dun is dat het niet zichtbaar kan worden gemaakt door lichtmicroscopie.
(c) Slijm:
Het is een diffuse massa van polymeervezels schijnbaar niet gehecht aan een enkele cel. De visceuze laag is zo dik dat veel cellen zijn ingebed in de slijmmatrix. De laag wordt gemakkelijk vervormd en sluit geen deeltjes uit. Het is moeilijk om te worden gevisualiseerd door lichtmicroscopie.
De functies van capsule en slijm worden hieronder gegeven:
1. Het voorkomt het drogen van cellen door watermoleculen te binden.
2. Het voorkomt de aanhechting van bacteriofagen (de virussen, die bacteriën aanvallen) op de bacteriecellen.
3. Het verschaft virulentie (het ziekte producerende vermogen) door hun herkenning en daaropvolgende vernietiging door fagocyten (witte bloedlichaampjes of WBC) te remmen.
4. Het helpt de pathogene bacteriën voor de aanhechting ervan aan receptoren op het oppervlak van de gastheerweefsels te worden geïnfecteerd.
5. Het zorgt voor therapietrouw tussen verschillende bacteriecellen.
6. Scheden:
Scheden zijn lange holle buisvormige structuren, die ketens van bacteriecellen omsluiten die 'trichomen' vormen (Figuur 2.9). Omhulde bacteriën komen veel voor in zoetwaterhabitats die rijk zijn aan organisch materiaal, zoals vervuilde stromen, druppelfilters en geactiveerde slibgifstoffen in rioolwaterzuiveringsinstallaties. Scheden kunnen gemakkelijk worden gevisualiseerd, wanneer sommige van de cellen, genaamd 'de gevlagde zwavelcellen' van het trichoom uit de schede bewegen en achter de lege huls achterblijven.
7. Pros-thecae:
Pros-thecae zijn cytoplasmatische extensies van bacteriecellen, die aanhangsels vormen zoals hypha, stalk of bud. Ze zijn kleiner in diameter dan de volwassen cellen, bevatten cytoplasma en worden begrensd door de celwand. Bacteriën met pros-thecae worden prosthecaatbacteriën genoemd.
In tegenstelling tot de celdeling in andere bacteriën, die plaatsvindt door binaire splitsing die twee equivalente dochterbacteriecellen produceert, die in de prothesen de vorming van een nieuwe dochtercel met zich meebrengt waarbij de moedercel zijn identiteit behoudt nadat de celdeling is voltooid.
'Hyphae' zijn cellulaire aanhangsels gevormd door directe cellulaire uitbreiding van de moedercel die de celwand, het celmembraan, ribosomen en soms DNA bevat. Het wordt gevormd door de verlenging van een kleine uitgroei van de bacteriecel op een enkel punt.
Een dergelijke groei op een enkel punt wordt 'polaire groei' genoemd, in tegenstelling tot de 'intercalaire groei' die plaatsvindt in alle andere bacteriën, waarbij de groei van bacteriën plaatsvindt over het hele oppervlak. Aan het einde van hypha wordt een knop gevormd, die een flagellum vergroot en produceert.
Het DNA in de moedercel repliceert en een kopie van het cirkelvormige DNA wordt over de lengte van de hypha naar de knop verplaatst. Een kruisseptum vormt dan het scheiden van de zich nog ontwikkelende knop van de hypha en de moedercel.
Nu breekt de knop uit de moedercel en zwemt weg als een dochtercel. Later verliest de dochtercel zijn flagellum en groeit geleidelijk uit tot een moedercel die klaar is voor de vorming van hyphae en bud.
'Stengels' zijn cellulaire aanhangsels die door bepaalde in het water levende bacteriën worden gebruikt voor hechting aan een vaste ondergrond. Aan het einde van de stengel is er een structuur genaamd 'holdfast', waarmee de stengel wordt vastgemaakt aan het substraat. Naast het geven van gehechtheid verhoogt stengel ook het oppervlak van de bacteriecel, wat helpt bij de opname van voedingsstoffen en het verwijderen van afval.
In sommige bacteriën blijven de stengels van verschillende individuen gehecht om 'rozetten' te vormen. Celdeling in gestalkte bacteriën vindt plaats door de verlenging van de cel in de richting tegengesteld aan de richting van de stengel gevolgd door splijting. Een enkele flagellum wordt gevormd aan de paal tegenover de stengel.
De zo gevormde flagellatendoos wordt een 'swarmer' genoemd. Het scheidt zich van de niet-gevlagde moedercel, zwemt rond en hecht zich aan een nieuw oppervlak en vormt een nieuwe stengel bij de gevleugelde paal. Het flagellum is dan verloren.
'Knoppen' zijn cellulaire aanhangsels, die zich rechtstreeks ontwikkelen als dochtercellen uit de moedercellen zonder de tussenliggende vorming van hyphae.
8. Celwand:
Celwand is de stijve structuur die onmiddellijk het celmembraan van bacteriecellen omgeeft. Het celmembraan van bacteriecellen is een fosfolipide dubbellaag die vergelijkbaar is met die van alle andere dierlijke en plantaardige cellen (Figuur 2.11).
Terwijl dierlijke cellen de celwand missen, hebben plantencellen en bacteriecellen een celwand die het celmembraan omringt. In tegenstelling tot de celwand van plantencellen, die voornamelijk bestaat uit cellulose, bestaat de celwand van bacteriecellen voornamelijk uit peptidoglycaanlagen (Figuur 2.10).
