A prokarióták Szerk.: Vizkievicz András
A biológia tudománya az élők világát két alapvető birodalomra osztja: • a prokariótákra és az • eukariótákra.
A prokarióták legszembetűnőbb közös sajátsága, hogy sejtjükben nincs hártyával membránnal - körülhatárolt sejtmag (pro=előtt, karion=mag gör.). A pro- és az eukarióták között nagyobb a különbség, mint az állatok és a növények között. A legegyszerűbb felépítésű, már sejtes szerveződést mutató élőlények. A prokariótákon belül 2 fő csoportot különítünk el. 1. Ősbaktériumok (archaebacteria) 2. Valódi baktériumok (eubacteria) Az ősbaktériumok az élővilág korai formáit képviselő szervezetek. A talajban, természetes vizekben, szélsőséges körülmények között élnek. Viszonylag magas hőmérsékletű helyeken, gejzírekben, óceán fenekén található hőforrásokban is képesek megélni. Mások nagyon sós vizekben találhatóak meg. Előfordulnak az ember környezetében, a kérődzők bendőjében, illetve a termeszek emésztő csatornájában végzik feladatukat. Az általuk kedvelt élőhely alapján három csoportba szokás osztani őket. • A halofil fajok extrém sós környezetben élnek, • a metanogén fajok oxigén szegény - anaerob - környezetben fejlődnek és metánt termelnek. Ezeket a szervezeteket biogáz termelésére használja a biotechnológiai ipar. • A termofilek meleg élőhelyeken, például hőforrásokban élnek. A Föld őstörtének egy hosszú periódusában az élővilág fő tömegét valószínűleg ők alkották. Az eubaktériumok a hagyományos értelemben vett baktériumok (ezentúl csak baktériumok). A Föld minden élőhelyén megtalálhatóak a baktériumok, vízben, szárazföldön vagy a levegőben, még mélytengeri hőforrásokban és nukleáris hulladékban is. Egy gramm talaj kb. 40 millió, egy ml felszíni víz egymillió baktériumsejtet tartalmaz. A Földön pedig összesen mintegy 5 kvintillió (5 × 1030) baktérium élhet. Tízszer annyi baktérium van az emberi testben, mint emberi sejt. A legtöbb baktérium a bőr felszínén és az emésztőrendszerben található.
1
A baktériumok Földünk legrégibb ismert élőlényei. Legkorábbi geológiai maradványaik kb. 3,4 milliárd évesek. Abban az időben a földi légkör nem tartalmazott oxigént, tehát az ekkor élt baktériumok anaerobok voltak. Kb. 2.5 milliárd évvel ezelőtt terjedtek el tömegesen azok a fotoszintetizáló baktériumok, amelyek lassan oxigénnel töltötték meg a légkört. Méret Már fénymikroszkóppal láthatók néhány 100 x-os nagyítás mellett. Átlagos méretük 1-10 mikrométer. Kicsiny méretük óriási összfelülettel párosul, melynek környezeti jelentősége van (lebontó szerep). 1mikrométer átmérőjű kokkuszokat véve, 1 mm3-ben 109-dik sejt található, amelyek összfelülete 3.1 négyzetméter. Egy felnőtt ember testfelülete 1.9 négyzetméter. A fénymikroszkóp Főbb részei: • talpazat, • a tubus, • a revolverfoglalat, • mozgatható tárgyasztal, • kezelőgombok, • megvilágító rendszer.
A tubus az okulár (szemlencse) és az objektív (tárgylencse) befoglalására szolgál. A tárgyasztal az objektív alatt található, amely az ún. preparátum elhelyezésére szolgál. Az objektíveket a revolverfej illeszti a tubushoz. Az optikai rendszer nagyítása az objektív és az okulár nagyításának szorzatával egyenlő. A baktériumok szerveződése A sejtek magányosak vagy osztódás után együtt maradva laza kolóniákat hozhatnak létre (sejttársulás). Alak szerint 4 csoportba oszthatók: 1. gömb (kokkuszok), 2. pálcika (bacillusok), 3. csavar (spirillumok), 4. félhold (vibrió).
