Microbiologie
Chapter 2: Microbial Cell Structure and Function
2.3 The Cytoplasmic Membrane
Het cytoplasmatisch membraan/ celmembraan (cytoplasmic membrane) omringt het cytoplasma en
scheidt het van de omgeving af. Het membraan is fysiek erg zwak, maar dit zorgt er wel voor dat het selectief
permeabel is. Hierdoor kunnen nutriënten de cel in en afvalproducten de cel uit. Verschillende proteins die
aanwezig zijn in het cytoplasmatisch membraan vergemakkelijken deze processen, en andere proteins
spelen een belangrijke rol bij het energie metabolisme.
The bacterial cytoplasmic membrane
Het cytoplasmatische membraan van alle cellen bestaat uit een dubbele fosfolipiden laag met
daarin proteins. Fosfolipiden bestaat uit een hydrofoob en hydrofiel deel. In bacteriën en
eukaryoten, bestaat het hydrofobe deel uit vetzuren en het hydrofiele deel bestaat uit een
glycerolmolecuul dat een fosfaat groep bevat en verschillende andere functionele groepen die
verbonden zijn aan een fosfaat. De vetzuren wijzen naar binnen, waardoor er een hydrofobe regio
ontstaat. Het hydrofiele deel blijft hierdoor blootgesteld aan de omgeving of het cytoplasma. Dit
type membraan structuur wordt een dubbele lipide laag (lipid bilayer), of een eenheid membraan
(unit membrane) genoemd.
Verschillende proteins bevinden zich in het cytoplasmatisch membraan; membraan proteins hebben vaak
een hydrofoob deel dat zich in het membraan bevindt en een hydrofiel deel dat in contact is met de
omgeving of het cytoplasma. Proteins die in het membraan zitten worden integrale (integral) membraan
proteins genoemd. Perifere (peripheral) membraan proteins zitten losser in het membraan.
Archaeal membranes
Het cytoplasmatisch membraan van archaea is structureel hetzelfde, maar chemisch anders. De lipiden van
bacteriën en eukaryoten worden verbonden door esterbindingen tussen vetzuren en glycerol. Bij archaea
worden de lipiden verbonden door etherbindingen tussen glycerol en een hydrofobe zijketen, dat geen
vetzuur is.
Het cytoplasmatisch membraan van archaea bestaat uit fosforglycerol diethers (bevatten C20 zijgroepen,
genaamd een phytanyl groep) of uit difosforglycerol tetraethers (bevatten C40 zijgroepen, genaamd een
biphytanyl groep).
Sommige lipiden in archaea bevatten ringen met daarin een koolwaterstof zijgroep. Deze ringen hebben
invloed op de chemische eigenschappen van de lipiden en dus heeft het ook een effect op het membraan.
Een voorbeeld van een lipiden die ringen bevat is crenarchaeol.
Cytoplasmic membrane function
Het cytoplasmatisch membraan heeft tenminste 3 functies. De eerste functie is dat het de cel zijn
permeabele barrière is, dat voorkomt dat er passief oplossingen in of uit de cel gaan. De tweede functie is
dat het verschillende proteins bevat die katalyseren en die geschikt zijn voor een sleutelfunctie. De derde
functie is dat het membraan van bacteriën en archaea een belangrijke rol spelen bij energie behouding en
consumptie.
,2.4 Bacterial Cell Walls: Peptidoglycan
Het cytoplasma van prokaryote cellen bevat een hoge concentratie van opgeloste stoffen, dit zorgt ervoor
dat er een hoge osmotische druk (osmotische waarde) is. Om te voorkomen dat een cel kapotgaat, cell lysis,
hebben de meeste cellen van bacteriën en archaea een laag om het cytoplasmatisch membraan heen dat
de celwand (cell wall) wordt genoemd. De celwand zorgt er ook voor dat de cel een vorm heeft en stevig is.
Cellen van bacteriën kunnen worden opgedeeld in twee groepen: grampositief en gramnegatief. Het
verschil tussen deze twee groepen is dat de celwand van gramnegatieve bacteriën bestaat uit tenminste 2
lagen. De celwand van grampositieve bacteriën is vaak dikker en bestaat uit maar een soort molecuul.
Structure of peptidoglycan
De celwand van een bacterie bestaat uit een polysacharide genaamd peptidoglycaan (peptidoglycan) dat
zorgt voor stevigheid. Peptidoglycaan bestaat uit twee gemodificeerde glucose residuen genaamd N-
acetylglucosamine en N-acetylmuramic acid en met de aminozuren L-alanine, D-alanine, D-glutamic acid en
L-lysine of diaminopimelic acid (DAP). Deze delen vormen samen het glycan tetrapeptide.