Vroeger werd peptidoglycan ook mureïne of mucopeptide genoemd. Peptidoglycan bestaat voornamelijk uit aminozuren en suikers (peptido: keten van aminozuren, glycan: suiker). Twee suikers, namelijk N-acetylglucosamine (NAGA) en N-acetylmuraminezuur (NAMA) worden afwisselend door glycosidebindingen (P-1-4-koppeling) aan elkaar gehecht om lange parallelle suikerketens te vormen.
Gehecht aan de NAMA-moleculen zijn korte zijketens van vier of vijf aminozuren die via peptidebindingen aan elkaar zijn gebonden. Gewoonlijk zijn de aminozuren alanine, glutaminezuur en ofwel lysine ofwel diaminopimelinezuur (DAP). Deze korte peptiden vormen verknopingen tussen aangrenzende suikerketens om een netwerk of laag te vormen.
Hoewel de glycosidebindingen in de suikerketens erg sterk zijn, kunnen deze alleen niet in alle richtingen stijfheid verschaffen. Hoge stijfheid wordt verkregen, alleen wanneer deze ketens worden verknoopt door de peptidebindingen in de verknopende korte peptiden.
De samenstelling van de celwand is niet hetzelfde voor alle bacteriën; er zijn eerder opmerkelijke verschillen in samenstelling, gebaseerd op welke bacteriën zijn gegroepeerd zoals hieronder weergegeven:
A. Op basis van gramkleuring:
Gebaseerd op de verschillen in de samenstelling van de celwand, onderscheidt een speciale kleuringstechniek genaamd 'gramkleuring', genoemd naar Dr. Christian Gram die het ontwikkelde, bacteriën als volgt in twee groepen:
(1) Gram-positieve bacteriën:
Na het kleuren van een bacterie met kristalviolet, als de celwand weerstand biedt aan ontkleuring door wassen met een ontkleuringsmiddel (ethanol of aceton), is het een gram-positieve bacterie. Voorbeelden: Bacillus, Staphylococcus.
(2) Gramnegatieve bacteriën:
Na het kleuren van een bacterie met kristalviolet is het, als de celwand ontkleuring toelaat door te wassen met een ontkleuringsmiddel (ethanol of aceton), een gramnegatieve bacterie. Voorbeelden: Escherichia, Salmonella, Vibrio.
Differentiatie van bacteriën in grampositieve en gramnegatieve groepen vormt de belangrijkste aanwijzing om verder te gaan in de juiste richting voor de identificatie van onbekende bacteriën.
Gram-positieve celwand:
De gram-positieve celwand is heel eenvoudig. Het is voornamelijk gemaakt van een dikke laag peptidoglycaan, die ongeveer 90% van de celwand vormt. Deze dikke laag maakt de gram-positieve bacteriën resistent tegen osmotische lyse.
De wand kan ook teichonzuur, lipoteichoïnezuur en M-eiwit bevatten, die de belangrijkste oppervlakte-antigenen van de gram-positieve celwand zijn. Het teichonzuur is negatief geladen en is gedeeltelijk verantwoordelijk voor de negatieve lading van het celoppervlak van bacteriën. Het helpt ook bij de passage van ionen door de celwand.
Het lipoteichoïnezuur is teichonzuur, dat is gebonden aan de membraanlipiden. Het M-eiwit helpt sommige bacteriën bij het veroorzaken van ziekten door het voorkomen van hun verzakking door WBC. De antibiotica, penicilline (geproduceerd door de schimmel, Penicillium notatum) en cefalosporine doden gram-positieve bacteriën door de synthese van peptidoglycaan te voorkomen. Lysozyme (een enzym gevonden in traan, speeksel, ei-albumine en slijm van vis) doodt gram-positieve bacteriën door de glycosidische binding (ß-1-4 koppeling) tussen NAGA en NAMA te verbreken.
Gram-negatieve celwand:
De gramnegatieve celwand is erg complex en kwetsbaarder dan de gram-positieve celwand. Het heeft een dunne laag peptidoglycaan, die slechts ongeveer 10% van de celwand vormt. Het is omgeven door een dikke beschermende coating genaamd lipopolysaccharide (LPS) laag, die penetratie van sommige potentieel toxische chemicaliën in de bacteriecel weerstaat.
De LPS-laag bestaat uit 1) een lipoproteïnelaag en 2) een buitenmembraan. Eén oppervlak van de lipoproteïnelaag wordt direct gehecht aan de peptidoglycanlaag en het andere oppervlak strekt zich uit in het buitenmembraan.
Het functioneert als een anker tussen de peptidoglycaanlaag en het buitenmembraan. Het buitenmembraan is een in proteïne ingebedde fosfolipide dubbellaag met een 'eenheidsmembraan' structuur vergelijkbaar met het celmembraan. Het binnenblad van het buitenste membraan is alleen een laag van fosfolipidemoleculen.
In tegenstelling tot het membraan van de eenheid worden sommige van de fosfolipidemoleculen in het buitenblad echter vervangen door LPS-moleculen. Elk LPS-molecuul is gemaakt van een lipide gedeelte dat 'lipide A' wordt genoemd en dat covalent is gekoppeld aan een haarachtig polysaccharide.
