کتاب فیزولوژی ‏سلولی ‏مولکولی ‏باکتری ‏ها

عنوان صفحه
فصـل اول 15
مقدمه 15
ساختار تشریحی باکتریها 17
رده بندی باکتریها 23
مبانی تشخیصی و رده بندی باکتریها 23
ویژگیهای ریخت شناسی 23
رنگ آمیزی افتراقی 24
آزمونهای زیست شیمیایی 24
آزمونهای سرم شناختی 24
آزمون حساسیت به باکتریوفاژ 24
ترادف آمینو اسیدها در پروتئینهای مهم زیستی 25
تجزیه پروتئینی 25
شاخه فتوباکتریها 25
شاخه اسکوتوباکتریها 26
باکتریهای دارای دیواره 26
باکتریهای بدون دیواره 26
ریکتیسیا 27
کلامیدیا 27
گروههای عمده باکتریها از نظر پزشکی 27
نگاه اجمالی 27
مقایسه ساختمان سلول پروکاریوت و یوکاریوت 28
طبقه بندی باکتریها 28
میکوپلاسما 28
باکتری گرم مثبت (+G) 28
باکتری‌های گرم منفی (-G) 28
اجزای مختلف ساختمان سلول پروکاریوت 29
سیتوپلاسم 29
غشای سلولی 29
کپسول 29
دیواره سلولی 29
فلاژل 30
اندام حرکتی 30
مشخصات مژک و تاژک 31
انواع حركت در باكتري ها 32
نحوه ی حرکت باکتری ها به سمت ماده ی غذایی 32
اسپیروکیت ها 33
انواع حرکت تاژک 33
انواع باکتری های تاژک دار از نظر شکل 33
تاژک 34
پیلوس 35
ماده ژنتیکی 35
انواع حرکت سلولی 36
بررسي فيزيولوژي و مكانيسم حركت در باكتريها 36
تاژك 36
پروتئيين هاي مهم تشكيل دهنده تاژك 40
مونتاژ حلقه MS و اجزا غشا سيستم ترشحي 41
مونتاژ روتور و سوئيچ 41
ميله تاژك و FliE 42
حلقه L , P 43
قلاب 43
نقش كلاهك رشته 44
توليد حركت يا گشتاور 44
برهمكنش روتور و استاتور 44
نواحي متصل شونده به يون ها 45
اختصاصيت به يون ها 46
انتقال گشتاور و يا حركت از موتور به روتور 47
بررسي مكانيسم حركت در باكتريها 49
نحوه حركت تاژك باكتري 52
تاژك باكتري چكونه از حركت باز مي ايستد؟ 53
حرکت کموتاکسیس باکتری E. coli 56
زندگی در جهنم thermokinetic 57
استراتژی جستجوگری مطلوب E. coli 58
حرکت تاژک Flagellar movment))) ) 59
تاژک های ارکی 59
سنتزتاژک 60
مراحل سنتز تاژک 60
مکانیسم تولید تاژک در هلیکوباکترپیلوری 60
سرعت و حرکت سلول 61
حرکت لغزشی Gliding motility))) ) 61
مکانیزم حرکت چرخشی سیانو باکتری ها 62
حرکت لغزشی در میکسوباکتری ها 62
بررسي مكانيسم انواع حركت در باكتريها 63
حرکت swimming 63
حرکت swarming (یا حرکت هجومی) 65
حرکت gliding (یاحرکت آرام) 66
حرکت twitching (یاحرکت پیچشی) 67
حرکت sliding (یاسرخوردن) 68
حرکت darting (یاحرکت سریع وناگهانی) 68
حرکت آمیبی شکل 68
مکانیسم حرکت آمیبی شکل 68
حرکت باکتریهای بدون تاژک 73
حركت در آميب ها 74
حركت در پارامسي 77
نتيجه گيري 78
منـابع و مآخـذ 83

 

 

 

