세균(Bacteria)의 특성 및 구조 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세균 (쪽팡이, bacteria)의 특성 원핵세포 (Procaryotic cell) 단세포 (Unicellular) 생물 세포벽 (cell wall) : peptidoglycan (고세균 제외) 진정세균(Eubacteria) : 남조류(cyanobacteria), 방선균(actinomycetes) 포함 Mycoplasma, Chlamydiae, Rickettsiae 포함 고세균 (Archaebacteria) 세포벽에 peptidoglycan 없음 주로 극한환경에 서식 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세균의 크기 (sizes of bacteria) Escherichia coli : 0.5 x 1.5 ㎛ Haemophilus influenzae : 0.25 x 1.2 ㎛ Streptococcus pneumoniae : 0.8 ㎛ in dia. Bacillus megaterium : 1.3 x 3 ㎛ Oscillatoria (cyanobacterium) : 5 x 40 ㎛ Epulopiscium fishelsoni : 0.6 mm in length Thiomargarita namibiensis : 0.75 mm in dia. http://bioenv.sunchon.ac.kr

Epulopiscium fishelsoni Giant bacteria Epulopiscium fishelsoni Thiomargarita namibiensis

세균의 모양 구균 (coccus - cocci), 알균 간균 (bacillus – bacilli), 막대균 Vibrio (comma shaped bacillus) 섬유상 (filamentous) 나선균 (spirillum – spirilla) 기타 Appendaged bacteria Budding bacteria Star-shaped bacteria Square bacteria

Shapes of bacteria

구균의 배열 (arrangement) 단구균 (단알균, monococcus) 쌍구균 (쌍알균, diplococci) 연쇄상구균 (사슬알균, streptococci) 포도상구균 (포도상알균, staphylococci) 사련구균 (사련알균, tetrad) 팔련구균 (팔련알균, sarcinae)

간균 (Bacillus : rod-shaped bacteria) 단간균 구간균 (알막대균, coccobacillus) 장간균 (장막대균, 사상막대균, filamentous bacillus) 방추상간균 (방추형막대균, fusiform bacillus) 연쇄상간균 (사슬막대균, streptobacilli) Vibrio (콤마막대균, comma shaped bacillus)

나선균 (Spirillum : spiral bacteria) Spirilla : S자 형 Spirosoma : 만곡주기가 큼 Trepanoma : 만곡주기 중간 Leptospira : 만곡주기 짧음

세균 세포의 구조

세균 세포의 구조 세포막 (cell membrane, plasma membrane) 세포벽 (cell wall) 세포질 (cytoplasm, protoplasm) 핵질 (nucleoid) 리보솜(ribosome) Bacterial cell envelope cell membrane + cell wall

협막(캡슐, capsule), 점질층(slime layer) 편모 (flagella) 선모 (pilus, fimbriae) 플라스미드 (plasmid) 색소포 (chromatophore) 가스소낭(Gas vacuole) Magnetosome 저장과립체(Inclusion bodies) 세균 엽록소(bacterial chlorophyll) 내생포자 (endospore)

세포막 (Cell membrane) 세포질막, 원형질막 세포 내부와 외부의 물리적 경계 cytoplasmic, protoplasmic, plasma membrane 세포 내부와 외부의 물리적 경계 세포 내부와 외부의 물질 통과 조절 : 선택적 장벽 단위막 (unit membrane) Fluid Mosaic Model 인지질의 이중충 + 단백질 + 기타 유동성(plasticity) http://bioenv.sunchon.ac.kr

세포막의 기본구조 : 인지질 이중층 지질(Lipid) : 글리세롤(Glycerol) 지방산(Fatty acid)

인지질의 양극성 (amphiphatic) 소수성 (hydrophobic) : 지방산 친수성 (hydrophilic) : 글리세롤 + 인산 + 유기염기

Mosaic : 인지질 이중층 + 막단백질 막의 내,외부는 단백질에 의해 결정

세포막의 기능 (Functions of cell membrane) 물질 수송로(transport system) 에너지 생산(Energy generation) 가수분해효소 분비 (Secretion of hydrolytic enzymes) 생합성(biosynthesis) : DNA, 세포벽 전구물질 화학주성(chemotaxis) * 진핵세포의 핵, 미토콘드리아, 골지체, 소포체(망상체 , ER) 기능 수행

물질 수송로(transport system) 투과성 장벽 (Permeability barrier) 인지질의 이중층 선택적 투과성 (selective permeability) 막단백질이 물질의 통로로 작용 membrane transport protein (막수송 단백질) 물질에 따라 특이한 통로 있음 – 특이적(specific)