Wanneer gram-negatieve pathogene bacteriën worden gedood in het lichaam van de gastheer, wordt het lipide A, dat een interne component van gram-negatieve bacteriën is, vrijgegeven, waardoor toxische reacties en ziektesymptomen worden opgewekt. Daarom wordt lipide A ook wel 'endotoxine' (endo: intern) genoemd.
Exotoxine is daarentegen de giftige stof die in de bacteriecellen wordt gesynthetiseerd en aan de buitenwereld wordt afgegeven, wat ziekte veroorzaakt, indien aanwezig in of binnendringt in het lichaam van de gastheer. In tegenstelling tot andere normale lipiden zoals triglyceriden, die zijn gemaakt van drie vetzuren gebonden aan een glycerol, is lipide A gemaakt van vetzuren gebonden aan een disacharide samengesteld uit twee NAGA-fosfaten.
De vetzuren in lipide A zijn gewoonlijk caproïsche, laurische, myristische, palmitische en stearinezuren. Het polysaccharide, dat is gebonden aan lipide A aan het andere uiteinde van het disaccharide, bestaat uit twee delen; 1) de inwendige kernpolysaccharide en 2) de buitenste O-polysaccharide.
Het buitenmembraan bevat ook eiwitten die 'porins' worden genoemd en die drie identieke subeenheden bevatten. Elke subeenheid is cilindrisch met een centrale porie, waardoorheen materialen kunnen passeren. Aldus maken de porinen het buitenste membraan relatief permeabel.
Porins zijn van twee soorten; 1) niet-specifieke porinen, die met water gevulde kanalen vormen voor kleine stoffen van welk type dan ook, en 2) specifieke porinen, die specifieke bindingsplaatsen voor specifieke stoffen hebben om te passeren.
Verschillende materialen (oplossingen, injectiespuiten, naalden, enz.), Hoewel vrijgemaakt van pathogene microben door middel van hittesterilisatie, behouden nog steeds het restafval van de celwand van gram-negatieve bacteriën geproduceerd door ze te doden. Indien geïntroduceerd in het lichaam van de gastheer, kan dit celwandafval ziektesymptomen veroorzaken. Dit gebroken celwandresten, dat ziekteverschijnselen kan veroorzaken, wordt 'pyrogeen' genoemd.
B. Op basis van zuurbestendige kleuring:
Gebaseerd op de verschillen in de samenstelling van de celwand, onderscheidt een andere speciale kleuringstechniek, 'zuursnelle kleuring', bacteriën als volgt in twee groepen:
(1) Zuursnelle bacteriën:
Een bacterie, die uiterst moeilijk te kleuren is, maar eenmaal gekleurd, is het net zo moeilijk om de vlek uit zijn cellen te verwijderen, zelfs met krachtig gebruik van zuuralcohol als ontkleuringsmiddel, is het een zuurvaste bacterie (zuurminnend) bacteriën).
Voorbeelden: Mycobacterium spp. [M. tuberculose (TB-bacteriën), M. leprae (leprabacteriën), M. smegmatis (natuurlijke bacteriën van smegma), M. marinum (TB-bacteriën van zeevissen)]. Ze bezitten een dikke wasachtige celwand gemaakt van lipide materialen.
(2) Niet-zuurvaste bacteriën:
Een bacterie, die gemakkelijk te kleuren is en ook gemakkelijk kan worden ontkleurd door zuuralcohol als ontkleuringsmiddel, is een niet-zuurvaste bacterie (niet-zuurminnende bacterie). Voorbeelden: alle andere bacteriën behalve Mycobacterium spp. In deze bacteriën is de celwand niet dik wasachtig.
Differentiatie van bacteriën in zuurvaste en niet-zuurvaste groepen vormt de belangrijkste aanwijzing voor de identificatie van Mycobacterium spp.
Muur-deficiënte varianten:
Sommige bacteriën bestaan van nature zonder celwand. Mycoplasma, de kleinste bacterie, heeft geen celwand. Het wordt beschermd tegen osmotische lyse door de aanwezigheid van sterolen in het celmembraan en door het aannemen van een parasitair bestaan in een osmotisch gunstige omgeving van eukaryotische gastheren.
Evenzo missen sommige zeebacteriën de celwand, waarbij de osmotische lyse wordt voorkomen door de hoge zoutconcentratie van zeewater. De meeste van de gram-positieve bacteriën verliezen hun celwand (peptidoglycan) in aanwezigheid van lysozyme.
Hun cellen overleven echter als ze aanwezig zijn in een isotone omgeving zoals met pus gevulde wonden. Deze wand-deficiënte bacteriën, bestaande uit alleen protoplasma ingesloten door celmembraan, worden 'protoplast' of 'L-vormen' genoemd (L voor Lister Institute in Londen).
Zodra lysozyme is verwijderd, kunnen ze de groei hervatten door hun celwand te synthetiseren. Als de protoplast delen van de celwand vasthoudt, zodanig dat de cel een amoebolde vorm aanneemt en uitsteekt daar waar geen celwand is, wordt dit 'sferoplast' genoemd.
Spheroplast wordt ook gevormd, wanneer peptidoglycaan van gramnegatieve celwand wordt verwijderd door behandeling met lysozym. Hier is het protoplasma ingesloten door twee lagen, het celmembraan en de LPS-laag.