2
A sejtek felépítése Sejtfal. Minden baktériumot kívülről kemény, ellenálló sejtfal borít, amely biztosítja a sejt állandó alakját és egyben véd is. Kedvezőtlen körülmények között a baktériumok spórát képeznek: a sejtplazma vizet veszít, összezsugorodik, újabb falat választ az örökítő anyag és egy kis plazma köré. Pl. a lépfene bactérium így a 130 fokot is elviseli. A baktériumok penicillin érzékenysége is a sejtfalnak köszönhető, a penicillin a bakteriális sejtfal képzését gátolja.
Tok. A baktériumok egy részén a sejtfalon kívül még egy nyálkás, kocsonyás tok található. A tok feladata a védelem – pl. kórokozóknál az immunrendszer ellen -, továbbá szerepet játszik a tápanyag megkötésében. Sejtplazmamembrán. Egy vékony rugalmas hártya, mely a sejtfal alatt található, lebonyolítja az anyagforgalmat a sejt és a környezete között. Sejtplazma (citoplazma). Itt található az örökítő anyag, a DNS állomány, amely nem határolódik el membránnal a citoplazmától. Ostor. A baktériumok egy része ún. ostor segítségével mozogni képes. A sejteken lehet 1, 2, vagy sok ostor, amelyek lehetnek a sejt egyik oldalán, de lehetnek körbe is.
Szaporodás A prokarióták nagyon gyorsan tudnak szaporodni. 20 percenként tudnak kettéosztódni, tehát számuk 20 percenként a kettő hatványainak sorozatában nő. Ha egyetlen baktériumból indulunk ki és feltételezzük, hogy a belőle keletkező utódok minden 20-dik percben kettéosztódnak, akkor 48 óra alatt a földnek megfelelő tömeg jönne létre.
3
A prokarióták a legegyszerűbb módon főleg hasadással szaporodnak, amikor is a sejt egyszerűen kettéfűződik. A folyamatot ivartalan szaporodásnak tekintjük, mivel az osztódást nem előzi meg 2 ivarsejt egyesülése, ill. az új egyedek egyetlen élőlény leszármazottai.
A baktériumok ivaros szaporodása során a sejtek valamilyen módon kicserélhetik genetikai anyaguk egy részét, így az utódsejtek tulajdonságai eltérhetnek a szülői sejtekétől. A transzformáció A transzformáció során a sejt a környezetéből idegen DNS-t vesz fel és a rajta elhelyezkedő géneket beépíti saját genetikai anyagába. Így adhatja át az egyik baktérium a másiknak pl. az antibiotikumokkal szembeni ellenállóképességet. A transzformáció ivaros folyamatnak tekinthető, mivel annak végeztével a baktérium genetikailag megváltozik. Életmód Az élőlényeket – és így a baktériumokat is - az energiaszerzés és a szénforrás szerint, azaz az anyagcsere típusának megfelelően lehet tovább csoportosítani. Szénforrás szerint 1. Autotrófok azok az élőlények melyek a testük felépítéséhez szükséges anyagokat az élettelen környezetből veszik fel. A felvett anyagok mindig szervetlen anyagok: CO2, H2O, NH3 (autosz=önmaga, trófosz=táplálkozó, gör.). Az energiaforrás típusát tekintve lehetnek: a) fototrófok: ahol az energiaforrás a nap fényenergiája. A folyamat a fotoszintézis, mikor az élőlények széndioxidból és vízből a nap energiájának segítségével saját testük felépítéséhez szükséges szerves anyagokat állítanak elő. A folyamat mellékterméke lehet oxigén. Ilyenek pl. a kékbaktériumok.
4
b) Kemotrófok: a szükséges energia valamilyen szervetlen anyag lebontásából – oxidációjából származik. Ezek a baktériumok fényhiány ellenére is életképesek. pl. a nitrifikálók NH3 NO2-, ammóniát nitritté oxidálják.
2. Heterotrófok: testük felépítéséhez szükséges anyagokat az élő környezetből veszik fel szerves anyagok formájában. A heterotróf baktériumokat életmód szerint tovább csoportosíthatjuk: 1. szaprofiták: az elpusztult élőlények szerves anyagait bontják le (szaprosz=korhadt, fita=növény, gör.). A szaprofiták nélkül megállna az anyagok körforgása, pl. az összes szén az elpusztult állatokban és növényekben halmozódna fel. • •
Nagy mennyiségben fordulnak elő a talajban, bomló szerves anyagokban. Ide tartoznak az anaerob tejsavbaktériumok is, melyeket az élelmiszeripar széles körben felhasznál különféle erjesztett élelmiszerek, mint pl. joghurtok, savanyúságok készítésére.
