مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Lecture 2 – The Morphology & Fine 

structure of bacteria

 

 

The main characteristics that distinguish 
prokaryotes from eukaryotes are the 
following: 

1)  Eukaryotic cells are generally more complex than 

prokaryotic cells. 

2)  DNA is enclosed in a nuclear membrane and is associated 

with histones and other proteins only in eukaryotes. 

3)  Organelles are membrane-bound in eukaryotes. 
4)  Prokaryotes divide by binary fission whereas eukaryotes 

divide by mitosis. 

5)  Some structures are absent in prokaryotes: for example, 

Golgi complex, endoplasmic reticulum, mitochondria, and 
chloroplasts.

 

      There are more other differences between prokaryotes 
and eukaryotes you can find them in reference text books.

 

 

The Morphology of Bacteria 

Bacteria differ from other single-cell microorganisms in 
both their cell structure and size, which varies from 0.3–5 
µm. Magnifications of 500–1000X—close to the 
resolution limits of light microscopy—are required to 
obtain useful images of bacteria. Another problem is that 
the structures of objects the size of bacteria offers little 
visual contrast. Techniques like phase contrast and dark 
field microscopy, both of which allow for live cell 
observation, are used to overcome this difficulty. 
Chemical-staining techniques are also used, but the 
prepared specimens are dead. Bacteria have three basic 
forms: cocci, straight rods, and curved or spiral rods.  

 

 

Cocci are spherical bacteria. Those found in grapelike 
clusters as in this picture are staphylococci (Scanning 
electron microscopy (SEM)). 

 

 

The straight rod bacteria with rounded ends 
Shown here are coli bacteria (SEM). 
 

 

Spirilla, in this case borrelia are spiral 
bacteria (light microscopy (LM), Giemsa stain). 

 

The Structures of Bacterial cell 

The Nucleoid and plasmids  

The prokaryote

 Nucleoid ( the equivalent of the 

eukaryotic Nucleus)   

consists of a very thin, long, 

circular DNA molecular double strand that is not 
surrounded by a membrane and localized in the 
cytoplasm. In E. coli (and probably in all bacteria), it 
takes the form of a single circular molecule of DNA. The 

genome of E. coli comprises 4.63 X106 base pairs (bp) 
that code for 4288 different proteins. The genomic 
sequence of many bacteria is known. The plasmids are 
nonessential genetic structures. These circular, twisted 
DNA molecules are 100–1000X smaller than the nucleoid 
genome structure and reproduce autonomously .The 
plasmids of human pathogen bacteria often bear important 
genes determining the phenotype of their cells (resistance 
genes, virulence genes).  


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

 

The nucleoid (nucleus equivalent) of bacteria consists of a 
tangled circular DNA molecule without a nuclear 
membrane. 
Transmission electron microscopy (TEM) image of 
staphylococci

 

 

 

A) Open circular form (OC). The result of a rupture in 
one of the two nucleic acid strands. B)  Twisted (CCC = 
covalently closed circular), native form (TEM image). 

 

Cytoplasm 

The cytoplasm contains a large number of solute (low- 
and high-molecularweight) substancesRNA and 
ribosomes (approximately 20 000 per cell). Bacteria have 
70S ribosomes comprising 30S and 50S subunits. 
Bacterial ribosomes function as the organelles for protein 
synthesis. The cytoplasm is also frequently used to store 
reserve substances (glycogen depots, polymerized 
metaphosphates, lipids). 

 

The Cytoplasmic Membrane 

This elementary membrane, also known as the plasma 
membrane
, is 

a 40–80 A ˚-thick semipermeable 

membrane

. It is basically a double layer of phospholipids 

with numerous proteins integrated into its structure. The 

most important of these membrane proteins are 
permeases, enzymes for the biosynthesis of the cellwall, 
transfer proteins for secretion of extracellular proteins, 
sensor or signal proteins, and respiratory chain enzymes. 
In electron microscopic images of Gram-positive bacteria, 
the  mesosomes appear as structures bound to the 
membrane. How they function and what role they play 
remain to be clarified. 

 

 

Cell Wall 

The tasks of the complex bacterial cellwall are to protect 
the protoplasts from external noxae, to withstand and 
maintain the osmotic pressure gradient between the cell 
interior and the extracellular environment (with internal 
pressures as high as 500–2000 kPa), to give the cell its 
outer form and to facilitate communication with its 
surroundings. 

 

Peptidoglycan (syn. murein).

 The most important 

structural element of the wall is peptidoglycan, a netlike 
polymer material surrounding the entire cell (sacculus). It 
is made up of polysaccharide chains crosslinked by 
peptides. 