Functies van celwand:
(a) Beschermingsformulier Lysis:
Het beschermt de bacteriecellen tegen osmotische lysis, omdat de meeste van hen in hypotone omgevingen blijven. Dit is zo omdat; de concentratie van opgeloste opgeloste stoffen in de bacteriecellen is aanzienlijk hoger dan die in de omgeving. Hierdoor ontstaat een aanzienlijke turgordruk in de cellen, die vergelijkbaar kan zijn met de druk in een autoband. De celwand helpt om deze druk te weerstaan.
(b) Vorm en stijfheid:
Het geeft vorm en stijfheid aan de bacteriecellen.
9. Periplasmische ruimte:
Het is de dunne ruimte tussen de celwand en het celmembraan (figuren 2.10 en 2.11). Het is gevuld met plasma, het periplasma. Het periplasma bevat verschillende eiwitten, waarvan er drie belangrijk zijn.
Het zijn, 1) hydrolytische enzymen, die helpen bij de initiële afbraak van voedselmoleculen van bacteriën, 2) bindende eiwitten, die beginnen met het proces van het transporteren van substraten en 3) chemoreceptoren, die betrokken zijn bij de chemotaxisreactie van bacteriën. Chemotaxis betekent beweging naar of weg van een chemische stof.
10. Celmembraan:
Het is een dun membraan onder de celwand dat het protoplasma volledig omsluit. Het wordt ook 'cytoplasmatisch membraan' of 'plasmamembraan' genoemd. Het is een in proteïne ingebedde fosfolipide dubbellaag (Figuur 2.11).
Twee soorten eiwitten zijn ingebed in de dubbellaag. Eén type eiwitten wordt hardnekkig vastgehouden in de dubbellaag en wordt 'integrale eiwitten' genoemd. De andere soorten eiwitten zijn losjes verankerd op het oppervlak van de dubbellaag en worden 'perifere eiwitten' genoemd.
De componenten van het membraan zijn niet statisch; ze zijn eerder dynamisch en zijn altijd in de staat van beweging als een 'vloeistof'. De eiwitten geven het membraan een 'mozaïek' uiterlijk.
Dat is de reden; het eenheidsmembraan wordt meestal uitgedrukt door een 'vloeiend mozaïekmodel'. De dubbellaag van fosfolipiden bestaat uit twee tegenover elkaar liggende lagen die elk bestaan uit een laag fosfolipidenmoleculen. Elk fosfolipidenmolecuul heeft een kop en een paar staarten die eruit komen.
Het hoofd is geladen en hydrofiel (waterminnend), waarvoor het in de richting van de waterige omgeving blijft. De staarten zijn ongeladen en hydrofoob (water-hatend), waarvoor ze verborgen blijven in het membraan weg van de waterige omgeving. Zo'n membraan wordt 'eenheidsmembraan' genoemd.
Sterolen, die aanwezig zijn in het eenheidsmembraan van alle eukaryoten als het versterkingsmiddel, zijn afwezig in de eenheidsmembranen van vrijwel alle bacteriën. Moleculen die lijken op sterolen, 'humanoïden' genoemd, zijn echter aanwezig in verschillende bacteriën, die een vergelijkbare rol spelen als sterolen in eukaryoten. Een van de belangrijke mensachtigen is 'diploptene', dat 30 koolstofatomen heeft.
Functies van celmembraan:
(a) Doorlaatbarrière:
Het inwendige van de cel (het cytoplasma) bestaat uit een waterige oplossing van zouten, suikers, aminozuren, vitaminen, co-enzymen en een groot aantal andere oplosbare materialen. De hydrofobe aard van het celmembraan maakt het & strakke barrière.
Hoewel sommige kleine hydrofobe moleculen door diffusie het membraan kunnen passeren, gaan hydrofiele en geladen moleculen (de meeste in water oplosbare moleculen) er niet gemakkelijk doorheen. Deze moleculen worden er door specifieke transportsystemen doorheen getransporteerd.
Zelfs een stof zo klein als een waterstofion (H + ) diffundeert niet over het celmembraan. Het enige molecuul dat het membraan binnendringt, is water, dat voldoende klein en niet-geladen is om te passeren tussen fosfolipidenmoleculen.
Aldus is het celmembraan een kritische barrière die de binnenkant van de cel van zijn omgeving scheidt en de passieve lekkage van cytoplasma-bestanddelen in of uit de cel voorkomt. Als het membraan wordt gebroken, wordt de integriteit van de cel vernietigd, de interne inhoud lekt in de omgeving en de cel sterft.
(b) Selectieve barrière:
Het celmembraan is ook een zeer selectieve barrière. Specifieke eiwitten, 'membraan-transporterende systemen' genoemd, die aanwezig zijn op en in het celmembraan, maken het mogelijk om specifieke stoffen eroverheen te transporteren door middel van actief en passief transport.
Structureel zijn de membraantransportsystemen eiwitten gemaakt van 12 alfa-spiralen die heen en weer door het membraan wikkelen om een kanaal te vormen, waardoor de te transporteren substantie in of uit de cel wordt gevoerd.
Deze eiwitten kunnen binden aan specifieke stoffen die moeten worden getransporteerd en deze naar behoefte in of uit de cel over het membraan verplaatsen. Hierdoor kan een bacteriecel specifieke stoffen in de cel concentreren en specifieke stoffen uit de cel naar buiten verwijderen.