2. Szimbionták: amikor egy baktérium egy másik élőlénnyel olyan együttélésben él, amely mindkét fél számára előnyös. A prokarióták több olyan különleges anyagcsere úttal rendelkeznek, amelyekkel a magasabb rendű élőlények nem (a légköri nitrogén felhasználása, cellulóz bontása). Az eukarióták ezeket a képességeiket igénybe veszik, cserébe szaporodásukhoz megfelelő körülményeket teremtenek. •
• •
Pl. a pillangósvirágú növények gyökérgümőiben élő nitrogénkötő baktériumok, melyek a növények számára felvehető formába alakítják a légköri nitrogént (N2-ből NH3-at), a növényevő állatok beleiben élő cellulózbontó baktériumok. Ember beleiben a Coli baktériumok, melyek többek között K-vitamint termelnek számunkra.
5
3. Paraziták. A parazita baktériumok különféle betegségeket okoznak. A baktériumos fertőzés jellemző tünetei: láz, fejfájás, hányás, hasmenés, gyulladások, melyeket a baktériumsejt által termelt méreganyagok váltanak ki. Például a legerősebb ismert toxin a Clostridium botulinum által termelt botulin neurotoxin (botox) egy grammja egy millió ember halálát okozhatja. Amennyiben botoxszal meggátoljuk a ráncképződésért felelős izmok működését, elérhetjük, hogy a ráncképződés megszűnjön, az arcbőr kisimuljon. A hatás csak időleges, a kezelést 3-4 havonta meg kell ismételni.
Szalmonella: ételmérgezés, rendszerint fertőzött étel fogyasztása után kialakuló gyomor-bélrendszeri betegség. A baktérium a szájon át kerül be a szervezetbe szennyezett élelmiszerrel vagy innivalóval. A fertőzés magas lázzal, görcsös hasfájással, hányással, hasmenéssel jár. A kezelés során fokozottan ügyelni kell a folyadék pótlására a kiszáradás elkerülésének érdekében. A fertőzés a nyári hónapokban gyakoribb, mert ilyenkor a meleg hatására a nem megfelelően tárolt élelmiszerekben a baktérium könnyen elszaporodik. A kórokozó a széklettel ürül, a nem megfelelő higiénés viszonyok, a kézmosás hiánya elősegítheti lakóközösségen belüli terjedését. Ritkán előfordulhat társuló ízületi gyulladás, ha a baktérium a véráram útján eljut az ízületekbe.
Vérhas: tünetei az előzőhöz hasonlóak, de a betegség lefolyása annál súlyosabb, véres nyálkás széklettel. Kolera: A betegséget rizslészerű, híg, vizes székletürítés jellemzi, hányással vagy anélkül. Láz ritkán alakul ki, hasi görcsök, fájdalom nincs. A kolerabaktérium leginkább vizes környezetben él. Az ember akkor fertőződik, amikor a kórokozóval szennyezett vizet vagy fertőzött ételféleségeket fogyaszt. Pestis: a nyirokcsomók gennyesedésével járó igen súlyos betegség. A pestis kórokozója a fertőzött patkány bolhájának csípésével vagy a bolha ürülékének elfogyasztásával jut be az emberi szervezetbe. A baktérium cseppfertőzéssel is terjed.
6
A pestisnek két típusát különítjük el, úgymint bubópestis és tüdőpestis. A bubópestis tünetei. • Testszerte erősen megduzzadt nyirokcsomók ("bubók") jönnek létre. • Hirtelen kialakuló magas láz, hidegrázás. • Rosszullét. • Izomfájdalmak, kínzó fejfájás. A tüdőpestis tünetei. • Kínzó, rohamokban jelentkező köhögés, habos, véres köpetürítés. • Légzési és keringési elégtelenség. Kezelés nélkül a bubópestis kb. 50%-ban, a tüdőpestis közel 100%-ban halálos betegség. A megfelelő kezelés a halálozási arányt 5%-ra szoríthatja le.