투과성 장벽(permeability barrier) 인지질 이중층의 소수성 – 반투성(semipermeable) 통과함 : 비이온성의 작은 물질 통과 못함 : 이온성 물질 글리세롤보다 큰 비이온성 물질 H2O (small and uncharged) – 자유로 통과 H+ (H3O+) – 자유로 통과 못함 상태적 투과 속도(이동 시스템이 없을 때) Water 100 Glycerol 0.01 Tryptophan 0.001 Glucose 0.001 Cl- 0.000001 K+ 0.0000001 Na+ 0.00000001

세포막을 통한 물질의 수송 수동수송 (Passive transport) 능동수송 (Active transport) 단순확산 (simple diffusion) 촉진확산 (facilitated diffusion) * 삼투현상 (Osmosis) 능동수송 (Active transport) 능동수동 (active transport ) 작용기 전달수송 (그룹이동, group translocation) * 농도구배 수송 단백질 에너지 소비

등장액(isotonic solution) 삼투현상(Osmosis) : 용매의 이동 등장액(isotonic solution) 용액의 삼투압 = 세포 내부의 삼투압 생리식염수 (physiological saline) : 0.85% NaCl 고장액(hypertonic solution) 용액의 삼투압 > 세포 내부의 삼투압 세포 내부의 물이 밖으로 이동 ⇒ ? 저장액(hypotonic solution) 용액의 삼투압 < 세포 내부의 삼투압 용액의 물이 세포 내부로 이동 세포벽이 삼투압에 저항 – 세포막 보호 Osmotic cell lysis (용균현상)

기타 세포막의 기능 에너지 생산(Energy generation) 가수분해효소 분비(hydrolytic enzymes) 물질수송에 필요한 에너지 생산 가수분해효소 분비(hydrolytic enzymes) 고분자물질을 영양소로 이용하기 위해 탄수화물(전분, 섬유소 등), 단백질, 지방질, … * 독소 (toxin) 분비 생합성(Biosynthesis) 세포벽, 막 인지질, DNA 복제 관련 단백질 화학주성(Chemotaxis) 세포막 표면의 특이적 수용체가 물질 인식 이동 – 편모

고세균, 진핵세포의 세포막 세포막의 기본구조는 모든 세포에서 같음 화학성분은 세포 종류에 따라 다름 고세균의 세포막 인지질 : ether bond (glycerol + alcohol) ester bond보다 열에 안정함 가지달린 탄화수소(polyisoprenoid alcohol) 포함 극한환경에서 기능 진핵세포의 세포막 지질에 sterol과 불포화지방산 포함 Sterol : 구조적으로 견고, 유동성 감소 불포화 지방산 : 유동성 증가 – 내한성과 관계 있음

세포벽 (cell wall) 세포막의 외부에 존재 기능 : 세포의 모양을 결정 기본 골격 : peptidoglycan 물리적으로 세포 보호 삼투압 지탱 기본 골격 : peptidoglycan Mycoplasma : 세포벽 없음 Mycoplasma, Ureaplasma, Acholeplasma 세포벽의 특성에 따라 Gram 양성/음성

펩티도글리칸 (peptidoglycan) murein, mucopeptide, muco-complex Glycan : sugars N-acetylglucosamine(G, N-아세틸 글루코사민) N-acetylmuramic acid(M, N-아세틸 뮤라믹 산) β-1,4 glycosidic bond(당결합)로 교대로 결합 Peptido- : amino acids 일부의 NAM에 oligopeptide가 결합함 단백질에 없는 아미노산 포함 (D-Aa, DAP, …) 세균 종류에 따라 구성 아미노산이 다름 Peptide cross-linkage(펩타이드 가교결합) Glycan chain과 chain은 peptide를 통해 연결

그람 염색(Gram staining) 1884 Christian Gram 모든 세균은 Gram(+) 또는 Gram(-) Crystal violet, Safranin(basic fuchsin) 모든 세균은 Gram(+) 또는 Gram(-) 극히 일부는 Gram variable Mycoplasma : no cell wall Mycobacteria : Gram(+) 세포벽의 지질 함량 높음 : acid-fast staining Mycobacterium leprae, Mycobacterium tuberculosis 그람 양성균과 음성균은 세포벽 구성이 다름 약제에 대한 저항성, 물질 분비 능력 등에 차이

그람 염색(Gram staining)