Er zijn drie soorten membraantransporteiwitten, zoals 1) Uniporters, die één type molecule slechts in één richting over het membraan transporteren, 2) Symporters, die één type molecuul transporteren en altijd een ander type molecule met zich meedragen in dezelfde richting en 3) Antiporters, die één type molecuul transporteren en altijd een ander type molecule in de tegenovergestelde richting transporteren.
Het transport van stoffen kan op drie manieren plaatsvinden, zoals 1) Eenvoudig transport, waarbij het transport over het membraan wordt uitgevoerd door de energie van de protonenmotorkracht, 2) Groepstranslocatie, waarbij de getransporteerde substantie chemisch wordt gewijzigd tijdens passage over het membraan en 3) ABC-transport (ATP-bindende cassette), waarin een periplasmatisch bindend eiwit in het periplasma specifiek aan de stof bindt, een membraan-omspannend eiwit, dat zich over het membraan uitstrekt, transporteert het over het membraan en een cytoplasma ATP-hydrolyserend eiwit dat in het cytoplasma aanwezig is, levert de energie voor de transportgebeurtenis.
(c) Extracellulaire hydrolyse:
Het celmembraan geheim veel enzymen naar buiten voor extracellulaire afbraak van grote voedseldeeltjes in moleculen, die door het membraan de cel in kunnen.
(d) Ademhaling:
Bacteriën hebben geen mitochondriën. Daarom wordt cellulaire ademhaling, om energie te krijgen uit voedselmaterialen, uitgevoerd in het celmembraan, dat de enzymen van de ademhalingsketen bevat. Het is een apparaat voor energiebesparing in de cel.
Het membraan kan bestaan in een energetisch 'geladen' vorm, waarbij een scheiding van protonen (H + ) van hydroxylionen (OH-) optreedt over zijn oppervlak. Deze ladingsscheiding is een vorm van metabole energie, analoog aan de potentiële energie die aanwezig is in een opgeladen batterij.
De geactiveerde toestand van het membraan, aangeduid als een 'proton-aandrijfkracht' (PMF), is verantwoordelijk voor het aandrijven van veel energie-behoeftefuncties in de cel, waaronder enkele vormen van transport, beweeglijkheid en de biosynthese van de energiemunt van de cel, ATP .
(e) Fotosynthese:
Fototrofe bacteriën voeren fotosynthese uit met speciale organellen die 'chromatoforen' worden genoemd en die worden gevormd door de verbeelding van het celmembraan. Deze organellen bevatten enzymen en pigmenten voor fotosynthese.
(f) Absorptie van voedingsstoffen:
Voedingsstoffen in de omgeving worden via de celmembraan rechtstreeks in de bacteriecellen opgenomen. 'Mesosomen' zijn membraaninvasies van het celmembraan in het cytoplasma, die het oppervlak vergroten voor efficiënte absorptie.
(g) Reproductie:
Bacteriën reproduceren door binaire splitsing. Elke cel verdeelt zich in twee dochtercellen. In het proces vormt het celmembraan de nieuwe celwand tussen de delende dochtercellen.
11. Cytoplasma:
De viskeuze vloeistofachtige substantie, die het compartiment vult in het celmembraan, wordt cytoplasma genoemd (figuren 2.10 en 2.11). Het is een vloeistof gemaakt van water, enzymen en kleine moleculen. Opgeschort in de vloeistof zijn een relatief transparant gebied van chromosomaal materiaal genaamd 'nucleoid', ribosoomgranules en cytoplasmische insluitsels, die energie opslaan.
12. Nucleoid:
Het is de geaggregeerde massa van DNA die het chromosoom van bacteriën vormt (Figuur 2.12). Omdat bacteriën prokaryoten zijn, is hun DNA niet beperkt tot een membraan-gebonden kern, zoals het in eukaryoten is.
Het is echter niet verspreid door de cel, maar neigt ernaar te aggregeren als een afzonderlijke structuur in de bacteriecel en wordt 'nucleoïde' genoemd (Figuur 2.12). Ribosomen zijn afwezig in het gebied van de nucleoïde, omdat nucleoïde DNA bestaat in een gel-achtige vorm die deeltjesmateriaal uitsluit.
De meeste bacteriën bevatten slechts een enkel chromosoom, dat bestaat uit een enkelcirkelig dubbelstrengig DNA, hoewel sommige bacteriën lineair chromosomaal DNA hebben. Gewoonlijk wordt het chromosomale DNA uitgebreid gedraaid en gevouwen tot 'super-coiled DNA', om het te accommoderen in de kleine ruimte van de nucleoïde.
Super-coiled DNA is compacter dan het gratis circulaire DNA. Bacteriën bevatten slechts een enkele kopie van elk gen op hun chromosoom en zijn daarom genetisch 'haploïd'. Daarentegen bevatten eukaryoten twee kopieën van elk gen in hun chromosomen en zijn dus genetisch diploïde.
Gen kan worden gedefinieerd als elk segment van een DNA, dat verantwoordelijk is voor een bepaald karakter van het gastheerorganisme. Elk karakter van een organisme wordt gespecificeerd door een bepaald gen, dat uit een bepaald segment van het DNA bestaat.