رده بندی باکتریها

قبل از کشف میکروارگانیسم‌ها تمام موجودات زنده را به دو سلسله جانوری و گیاهی تقسیم می‌کردند. پس از آگاهی بر وجود میکروارگانیسم‌ها، طبقه بندی آنها در یکی از دو سلسله فوق با اشکال روبرو شد. بر این اساس پروتوزئرها را به علت اینکه متحرک بوده و خاصیت فتوسنتز نداشتند، جزء جانوران و جلبکها و قارچها را که به نظر بی‌حرکت می‌رسیدند، جزء گیاهان قرار دادند. در این میان باکتریهای بی‌جا و مکان ماندند، تا اینکه ارنست هکل، گیاه شناس آلمانی، در سال 1866 راه حلی منطقی برای این مشکل ارائه داد و آن پیشنهاد سلسله سومی به نام پروتیستا یا آغازیان بود که پروتوزوئرها، جلبکها، قارچها و باکتریها را دربر می‌گرفت.

 

از آنجا که باکتریها از نظر ساختار یاخته بطور اساسی با سه گروه دیگر تفاوت دارند، لذا پروتوزوئرها، جلبکها و قارچها را به علت داشتن هسته مشخص و کاملتر در یک گروه قرار دادند که یوکاریوتیک نامیده شدند و مجموع آنها تحت عنوان پروتیستا مورد بررسی قرار گرفتند. از سوی دیگر باکتریها را به مناسبت داشتن ساختار ابتدایی‌تر و نداشتن هسته مشخص پروکاریوتیک نام نهادند و آنها را تحت عنوان سلسله مستقل پروکاریوت بررسی می‌کنند.(16)

مبانی تشخیصی و رده بندی باکتریها

ارزش عملی رده بندی میکروبها ارائه روش مطمئنی جهت شناسایی و تشخیص میکروارگانیسمهای ناشناخته است. برای نامگذاری میکروارگانیسمها از روش دو نامی استفاده می‌شود که در آن کلمه نخست مشخص کننده نام جنس (با حرف لاتین بزرگ شروع می‌شود) و کلمه دوم معرف گونه (با حرف لاتین کوچک) است. امروزه تشخیص و رده بندی باکتریهای بر مبنای ویژگیهای زیر استوار است.(16)

ویژگیهای ریخت شناسی

این ویژگیها شامل شکل ظاهری باکتریها (گرد، میله‌ای، هلالی، فنری، مارپیچی و غیره) و نیز چگونگی قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر (منفرد، دوتایی، رشته‌ای، توده‌ای و غیره) و همچنین دارا بودن هاگ، کپسول، تاژک و امثال آن است که می‌توانند به عنوان ویژگیهای تشخیصی میکروسکوپی باکتریها مورد استفاده قرار گیرند.(10)

رنگ آمیزی افتراقی

این روش شامل رنگ آمیزیهای گرم و اسید فاست است. از آنجا که این روشها بیشتر مبتنی بر ساختار دیواره یاخته‌ای باکتریهاست، بنابراین برای تشخیص باکتریهای فاقد دیواره یا واجد دیواره غیر معمولی مناسب نیستند. (10)

آزمونهای زیست شیمیایی

این آزمونها عمدتا مبتنی بر فعالیتهای زیست شیمیایی باکتریها هستند. به عنوان مثل باکتریهای روده‌ای گروه بزرگی از باکتریها هستند که شامل اشریشیا، آنتروباکتر، سالمونلا و شیگلا می‌شوند. مبنای تشخیص اشریشیا و آنتروباکتر از سالمونلا و شیگلا این است که دو گروه اول قادر به تخمیر لاکتوز و تولید اسید و گاز هستند، در حالی که دو گروه دوم چنین توانی ندارند. استفاده از محیطهای کشت افتراقی که منجر به تولید کلنیهای ویژه میکروبی بر روی محیط کشت می‌شوند، نیز در باکتری شناسی تشخیصی پزشکی موارد استفاده زیادی دارند.(11)

