Cytoplasma a struktury v ní uložené

Cytoplasma

Cytoplasma je koncentrovaný, viskózní, vodný roztok mnoha biomolekul (enzymy, nukleové kyseliny, aminokyseliny, nukleotidy, lipidy, sacharidy, různé metabolity a řada dalších nízkomolekulárních látek). Obsahuje až 80 % vody a spíše než roztok připomíná měkký gel. Zcela vyplňuje vnitřní prostor bakteriální buňky a probíhá v ní většina metabolických procesů.

Cytoplasma obsahuje 3 druhy strukturálních útvarů: nukleoid (jádro), ribosomy a granula zásobních látek. U některých bakterií se mohou vyskytovat také plasmidy.

Vodní fototrofní bakterie bývají nadnášeny plynovými vakuolami. Jejich bílkovinná membrána je zcela propustná pro všechny plyny a vodu, vnitřní struktura vakuol je tvořena plynovými váčky cylindrického tvaru s kónickými konci.

U některých bakterií obsahuje cytoplasma také různá barviva. Nejčastěji se jedná o karotenoidní barviva zbarvující buňky a jejich kolonie žlutě, oranžově, růžově až červeně (např. Staphylococcus aureus). U jiných se nachází černá barviva melanoidního typu. Karoteny ani melaniny nejsou živými buňkami uvolňovány do prostředí. Naproti tomu řada dalších barviv je do prostředí exkretována a růst bakterií je doprovázen charakteristickými barevnými změnami živného média. Patří sem např. modrá, žlutozelená až červená barviva fenazinové povahy tvořená některými pseudomonádami (Pseudomonas fluorescenc).

Rezervní látky zastupuje především glykogen a kapénky poly-ß-hydroxymáselné kyseliny (ta je pro bakterie specifická), dále se může vyskytovat polyfosfát volutin či polysacharid granulosa. U sirných bakterií slouží jako rezervní zdroj energie zrníčka síry, neutrální tuky se u bakterií nevyskytují.

Jádro

Jádro bakteriální buňky (nukleoid, bakteriální chromosom) se v elektronovém mikroskopu jeví jako světlejší oblast uprostřed tmavší cytoplasmy. Jádro prokaryot bývá označováno jako tzv. nepravé jádro – není odděleno jadernou membránou, nemá stálý tvar a je tvořeno jedinou kovalentně do kruhu uzavřenou molekulou DNA (výjimkou je Borrelia burgdorferi jejíž DNA je lineární).

Molekula DNA je ve srovnání s bakteriální buňkou nepoměrně delší (asi 1,4 mm v porovnání s asi 2 µm délky bakteriální buňky), proto musí být mnohonásobně poskládána do struktury vyššího řádu (tzv. superhelicita – nadšroubovicové vinutí). Molekula DNA je prostřednictvím mesosomu napojená na vnitřní stěnu cytoplasmatické membrány.

Na rozdíl od chromosomů eukaryot neobsahuje bakteriální chromosom histony (tj. specifické zásadité bílkoviny), jejich regulační funkci zřejmě vykonávají nízkomolekulární polyaminy.

Molekula DNA je dvoušroubovice paralelních řetězců spojených vodíkovými můstky. Polynukleotidová vlákna jsou složena ze čtyř typů nukleotidových podjednotek – purinové báze (adenin, guanin) a pyrimidinové báze (thymin, cytosin). Obě vlákna jsou propojena vodíkovými můstky mezi bázemi nukleotidů, kdy adenin je spojen 2 vodíkovými můstky s thyminem a guanin 3 vodíkovými můstky s cytosinem.

V klidové, nerostoucí buňce je přítomen vždy jen jeden chromosom. V rostoucí buňce probíhá současně s růstem i replikace DNA, která předchází rozdělení buňky, proto se zde může vyskytovat více chromosomů (až 4). Je-li dělení buňky zpomaleno nebo poškozeno, ale replikace DNA probíhá, mohou vznikat vláknité vícejaderné buňky.

Genetická informace bakterií, determinovaná lineárním pořadím nukleotidů v DNA, je haploidní a obsahuje daný gen jen v jedné alele (snadný projev případných mutací). Bakterie nezná mitosu, meiosu ani sexuální rozmnožování. Jaderné dělení (replikace DNA a prostorové oddálení obou jader) je jednodušší než u eukaryot, bezprostředně na ně navazuje dělení buněčné. Realizace genetické informace (transkripce, translace a proteosyntéza) probíhá podobně jako u ostatních organismů.