Het chromosomale DNA van bacteriën bevat de essentiële 'huishoudgenen', die nodig zijn voor de basale overleving van bacteriën. Dit DNA wordt tijdens celdeling verdeeld tussen de twee dochtercellen.
Naast de chromosomale genen zijn er ook niet-chromosomale genen aanwezig buiten het chromosoom. De plasmiden bevatten bijvoorbeeld specifieke genen, die speciale eigenschappen verlenen aan bacteriën. De som van alle genen die in een cel aanwezig zijn, wordt zijn 'genoom' genoemd.
13. Plasmiden:
Dit zijn enkele niet-chromosomale DNA's die worden gevonden in het cytoplasma van sommige bacteriën (Figuur 2.12). Elk plasmide bestaat uit een klein cirkelvormig stuk dubbelstrengig DNA, dat onafhankelijk van het chromosoom kan repliceren. Veel plasmiden zijn vrij klein, maar sommige zijn vrij groot.
Er is echter geen plasmide zo groot als het chromosoom. Plasmiden hebben geen genen die essentieel zijn voor bacteriële groei of overleving. Ze kunnen genen hebben die verantwoordelijk zijn voor de resistentie tegen antibiotica, voor de productie van toxines of voor de productie van oppervlakappendages die essentieel zijn voor hechting en het ontstaan van een infectie.
Aldus bevatten de plasmiden de genen die speciale eigenschappen verlenen aan bacteriën, in tegenstelling tot het chromosomale DNA, dat de essentiële huishougende genen bevat die nodig zijn voor basale overleving van de bacteriën.
Sommige plasmiden, die kunnen worden geïntegreerd in het chromosomale DNA van de gastheer, worden 'episomen' genoemd. Plasmiden kunnen ook uit de gastheerbacteriecel worden geëlimineerd door het proces dat 'genezen' wordt genoemd. Sommige plasmiden worden veel gebruikt in genmanipulatie en genetische manipulatie.
14. Ribosomes:
Dit zijn korrelvormige lichamen die aanwezig zijn in het cytoplasma, waarin eiwitsynthese plaatsvindt (Figuur 2.3). Ze zijn zo talrijk dat hun aanwezigheid het cytoplasma een donker uiterlijk geeft. De grootte van elk bacterieel ribosoom is 70 S (70 Svedberg), die uit twee subeenheden van 50S en 30S-grootte bestaat. Daarentegen is de grootte van elk eukaryoot ribosoom 80 S, bestaande uit twee subeenheden van 60S en 40S grootte.
15. Gas Vacuoles:
Gasvacuoles zijn spindelvormige met gas gevulde structuren die in het cytoplasma worden aangetroffen (figuren 2.3 en 2.13). Het zijn holle cilindrische buizen, afgesloten door een holle conische dop aan elk uiteinde. Hun aantal in een cel kan variëren van enkele tot honderden.
Hun lengte en breedte variëren in verschillende bacteriën, maar de vacuolen van een bepaalde bacterie hebben min of meer een constante grootte. Ze zijn hol, maar stijf. Ze zijn ondoordringbaar voor water en opgeloste stoffen, maar zijn doorlatend voor de meeste gassen. Daarom is de samenstelling van het gas erin hetzelfde als dat van het gas, waarin het organisme is opgehangen.
Gas is aanwezig in de vacuolen bij ongeveer 1 atm. druk. Daarom is de stijfheid van een gasvacuümmembraan essentieel voor de vacuole om weerstand te bieden aan de druk die van buitenaf op hem wordt uitgeoefend. Hierdoor is het samengesteld uit eiwitten die in staat zijn om een stijf membraan te vormen in plaats van lipiden, die een vloeibaar, zeer mobiel membraan zouden vormen.
Er zijn twee soorten eiwitten, die het membraan maken. Ze zijn 1) GvpA en 2) GvpC (gasvacuoleiwit A en C). GvpA is het belangrijkste gasvacuolesproteïne, dat klein en zeer hydrofoob is (Figuur 2.13). Het is het schelpeiwit en maakt 97% uit van het totale eiwit van de gasvacuolen.
Gasvacuolen zijn gemaakt van verschillende GvpA-eiwitmoleculen die zijn uitgelijnd als parallelle 'ribben' die een waterdicht oppervlak vormen. GvpA-eiwitten vouwen als een (3-vel en geven dus een aanzienlijke stijfheid aan de totale vacuole-structuur.GvpC is een groter eiwit, maar is in een veel kleinere hoeveelheid aanwezig.
Het versterkt de schaal van de gasvacuolen door als vernetter te werken en meerdere GvpA-ribben samen te binden als een klem. De uiteindelijke vorm van de gasvacuolen, die kunnen variëren in verschillende organismen van lang en dun tot kort en vet, is een functie van hoe de GvpA- en GvpC-eiwitten zijn gerangschikt om de intacte vacuolen te vormen.
Omdat de gasvacuolen gevuld zijn met gassen, is hun dichtheid ongeveer 5 - 20% van die van de eigenlijke cel. Aldus verlagen de vacuolen van het intacte gas de dichtheid van de bacteriecellen, waardoor ze drijfvermogen verlenen.
De meeste van de drijvende waterbacteriën hebben gasvacuolen, die drijfvermogen verlenen en ze helpen drijven op het wateroppervlak of overal in de waterkolom. Gasvacuolen werken ook als een middel tot beweeglijkheid, waardoor cellen op en neer kunnen drijven in de waterkolom als reactie op omgevingsfactoren.