آزمونهای سرم شناختی

این آزمونها مبتنی بر استفاده از سرم خون انسان و اصول ایمنی شناسی است. به عنوان باکتری مولد بیماری حصبه با سرم خون حاوی پادتن ضد میکروب حصبه واکنش نشان داده و رسوب می‌کند. این عمل به کمک آزمون آگلوتیناسیون بر روی لام انجام می‌گیرد.(5)

آزمون حساسیت به باکتریوفاژ

از آنجا که باکتریوفاژها تنها بطور اختصاصی می‌توانند باکتری میزبان خود را آلوده کنند، یعنی رابطه فاژ و باکتری نوعی رابطه اختصاصی است، لذا امکان آلوده شدن و متلاشی شدن گروهی از باکتریها بوسیله یک فاژ ویژه نزدیکی آنها به یکدیگر از نظر رده بندی، است. (5)

ترادف آمینو اسیدها در پروتئینهای مهم زیستی

در این روش یک یا چند پروتئین اصلی و حیاتی انتخاب شده و ترادف آمینو اسیدها در مولکولهای این پروتئینها با یکدگیر مقایسه می‌شود. از آنجا که این ترادف نشانه ترادف نوکلئوتیدها در رشته DNA است، بنابراین میزان تفاوت موجود در این ترادف می‌تواند نشان دهنده فاصله باکتریها در روند تکاملی باشد.(13)

تجزیه پروتئینی

در روش بررسی ترادف آمینو اسیدها تنها یک یا چند مولکول پروتئین حیاتی به عنوان معیار و مقیاس مورد بررسی قرار می‌گیرد. در حالی که در روش تجزیه پروتئینی کلیه پروتئینهای یک یا چند بخش از یاخته میکروبی متلاشی شده استخراج می‌گردند و به کمک پلی آکریل آمید، ژل الکتروفورز (ADGE) شناسایی می‌شوند. در این روش هر مولکول، بر حسب اندازه و بار الکتریکی خود مسافتی را بر روی ژل طی می‌کند و در محل شخص قرار می‌گیرد که پس از رنگ آمیزی قابل شناسایی است. در پایان، ترکیب رنگی هر ستون نشان دهنده انواع پروتئینهای موجود در هر باکتری است. مقایسه این ستونها می‌تواند نشان دهنده نزدیکی یا دوری ساختار پروتئینی یک بخش حیاتی از باکتریها مانند سیتوکروم و در نتیجه قرابت باکتریها با یکدیگر باشند.(20)

شاخه فتوباکتریها

فتوباکتریها یا باکتریهای فتوسنتز کننده انرژی خود را از نور خورشید بدست می‌آوردند و به سه رده تقسیم می‌شوند.

* فتوباکتریهای سبز _ آبی یا سیانوباکتریها که سابقا آنها را جلبکهای سبز _ آبی می‌نامیدند.

* فتوباکتریهای قرمز

* فتوباکتریهای سبز

شاخه اسکوتوباکتریها

اسکوتوباکتریها یا باکتریهای غیر فتوسنتز کننده از انرژی شیمیایی استفاده می‌کنند و به سه رده تقسیم می‌شوند.

* باکتریهای دارای دیواره

* باکتریهای بدون دیواره

باکتریهای که زندگی درون یاخته‌ای اجباری دارند. این گروه شامل دو دسته است: ریکتسیا و کلامیدیا  (13)

باکتریهای دارای دیواره

باکتریها دسته‌ای از موجودات زنده میکروسکوپی هستند، با اندازه‌ای کوچک و ساختاری نسبتا ساده. سیتوپلاسم آنها عاری از واکوئل است، هسته فاقد غشا و جزئیات آن نامشخص است. اطراف باکتری را پرده ضخیمی به نام دیواره می‌پوشاند. باکتریها اکثرا متابولیسم خود را از راه شیمیوسنتز اداره می‌کنند. برخی فاقد دیواره‌اند و عده ای زندگی درون یاخته‌ای اجباری دارند.  (25)

