background image

1

 

 

Course: Medical Microbiology 

Lecturer: Dr. Weam Saad 

Subject:  Medical Bacteriology  

 

Medical Bacteriology 

Anatomy of bacteria 

All  bacteria,  either  pathogenic  or  saprophytic,  are  unicellular  organisms 

that  reproduce  by  binary  fission.  Most  bacteria  are  capable  of  independent 
metabolic  existence  and  growth,  but  species  of  Chlamydia  and  Rickettsia  are 
obligate  intracellular  organisms.  Bacterial  cells  are  extremely  small  and 
measured  in  microns  (10-6µm).  They  range  in  size  from  large  cells  such  as 
Bacillus  anthracis  (1.0  to  1.3  µm  X  3  to  10  µm)  to  very  small  cells  such  as 
Pasteurella tularensis (0.2 X 0.2 to 0.7 µm), Mycoplasmas (atypical pneumonia 
group) are even smaller, measuring 0.1 to 0.2 µm in diameter.  

Bacteria  have  characteristic  shapes.  The  common  microscopic 

morphologies  are  cocci  (round  cells,  such  as  Staphylococcus  aureus  or 
Streptococcus  sp.;  rods,  such  as  Bacillus  and  Clostridium  species;  long, 
filamentous  branched  cells,  such  as  Actinomyces  species;  and  comma-shaped 
and spiral cells, such as Vibrio cholerae and Treponema pallidum.  

The  arrangement  of  cells  is  also  typical  of  various  species  or  groups  of 

bacteria.  Some  rods  or  cocci  characteristically  grow  in  chains;  some,  such  as 
Staphylococcus  aureus,  form  grapelike  clusters  of  spherical  cells;  some  round 
cocci form cubic packets. Bacterial cells of other species grow separately. The 
microscopic appearance is important in classification and diagnosis. 

 


background image

2

 

 

 

  Surface Appendages 

Two  types  of  surface  appendage  can  be  recognized:  Flagella,  which  are 

organs  of  movement,  and  Pili  (in  Latin  =hairs),  which  are  also  known  as 
fimbriae ( in Latin = fringes).  

Flagella occur on both Gram-positive and Gram-negative bacteria, and their 

presence can be useful in identification. For example, they are found on many 
species of bacilli but rarely on cocci. In contrast, pili occur almost on all Gram-
negative  bacteria  and  are  found  on  only  a  few  Gram-positive  organisms  (e.g., 
Corynebacterium  renale).  Some  bacteria  have  both  flagella  and  pili.  The 
electron micrograph in Fig. below shows the characteristic wavy appearance of 
flagella and two types of pili on the surface of Escherichia coli

                            

 


background image

3

 

 

1.  Flagella 

Bacterial  flagella  are  long  (3  to  12  µm),  filamentous  surface  appendages 

about 12 to 30 nm in diameter.  A flagellum consists of three parts: 

(1) The long filament, which lies external to the cell surface. 

 (2) The hook structure at the end of the filament. 

 (3)  The  basal  body,  to  which  the  hook  is  anchored  and  which  imparts 

motion to the flagellum.  

The  ability  of  bacteria  to  swim  by  flagella  provides  them  with  the 

mechanical  means  to  undergo  chemotaxis (movement  in  response  to  attractant 
and repellent substances in the environment).  

Chemically,  flagella  are  constructed  of  a  class  of  proteins  called  flagellins. 

Flagellins are immunogenic, these antigens are called the H antigens, which are 
characteristic  of  a  species  or  strain  of  bacteria.  The  species  specificity  of  the 
flagellins reflects differences in the primary structures of the proteins. Antigenic 
changes  of  the  flagella  known  as  the  phase  variation  of  H1  and  H2  occurs  in 
Salmonella  typhimurium.  The  number  of  flagella  on  bacterial  surface  is  a 
characteristic  for  classification.  Flagella  formation  can  be  inhibited  by 
chloramphenicol  it  blocks  regeneration  of  flagella  and  the  protein  (flagellin) 
synthesis.  