Gram (+) Gram (-) 주로 peptidoglycan Teichoic acid 함유 표면에 단백질 함유 투과성이 큼 20 ~ 80 nm (~ 40 층) 세포벽의 40 ~ 80% Cross-link가 많다 Teichoic acid 함유 세포벽의 10 ~ 50% 폴리인산중합체 NAG와 공유결합 형성 표면에 단백질 함유 투과성이 큼 G(+)보다 복잡하다 peptidoglycan layer OM(outer membrane) * 주변세포질 Peptidoglycan layer 10 ~ 15 nm 세포벽의 10 ~ 20% Cross-link가 적다 No teichoic acid 투과성이 작다

그람 음성균의 외막(outer membrane) 외막의 구성 인지질 이중층 (phospholipid bilayer) 단백질 (proteins) - porin 지질 다당류 (LPS, Lipoplysaccharide) 지단백질 (Lipoprotein) 외막의 기능 반투성 : 분자량 800 이상의 물질 통과 못함 (항생물질, lysozyme) 세포 표면에 강한 음성 부여 : 식균작용이 어려움 LPS : O 항원(antigen)으로 작용 (Escherichia coli O:157) 내독소(endotoxin) :

주변세포질 (Periplasmic space) Gram (-)의 세포막과 외막 사이 많은 단백질이 존재 : 가수분해효소, 수송 및 운동 관련 단백질, 세포벽 합성 효소 Gram (+) : 세포벽과 세포막 사이

페니실린(penicillin)과 세포벽 푸른곰팡이(Penicillium)가 생산하는 항생물질 1928 Alexander Fleming 세포벽 합성 저해 펩티도글리칸의 가교결합 형성 저해 Gram (+)에 더 효과적

라이소자임(lysozyme)과 세포벽 Lysozyme Gram (+)을 lysozyme 처리하면 펩티도글리탄의 NAG-NAM 사이 당결합 가수분해 침, 눈물, 콧물, 동식물의 점액, 달걀 흰자 세균의 침투 방지 Gram (+)을 lysozyme 처리하면 세포벽 완전 제거 등장액에서 protoplast 형성 Gram (-)을 lysozyme 처리하면 외막층(OM) 때문에 EDTA와 함께 처리해야 함 세포벽이 부분적으로만 제거됨 등장액에서 spheroplast 형성

세포벽이 제거되면? Gram (+) : protoplast, Gram (-) : spheroplast 대부분의 세포 기능 유지 분열할 수 없음 세포융합이 가능해짐 세포벽은 적정 조건에서 재생 가능

세균 염색체 (Bacterial chromosome)

Nucleoid (nuclear region) : 핵질, 핵부위, 핵양체 핵막이 없음 – 세포질과 명확이 구별되지 않음 한 분자의 DNA : single chromosome Circular, double-stranded DNA helix 여러 개의 supercoil loop Escherichia coli : 1.5 - 2 mm in length 약 5 x 106 bp, 2.7 x 109 daltons 약 3,000 – 6,000개의 유전자

Histone 대신 spermine, spermidine, Mg++으로 중화 RNA (mRNA), 단백질 (RNA polymerase)와 결합 Mesosome과 연결 – 세포분열시 중요

플라스미드 (plasmid) Extrachromosomal DNA 필수적이 아님 염색체에 비해 크기가 작음 ( <1/20) 한 세포에 여러 개 있을 수 있음 한 세포에 여러 종류 있을 수 있음 염색체와 독립적으로 복제 (autonomous replication) 복제개시점 (ori, origin of replication) ccc supercoiled ds DNA ccc : covalently closed circular ds : double-stranded

불리한 환경에서 생존할 수 있는 유전자 전이가능(transferable) 항생제, 독성물질에 대한 저항성 박테리오신(bacteriocin)과 독소 생산 특정 물질을 이용할 수 있게 하는 효소 전이가능(transferable) 유전자 조작시 운반체로 사용 항생제 저항성 전파

협막 (capsule) 세포벽의 바깥 부분에 존재 세포벽보다 덜 단단함 일부의 세균이 가지고 있음 음성 염색(negative staining)으로 관찰 가능 구조 : 세균의 종류에 따라 다름 협막(Capsule) 미세협막(Microcapsule) 점질층(Slime layer) Glycocalyx 성분 : 세균의 종류에 따라 다름 대부분 polysaccharide 또는 polypeptide Leuconostoc mesenteroides : dextran Streptococcus mutans : dextran + levan

Capsule의 기능 세포 보호 기능 열, 산, 화학물질, 탈수, 영양소 손실, 바이러스 감염 병원성과 관련 백혈구에 의한 식균작용 방해 폐렴균 (Streptococcus pneumoniae) S(smooth) type : capsule 있음 : 병원성 R(rough) type : capsule 없음 : 비병원성 표면 부착 Dental plague : Streptococcus mutans 세포-세포 상호작용의 매개체 역할 면역학적 특이성 가짐 : K-antigen