Peptidoglycaan kan kapot worden gemaakt door een lysozyme, een enzyme dat zich bindt aan de binding
tussen N-acetylgucosamine en N-acetylmuramic acid. Dit zorgt ervoor dat het peptidoglycaan zwak wordt
en de cel lyseert. Penicilline kan ook het peptidoglycaan kapot maken, maar op een andere manier.
Penicilline zorgt er namelijk voor dat de biosynthese van peptidoglycaan niet verder kan gaan.
Overview of the gram-positive cell wall
Ongeveer 90% van de celwand van grampositeve bacteriën bestaat uit peptidoglycaan.
Veel grampositieve bacteriën bevatten verschillende lagen peptidoglycaan die op elkaar
zijn gestapeld.
Naast peptidoglycaan produceren veel grampositieve bacteriën zure moleculen
genaamd teichoïnezuren (teichoic acids) die in de celwand zitten. Teichoïnezuren
bestaan uit glycerol fosfaat of ribitol fosfaat met daaraan glucose of D-alanine of beide
vastgemaakt. Alcohol moleculen binden dan door de fosfaatgroepen om lang strengen
te vormen en deze covalent te linken aan peptidoglycaan. Teichoïnezuur heeft ook als
functie om tweewaardige metaalionen te binden om ze de cel in te transporteren.
Sommige teichoïnezuren zijn covalent verbonden aan membraanlipiden, deze worden
lipoteichoic acids genoemd.
Sommige bacteriën en archaea bevatten geen celwand. Een voorbeeld hiervan is de
soort mycoplasma. Deze bacteriën bevatten sterolen in het cytoplasmatisch membraan
die zorgen voor stevigheid.
2.5 LPS: The Outer Membrane
Bij gramnegatieve bacteriën bevat maar een klein deel van de celwand peptidoglycaan, het grootste deel
van de celwand bestaat uit het buitenste membraan (outer membrane). Dit is een tweede dubbele lipiden
laag, die niet bestaat uit fosfolipiden en proteins. De outer membrane bevat ook polysacchariden, de lipiden
en polysachariden vormen samen een complex. Daarom wordt de outer membrane ook wel de
lipopolysaccharide laag genoemd, oftewel LPS.
De outer membrane zorgt maar een klein beetje voor de stevigheid van de gramnegatieve cel. Maar het is
wel een effectieve barrière tegen veel stoffen, zoals lipofiele antibiotica en andere schadelijke stoffen.
,Structure and activity of LPS
De structuur van LPS is bekend en er zijn veel verschillende variaties. Het polysaccharide deel van LPS
bestaat uit twee delen: de core polysaccharide en de O-specific polysaccharide.
Een belangrijke biologische activiteit van LPS is zijn toxiciteit voor dieren. Dit komt doordat het LPS bestaat
uit toxische stoffen.
The periplasm and porins
De outer membrane is impermeabel voor proteins en andere grote moleculen. Een belangrijke functie van
de outer membrane is het voorkomen dat de activiteit van cellulaire proteins buiten het cytoplasma weg
gaat van de cel. Deze extracellulaire proteins residu in het periplasma (periplasm).
Het periplasma bevat verschillende soorten proteins. Hydrolytische enzymen, die functioneren in de
degradatie van polymeren. Binding proteins, die het proces van transport van substraten beginnen.
Chemoreceptoren, die de chemotaxis (= verplaatsen van organismen als gevolg van de concentratie van
bepaalde stoffen in de omgeving) beheersen. En proteins die extracellulaire structuren bouwen van
moleculen die zijn uitgescheiden door het cytoplasmatisch membraan.
De outer membrane is relatief permeabel voor kleine moleculen, omdat er porins aanwezig zijn die
functioneren als toegang en uitgang voor die moleculen. Er zijn verschillende soorten porins: specific and
non-specific. Non-specific porins vormen kanalen die gevuld zijn met water, waardoor kleine hydrofiele
stoffen door deze porins kunnen. Specific porins bevatten een bindingsite voor één of een groep van
dezelfde stof.
2.7 Cell Surface Structures
Veel bacteriën en archaea scheiden plakkerig of slijmerig materiaal af op hun cel oppervlakte. Deze
materialen worden niet beschouwd als deel van de celwand.
Capsules and slime layers
De termen capsule en slijmlaag worden beide gebruikt voor hetzelfde, maar zijn niet hetzelfde. Als de laag
georganiseerd is in een dichte matrix dat kleine deeltjes uitsluit, dan wordt er gebruik gemaakt van een
capsule. Als de dichtheid van de matrix kleiner is en het kleine deeltjes niet uitsluit, dan wordt er gebruik
gemaakt van een slijmlaag.
De buitenste oppervlakte lagen hebben verschillende functies. Oppervlakte polysacchariden helpen met de
hechting van micro-organismen op vaste vlaktes. Pathogenen komen bijvoorbeeld de cel binnen en binden
zich aan een oppervlakte van de host, daarna vormt de pathogeen biofilm.