 

The cell wall of Gram-positive bacteria 

. The 

murein sacculus may consist of as many as 40 layers (15–
80 nm thick) and account for as much as 30% of the dry 
mass of the cell wall. The membrane lipoteichoic acids 
are anchored in the cytoplasmic membrane, whereas the 
cell wall teichoic acids are covalently coupled to the 
murein. The physiological role of the teichoic acids is not 
known in detail; possibly they regulate the activity of the 
autolysins that steer growth and transverse fission 
processes in the cell. 

 

The cell wall of Gram-negative bacteria

. Here, the 

murein is only about 2 nm thick and contributes up to 10% 
of the dry cell wall mass. The outer membrane is the salient 
structural element. It contains numerous proteins (50% by 
mass) as well as the medically critical lipopolysaccharide. 

  Outer membrane proteins 

 

OmpA (outer membrane protein A) and the murein 

lipoprotein form a 
bond between outer membrane and murein. 

 

Porins, proteins that form pores in the outer 

membrane, allow passage of hydrophilic, low-molecular-
weight substances into the periplasmic space

 

Outer membrane-associated proteins constitute 

specific structures that enable bacteria to attach to host 
cell receptors. 

A

 

B

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

— 

A number of Omps are transport proteins. 

Examples include the LamB proteins for maltose transport 
and FepA for transport of the siderophore ferric (Fe3+) 
enterochelin in E. coli . 

 

  Lipopolysaccharide (LPS).  

This molecular complex, also known as endotoxin, is 
comprised of the lipoid A, the core polysaccharide, and 
the O-specific polysaccharide chain

 — 

Lipoid A is responsible for the toxic effect. 

— 

The O-specific polysaccharide chain is the so-called 

O antigen. 

 
L-forms (L = Lister Institute).
 The L-forms are bacteria 
with murein defects, e.g., resulting from the effects of 
betalactam antibiotics. L-forms are highly unstable when 
subjected to osmotic influences. 

 

 

Capsule 

Many pathogenic bacteria make use of extracellular 
enzymes to synthesize a polymer that forms a layer 
around the cell: the capsule. The capsule protects bacterial 
cells from phagocytosis. The capsule of most bacteria 
consists of a polysaccharide. The bacteria of a single 
species can be classified in different capsular serovars (or 
serotypes) based on the fine chemical structure of this 
polysaccharide. 

 

Flagella 

Flagella give bacteria the ability to move about actively. 
The flagella (singular flagellum) are made up of a class of 
linear proteins called flagellins.  Flagellated bacteria 

display various flagellar arrangements ranging from 
monotrichous (polar flagellum; e.g., Vibrio coma), 
lophotrichous (bundle of flagella at one end of the cell; 
e.g., Spirillum volutans), to peritrichous (several flagella 
distributed around the cell; e.g., Escherichia coli
.

Together with the O antigens, they are used to classify 

bacteria in serovars.

 

  

 

Flagellated bacterial cell (SEM, 13 000!). b Helical 
structure of bacterial flagella (SEM, 77 000X). 

 

Attachment Pili (Fimbriae), Conjugation Pili 

Many Gram-negative bacteria possess thin microfibrils 
made of proteins (0.1–1.5 nm thick, 4–8 nm long), the 
attachment pili. They are anchored in the outer membrane 
of the cell wall and extend radially from the surface. 
Using these structures, bacteria are capable of specific 
attachment to host cell receptors (ligand—receptor, key—
keyhole). The conjugation pili (syn. sex pili) in Gram-
negative bacteria are required for the process of 
conjugation and thus for transfer of conjugative plasmids.

  

 

Biofilm

   

 

A bacterial biofilm is a structured community of bacterial 
cells embedded in a self-produced polymer matrix and 
attached to either an inert surface or living tissue. Such 
films can develop considerable thickness (mm) . Foreign 
body infections are caused by bacteria that form a biofilm 
on inert surfaces. The bacteria located deep within such a 
biofilm structure are effectively isolated from immune 
system cells, antibodies, and antibiotics. The polymers 
they secrete are frequently glycosides, from which the 
term glycocalyx (glycoside cup) for the matrix is derived. 

 

Bacterial Spores 

Bacterial spores (endospores) are purely dormant life 
forms. Their development from bacterial cells in a 
“vegetative” state does not involve assimilation of 
additional external nutrients. They are spherical to oval in 
shape and are characterized by a thick spore wall & a high 
level of resistance to chemical & physical noxae. Among 
human pathogen bacteria, only the genera Clostridium 
and Bacillus produce spores. The heat resistance of these 
spores is their most important quality from a medical 
point of view, since heat sterilization procedures require 
very high temperatures to kill them effectively. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 120 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل