Vnitřní struktura bakterií

Bakterie jsou zdánlivě hodně jednoduché buňky. Přestože mají malé množství typů organel (scházejí jim všechny membránové organely), jsou velmi úspěšné. I když zde mluvíme o jednoduchosti, jsou bakterie ve skutečnosti tak komplikované, že se to až příčí všem představám. Výše zmíněná jednoduchost by měla být chápána ve vztahu k eukaryotním buňkám, které jsou přeci jen složitější. 

Cytoplazmatická membrána

Jedná se o jedinou membránovou strukturu bakterií. Složením se podobá eukaryotické membráně – to znamená, že je složena z fosfolipidové dvojvrstvy, kterou procházejí různé bílkoviny. Její základní funkce je oddělit vnější prostředí od vnitřního.

Zajímavější situace nastává v případě, že má buňka metabolizmus závislý na membránových enzymech. Dobrým příkladem jsou sinice. Fotosystémy s molekulami chlorofylu jsou membránové struktury a buňka jich potřebuje ohromné množství. Z toho důvodu sinice svoji cytoplazmatickou membránu mnohonásobně zřasí směrem dovnitř do buňky, takže vzniknou útvary podobné thylakoidům chloroplastů. Uvědomíme-li si, jakým způsobem vznikly chloroplasty, nikoho asi nepřekvapí, že se zřasené membráně sinic říká také thylakoid. Velmi podobně je membrána zřasena i u bakterií provozující oxidativní fosforylaci (stejně jako vnitřní membrána mitochondrie). Obojí je dobře patrné na obrázku.

Cytoplazma

Celý prostor ohraničený cytoplazmatickou membránou se nazývá cytoplazma. Jedná se o vodné prostředí, ve kterém se nacházejí všechny organely nukleové kyseliny, ionty, enzymy… Tekutá složka cytoplazmy se nazývá cytosol. Vzhledem k tomu, že bakterie nemají žádné membránové organely, musí všechny metabolické pochody probíhat v cytoplazmě, ať už se jedná o replikaci DNA či Krebsův cyklus. 

Bakteriální DNA

Nejdůležitější molekula DNA v bakterii je nepochybně bakteriální chromozom nazývaný také nukleoid. Až na výjimky se jedná o molekulu úctyhodné délky, která je cirkulární - nemá začátek ani konec, protože je stočená do kruhu. V E. coli dlouhé 5 µm se nalézá chromozom o délce 1,5 mm. DNA musí být v buňce nesmírně sofistikovaně sbalena. Jedním místem je také připojena k cytoplazmatické membráně. Tímto místem je replikační počátek (označovaný ori z anglického origin of replication). Na bakteriálním chromozomu je pouze jeden jediný replikační počátek. Chromozom není od cytoplazmy nijak oddělen, u bakterií neexistuje jádro. Bakteriální chromozom samozřejmě obsahuje velké množství genů, jedná se o 6 – 8 tisíc genů. Pro srovnání lidský genom obsahuje přibližně 23 000 genů. 

Jak bylo výše napsáno, je bakteriální DNA o několik řádů delší než samotná buňka. Z toho vyplývá nutnost tuto DNA nějak smysluplně sbalit neboli kondenzovat. Bakteriím v tom pomáhá několik typů bílkovin. Jedna skupina těchto bílkovin se chová trochu podobně jako histony v eukaryotických buňkách. Dokáží se navázat na DNA a zafixovat její momentální strukturu. Druhým významným typem bílkovin jsou enzymy topoizomerázy. Tyto enzymy dokáží měnit nadšroubovicové vinutí (supercoiling) a tím donutí DNA ke kondenzaci. Nadšroubovicové vinutí si můžeme představit na gumičce do vlasů. Gumičku natáhneme a jedním koncem otáčíme. Zanedlouho vznikne dvoušroubovice podobná dvoušroubovici DNA. My však s jedním koncem gumičky budeme otáčet dál. Na gumičce začnou vznikat „uzlíky“ a právě tyto uzlíky reprezentují nadšroubovici I. řádu. Kdybychom pokračovali s otáčením, začnou vznikat nadšroubovice vyšších řádů a délka gumičky by se zkracovala a výsledný útvar by se zakulacoval a každopádně by byl mnohem kratší.

Kromě chromozomální DNA je zpravidla v bakteriích k nalezení i mimochromozomální DNA nazývaná plazmidová DNA, zkráceně plazmid. Plazmidy nesou geny, jež svým nositelům přinášejí dodatečné vlastnosti. Pro lidi je nepříjemné, že se na plazmidech mohou vyskytovat geny, které bakteriím zajišťují rezistenci proti antibiotikům. Co je pro lidstvo ještě nepříjemnější, je schopnost bakterií předávat si tyto plazmidy mezidruhově. To znamená, že bakterie, která tuto schopnost doposud neměla, ji může získat. Jinými slovy choroba, proti které fungovalo nějaké antibiotikum, se může změnit v chorobu rezistentní a nám už antibiotika nepomohou. Mezidruhovému přenosu DNA se říká horizontální přenos genetické informace, o něm se více dočtete v následujících kapitolách.