Lepra: jellemzője a végtagok idegeinek a pusztulása, melyet egyéb szövetek, pl. izomszövetek elhalása kísér, erőteljes testi és szellemi leépülés, súlyosan torzító bőrgyulladás. Lappangási ideje 35 év! A bőrben gümőkórhoz hasonló csomók keletkeznek. Az idegek károsodása érzéskiesésekben, izomgyengeségben, a végtagokban megjelenő állandó zsibbadásban nyilvánul meg. Gyakoriak az ujjak elveszítése. A lepra krónikus betegség, a beteg akár 20 évig is élhet. Tbc (tuberculosis): elsődlegesen a tüdő szövetének pusztulásával járó betegség. A betegség jellemzően a tüdőben gyulladással kezdődik, de később az egész szervezetre kiterjedhet. A megelőzés elődleges eszköze Magyarországon az újszülöttek és a gyermekek kötelező rendszeres BCGoltása. Tüdőszűréssel az esetlegesen kezdődő folyamatok jól kimutathatók, és idejében, hatékonyan gyógyíthatók. Ha a kórokozók a vérárammal szétszóródnak, és más szervekben is megtelepednek, tüdőn kívüli szervi tuberkulózis alakulhat ki, melyek a következők lehetnek: • a csont-tbc csontszövetelhalást, kóros csonttöréseket okoz. • A vese tbc a vese szöveteinek elhalásával jár. • A gyomor-bél- tbc. A tüdőből felköhögött fertőző váladék lenyelése is okozhatja. A bélcsatornában körkörösen elhelyezkedő fekélyek formájában mutatkozik meg, mely hegesedés következtében bélelzáródáshoz vezet. • A szív-tbc a szívburkok megbetegedése.
7
A skarlát lázzal, hidegrázással, torokfájással, gyakran hányással, hasi fájdalommal járó kiütéses betegség. A nyelv megduzzad, vörössé és szemcsézetté válik, ez az úgynevezett málnanyelv-tünet.
A tetanusz egy a talajban élő anaerob baktérium toxinja által okozott merevgörccsel járó bénulás, mely kezeletlen esetben halálos. A kórokozó a szervezetbe földdel szennyezett sérüléseken keresztül tud bejutni. A baktérium méreganyaga az ideg-izom jelátvitelben szereplő anyag – acetilkolin – lebomlását gátolja, miáltal súlyos izomgörcsök alakulnak ki. Az izommerevség gyorsan terjed fentről lefelé, folyamatosan egyre több izmot érint, végül a légzőizmok görcse halált okoz. A lappangási átlagosan egy hét. Magyarországon 3, 4, 5, 36 hónapos, majd pedig 6 és 11 éves korban a gyerekek DPT védőoltást (diftéria = torokgyík, pertussis =szamárköhögés, tetanusz = merevgörcs) kapnak. Ugyanakkor levegőtől elzárt, mély, szúrt, földdel szennyezett sérülések esetén szükséges ún. emlékeztető oltás az immunrendszer válaszának erősítése céljából. A pertussis - szamárköhögés különböző kórokozók által okozott tünetegyüttes, amelyet rohamokban jelentkező, súlyos, kezdetben hurutos, később "szamár-ordítás" szerű köhögés jellemez. Az életet veszélyeztető idegrendszeri és léguti szövődményei főként csecsemőkorban fordulnak elő, egyébként a betegség magától gyógyul. A diftéria vagy torokgyík, ún. álhártyás gyulladás, amely leginkább a mandulákon, ritkábban a gégében alakul ki. A betegség lassan, fokozatosan fejlődik ki, a láz nem jellemző. Súlyos szövődményként szívizom-károsodást és ideggyulladást okoz, illetve ha az álhártya a gégében jelenik meg, ez fulladáshoz vezet. A Lyme-kór kullancs által terjesztett bakteriális fertőzés, amely először bőrtünetekkel, később, kezeletlen esetekben pedig ízületi és izomfájdalmakkal jár, majd gyakran idegrendszeri elváltozásokat okoz. Közép-Európa a világ egyik legfertőzöttebb területe. Magyarországon évente kb. 10 000 friss fertőzés fordulhat elő. Különösen fertőzött a Budai-hegység, a Balaton-felvidék és a nyugat-magyarországi területek.
8
A legelső tünet általában a csípés körül megjelenő, legalább 5 cm-esre megnövő, többnyire ovális alakú bőrpír.