باکتریهای بدون دیواره

این باکتریها شامل جنس میکوپلاسما هستند. میکوپلاسماها برخلاف سایر باکتریها، فاقد دیواره‌اند و از این رو خاصیت چند شکلی بودن دارند. نسبت به پنی‌سیلین و سایر آنتی بیوتیکهای متوقف کننده سنتز دیواره یاخته مقاوم هستند، ولی در مقابل تغییرات فشار اسمزی و عوامل محیطی بسیار حساس هستند. میکوپلاسما از صافیهای باکتریولوژیک عبور می‌کنند و کوچکترین میکروارگانیسمی هستند که به صورت آزاد به سر می‌برند. برخلاف اکثر باکتریها، باکتریوفاژها بر روی میکوپلاسماها بی‌اثرند. این میکروارگانیسم‌ها دارای سیستم آنزیمی کامل و متابولیسم مستقلی هستند و می‌توانند روی محیطهای مصنوعی بدون وجود یاخته زنده رشد کنند.

ریکتیسیا

سابقا آنها را حد فاصل باکتریها و ویروسها می‌دانستند، ولی اکنون در شمار باکتریها محسوب می‌شوند، با این تفاوت که اندازه آنها کوچکتر و ساختارشان ساده است و فقط می‌توانند درون یاخته‌های زنده زندگی می‌کنند.

کلامیدیا

چون اندازه آنها کوچکتر از باکتریهاست و از صافیهای باکتریولوژیک قابل عبورند و انگلهای درون یاخته‌ای اجباری هستند، لذا آنها را جزء ویروسها می‌دانستند. ولی امروزه به لحاظ برخورداری از ویژگیهایی نظیر حساسیت به آنتی بیوتیکها و دارا بودن دیواره یاخته‌ای و ریبوزوم و طرز تکثیری همانند باکتریها و داشتن هر دو نوع ملکول DNA و RNA آنها را جزء باکتریها به شمار می‌آورند.(25)

گروههای عمده باکتریها از نظر پزشکی

باکتریهایی که در انسان و سایر موجودات تولید بیماری می‌کنند زیاد است که به صورت تیتر‌وار به آنها اشاره می‌شود. اسپیروکتها، باکتریهای مارپیچی و خمیده، کوکوسها و باسیلهای گرم منفی، باسیلهای گرم منفی بی‌هوازی اختیاری، کوکوسهای گرم مثبت، باسیلهای گرم مثبت بدون اسپور، اکتینومیستها و میکروبهای وابسته، ریکتسیاها و مایکوپلاسماها. (40)

نگاه اجمالی

واحد بنیادی حیات، سلول نام دارد. بطور کلی سلولها به دو گروه عمده پروکاریوت و یوکاریوت تقسیم می‌شوند. اصطلاح پروکاریوت مرکب از دو واژه پرو (Pro) به معنی پیش و کاریوت به معنی هسته است و این اصطلاح در مورد سلولی بکار می‌رود که فاقد هسته و اندامک‌های محدود به غشا است. اندازه یک سلول پروکاریوت 1 تا 10 میکرومتر است. باکتریها شاخص‌ترین نوع پروکاریوتها هستند.

مقایسه ساختمان سلول پروکاریوت و یوکاریوت

حجم یک سلول یوکاریوتی (سلولهای جانداران و گیاهان عالی و سلولهای انسانی) هزاران بار بزرگتر از نوع پروکاریوتی است. ماده ژنتیکی یک سلول یوکاریوتی عمدتا در هسته (Nucleus) متمرکز است. بخش اندکی نیز درون اندامک‌های درون سلولی نظیر میتوکندری، کلروپلاست و گلی‌اکسی‌زوم دیده می‌شود. در حالیکه ماده ژنتیکی سلول پروکاریوتی که از لحاظ کمیت 700 مرتبه کمتر از ماده ژنتیکی نوع یوکاریوتی است، در ناحیه شبه هسته‌ای موسوم به نوکلوئید (Nucleoid) متمرکز شده ‌است.(22)

دو نوع سلولی پروکاریوتی و یوکاریوتی از لحاظ جنس وسیله حرکتی‌شان یعنی تاژک نیز متفاوت می‌باشند. بطوریکه تاژک سلول یوکاریوتی عمدتا از جنس پروتئین استوانه‌ای شکل میکروتوبول است. در حالیکه تاژک سلول پروکاریوتی از جنس پروتئین فلاژلین می‌باشد. فرایندهای آندوسیتوز و اگزوسیتوز را فقط در انواع یوکاریوتی می‌توان یافت و پروکاریوتها فاقد آن هستند. (22)

طبقه بندی باکتریها

میکوپلاسما

میکوپلاسما که باکتری فاقد دیواره سلولی است کوچکترین ذره واجد حیات است.