Figure  below  illustrates  typical  arrangements  of  flagella  on  or  around  the 

bacterial surface. For example, V. cholerae has a single flagellum at one pole of 
the  cell  (i.e.,  it  is  monotrichous),  whereas  Proteus  vulgaris  and  E.  coli  have 
many flagella distributed over the entire cell surface (i.e., they are peritrichous). 
The flagella of a peritrichous bacterium must aggregate as a posterior bundle to 
propel the cell in a forward direction.  


background image

4

 

 

 

 

2.  Pili 

The  terms  pili  and  fimbriae  are  usually  used  to  describe  the  thin,  hairlike 

appendages on the surface of many Gram-negative bacteria and proteins of pili 
are  referred  to  the  pilins.  Pili  (plural  of  pilus)  are  more  rigid  than  flagella.  In 
some bacteria, such as Shigella species and E coli, pili are distributed over the 
cell surface as 200 per cell.  

As in E coli, pili can come in two types: short, most common pili, and sex 

pili

 

(one  to  six  of  very  long  pili).  The  sex  pili  attach  male  to  female  bacteria 

during conjugation. 

Pili  in  many  enteric  bacteria  offer  the  adhesive  properties  on  the  bacterial 

cells,  enabling  them  to  adhere  to  various  epithelial  surfaces  and  to  the  RBCs 
(causing hemagglutination). These adhesive properties play an important role in 
bacterial  pathogenesis;  colonization  of  epithelial  surfaces  and  are  therefore 
called colonization factors.  

 

 

 


background image

5

 

 

  Surface Layers 
1.  Capsules and Loose Slime 

Some  bacteria  form  capsules,  they  are  thick  layer  of  viscous  gel.  Capsules 

may  be  up  to  10  µm  thick.  Some  organisms  lack  a  well-defined  capsule  but 
have loose slime layers external to the cell wall or cell envelope. The hemolytic 
Streptococcus  mutans,  the  primary  organism  found  in  dental  plaque  is  able  to 
synthesis a large extracellular mucoid glucans from sucrose.  

Not  all  bacterial  species  produce  capsules;  the  capsules  of  encapsulated 

pathogens are often important determinants of virulence. In both groups, Gram-
positive  and  Gram-negative  bacteria;  most  capsules  are  composed  of  high 
molecular-weight  polysaccharides  outside  the  cell  wall  or  envelope  except  the 
capsule of Bacillus anthracis (the pathogen of anthrax), it is unusual in that it is 
composed  of  a  g-glutamyl  polypeptide.  Mutation  can  cause  loss  of  enzymes 
involved  in  the  biosynthesis  of  the  capsular  polysaccharides  can  result  change 
from the smooth-to-rough as seen in the pneumococci. 

The exact function of capsule is resistance to phagocytosis and protection 

of  the  bacterial  cell  against  the  host  defenses  during  invasion.  Some  bacterial 
capsules work as main virulence factor. 

2.  Cell Wall  

The  Gram  stain  differentiates  bacteria  into  Gram-positive  and  Gram-

negative  groups.  Gram-positive  and  Gram-negative  organisms  differ  in  the 
structures of their cell walls, see figure below. 

Most Gram-positive bacteria have a thick (about 20 to 80 nm), cell wall 

composed  of  peptidoglycan  (also  known  as  mucopeptide  or  murein).  In  thick 
cell walls, some other cells have other wall polymers (such as the teichoic acids, 
polysaccharides, and peptidoglycolipids) are attached to the peptidoglycan. The 
peptidoglycan layer in Gram-negative bacteria is thin (about 5 to 10 nm thick). 

The  basic  differences  in  surface  structures  of  Gram-positive  and  Gram-

negative bacteria explain the results of Gram staining.  

 


background image

6

 

 

 

 

  Peptidoglycan 

Unique  composition  in  all prokaryotic  cells  (except for  mycoplasmas)  is 

the  peptidoglycan,  this  layer  help  in  mechanical  protection  and  there  are 
specific enzymes involved in its biosynthesis. These enzymes are target sites for 
inhibition  of  peptidoglycan  synthesis  by  specific  antibiotics.  The  primary 
chemical  structures  of  peptidoglycans  consist  of  a  polymer  backbone  of 
disaccharides of N-acetylmuramyl-N-acetylglucosamine and are linked through 
the carboxyl group by amide linkage of muramic acid residues. 