A baktériumos betegségekkel szemben antibiotikummal védekezhetünk. Az antibiotikumok olyan hatóanyagok, melyek az állati, ill. emberi szervezetben megtelepedett baktériumokat elpusztítják vagy szaporodásukat gátolják. Amennyiben egy baktérium ellenáll az antibiotikumnak, úgy rezisztensnek tekintjük a hatóanyaggal szemben. Ennek hátterében az áll, hogy a baktériumok képesek olyan fehérjéket termelni, amelyek közömbösítik az antibiotikumok hatását. Az első antibiotikum a penicillin felfedezése Alexander Fleming (1881-1955) nevéhez kötődik. A laboratóriumában található egyik Staphylococcus baktériumkultúrát levegő érte, és megpenészedett. Fleming észrevette, hogy a tenyészetnek az a része, amely közvetlenül körülvette a penészt, feloldódott.
Ebből helyesen arra következtetett, hogy a penész olyan anyagot termelt, amely mérgező volt a Staphylococcus baktériumra. Hamarosan azt is sikerült kimutatnia, hogy ugyanez az anyag sok más káros baktériumfajta növekedését is meggátolta. Az anyag, melyet penicillinnek nevezett el a penész (Penicillium notatum) után, amely termelte, nem volt mérgező emberre és állatra sem. A fertőző betegségek kialakulását, terjedését különféle fertőtlenítési eljárásokkal előzhetjük meg. A különféle fertőzéseses, járványokat okozó betegségek és a mikroorganizmusok közötti összefüggés felderítésében és a járványok (lépfene) elleni küzdelemben úttörőszerepet játszott Louis Pasteur 1822-1895 francia vegyész és mikrobiológus. Tudományosan először ő bizonyította, hogy a baktériumok fertőzések forrásai és bemutatta, hogyan lehet elszaporodásukat megelőzni.
9
Tanulmányozta az erjedést, a tápanyagok oxigén szegény környezetben történő lebomlását, kimutatta, hogy az erjedést parányi organizmusok okozzák, ill. ha nincsenek jelen, az erjedés nem indul meg, megfigyelte, hogy az élesztőgomba képes oxigén nélkül szaporodni. Bizonyította, hogy hő hatására lejátszódó csírátlanítás megakadályozta az élelmiszerek romlását. Az élelmiszeriparban használt hőkezeléses eljárást feltalálójáról pasztörizálásnak nevezték el. Felismerte, hogy néhány mikroorganizmus-fajta az emberekben és az állatokban is betegségeket okozhatnak, a megelőzés módja lehet, hogy az ártalmas baktériumok bejutását kell megakadályozni az szervezetbe. A másik legismertebb felfedezése a veszettség elleni védőoltás kidolgozása volt. Kimutatta, hogy ha egy egészséges kutyát beoltanak egy veszett kutya nyúltagyának egy darabjával, az állaton megjelennek a veszettség tünetei. Ugyanakkor fertőzött állatok szárított szöveteivel – nyúlgerinc - kísérletezve Pasteurnek sikerült a vírusból olyan gyengített változatot előállítania, amelyet már felhasználhatott a védőoltásokhoz. Egy menthetetlennek látszó kilenc éves kutyaharapásos elzászi kisfiún tesztelte a vakcinát. A gyermek egészségi állapota a próbaoltás után tíz nappal látványosan javult.
Hőgyes Endre1847 – 1906. Egyike a legkimagaslóbb magyar orvoskutatóknak. Ideg- és veseélettani kutatásokat folytatott, azonban a legnagyobb sikert és a nemzetközi elismerést az hozta meg számára, hogy módosította Pasteur veszettség elleni védőoltását, amennyiben a vírus gyengítésére nem a beszáradásos – eredeti – eljárást, hanem hígítást alkalmazott. Ez irányú eredményeit maga Pasteur is elismerte és a nemzetközi gyógyászatban a Hőgyes-féle módszer terjedt el, ezt a módszert alkalmazzák jelenleg is. Méltán nevezi tehát az utókor a „magyar Pasteur”-nek. A fertőzések, járványok megelőzésének érdekében fontos, hogy betartsuk az alapvető higiénés szabályokat. • Fontos a rendszeres, szappanos vagy kézfertőtlenítő készítményekkel történő kézmosás. • Soha ne nyúljunk piszkos kézzel a szemünkhöz, a szánkhoz. • A sebeket minél előbb, megfelelően el kell látni, hogy ezzel is csökkentsük a fertőzésveszélyt. • Csak megbízható eredetű ételt és italt fogyasszunk. A meleg ételeket lehetőség szerint forraljuk át - hőkezeléssel a kórokozók jelentős része elpusztítható. • A zöldségféléket fogyasztás előtt ivóvíz minőségű vízzel alaposan mossuk át, hámozzuk meg. • Az idegen területeken csak ellenőrzött, vezetékes ivóvizet használjunk, az ásott kutakból inni kockázatos.
