background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

Bacteriology 

Cell Structure 

Learning Outcomes: 

•  Review molecules and structures of the bacterial cell. 

•  Describe the roles played by each of the major components of bacterial cell.  

•  Discuss briefly the features and the structures of the cytoplasmic membrane 

and cell well of bacterial cell. 

3-Cytoplasmic membrane 

 

The  bacterial  cell  membrane  is  a  typical  "unit  membrane"  composed  of 

phospholipid  bilayer,  similar  in  microscope  to  that  in  eukaryotic  cells,  and 

upward of 200 different kinds of proteins.

 

 

The prokaryotic and eukaryotic  cell  membranes  are  chemically  similar, but 

eukaryotic  membranes  contain  sterols,  whereas  prokaryotes  generally  do 

not. The only prokaryotes that have sterols in their membrane are  members 

of the genus Mycoplasma

 

 

Functions of cytoplasmic membrane:

 

1.  Selective permeability and transport of solutes

 

The  cytoplasmic  membrane  forms  a  hydrophobic  barrier  impermeable  to 

most  hydrophilic  molecules.  However,  several  mechanisms  (transport 

systems)  exist  that  enable  the  cell  to  transport  nutrients  into  and  waste 

products  out  of  the  cell.  These  transport  systems  work  against  a 

concentration gradient to increase the concentration of nutrients inside the 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

cell, a function that requires energy in some form. There are three general 

transport mechanisms involved in membrane transport: 

A. Passive  transport:

 

This  mechanism  relies  on  diffusion,  uses  no 

energy,  and  operates  only  when  the  solute  is  at  higher  concentration 

outside than inside the cell. Simple diffusion accounts for the entry of 

very  few  nutrients  including  dissolved  oxygen,  carbon  dioxide,  and 

water  itself.  Simple  diffusion  provides  neither  speed  nor  selectivity. 

Facilitated diffusion also uses no energy so the solute never achieves 

an  internal  concentration  greater  than  what  exists  outside  the  cell. 

However,  facilitated  diffusion  is  selective.  Channel  proteins  form 

selective  channels  that  facilitate  the  passage  of  specific  molecules. 

Facilitated  diffusion  is  common  in  eukaryotic  microorganisms  (eg, 

yeast), but is rare in prokaryotes. 

 

B. Active  transport:  Many  nutrients  are  concentrated  more  than  a 

thousand fold as a result of active transport. 

 

C. Group translocation: Is a process in which an organic molecule such 

as  glucose  or  mannose  is  transported  into  the  cell  while  being 

chemically modified. 

2.  Electron  transport  &  oxidative  phosphorylation:  The  cytochromes 

and other enzymes and components of the respiratory chain are located 

in the cell membrane. The bacterial cell membrane is thus a functional 

analog of the mitochondrial membrane in eukaryotic.

 

3.  Excretion  of  hydrolytic  exoenzymes  &  pathogenicity  proteins: 

All 

organisms that rely on macromolecular organic polymers as a source of 

nutrients  (eg,  proteins,  polysaccharides,  lipids)  excrete  hydrolytic 

enzymes  that  degrade  the  polymers  to  subunits  small  enough  to 

penetrate the cell membrane.

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

4.  Biosynthetic  functions:  The  cell  membrane  is  the  site  of  the  carrier 

lipids and enzymes used in cell wall synthesis. 

 

5.  Chemotactic  systems:  Attractants  and  repellents  bind  to  specific 

receptors in the bacterial membrane e.g., flagella.

 

4- Cell wall 

  Most prokaryotes have a rigid external cell wall that contains peptidoglycan, 

a polymer of amino acids and sugars. Eukaryotes on the other hand, do not 

contain peptidoglycan.   

  The  cell  wall  is  the  outermost  component  common  to  all  bacteria  (except 

Mycoplasma species, which bounded by a cell membrane, not a cell wall). 

  The cell wall is located external to the cytoplasmic membrane. 

  Cell wall functions: 

1-  Osmotic protection. 

2-  Plays  an  essential  role  in cell division  as well  as  serving as  a primer 

for its own biosynthesis. 

3-  Various  layers  of  the  wall  are  the  sites  of  major  antigenic 

determinants  of  the  cell  surface,  and  one  component—the 

lipopolysaccharide of gram-negative cell walls—is responsible for the 

nonspecific endotoxin activity of gram-negative bacteria. 

4-  Not selectively permeable. 

5-  Bacteria are classified to G+ve or G-ve according to their response to 

the  differential  stains  method  called  Gram’s  stains.  The  difference 

reside on the cell wall differences. 

 

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

       

Peptidoglycan

  

•  It is a complex polymer consists of a backbone that composed of alternating 

N-acetyl glucosamine (NAG) and N-acetyl muramic acid (NAM). 

•  A set of identical tetrapeptide side chains attached to N-acetylmuramic acid. 

•  A set of identical peptide cross-bridges (Figure 1). 