باکتری گرم مثبت (+G)

این باکتریها واجد دیواره سلولی تک‌لایه و ضخیم با قطری حدود 20 تا 80 نانومتر می‌باشند. در ساختار دیواره سلولی این باکتریها هتروپلیمر دیگری که اسید تیکوئیک نام دارد، شرکت می‌کند. به باکتری گرم مثبت بدون دیواره سلولی پروتوپلاست می‌گویند.

باکتری‌های گرم منفی (-G)

این باکتریها حداقل واجد دو لایه و گاهی چند لایه دیواره سلولی متمایز می‌باشند. خارج دیواره سلولی باکتری گرم منفی بوسیله غشایی که غشای خارجی نام دارد، احاطه می‌شود. بین غشای خارجی و دیواره سلولی فضایی وجود دارد که فضای پری پلاسمیک نامیده می‌شود. در فضای پری پلاسمیک سموم و آنزیمهای باکتری با غلظت زیادی تجمع یافته‌اند که این سموم و آنزیمها روی اجزای سلول باکتری تاثیر نداشته و فقط در جهت هضم موادی عمل می‌کنند که برای باکتری مضر می‌باشد.(20)

اجزای مختلف ساختمان سلول پروکاریوت

سیتوپلاسم

بیش از 50 درصد پروتئین سلول در سیتوپلاسم قرار دارد و آنزیمهای متابولیسمی راههای گلیکولیز و بسیاری از آنزیمهای چرخه کربس، انواع کاتالازها، دهیدروژنازها، و مواد حد واسط چرخه های متابولیکی در سیتوپلاسم وجود دارد. روابط اتمی، یونی و الکترونی بین ترکیبهای مختلف سیتوپلاسمی با نظم خاص فعالیتهای حیاتی را ظاهر می‌سازد.(20)

غشای سلولی

ساختمان غشای سلول یوکاریوتی و پروکاریوتی تقریبا با همدیگر مشابه است که البته از لحاظ حضور لیپید و پروتئین و کربوهیدراتهای خاص با همدیگر تفاوتهایی نیز دارند. منتها از لحاظ برهمکنش فیزیکی و شیمیایی مولکولهای تشکیل دهنده شباهتهای زیادی دارند. غشا شامل دو لایه فسفولیپیدی همراه با پروتئینها می‌باشد. غشای سلول باکتری فاقد استرول است.

کپسول

کپسول باکتری که واجد خاصیت آنتی‌ژن است، در خارج دیواره سلولی دیده می‌شود و از جنس پلی‌ساکارید است.

دیواره سلولی

برخلاف سلولهای جانوری و انسانی باکتریها دارای دیواره سلولی هستند. این دیواره سلولی باکتری از جنس مولکول هیبریدی موسوم به پپتیدوگلیکان است. بخش قندی دیواره سلولی متشکل از واحدهای ان_استیل گلوکز آمین و ان_استیل مورامیک اسید است. واحدهای مزبور رشته‌های‌ پلیمری قندی ایجاد می‌کنند که رشته‌های مذکور توسط زنجیره‌های کوتاه پپتیدی بهم وصل می‌شوند.