Plasmidy

Některé bakterie mohou, nezávisle na bakteriálním chromosomu, obsahovat další malé kruhové molekuly dsDNA (dvouvláknové DNA) označované jako plasmidy, jedná se tedy o mimochromosomální DNA schopnou se autonomně replikovat. Plasmidy představují přídatnou genetickou informaci, která není pro život bakteriální buňky nezbytná, ale na druhou stranu jí může poskytnout řadu výhod.

Plasmidy kódují např. rezistenci na antibiotika a chemoterapeutika (R plasmid), rezistenci na těžké kovy, produkci antibiotik, toxinů a bakteriocinů (bílkoviny toxicky působící na jiné příbuzné bakterie), degradaci a oxidaci organických látek či tvorbu restrikčních a modifikačních enzymů. Plasmid je asi 100krát menší než bakteriální chromosom, kódují asi 3 – 100 genů, bakteriální chromosom asi 3 000.

Bakteriální buňka není schopna plasmid sama vytvořit, ale může ho získat od jiné buňky jedním ze tří způsobů horizontálního přenosu genů – konjugací, transdukcí či transformací. Při konjugaci jsou tzv. konjugativní plasmidy (F, F´ plasmidy) schopny po spojení donorové buňky s recipientní specifickou fimbrií přecházet z buňky do buňky, a to nejen stejného, ale i různých druhů. Nekonjugativní plasmidy mohou být přeneseny transdukcí – tj. pomocí bakteriofágů. Třetí možností je transformace, kdy volná molekula DNA může proniknout do jiné bakteriální buňky a stát se její součástí.

Plasmidy se vyskytují volně v cytoplasmě bakteriální buňky nebo mohou být včleněny do bakteriálního chromosomu (tzv. integrovaný plasmid). Pokud je integrován konjugativní plasmid, může při konjugaci nastat situace, kdy integrovaný plasmid při přechodu do recipientní buňky vleče sebou i chromosom (či jeho část) a dočasně dojde ke vzniku diploidní buňky. Při následujícím dělení se tato situace sama vyřeší.

Ribosomy

V bakteriální buňce se nachází 15 000 až 30 000 ribosomů, které tvoří až 40 % sušiny bakteriální buňky. Ribosomy prokaryot mají jinou stavbu a velikost než ribosomy eukaryot, jejich funkce však zůstává stejná. Je to místo, kde se uskutečňuje syntéza bílkovin. Ribosomy bakterií jsou menší (10 – 20 nm) a jsou složeny ze dvou podjednotek 30S (1 molekula 16S RNA a 21 molekul bílkovin) a 50S (5S RNA, 23S RNA a 34 molekul bílkovin), obě podjednotky se spojují ve funkční jednotku 70S (obrázek 10). Ribosom je tedy asymetrický supramolekulární komplex složený ze 3 molekul RNA a 55 molekul bílkovin. Díky odlišné stavbě ribosomů mohou některá antibiotika (např. aminoglykosidy) inhibovat proteosyntézu bakterií aniž by ovlivnily činnost ribosomů v buňkách makroorganismu. Ribosomy eukaryot jsou větší, funkční jednotka 80S je tvořena z podjednotek 40S a 60S (S = Syedberg).

Schéma bakteriálního ribosomu

(upraveno podle: KAPRÁLEK, F. Základy bakteriologie. 1. vyd. Praha, ČR: Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum. 2000. 241 p.)

Ribosomy jsou místem, kde se setkává několik různých molekul a kde je genetická informace nesená mRNA přeložena (tzv. translace) v primární strukturu, tedy sekvenci aminokyselin, bílkovin. Ribosomy se v cytoplasmě vyskytují volně, velký podíl (60 %) se koncentruje v oblasti jádra, kde nasedají na vznikající mRNA a hned ji překládají, část (asi 30 %) nasedá na vnitřní stranu cytoplasmatické membrány, kde syntetizují proteiny určené do membrány nebo na export. Ribosomy mají tendenci tvořit agregáty různé velikosti – polyribosomy, polysomy.

Při translaci se genetická informace kódovaná pořadím jednotlivých nukleotidů přepisuje do sekvence aminokyselin. V genetickém kódu je trojici nukleotidů (triplet, kodon) v mRNA vždy přiřazena jedna aminokyselina (některé jsou kódovány větším počtem kodonů). Iniciační kodony jsou AUG (pro methionin) a GUG (pro valin), některé kodony mají funkci terminační. Translace navazuje na transkripci (přepis genetické informace z DNA do mRNA). Ribosom nasedá na mRNA v tzv. vazebném místě (krátká specifická sekvence bází).