Zo profiteren aquatische fototrofe organismen bijvoorbeeld van gasvacuolen, waardoor ze hun positie snel in de waterkolom kunnen aanpassen aan gebieden waar de lichtintensiteit voor fotosynthese optimaal is. Het gasvacuol membraan kan geen hoge hydrostatische druk weerstaan en kan instorten, wat leidt tot een verlies aan drijfvermogen. Eenmaal ingeklapt, kunnen gasvacuolen niet opnieuw worden opgeblazen.
16. Inclusies:
De niet-levende reservematerialen gesuspendeerd in het cytoplasma worden 'insluitsels' genoemd (Figuur 2.3). De meeste insluitsels worden begrensd door een dun niet-eenheidsmembraan dat bestaat uit lipiden die ze scheiden van het omringende cytoplasma.
Hun functie is de opslag van energie of structurele bouwstenen. Verschillende bacteriën bevatten verschillende soorten insluitsels.
Enkele van de gebruikelijke insluitsels gevonden in bacteriecellen worden hieronder beschreven:
(a) Poly-β-hydroxybutyric zuur (PHB) korrels:
Dit zijn korrels die bestaan uit poly- β-hydroxyboterzuur (PHB), dat een lipide-achtige substantie is. Monomeren van β-hydroxyboterzuur zijn door esterbindingen aan elkaar gebonden in een keten om het polymeer van poly- β-hydroxyboterzuur. De polymeren aggregeren tot korrels.
(b) Poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) korrels:
Het is een verzamelnaam die wordt gebruikt om alle klassen koolstof / energieopslagpolymeren te beschrijven die worden aangetroffen in bacterieel cytoplasma. De meest voorkomende PHA-korrels zijn de PHB-korrels. De lengte van de monomeren in een polymeer kan variëren van zo kort als C4 (in PHB-korrels) tot zo lang als C18 (in andere korrels) in veel bacteriën.
(c) Volutin-korrels:
Dit zijn korrels samengesteld uit polyfosfaten. De basische kleurstof, toluïdineblauw, wordt roodachtig violet wanneer het wordt gecombineerd met de polyfosfaatkorrels. Dit fenomeen van kleurverandering wordt 'metachromasie' genoemd. Daarom worden volutinegranules ook wel 'metachromatische korrels' genoemd.
(d) Glycogeenkorrels:
Dit zijn zetmeelachtige polymeren gemaakt van glucose-subeenheden. Glycogeenkorrels zijn gewoonlijk kleiner dan PHB-korrels. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.
(e) Sulphur Granules:
These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.
(f) Magnetosomes:
Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe 3 O 4 . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.
The membrane proteins play a role in precipitating Fe 3+ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe 3 0 4 in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.
Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.
There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.
17. Endospore:
It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.
Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:
I. Aerobic rod-shaped bacteria
1. Bacillus spp.
II. Anaerobic rod-shaped bacteria
2. Clostridium spp.
3. Desulfotomaculum spp.
Structure of Endospore:
The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).
(een) Exosporium:
It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.
(b) Spore coat:
It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.
(c) cortex:
It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.
(d) Core:
It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.
Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.
Eigenschappen van de Endospore Core:
De kern van een volwassen endospore verschilt sterk van de vegetatieve cel waaruit hij is gevormd.
De eigenschappen van de endospore kern zijn als volgt:
(a) Eén chemische stof die kenmerkend is voor endosporen, maar niet aanwezig is in vegetatieve cellen, is dipicolinezuur (DPA). Het bevindt zich in de kern.
(b) De sporen bevatten ook veel calciumionen, waarvan de meeste worden gecombineerd met dipicolinezuur. Het calcium-dipicolinezuurcomplex van de kern vertegenwoordigt ongeveer 10% van het droge gewicht van de endospore.
(c) Behalve dat het een overvloedig calcium-dipicolinezuur (Ca-DPA) -gehalte heeft, bevindt de kern zich in een gedeeltelijk gedehydrateerde toestand. De kern van een volwassen endospore bevat slechts 10-30% van het watergehalte van de vegetatieve cel en dus is de consistentie van het kerncytoplasma die van een gel.
Uitdroging van de kern verhoogt de warmteweerstand van de endospore aanzienlijk, en verleent ook weerstand tegen chemicaliën, zoals waterstofperoxide (H 2 O 2 ), en zorgt ervoor dat de enzymen die in de kern aanwezig zijn, inactief blijven.
(d) Naast het lage watergehalte van de sporen is de pH van het kerncytoplasma ongeveer één eenheid lager dan die van de vegetatieve cel.
(e) De kern bevat hoge niveaus van kernspecifieke eiwitten die 'kleine zuuroplosbare sporen-eiwitten' (SASP's) worden genoemd. Deze worden gesynthetiseerd tijdens het speculatieproces en hebben twee functies. Ten eerste binden ze stevig aan het DNA in de kern en beschermen het tegen mogelijke schade door UV-straling, uitdroging en droge hitte. Ten tweede fungeren ze als de bron van koolstof en energie voor de uitgroei van nieuwe vegetatieve cellen door het kiemproces.