•  Because peptidoglycan is present in bacteria but not in human cells, it is a 

good  target  for  antibacterial  drugs.  Several  of  these  drugs,  such  as 

penicillins,  cephalosporins,  and  vancomycin,  inhibit  the  synthesis  of 

peptidoglycan  by  inhibiting  the  transpeptidase  that  makes  the  cross-links 

between the two adjacent tetrapeptides.  

•  Scientists describe two basic types of bacterial cell walls: gram-positive and 

gram-negative. 

 

 

Figure  1:  Peptidoglycan  structure.  A:  Peptidoglycan  is  composed  of  a  glycan 
chain  (NAM&NAG),  a  tetrapeptide  chain,  and  a  cross-link  (peptide  interbridge). 
B:  Three-dimensional  structure.  (Levinson  W.  Review  of  Medical  Microbiology 
and Immunology.12

th

 ed. Copyright 2012, McGraw-Hill.) 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Cell walls of Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria  

The structure, chemical composition, and thickness of the cell wall differ in gram-
positive and gram-negative bacteria. 

  Gram-positive 
  The basal structure of cell wall is the peptidoglycan layer. 

  Relatively thick layer of peptidoglycan. 

  Contains fibers of teichoic acids. 

  There are 2 types of teichoic acid: 

      a. Wall teichoic acid that linked to peptidoglycans. 

      b. Membrane teichoic acid that linked to membrane glycolipid. 

  Because  the  latter  are  intimately  associated  with  lipids,  they  have  been 

called lipoteichoic acids (LTA). (Figure 2) 

  The medical importance of teichoic acids lies in their ability to induce septic 

shock  when  caused  by  certain  gram-positive  bacteria;  that  is,  they  activate 

the  same  pathways  as  does  endotoxin  (LPS)  in  gram  negative  bacteria. 

Teichoic acids also mediate the attachment of staph to mucosal cells. Gram 

positive bacteria do not have teichoic acids. 

  Retains crystal violet dye in Gram staining procedure; appear purple. 

 

  Gram-negative 

  Have only a thin layer of peptidoglycan 

  Have  a  complex  outer  layer  consisting  of  Lipopolysaccharide  (LPS), 

lipoprotein, and phospholipid.  

  Lipoprotein: that cross link the outer membrane and peptidoglycan layer and 

stabilize them together. 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

  Outer  membrane:  it’s  a  bilayer  structure:  and  inner  leaflet  resembles  in 

composition the cell membrane. While the phospholipids of the outer leaflet 

are replaced by lipopolysaccharides molecules. Thus this bilayer differs  

  from  the  bilayer  of  cell  membrane.  The  outer  membrane  protects  the  cell 

from  hydrophobic  as  well  as  hydrophilic  molecules.  The  outer  membrane 

has  special  channels  called  porins  that  permit  the  passive  diffusion  of  low 

molecular  weight  hydrophilic  compounds  as  sugars  and  amino  acid  also 

large  antibiotic  molecules  penetrate  the  outer  membrane  slowly  that  makes 

G-ve bacteria much resistant to antibiotics. 

  Periplasmic  Space:  Located  between  outer  membrane  and  cell  membrane 

Contains  water,  nutrients,  and  substances  secreted  by  the  cell,  such  as 

digestive  enzymes.  The  periplasmic  proteins  include  binding  proteins  for 

amino acids, vitamins, sugars hydrolytic enzymes and detoxifying enzymes 

that inactivate certain antibiotics (Figure 2) 

  Following Gram staining procedure, cells appear pink 

 

 

Figure  2:  Cell  wall  of  gram-positive  and  gram-negative  bacteria  (Levinson  W. 
Review  of  Medical  Microbiology  and  Immunology.12

th

  ed.  Copyright  2012, 

McGraw-Hill.) 

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Lipopolysaccharide (LPS) 

•  The LPS of the outer membrane of the cell wall is endotoxin. 

•  It is responsible for many of the features of disease, such as fever and shock 

caused by these organisms. 

•  Composed of three distinct units: (Figure 3) 

1.  A phospholipid called lipid A, which is responsible for the toxic effects. 

2.  A core polysaccharide of five sugars linked to lipid A.  

3.  An  outer  polysaccharide  consisting  of  up  to  25  repeating  units  of  three  to 

five  sugars.  This  outer  polymer  is  the  important  somatic,  or  O,  antigen  of 

several gram-negative bacteria that used to identify certain organisms in the 

clinical laboratory. 

 

 

 
Figure  3:  
Endotoxin  (LPS)  structure.  The  O-antigen  polysaccharide  is 
exposed  on  the  exterior  of  the  cell,  whereas  the  lipid  A  faces  the  interior. 
(Levinson  W.  Review  of  Medical  Microbiology  and  Immunology.12

th

  ed. 

Copyright 2012, McGraw-Hill.) 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

Structures outside the Cell Wall 
 

1- Capsule 

•  A gelatinous layer covering the entire bacteria. 

•  Composed  of  polysaccharide,  except  anthrax  bacillus,  which  contain 

polymerized D-glutamic acid. 

•  The capsule is important because: 

1-  It is a determinant of virulence of many bacteria since it limits the ability 

of phagocytes to engulf the bacteria. 