There  are  two  groups  of  bacteria  that  lack  the  peptidoglycan,  the 

Mycoplasma  species  (causes  atypical  pneumonia  and  some  genitourinary  tract 


background image

7

 

 

infections)  and  the  L-forms.  The  mycoplasmas  and  L-forms  are  all  Gram-
negative and insensitive to penicillin. 

  Teichoic Acids 

The teichoic acids are found only in some Gram-positive bacteria (such as 

Staphylococci, Streptococci, Lactobacilli, and Bacillus spp); they are not found 
in gram- negative bacteria. Teichoic acids are polyol phosphate polymers, with 
either ribitol or glycerol linked by phosphodiester bonds. It can act as a specific 
antigenic determinant. 

  Lipopolysaccharides 

A  characteristic  of  Gram-negative  bacteria  is  the  lipopolysaccharide  (LPS), 

only  one  Gram-positive  organism,  Listeria  monocytogenes,  has  been  found  to 
contain  LPS.  The  LPS  are  also  called  endotoxins,  they  are  cell-bound,  heat-
stable toxins and differ from heat-labile, protein exotoxins secreted into culture 
media. Endotoxins possess an array of powerful biologic activities and play an 
important role in the pathogenesis of many Gram-negative bacterial infections.  

In  addition  LPS  is  pyrogenic  and  causes  endotoxic  shock,  can  activate 

macrophages  and  complement  system,  it  is  mitogenic  for  B  lymphocytes, 
induces interferon production, causes tissue necrosis and tumor regression, and 
has adjuvant properties. The endotoxic properties of LPS  is due to the lipid A 
components.  Usually,  the  LPS  molecules  have  three  regions:  The  lipid  A 
attached to the core composed of polysaccharide chains which are linked to the 
O-antigens responsible for serologic specificity of the Gram-negative bacteria. 

 

 


background image

8

 

 

  Intracellular Components 
1.  Plasma (Cytoplasmic) Membranes 

Bacterial  plasma  membranes  is  similar  to  eukaryotic  plasma  membranes  in 

function,  are  referred  to  cytoplasmic  or  protoplast  membranes,  they  are 
composed  primarily  of  proteins  and  lipids  (phospholipids).  Protein-to-lipid 
ratios of bacterial plasma membranes are approximately 3:1, close to those for 
mitochondrial membrane. 

Plasma  membranes  are  the  site  of  active  transport,  respiratory  chain 

components, energy-transducing systems, the ATPase of the proton pump, and 
membrane stages in the biosynthesis of phospholipids, peptidoglycan, LPS, and 
capsular  polysaccharides.  The  bacterial  cytoplasmic  membrane  is  a 
multifunction  structure  similar  to  mitochondrial  transport  and  biosynthetic 
functions  of  eukaryotic  cells.  The  plasma  membrane  is  also  the  anchoring site 
for the bacterial DNA. 

 

2.  Mesosomes 

The  mesosomes  are  tubular-vesicular  membrane  structures  found  in  Gram-

positive bacteria which are formed by an invagination of the plasma membrane. 
These  structures  equivalent  to  bacterial  mitochondria;  and  may  be  related  to 
events in the cell division cycle. 


background image

9

 

 

 

 

3.  Other Intracellular Components 

Ribosomes  of  the  70S  type;  ribonucleoprotein  particles  are  not  arranged  on  a 
membranous rough endoplasmic reticulum as they are in eukaryotic cells, they 
are found in the cytoplasm.  

Endospores  are  highly  heat-resistant,  dehydrated  cells  formed 

intracellularly  in  some  bacteria  like  Bacillus  and  Clostridium.  Sporulation,  is 
the  process  of  forming  endospores  because  of  many  biochemical  and 
morphologic changes begins in the stationary phase of the vegetative cell cycle 
due  to  decrease  nutrients  (sources  of  carbon  and  nitrogen).  Also  formation  of 
unusual  peptidoglycan  which  contains  calcium  dipicolinate,  help  in  resistance 
to heat, radiation, pressure, and organic solvents. 