Ribozomy

V každé bakterii dále nalezneme ohromné množství ribozomů, bez nichž se neobejde proteosyntéza, respektive její závěrečná fáze translace. Prokaryotní ribozomy jsou odlišné od ribozomů eukaryotních. Jsou o něco menší, a právě této odlišnosti využívají některá antibiotika, jež cílí pouze na prokaryotní ribozomy a eukaryotních si nevšímají. Bakteriální ribozomy se skládají ze dvou podjednotek – z malé a velké. Malá podjednotka obsahuje jednu molekulu rRNA a 21 proteinů a velká podjednotka obsahuje dvě odlišné rRNA a 31 proteinů. Funkce ribozomů je u všech buněk stejná. Probíhá na nich translace proteosyntézy.

Na obrázku jsou schematicky znázorněny prokaryotní a eukaryotní ribozomy. Můžete si porovnat počty různých stavebních molekul, ať už se jedná o proteiny či molekuly rRNA. Z těchto počtů je na první pohled patrný velikostní rozdíl mezi těmito dvěma ribozomy. Sedimentační konstanta (Svedberg S) je veličina udávající (více méně) velikost molekul, popřípadě menších organel. Do hodnoty S se promítá hmotnost, hustota a tvar částice (proto se také nedá sčítat hodnota S velké a malé podjednotky). V případě ribozomů však můžeme říci, že čím je ribozom větší, tím je také větší hodnota S. 

Sedimentační konstanty se měří na ultracentrifugách. Jedná se o velice sofistikované a přesně vyladěné centrifugy, na nichž se dá dosáhnou přetížení v hodnotách deseti miliónů g.

Bakteriální cytoskelet

Ve starších učebnicích mikrobiologie se tradičně opakuje poznámka, že prokaryota postrádají cytoskelet. Ukazuje se však, že to není pravda. Do této doby byly dohledány analogy aktinu, tubulinu a dokonce i intermediálních filament, což jsou eukaryotické cytoskeletární složky. V bakteriálních buňkách mají zpravidla tyto analogy odlišné funkce, než jaké vykonávají v buňkách eukaryotických. Nicméně tyto analogy také vytvářejí vláknité struktury, umožňující dělení buněk, správný růst…

Cytoskeletální složky v prokaryotních a v eukaryotních buňkách mají tedy podobné funkce a dokonce vykazují prostorovou (tvarovou) podobnost. Například molekula FtsZ je prostorově velmi podobná molekule tubulinu. Člověk by předpokládal, že stejnou podobnost budou vykazovat i geny těchto bílkovin. Opak je však pravdou. Geny těchto molekul nevykazují žádnou podobnost s eukaryotními geny pro aktin či tubulin, přesto bílkoviny vzniklé z těchto genů jsou prostorově eukaryotickým cytoskeletálním složkám nesmírně podobné. Každopádně eukaryotické buňky měly při svém vzniku co dědit.

Některé bakterie "rohlíkovitého" tvaru, popřípadě spirálně stočené bakterie mají pod cytoplazmatickou membránou vlákna CreS (Crescentin), fungující jako intermediální filamenta. Bez vláken CreS buňky ztrácejí svůj tvar.

Bakteriální analog tubulinu se označuje FtsZ. V bakteriích má na starosti buněčné dělení. Dokáže vytvořit pod membránou na rovníku prstenec, který se postupně utahuje, až jsou obě buňky odděleny. (V eukaryotních živočišných buňkách mají cytokinezi na starosti aktinová filamenta.)

Bakteriální „aktin“ se ve skutečnosti jmenuje MreB a podobně jako aktin vytváří dlouhá vlákna. MreB uděluje buňkám „polarizaci“. Je lokalizován pod membránou jako spirální vlákno a buňkám říká, do jakého směru mají růst.

Shrnutí

Co se vnitřních struktur týče, jsou bakterie skutečně o něco jednodušší v porovnání s buňkami eukaryotickými. Uvnitř každé bakterie můžeme najít cirkulární molekulu DNA neboli bakteriální chromozom nazývaný nukleoid. DNA je volně uložena v cytoplazmě a není oddělena membránou. Tato vlastnost definuje prokaryotní organizmy. Dále jsou v bakteriích k nalezení ribozomy o něco menší než u eukaryot, nicméně se stejnou funkcí. Zajišťují translaci, tedy syntézu bílkovin podle předlohy mRNA. Řadu funkcí v bakteriální buňce zajišťuje cytoskelet. Jedná se například o růst a udržení tvaru, popřípadě dělení buňky.