10
A kórházakban nélkülözhetetlen higiéniára először Semmelweis Ignác (1818-1865) magyar orvos az „anyák megmentője” hívta fel a figyelmet. A lelkiismeretesség, a kötelességtudás és önzetlenség mintaképe.
Szt. Rókus Kórház szülészeti osztályának főorvosaként kimutatta a fertőtlenítő eljárások előnyeit a szülészetben és a sebészetben. Rájött, hogy a gyermekágyi lázat az orvosok és orvostanhallgatók okozzák azzal, hogy boncolás után mentek át a szülészeti osztályra, s ott fertőtlenítetlen kézzel vizsgálták a várandós nőket, amivel súlyos fertőzéseket okoztak. Fertőtlenítésként klórmeszes kézmosást ajánlott kollégáinak. Ezzel kezdődött szélmalomharca az akkori hivatalos, tudományos világgal. Mind gyakorlatával, mind írásaiban próbálta terjeszteni nézeteit, de sajnos az orvostársadalom nem vett róla tudomást. Élete végén magatartásában az elmezavar jelei mutatkoztak, Döblingben elmegyógyintézetbe zárták, ahol – ápolói agresszív magaviselete miatt súlyosan bántalmazták – tisztázatlan körülmények között két hét után meghalt. A hivatalos verzió szerint a hullamérgezés végzett vele.
Miért maradhattak fenn a prokarióták az evolúcióban? 1. A baktériumok anyagcseréje rendkívül sokféle, számos olyan működésre képesek, amelyekre az eukarióták nem, ezért a földi élet számára nélkülözhetetlenek, mint pl. • Nitrogénkötés, • cellulózbontás. 2. A fentieknek köszönhetően igen szélsőséges körülményekhez is képesek alkalmazkodni, így fennmaradhattak olyan – pl. oxigén szegény – élőhelyeken, ahol az eukarióták már nem versenyképesek. 3. Rendkívüli mértékben képesek szaporodni.
A baktériumok hasznosítása •
Élelmiszergyártás. Az emberiség évezredek óta használja a baktériumokat (az élesztőkkel és penészgombákkal együtt) olyan alapvető élelmiszerek készítésére, mint a bor, sajtok, savanyúság, ecet, szójaszósz, savanyú káposzta vagy joghurt.
•
Iparban hulladékfeldolgozásra, szennyvíztisztításra hasznosítják őket.
•
A kőolajban levő szénhidrogéneket lebontó baktériumokat olajfoltok megszüntetésére használják.
11
•
Metántermelő anaerob lebontó baktériumok biogáz előállítására képesek.
•
A biológiai védekezés során a növényvédőszerek helyett is használhatóak baktériumok, mivel az emberre, az élővilágra és a hasznos rovarokra kicsi vagy semmilyen káros hatással nincsenek, környezetbarát rovarirtónak tekinthetőek.
•
A gyógyszeriparban egyes gyógyszerek, vitaminok – B2 és B12 - előállításában szintén baktériumok működnek közre. továbbá a biotechnológiában alkalmazott baktériumok pl. inzulin előállítására képesek.
•
Silózás (erjesztett takarmányok) Silózás során a felhalmozott és jól összetömörített takarmányokban a növényeken mindig jelenlévő tejsavbaktériumok elszaporodnak, a takarmányok cukraiból tejsavat állítanak elő, mely a többi, káros bontó baktérium tevékenységét gátolja, a takarmányt pedig tartósítja. Ha a takarmányhoz levegő nem jut, igen hosszú ideig (akár évtizedekig) eltartható romlatlan állapotban.
12