편모 (flagellum, flagella) 일부의 세균이 가지고 있음 세균의 종류에 따라 편모의 수와 배열이 다름 무모성 (atrichous) : coccus, Shigella 극모성 (polar flagella) 단모성 (monotrichous) : Vibrio 양모성 (amphitrichous) : Spirillum 속모성 (총모성, lophotrichous) : Pseudomonas 주모성 (peritrichous) : E. coli, Salmonella 세균의 운동성(motility) Vibrio cholerae : 200 ㎛/sec (200 mph, human)

단백질(flagellin)으로 구성 세균의종류에 따라 아미노산 조성이 다름 항원(antigen)으로 작용함 – 면역학적 특이성 H 항원 - Escherichia coli O157:H7

섬모 (pilus, pili) 일부의 Gram (-) 세균이 가지고 있음 섬모(선모)의 구조 선모의 기능 편모보다 짧고, 가늘며, 운동기능 없음 세포막에서 시작 Pilin으로 구성 세균 종류에 따라 아미노산 조성이 다름 면역학적 특이성을 가짐 선모의 기능 부착 : fimbriae (숙주 상피 정착) 접합 (conjugation)시 유전정보의 이동 통로 : F(sex) pilus 바이러스 부착

부착선모 (attachment pilus) 숙주세포에 부착 100-400개 존재 Fimbriae 부착선모 (attachment pilus) 숙주세포에 부착 100-400개 존재 Pilus 성선모 (sex pilus, F pilus) 접합다리(conjugation bridge) DNA의 이동 통로 F(sex) plasmid를 가진 세포에서 만들어짐, 1-2개 존재 Phage 부착

세균의 내생포자(아포, endospore) 일부의 세균이 불리한 환경에서 만듦 Bacillus spp., Clostridium spp. 영양소 부족, 독성물질의 축적 생존의 수단 : 증식이나 전파의 수단이 아님 1 영양세포에서 1개의 내생포자 형성 장기간 휴면상태 유지 가능 * 곰팡이의 무성포자 : 증식과 전파의 수단 저항성이 강함 : 열, 건조, 방사선, 산, 화학약품, … * 멸균 : 저항성이 강한 내생포자를 기준으로 * 발아(germination) -> 영양세포 : 저항성 상실

구조 : Core (cytoplasm, membrane, wall) : 낮은 수분함량 (아포 중심) Cortex : Ca++ 함량 높음, Dipicolinic acid (아포 피질) Spore coat (아포막) Exosporium

Bacterial endospore

Bacterial endospores

세균의 증식 : 이분법 (binary fission)

세균의 집락 (colony) Serratia marcesens

방선균 (放線菌, Ray Fungus, Actinomycetes) ▪ 곰팡이 : 균사 형성 외생포자 형성 (No endospore) Actis (Gr. Ray;) + mykes (Gr. Fungus) ▪ 세균 : 원핵세포, Gram (+) Actinobacteria ▪ 토양 (흙 냄새) 항생물질 생산 Oral cavity …

마이코플라스마 (Mycoplasma ) ▪ 세포벽 없음 : 세포벽 합성 저해 항생물질의 영향을 받지 않음 Gram (+) or (-) ? ▪ about 0.15-0.30 µm in diameter ▪ M. pneumoniae : atypical pneumonia M. genitalium : pelvic inflammatory disease.

리케차 (Rickettsia) ▪ Howard Taylor Ricketts (USA) : Rocky Mountain spotted fever ▪ Gram (-) , pleomorphic bacateria cocci (0.1 μm in diameter), rods (1–4 μm long) or thread-like (10 μm long) ▪ Rickettsia, Coxiella, Orientia 속 포함 ▪ 일반 세균보다 크기가 작고, 절대기생성(진핵세포) ▪ 벼룩, 진드기 등의 세포 내 ▪ 발진티푸스(Typhus) : Rickettsia typhi or Rickettsia prowazekii (≠ Thyphoid fever, 장티프스) 쓰쓰(쯔쯔)가무시병 (Scrub typhus) : Orientia tsutsugamushi Rocky Mountain spotted fever ▪ 대부분 tetracycline계 항생물질에 감수성

클라미디아 (Chlamydia) ▪ Gram (-) bacteria ▪ 절대기생성 (사람, 동물) ▪ Chlamydia trachomatis : STD ▪ Tetracycline계 항생물질에 감수성