Een andere functie is dat het werkt als virulentie factor (moleculen die meewerken aan de pathogeniciteit
van bacteriële pathogenen) en het voorkomen van dehydrateren.
Fimbriae, pili, and hami
Fimbriae en pili zijn dunne draderige structuren gemaakt van eiwitten die aan de buitenkant van een cel
zitten. Fimbriae zorgen ervoor dat cellen aan oppervlakte kunnen binden, of voor het vormen van pellicles
(thin sheets of cells on a liquid surface) of voor het vormen van biofilms op vaste oppervlakte. Pili lijken erg
op fimbriae, maar zijn vaak langer en er is vaak maar een of twee pili aanwezig op een cel.
Er zijn verschillende soorten pili. De twee belangrijkste functies van pili zijn het uitwisselen van genetisch
materiaal door conjugatie (conjugative or sex pili) en het mogelijk maken van de hechting van pathogenen
aan de host (type IV and other pili). Type IV pili functioneren als adhesion, motility, microcolony formation
en secretion of proteases and colonization factors.
, Een ongewone groep van Archaea vormen structuren genaamd hamus (hami) die lijken op kleine
grijphaken. De functie hiervan is het hechten aan oppervlakten, waardoor formation of a community
ontstaat.
2.8 Cell Inclusions
Prokaryote cellen bevatten vaak inclusions. Deze functioneren als energieopslag en/ of koolstof opslag of
hebben andere speciale functies.
Carbon storage polymers
Een van de meest voorkomende inclusions in een prokaryoot is poly--hydroxybutyric acid (PHB), een
lipide die bestaat uit -hydroxybutyric acid. De monomeren van PHB polymeriseren door een esterbinding
en het polymeer vormt een granulen.
Naast PHB is er ook PHA (poly--hydroxyalkanoate) het verschil tussen deze twee is de hoeveelheid
monomeren die verbonden zijn aan elkaar. PHB en PHA functioneren als koolstof en energieopslag.
Wanneer de cel koolstof of energie nodig heeft wordt de inclusion afgebroken.
Een ander voorbeeld is glycogeen (in dieren) en zetmeel (in planten), een polymeer van glucose. Glycogeen
en zetmeel hebben dezelfde functie als PHA.
Polyphosphate, sulfur, and carbonate minerals
Veel prokaryote en eukaryote microben verzamelen fosfaat (PO43-) in de vorm van polyfosfaat granulen.
Deze granulen worden gevormd wanneer er te veel fosfaat aanwezig is.
Veel gramnegatieve bacteriën en archaea oxideren gereduceerde zwavel, zoals waterstofsulfide (H2S). Bij
de oxidatie van sulfide ontstaan er elektronen die gebruikt worden voor energie metabolisme of CO2 fixatie.
Cyanobacteriën vormen carbonaat mineralen aan de buitenkant van de cel, maar ook aan de binnenkant
van de cel. Het microbiologische proces waarbij mineralen gevormd worden heeft biomineralization.
Magnetic storage inclusions: magnetosomes
Sommige bacteriën oriënteren zichzelf doormiddel van een magnetisch veld, omdat ze magnetosomes
bevatten. Magnetosomes geven een magnetische dipool af in een cel, waardoor de bacteriën zich kunnen
verplaatsen in het magnetische veld.
Magnetosome synthese begint met de insertie van een magnetosome specifiek eiwit dat wordt
aangebracht in het cytoplasmatisch membraan, daarna vormt het membraan een blaasje. Dit blaasje is
gevuld met ijzer en biomineralisatie. In dit blaasje zit de opslag van ijzer.
2.9 Gas Vesicles
Sommige bacteriën en archaea zijn planktonisch, dit betekent dat ze in water wonen. De meeste
planktonische organismen bewegen mee met de aanwezige stromingen, maar sommige kunnen drijven
omdat ze gas blaasjes (gas vesicles) bevatten. Deze gasblaasjes zorgen ervoor dat de organismen zichzelf
kunnen positioneren in een omgeving dat het beste voor hun metabolisme.
Gas vesicle structure
Gasblaasjes zijn kegelvormige structuren gemaakt van eiwitten; ze zijn hol, stug en kunnen verschillende
groottes zijn.
Gasblaasjes bestaan uit twee eiwitten: GvpA en GvpC. Het eiwit GvpA vormt de waterdichte barrière en is
klein, hydrofoob en stug, dit zorgt voor de structuur van het blaasje. Het eiwit GvpC zorgt voor de sterkte
van het blaasje door het vormen van crosslinks tussen GvpA moleculen.
2.10 Endospores
Verschillende soorten bacteriën produceren structuren genaamd endosporen (endospores) tijdens een
proces genaamd endosporulation. Endosporen zijn verschillende soorten cellen die resistent zijn tegen
hitte, sterke chemicaliën en radiatie. Bacteriën kunnen endosporen produceren om zichzelf te beschermen.