 

آنتی ‌بیوتیک و پنی‌سیلین ضمن غیرفعال‌سازی آنزیم ترانس پپتیداز از سنتز اتصالات پپتیدی ممانعت می‌کند و به این ترتیب از تشکیل دیواره سلولی باکتری جلوگیری می‌کند. دیواره سلولی باکتری سلول را در مقابل شرایط نامساعد محیطی محافظت می‌کند. عمده خصوصیات آنتی ‌ژنی باکتری از دیواره سلولی آن ناشی می‌شود.(24)

فلاژل

اندام حرکتی

اندام حرکتی باکتری فلاژل یا تاژک است. منشا فلاژل غشای سیتوپلاسمی است. فلاژل از پروتئینی بنام فلازلین ساخته شده که واحد های پروتئینی آن فلاژنوم نام  دارد.فلاژلین در سیتوپلاسم ساخته می شود. از خصوصیات پروتئین فلاژلین این است که در ساختمانش تعداد اسید آمینه های آروماتیک خیلی کم است و در عوض تعداد اسید آمینه های آسپاراتیک و گلوتامین خیلی زیاد است. از خصوصیات منحصر به فرد فلاژلین این است که سیستئین ندارد.

فلاژل از سه بخش تشکیل شده است:

1- جسم پایه           2- قلاب         3- رشته

اندازه ی تاژک ده تا بیست نانومتر است. آنتی ژن اچ نام دیگر تاژک است. ( در سرولوژی آنتی ژن اچ بسیاری از باکتری ها را تعیین می کنند.) مکانیسم حرکت فلاژل بر متیلاسیون و دمتیلاسون پروتئین های سطح غشای سیتوپلاسمی است.

دلیل حرکت باکتری ها به دست آوردن غذا است.

بسیاری از میکروارگانیسم ها(ونه همه آنها )متحرک اند.حرکت ارگانیسم امتیازی برای جستجوی غذا،دوری از سموم شیمیایی وتشکیل کلنی است.   (15)

مشخصات مژک و تاژک

بخش‌های اصلی دستگاه مژکی عبارتند از: 1- ساقه مژکی: به صورت بخشی باریک، استوانه‌ای و پوشیده شده به غشای سلولی که در سطح آزاد سلول قرار دارد. 2- جسم قاعده‌ای: به صورت یک اندامک درون سلولی مشابه سانتریول و مشتقی از آن است. 3- صفحه یا سینی مژکی. 4- در برخی از سلول‌ها رشته‌های نازکی که آنها را ریشه‌های مژکی می‌نامند از جسم قاعده‌ای به صورت مخروطی که نوک باریک آن به سوی هسته است تا مجاورت هسته کشیده شده‌اند. اجسام قاعده‌ای اغلب در بخش پیرامونی سیتوپلاسم و زیر غشای سلولی قرار دارند و به طور معمول به صورت موازی با هم و با فواصل یکسان قرار گرفته‌اند. مژک‌ها و تاژک‌ها، ساختمانهای بسیار ظریفی هستند که قطر آنها اغلب در پایین‌ترین حد دید میکروسکوپ‌های نوری است.(13)

تفاوت‌های تاژک و مژک: تفاوت آنها در نحوه ضربان، نوع حرکت، تعداد و اندازه است. ضربان یک تاژک اغلب متقارن و هر لحظه شامل چندین موج است ولی مژه ضربان غیرمتقارن دارد و فقط شامل یک موج است. تعداد مژه‌ها از تاژک بیشتر است ولی اندازه کوچکتری نسبت به آنها دارند.(10)

سلولها از نظر توان حرکت به دو گروه ثابت و متحرک تقسیم می‌گردند. سلولهای ثابت فاقد اندام حرکتی بوده و اگر هم حرکتی در آنها صورت پذیرد وابسته به موجودات دیگر یا جریانات طبیعی مانند آب و باد است. به عنوان مثال پلانکتونها موجودات تک سلولی گیاهی و جانوری هستند که در آب زیست نموده و توسط جریانات آب از نقطه‌ای به نقطه دیگر برده می‌شوند. برخی از سلولها اصولا ثابت بوده و حرکتی ندارند مانند سلولهای گیاهی که به دلیل داشتن دیواره سلولی انعطاف پذیری را که لازمه حرکت است از دست داده‌اند. سلولهای متحرک به کمک اندامهای حرکتی قادر به حرکت هستند.(11)