Mikroorganizmaların Hücre Yapıları
Ökaryötik Hücre Nedir; Ökaryötik yapılı canlı hücresinin (alg, maya, mantar, protozoon, ve gelişmiş canlılar) temel özelliği, genetik şifreleri taşıyan DNA'nın bir zarla çevrili olan çekirdekte bulunmasıdır.
Prokaryotik Hücre Nedir; Prokaryotik yapıdaki hücrelerde (Bakteriler) ise hücre duvarların kompleks olması ve tek kromozomdan ibaret olan genetik materyalin sitoplazma içerisinde dağınık bir şekilde bulunmasıdır.
Bakterilerde Hücre Yapısı
Bakteri hücresi ışık mikrokobu ile incelendiğinde, yuvarlak (kok), basil (çomak, çubuk), virgül, filament (uzun saç benzeri) gibi morfolojik yapısı ile, kapsül, flagella ve spor gibi yapıları görülebilir. Gram boyama metodu kullanıldığında hücre duvarı yapısı hakkında (Gram pozitif veya Gram negatif) bilgi edinilir
Bir bakteri hücresinin ana yapıları merkezden dışa doğru şunlardır:
1- Genetik materyal (kromozom)
2- Sitoplazma
3- Sitoplazmik membran
4- Periplazmik boşluk
5- Hücre duvarı
6- Kapsül (bazılarında)
7- Pilus/fimbria (bazılarında)
8- Flagella (bazılarında)
9- Spor (bazılarında)
Genetik Materyal (Çekirdek, DNA)
Bakteri hücresi elektronmikroskop ile incelendiğinde; genetik materyalin, memeli hücrelerindeki gibi bir zarla çevrilmediği, fibriler yapıda merkezde olmakla beraber sitoplazma içerisinde dağınık bir şekilde olduğu ve mitotik aygıt bulunmadığı görülür. Bakterilerde DNA yapısındaki genetik yapının 1 kromozomlu olduğu kabul edilir. Yaklaşık 1 mcm boyundaki bir bakteri hücresinin kromozomunun boyu 1 mm (1000 mcm) kadardır. Bu da kromozomun sitoplazma içerisinde ancak katlanarak sığabileceğini anlatır. Bakteri kromozomunun moleküler ağırlığı, yaklaşık 2-3 X 109 daltondur.
Sitoplazma Nedir ve Sitoplazma İçi Yapılar, Sitoplazma Özellikleri
Bakteri hücresinin iç kısmı sitoplazma sıvısı ile doludur. Sitoplazma, saydam, hafif akışkan kıvamda ve kolloidal karakterdedir. Sitoplazmada bakteri hücresinin yaşlanmasına bağlı olarak artan ve ozmotik olarak inert nötral polimer yapısında bir kısım granüller bulunabilir. Bakteri hücresi bu granülleri rezerv maddeler olarak kullanır. Bazı bakteriler protein ve nükleik asit sentezi sırasında bu granülleri karbon kaynağı olarak kullanır. Bazı bakterilerdeki sülfür granüllerini okside ederek hidrojen sülfür (H2S) oluşturur.
Sitoplazmada mikrokopla görülemeyen ancak ultra santrifüj teknikleri ile ortaya konabilen bazı yapılar bulunur. Bunların en önemlisi ribozomlardır. Ribozomlar, ribo-nükleik asid ile protein moleküllerinin karışımlarından ibaret enzimleri yapan üniteler olarak bilinirler. Ribozomlar bakteri hücresi için gereken her türlü protein ve enzimin sentezlendiği ünitelerdir. Ribozomlar yaklaşık 10-20 nanometre (nm) çapındadırlar. Bir bakteri hücresinde 10000-15000 kadar bulunabilir. Temel olarak ribozomal PNA'yı oluştururlar. Hücre rRNA'sının % 80-90'ı ribozomlarda bulunur. Bakteri ribo-zomları 70 S'lik ribozomal RNA özelliği gösterirken, ökaryotik hücrelerde 80 S'lik ribozomal RNA bulunur.