Sporecyclus:
Onder ongunstige omstandigheden wordt een spore geproduceerd in een vegetatieve cel door dehydratie en samentrekking van de celinhoud (Figuur 2.14). Deze sporen, gevormd in de bacteriecel, wordt 'endospore' genoemd. Als de ongunstige omstandigheden verslechteren, breekt de cel de endospore, die nu een onafhankelijke slapende cel wordt die 'spore' wordt genoemd.
Het proces, waarbij een vegetatieve cel een spore produceert, wordt 'sporogenese' of 'sporulatie' genoemd. De sporen blijven in de inactieve, slapende vorm totdat de ongunstige omstandigheden aanhouden. Bij terugkeer van gunstige omstandigheden komt de sporen terug in de vegetatieve vorm en wordt opnieuw actief.
De lagen die de sporenruis en de sporen bedekken, geven aanleiding tot een metabolisch actieve vegetatieve cel. Het proces, waarbij een spore verandert in een vegetatieve cel, wordt 'kieming' genoemd.
Het cyclische proces van verandering van vegetatieve vorm naar sporen onder ongunstige omstandigheden en terug naar vegetatieve vorm onder gunstige omstandigheden wordt 'spore-cyclus' genoemd.
De twee helften van de sporencyclus worden hieronder weergegeven:
A. Sporulatie:
Sporulatie omvat een zeer complexe reeks van gebeurtenissen in cellulaire differentiatie (figuur 2.14). Veel genetisch bepaalde veranderingen in de cel liggen ten grondslag aan de conversie van een vochtige, metabolisch actieve cel naar een droge, metabolisch inactieve maar extreem resistente sporen.
De structurele veranderingen die optreden in sporulerende cellen kunnen in verschillende stadia worden verdeeld. Het hele sporulatieproces duurt ongeveer een paar uur. Genetische studies hebben aangetoond dat maar liefst 200 genen betrokken zijn bij een typisch sporulatieproces.
Tijdens sporulatie houdt de synthese van sommige eiwitten die betrokken zijn bij het functioneren van vegetatieve cellen op en begint de synthese van specifieke spore-eiwitten. Deze eiwitten worden 'kleine zuuroplosbare spore-eiwitten' (SASP's) genoemd.
Dit wordt bereikt door activering van een variëteit aan sporen-specifieke genen waaronder spo, ssp (die codeert voor SASP's) en vele andere genen in reactie op de ongunstige omgevingsconditie. De eiwitten gecodeerd door deze genen katalyseren de reeks gebeurtenissen die een vegetatieve cel veranderen in een spore.
De sporen krijgen de hittebestendigheid door verschillende mechanismen, die nog niet duidelijk zijn uitgelegd. Het is echter duidelijk dat de ondoordringbare lagen, zoals sporenschors en sporenlaag de sporen beschermen tegen fysieke schade.
Een belangrijke factor die de hittebestendigheid van een spore beïnvloedt, is de hoeveelheid en de toestand van het water daarin. Tijdens sporulatie wordt het protoplasma gereduceerd tot een minimumvolume, als een gevolg van de accumulatie van Ca2 +, kleine zuuroplosbare sporeiwitten (SASP's) en synthese van dipicolinezuur, wat leidt tot de vorming van een gelachtige structuur.
In dit stadium vormt zich een dikke cortex rond de protoplastkern. Contractie van de cortex resulteert in een gekrompen, gedehydrateerde protoplast met een watergehalte van slechts 10-30% van dat van een vegetatieve cel. Het watergehalte van de protoplast en de concentratie van SASP's bepalen de hittebestendigheid van de sporen.
Als de sporen een lage concentratie SASP's en een hoog watergehalte hebben, vertoont deze een lage hittebestendigheid. Als het een hoge concentratie SASP's en een laag watergehalte heeft, vertoont het een hoge hittebestendigheid. Water beweegt vrij in en uit de sporen. Het is dus niet de ondoordringbaarheid van de sporenlaag, eerder het gelachtige materiaal in de sporenprotoplast, dat water uitsluit.
B. Germinering:
Een endospore kan vele jaren slapend blijven, maar kan relatief snel teruggaan naar een vegetatieve cel. Dit proces omvat drie stappen; activering, ontkieming en uitgroei. 'Activering' houdt in dat je de sporen activeert en klaar maakt voor ontkieming.
'Kieming' betekent verlies van microscopische brekingsindex van de sporen en verlies van weerstand tegen hitte en chemicaliën. De sporen verliezen calcium-dipicolinezuur en cortexcomponenten. Bovendien zijn de SASP's gedegradeerd.
'Uitgroei' heeft betrekking op zichtbare zwelling door wateropname en synthese van nieuw DNA, RNA en eiwitten. De cel komt uit de gebroken sporenlaag en begint zich uiteindelijk te delen. De cel blijft dan in vegetatieve groei totdat de omgevingsomstandigheden gunstig zijn.
Tijdens het steriliseren van een materiaal om het bacterievrij te maken, worden de aanwezige bacteriën gedood door een of andere methode. Als het materiaal echter sporenvormers bevat, wordt het moeilijk om het te steriliseren. Hoe meer het aantal sporen in het materiaal is, hoe hoger de stress is die nodig is om het te steriliseren.
Voor kolonies van sporenvormende bacteriën gekweekt op agarplaten of schuine delen, naarmate de leeftijd van bacteriën toeneemt, vormen ze sporen als gevolg van veroudering, tekort aan voedingsstoffen en accumulatie van metabolieten.