The  spore  protoplast,  or  core,  contains  a  complete  chromosome, 

ribosomes,  and  energy  generating  components.  During  germination,  the  spore 
wall becomes the vegetative cell wall and cortex will be released.  

  


background image

10

 

 

  

  

 

 

 

  Genetic Information In Bacteria (Genome) 

Genetic material, genome or the genotype replicate in the parental organism 

to  give  the  daughter  organism  a  copy  of  the  genetic  material.  Expression  of 
genetic  material  determines  the  observable  characteristics  (phenotype)  of  the 
organism.  Some  bacteria  have  the  DNA  chromosome  as  the  only  genetic 
material (genome)  in bacterial cells, like Escherichia coli. Other bacteria have 
additional genetic materials, such as plasmids and bacteriophages. 

 

 


background image

11

 

 

1.  Chromosomal DNA 

Bacterial genomes differ in size from about 0.4 x 109 to 8.6 x 109 daltons 

(Da), some of the smallest found in the obligate parasites (Mycoplasma) and the 
largest  in  Myxococcus.  The  amount  of  DNA  in  the  genome  determines  the 
maximum  amount  of  information  that  it  can  encode.  Most  bacteria  have  a 
haploid genome, a single chromosome consisting of a circular, double stranded 
DNA  molecule.  However  linear  chromosomes  have  been  found  in  Gram-
positive Borrelia and Streptomyces spp.,  

 The typical genome to be studied is the E coli genome, it is sufficient to 

code  for  thousand  polypeptides  of  average  size  (40  kDa  or  360  amino  acids), 
the  DNA  is  supercoiled  and  tightly  packaged  in  the  bacterial  nucleoid.    The 
time  required  for  replication  of  the  entire  chromosome  is  about  40  minutes, 
which is approximately twice the shortest division time for this bacterium.  

The replication of chromosomal DNA in bacteria is complex and involves 

many  different  proteins,  in  rapidly  growing  bacteria  a  new  round  of 
chromosomal replication begins before an earlier round is completed. Thus, the 
chromosome is replicating at more than one point. Bacterial chromatin does not 
contain  basic  histone  proteins,  but  low-molecular-weight  polyamines  and 
magnesium ions may give a function similar to that of eukaryotic histones. 

2.  Plasmids 

Plasmids  are  extrachromosomal  genetic  elements  in  bacteria.  They  are 

smaller than the bacterial chromosome. Plasmids usually encode properties that 
are  not  essential  for  bacterial  viability,  and  replicate  independently  of  the 
chromosome.  

Most plasmids are supercoiled, circular, double-stranded DNA molecules, 

The  Large  plasmids  (Conjugative  plasmids)  promote  transfer  of  the  bacterial 
chromosome from the donor bacterium to other recipient bacteria are also called 
fertility plasmids. The small plasmids are usually non-conjugative. 

Many  plasmids  control  medically  important  properties  of  pathogenic 

bacteria, including resistance to antibiotics, production of toxins, and synthesis 
of cell surface structures required for adherence or colonization. Plasmids that 


background image

12

 

 

determine resistance to antibiotics are called R plasmids (or R factors) like the 
plasmid  in  Staphylococcus  aureus.  Some  toxins  encoded  by  plasmids  include 
heat-labile  and  heat-stable  enterotoxins  of  E.  coli,  exfoliative  toxin  of 
Staphylococcus aureus, and tetanus toxin of Clostridium tetani. Some plasmids 
have no recognizable effects on the bacterial cells that have them.  

3.  Bacteriophages 

Bacteriophages (bacterial viruses, phages, viruses that infect bacteria) are 

infectious  agents  for  bacteria  that  live  as  obligate  intracellular  parasites  inside 
bacteria,  consist  proteins  plus  nucleic  acid  (DNA  or  RNA,  but  not  both).  The 
proteins  of  the  phage  particle  form  a  protective  shell  (capsid)  surrounding  the 
tightly packaged nucleic acid genome.  