Bakteri sitoplazmasında sık rastlanan bir yapıda "ekstra kromozomal genetik elementler" olarak tanımlanan plazmidlerdir. Bunlar DNA yapısında olup, bakteri genomundan bağımsız olarak replikasyon (çoğalma) yaparlar. Bir bakteriden diğerine F pilusları vasıtasıyla aktarılabilen-bulaştırılabilen- plazmidler, toplumda bilinçsiz antibiyotik kullanımı neticesinde artan antibiyotiklere dirençlilikten, enterik bakterilerde enterotoksin sentezinden ve barsaklara tutunma faktörlerinin hücrede sentezinden sorumlu genleri taşımakla sorumludurlar. Bazı bakterilerde bakteri virusları olarak da bilinen bakteriofaj genomlar (DNA veya RNA) da bulunur.
Sitoplazmik Membran Nedir
Hücre zarı, hücre membranı olarak da bilinen bu yapı, fosfolipid ve protein yapısındadır. Ökaryotların aksine bakteri sitopiazmik membranında sterol bulunmaz. Sitopiazmik membranın başlıca görevleri,
1- Hücreye girecek-hücreden çıkacak maddelerin taşınması ve seçimi,
2- Sitoplazmanm sarılarak kolloidal yapısının korunması,
3- Enzimlerin birçoğunun depolanması,
4- DNA replikasyonu sırasında mezozom oluşturmak,
5- Hücre için gerekli bir çok protein, lipid, enzim vs'nin sentezinde gerekli maddelerin taşınması, barındırılmasını sağlamak,
6- Hidrolitik enzimlerin periplazmik aralığa salgılanması ve hücre dışındaki besinlerin parçalanması ve hücre içine alınacak hale getirilmesinde yardımcı olmaktır.
Periplazmik Boşluk
Hücre duvarı ile sitopiazmik membran arasında kalan bu kısım, jelimsi karakterde olup peptidoglikan ile doludur. Periplazmik aralık olarak da tanımlanan bölgede bazı proteinler, enzimler ve oligosakkaridler bulunur. Bunlar jel içerisinde serbestçe diffüze olurlar. Periplazmik proteinler arasında, hücre dışından içeriye alınacak besinleri parçalayacak enzimler bulunur. Periplazmik oligosakkaridler ise ozmoregulasyonda görevlidirler.
Hücre Duvarı Yapısı, Bakteri Hücre Duvarı
Bakteri hücresinin sitopiazmik membranı ile kapsülü arasındaki yapılar (pilus ve flagellalar hariç) hücre duvarını oluştururlar. Hücre duvarının yapısı; Gram negatif ve Gram pozitif bakterilerde birbirinden farklıdır. Bakterilerin Gram negatif veya pozitif olarak sınıflandırılmaları hücre duvarlarındaki yapı farklılarından ötürüdür. Gram pozitiflerde protein ağırlıklı yapı olduğundan mor, Gram negatiflerde hücre duvarı LP ve LPS ağırlıklı olduğundan pembe boyanırlar. Bu farklılık rutin mikrobiyolojide oldukça pratik bir şekilde bakterilerin tasnifinde işe yarar. Hekimlikte kullanılacak antibiyotiklerin seçiminde de bu özellik göz önünde tutulur.
Gram pozitif bakterilerin hücre duvarları temel olarak başlıca peptidoglikan (PG) ve teikoik asitten ibaret iken, Gram negatif bakterilerde içten dışa doğru peptidoglikan (PG), lipoprotein (LP), dış membran ve lipopolisakkarid (LPS) katmanlardan oluşur.
Bakteri cinsleri hatta bazılarında türler arasında hücre duvarlarının antijenik özellikleri farklıdır. Bu antijenik farklılıklardan faydalanılarak hasta kan serumundan bakteri enfeksiyonları teşhis edilebilmektedir.
Gram negatif bakterilerin hücre duvarlarındaki LPS katmanındaki (lipid A ve polisakkarid) lipid A, endotoksin dir. Bu tür bakterilerin inaktive edilmiş (öldürülmüş) hücreleri bile konakçıda pirojenik (vücut ısısını arttıran) etki gösterir.
Bakteriler, izotonik bir ortamda tutulurlarsa, dezenfektanlar, antibiyotikler veya bazı kimyasal maddelerin etkileri ile hücre duvarları parçalanabilir veya sentezleri durdurulabilir. Böylece hücre duvarsız (involusyon form) kalabilirler. Basiller iç basınçtan ötürü yuvarlak-şekilsiz bir hal alır. Gram pozitiflerde bu duruma protoplast, Gram negatiflerde ise sferoblast adı verilir.
Gram pozitiflerde peptidoglikan katman Gram negatiflerden yaklaşık 40 kat daha fazla bulunur. Gram negatiflerde PG sitoplazmik membranm hemen üstünde yerleşmiştir.
Peptidoglikan, N-asetil muramik asit (NAMA) ve N-asetil glikoz amin (NAGA) moleküllerinin B-l, 4 glikozid bağlarıyla birleşmelerinden oluşmuş heteropolimerlerdir.
Gram negatiflerdeki Lipoprotein (LP) molekülleri, dış membran ve PG tabakalarını birbirlerine bağlar. Gram negatif bakteri hücre duvarının en önemli yapı birimi olup, bir molekül LP 57 aminoasitten oluşur. Dış membran, periplazmik proteinlerin sızmasını önler. Özellikle Enterobacteriaceae familyasındaki bakterileri safra tuzlarından ve hidrolitik enzimlerden koruyucu görev ifa eder. Dış membran, sitoplazmik membran gibi yapısında fosfolipid molekülleri ve bazı özel proteinleri sıvı mozaik yapıdadır. Dış membranda proteinimsi porların olması bu katmanın küçük moleküllere karşı per-meable (geçirgen) yapar. Lipopolisakkaridler, dış membrana hidrofobik bağlarla bağlanmış olan yüzey yapıları gibi hücre duvarı katmanı olup, bazı işlemlerle saf olarak elde edilebilirler. Lipid A ve polisakkarid olarak 2 temel alt birimden oluşan LPS'lerin Lipid A kısımları Gram negatif bakterilerin enfeksiyon mekanizmasındaki önemli silahlarından olan endotoksinler olarak etkirler.
Okaryotik hücrelerde bulunan otolitik enzimler, bakteri hücresinde de bulunur. Bunlar PG'a bağlı olan amidaz, glikosidaz ve peptidaz enzimleridir. Bu enzimler bakteri hücresinin gelişmesinde, bölünmesinde, çoğalmasında ve nihayet ölümünde görev alırlar. PG, lizozim enzimi (tükürük, gözyaşı, vajen akıntısı, ter, yumurta akı, makro-faj hücreleri vs) ile kolaylıkla hidrolize edilir.
Kapsül
Bakterilerin tümünde kapsül olamamakla beraber önemli bir çoğunluğu doğal ortamında veya doğala yakın hazırlanmış besiyerlerinde üretildiklerinde kapsül oluştururlar. Kapsül, tüm bakterilerde polisakkarid (Bacillus anthracis te ise poli-D-glutamik asit) yapısındadır.
Bakteriyi konakçının fagositik hücrelerinden koruyarak daha patojen olmasını sağlarlar. Vücut hücrelerine tutunmada da (adhezyon) işe yarar. Birkaç kat olduğunda gliko-kaliks adını alır.
Besiyerlerinde mukoid koloni oluşturarak üreyen bakteriler genellikle kapsüllüdürler. Kapsül bazı bakterilerde mikrokapsül halinde bulunabilir. Bakteri kapsülü negatif boyama veya kapsül boyama metotları ile ışık mikroskobunda görülebilir. Değişik cins ve türdeki bakterilerde kapsülün aminoasit dizilişi değişiklik gösterdiğinden antijenik yapıları da farklılık gösterir.
Flagella
Bakteri flagellası 130 nm çapında protein yapısında ve sitoplazmadan köken alan iplik benzeri uzantılar olup, bakterinin hareketli olmasını sağlar. Her bakteride bulunmaz. Bir bakterideki flagella sayısı, bakterinin cins ve türlerine göre değiştiği gibi yerleşim yerleri de farklılık gösterir. Bulundukları konuma göre monotrik (bir flagellalı), multitrik (çok flagellalı), lofotrik (bir uçta toplanmış flagellalar), amfitrik (karşılıklı iki uçta toplanmış flagellalar), peritrik (bakteri hücresinin her tarafında flagella bulunması) gibi isimler alır.
Bir flagella, flagellin adı verilen alt birim proteinlerden oluşur. Flagellalarm sentezleri, bakteri genomunun kontrolündedir. Sıvı besiyerlerinde üremiş bakterilerin flagellalan çalkalanarak koparılabilir. 3-6 dakikada yeniden sentezlenir. Flagellinlerde türlere göre (hatta aynı tür içerisinde bile) farklı antijenite gösterebilir.
Pilus (Fimbria)
Flagellalardan daha kısa ve daha ince tüysü yapılar olup, sitoplazmik membrandan köken alırlar. Protein yapısındadırlar. Antijenik farklılıkları vardır. Bakterilerde iki çeşit pilus bulunabilir.
1. Konakçının hücre ve dokularına tutunmaya yarayan piluslar (Escherchia coli'lerdeki Colonisatioıı Factor Antigens I, CFA II, CFA III, üropatojen E. coli'lerdeki P piluslar, Streptococcus'lardaki M ve X proteinler gibi).
2. Bakteriyel konjugasyonda verici hücrenin alıcıya tutunmasına ve plazmid aktarılmasında görevli olan F piluslar. Bakter Serin biı çoğunda pilus sentezi, plaz-midlerin genetik kontrolündedir.
Spor
Bakterilerde spor, zor çevre şartlarından kendi neslini koruma için geliştirdiği bir form değişikliği olup, bakteri sporlu iken üreyip çoğalamaz ancak yıllarca (örneğin B. anthracis'te 2500 yıl) sonra bile vejetatif hale gelebilecek şekilde, korunabilmektedir. Aerobik bakterilerden Bacillus cinsi (B. anthracis, B. subtilis, B. ccreus, B. megatarium) ile anaerobik bakterilerden Clostridium cinsi (Cl. tetani, Cl botulinum, Cl. perfiringens, Cl. septicum, vs) bakterilerde bulunur. Koklarda (bazı Sarcinia türleri hariç) Gram negatiflerde ve spiroketlerde spor oluşumu tespit edilmemiştir. Aerob bakterilerde spor sadece in vitro gelişirken, anaerob bakterilerde hem in vitro hem de in vivo oluşabilmektedir.
Vejetatif bakterilerin % 70'i su iken, bakteri sporlarında su oranı % 5-20 kadardır.
Bakteri sporlanacağı zaman, hücre içerisine yeterli besin maddelerini depoladıktan sonra vejetatif hücre için gerekli bazı genlerin çalışmasını durdurarak, spor oluşumunda görevli genleri faaliyete geçirir. Önce bakteri genomu sporun oluşacağı kısma doğru uzamaya başlar. Çift katmanlı zar oluşması diğer dış katmanların sentezi için pre-kürsör (başlatıcı) görevi görür. İki kat membran arasına PG, dipikolinik asit ve kalsiyumca zengin maddeler birikerek korteks şekillenir. Spor oluşumu 50 kadar gen tarafından kontrol edilmektedir. Yukarıda da belirtildiği gibi sporlanmış bakteri uygun ortamda yıllarca korunabilir. Çevre, bakteri için uygun hale geldiğinde veya sporlu bakteriler insan veya hayvanlarca alındığında, bakteri vejetatif hale geçer. Bu 3 aşamada olur.
1. Aktivasyon. Sporun ısı, ışık, nem, pH, uygun aminoasitler vs bulunan bir ortama kavuşması, vejetatif hale geçmesini uyarır.
2. Jerminasyon. Aktive olmuş sporun bazı aminoasitlere minerallere (özellikle Mn++) ve suya gereksinimi vardır. Bu maddeler aktivasyon sırasında oluşan çatlamalardan içeriye girerek spordaki dipikolinik asit ve kalsiyumun spordan atılmasını sağlar ve bakteri vejetatif hale dönüşür.
3. Basilin boyu uzar ve normal şekle döner.
Bakteri sporları genellikle oval veya yuvarlak şekilli olup, basilin uç kısmında (terminal), ortasında (sentral) veya ikisi arasında (subterminal) yerleşebilir.