2-  Capsular  polysaccharide  is  used  as  the  antigens  in  certain  vaccines 

because they are capable of eliciting protective antibodies. 

3-  Specific  identification  of  an  organism  can  be  made  by  using  antiserum 

against the capsular polysaccharide. 

4-  The  capsule  may  play  a  role  in  the  adherence  of  bacteria  to  human 

tissues, which is an important initial step in causing infection. 

 

2- Flagella  

•  Thread-like appendages composed of protein.  

•  Three types of arrangement are know:  

    Monotrichous : single polar Flagellum  

    Lophotrichous : multiple polar Flagellum  

    Peritrichous : Flagella are distributed over the entire cell.  

•  Flagellum proteins called flagellin that aggregate to form a helical structure. 

They are highly antigenic (H antigens) and some of immune responses to  

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

 

 

infection  are  directed  against  these  proteins.  Flagella  are  structure 

composed of a hook and body. 

•  Flagella play a role in the pathogenesis. 

•  Same species of bacteria (e.g., Salmonella) are identified in the clinical Lab. 

By the use of specific antibodies against flagellar protein. 

•  Some  species  of  motile  bacteria  (e.g.,  E.coli  and  Proteus  species)  are 

common  causes  of  urinary  tract  infections.  Flagella  may  play  a  role  in 

pathogenesis by propelling the bacteria up the urethra in to the bladder. 

 

3- Pili (Fimbriae) 

  Hair like filaments that extend from the cell surface. 

  Shorter and straighter than flagella. 

  Composed of subunits of pilin, a protein arranged in helical strand. 

  Found mainly on gram-negative organism. 

  Ordinary pili mediate the attachment of bacteria to specific receptors on cell 

surface,  which  is  a  necessary  step  in  the  initiation  of  infection  for  some 
organisms.  Mutant  of  Neisseria  gonorrhoeae  that  do  not  form  pili  are 
nonpathogenic. 

   Sex  pili  responsible  for  the  attachment  of  donor  and  recipient  cells  in 

bacteria conjugation.  

  Pilli  are  present  in  motile  and  non-motile  strains  of  many  species  of 

bacteria. 

 

 

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

10 

 

 

4-   

Glycocalyx

 

  Polysaccharide (slime layer) secreted by certain bacteria.  

  It attached bacteria firmly to the surface of human cells and to the surface of 

catheters, prosthetic joints, and heart valves. 

  The medical importance of the Glycocalyx is illustrated by the findings that 

it  is  the  Glycocalyx-producing  strains  of  Pseudomonas  aeruginosa,  which 

cause respiratory tract infections in cystic fibrosis patient. 

Endospore 

•  Members  of  several  bacteria  genera  are  capable  of  forming  endospores. 

Commonly the G+ve rods. 

•  Under  conditions  of  nutritional  depletion  each  cell  forms  a  single  internal 

spore 

that is liberated when the mother cell under goes autolysis. 

•  Highly  resistant  to  heat  and  chemicals  when  returned  to  favourable 

nutritional  conditions  and  activated,  the  spore  germinates  to  produce  a 
single vegetative cell. 

•   Sporulation  accurse  in  culture  that  have  terminated  growth  as  a  result  of 

depletion of carbon and N sources.  

            The spore consists of:  

              1- The core: spore protoplasm.  

             2- Cell envelope of spore composed of :  

             3- Spore wall.  

             4- Cortex.  

5-  Coat: keratin like protein. 

 

 


background image

Lec.2

                                                             Dr. Inas Khalifa Al-Sharquie

  

    

2012-2013 

 

11 

 

 

    Summary 

•  The  cytoplasmic  membrane  of  bacteria  consist  of  a  phospholipid  bilayer 

(without sterols) located just inside the peptidoglycan. 

•  It regulates the transport of nutrients into the cells and the secretion of toxins 

out of the cells. 

•  Cell wall is peptidoglycan Polymer (amino acids + sugars).  Sugars; NAG & 

NAM. 

•  G+ vs. G- bacteria. 

•   G+  Thicker cell wall, Teichoic Acids 

•  G- Endotoxin – LPS 

•  Between the inner cell membrane and the outer membrane of G-ve bacteria 

lies the periplasmic space 

•  The cell wall of mycobacterium has more lipid than either G+ or G- ve. 

•  Capsule is anti-phagocytic. 

•  Pili  are  filaments  of  protein  that  extended  from  the  bacterial  surface  and 

mediate attachment of bacteria to the surface of human cells. 

•  The  Glycocalyx  is  a  polysaccharide  (slime  layer)  secreted  by  certain 

bacteria.  

•  Spores are medically important because. They are highly heat resistant and 

are not killed by many disinfectants. 

Main References: 

1.  Jawetz, Melnick and Adelberg’s Medical Microbiology (Brooks, 

Butel,Morse), 2010. 

2.  Levinson  W.  Review  of  Medical  Microbiology  and  Immunology.12

th

  ed. 

Copyright 2012, McGraw-Hill. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 185 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