Phage  genomes  are  different  in  size,  consist  of  double-stranded  DNA, 

single-stranded DNA, or RNA. Phage genomes, like plasmids, encode functions 
required for the replication of virus in bacteria, they also encode capsid proteins 
and nonstructural proteins required for phage life cycle.  

 

Bacteriophages attached on bacteria surface under electron 

microscope 

For  example  of  phages  responsible  of  virulence:  the  production  of 

diphtheria  toxin  by  Corynebacterium  diphtheriae,  erythrogenic  toxin  by 
Streptococcus pyogenes (group A beta-hemolytic streptococci), botulinum toxin 
by Clostridium botulinum, and Shiga-like toxins by E. coli 


background image

13

 

 

Exchange of Genetic Information 

A  phenomena  of  medical  importance  that  involve  exchanges  of  genetic 
information  or  genomic  rearrangements  include  the  rapid  antibiotic  resistance 
plasmids,  flagellar  phase  variation  in  some  bacteria  like  Salmonella,  and 
antigenic  variation  of  surface  antigens  like  in  Neisseria  and  Borrelia.  These 
processes involve Transformation, transduction, and conjugation 

1.  Transformation 

In  transformation,  pieces  of  DNA  (at  least  500  nucleotides  in  length) 

released  from  donor  bacteria  are  taken  up  directly  from  the  extracellular 
environment by other recipient bacteria. Recombination occurs between single 
molecules  of  transforming  DNA  and  the  chromosomes  of  recipient  bacteria. 
Transformation  was  discovered  in  Streptococcus  pneumoniae  and  occurs  in 
other  bacterial  genera  including  Haemophilus,  Neisseria,  Bacillus,  and 
Staphylococcus

2.  Transduction 

In transduction, bacteriophages function as vectors to carry a small segment 

of  the  bacterial  genome  (DNA  genes)  from  donor  bacteria  into  other  recipient 
bacteria  by  infection.  When  phage  infects  a  recipient  cell,  expression  of  the 
transferred  donor  genes  occurs  and  complete  transduction  is  characterized  by 
production  of  new  proteins  (donor  phenotype).  In  abortive  transduction  the 
donor DNA fragment does not replicate. 

3.  Conjugation 

In conjugation, direct contact between the donor and recipient bacteria leads 

to  establishment  of a  cytoplasmic  bridge  between  them  and  transfer  of part  or 
all of the donor genome to the recipient. Donor bacteria must have conjugative 
plasmids called fertility+ plasmids, sex plasmids or F factor, e.g. F plasmid of 
E. coli

 


background image

14

 

 

 

 

Recombination DNA and Gene Cloning (Genetic Engineering)  

Recombination involves breakage and joining of DNA molecules to form 

hybrid,  recombinant  molecules.  Several  kinds  of  recombination  have  been 
identified by the help of specific enzymes that act on DNA (e.g., exonucleases, 
endonucleases, polymerases, ligases) participate in recombination . 

Many  methods  are  available  to  make  hybrid  DNA  molecules  in  vitro 

(recombinant  DNA).  Cloned  genes  can  be  expressed  in  appropriate  host  cells, 
and the phenotypes that they show can be determined. 

Applications  of  DNA  cloning  are  expanding  rapidly  in  all  fields  of 

biology and medicine : 


background image

15

 

 

  In medical genetics such applications range from the prenatal diagnosis of 

inherited  human  diseases  to  the  characterization  of  oncogenes  and  their 
roles in carcinogenesis . 

  Pharmaceutical applications include production from cloned human genes 

of  biologic  products  with  therapeutic  purposes,  such  as  hormones, 
interleukins, and enzymes . 

  Applications  in  public  health  and  laboratory  medicine  include 

development  of  vaccines  to  prevent  specific  infections  by  polymerase 
chain reaction (PCR). The PCR process uses oligonucleotide primers and 
DNA  polymerase  to  amplify  specific  target  DNA  sequences  during 
synthesis  in  vitro,  help  to  detect  target  DNA  sequences  in  clinical 
specimens with great sensitivity. 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 191 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