שיעור 2 מבנה ותפקוד תאים במיקרוביולוגיה

מבוא: מבנה ותפקוד של תאים

1. השוואה בין תאים Eukaryotic ו-Prokaryotic

תאים Eukaryotic:

• מאפיינים עיקריים: קיום גרעין תא מוגדר העטוף בממברנה ומכיל את החומר הגנטי.
• אברונים: מכילים אברונים שיוצרים מידור ובעלי תפקודים ייעודיים (מיטוכונדריה להפקת אנרגיה, ריבוזומים ליצירת חלבונים, מערכת גולג’י וכו’).
• גודל: גדולים יחסית, בסדר גודל של 100-10 מיקרון.
• חומר גנטי: מספר רב של כרומוזומים (דיפלואידים).
• דוגמאות: צמחים, בעלי חיים, פטריות.

תאים Prokaryotic (חיידקים):

• מאפיינים עיקריים: חסרי גרעין מוגדר. החומר התורשתי (DNA) נמצא באזור דמוי-גרעין בשם Nucleoid וצף בציטופלזמה.
• אברונים: חסרי אברונים, למעט ריבוזומים שחיוניים ליצירת חלבונים.
• חומר גנטי:
  • כרומוזום: לרוב כרומוזום מעגלי יחיד (הפלואידים).
  • Plasmids: מקטעי DNA מעגליים קטנים, נפרדים מהכרומוזום. הם נושאים מידע גנטי לתכונות שאינן תמיד חיוניות לקיום החיידק (למשל, עמידות לאנטיביוטיקה). פלסמידים יכולים לעבור בין חיידקים ומהווים כלי מרכזי בהנדסה גנטית.
• דופן התא (Cell Wall):
  • לחיידקים יש דופן תא קשיחה שמעניקה צורה והגנה.
  • הדופן בנויה מחומר ייחודי בשם Peptidoglycan.
  • הדופן מהווה אתר מטרה חשוב לאנטיביוטיקות רבות (כמו Penicillin), מכיוון שהיא לא קיימת בתאי אדם, מה שמאפשר פגיעה סלקטיבית בחיידק.
• יכולות הישרדות: חיידקים מסוגלים לשרוד בסביבות קיצון (Extremophiles), כמו ריכוזי מלח גבוהים (ים המלח) או חומציות גבוהה (כמו החיידק Helicobacter pylori הגורם לכיב קיבה וחי ב-pH של כ-2-1.5).

2. גודל, יחס שטח פנים לנפח ומטבוליזם

• גודל: חיידקים קטנים מאוד, בסדר גודל של כ-1 מיקרון.
• יחס שטח פנים לנפח: בשל גודלם הקטן, לחיידקים יחס שטח פנים לנפח גדול מאוד.
• השלכות: יחס זה מאפשר קצב דיפוזיה גבוה של חומרי מזון אל תוך התא ופינוי פסולת החוצה. כתוצאה מכך, לחיידקים קצב מטבוליזם וקצב חלוקה מהירים מאוד (בתנאים אופטימליים, חיידק יכול להתחלק כל 20 דקות).

ככל שנפח התא גדול יותר מעבר תוצרים איטי יותר. חיידקים בדרך כלל קטנים, לכן קצב המטבוליזם בחיידקים גבוה בהרבה מאשר ביצורים אחרים.

3. מורפולוגיה (צורות) וסידורי תאים

צורות עיקריות (Morphology):

1. cocci\ coccus (נקד): צורה כדורית/עגולה.
2. bacilli\ bacillus (מתג): צורה גלילית/מוארכת (מתגים - rod).
3. spirilla\ sperillum (סלילן): צורה ספירלית/מסולסלת.

זיהוי הצורה המיקרוסקופית הוא שלב ראשוני חשוב באבחון קליני.

שטח הפנים של החיידק סלילוני גדול משטח הפנים של החיידק בעל צורת המתג ולכן בתנאים של מצע עני תהיה עדיפות לחיידק הסלילוני.

סידורי תאים (Arrangement):

• הסידור נובע ממישור החלוקה של התא.
• Strepto- (שרשרת): חלוקה במישור אחד קבוע יוצרת שרשראות (למשל, Streptococcus).
• Staphylo- (אשכול): חלוקה במישורים אקראיים יוצרת צברים דמויי אשכול (למשל, Staphylococcus).
• הבהרה: למרות ההתארגנות, כל חיידק הוא יחידה עצמאית ואין ביניהם תלות או התמחות תפקודית כמו באורגניזם רב-תאי.

Biofilm:

• צבר של חיידקים שנצמדים למשטח (ביולוגי או סינתטי) ומוקפים בשכבת ריר (Matrix) שהם מפרישים.
• ה-Biofilm מקנה לחיידקים הגנה מפני מערכת החיסון ומפני אנטיביוטיקה, והוא מהווה אתגר קליני משמעותי (למשל, על צנתרים, שתלים או שיניים - פלאק). קשה מאוד לסלק Biofilm, ולעיתים נדרשת הסרה מכנית של המשטח הנגוע.

צברי חיידקים לא נחשבים לאורגניזמים רב תאיים מפני שכל חיידק שומר על עצמאותו התפקודית.

4. דופן התא (Cell Wall) והגנה מפני לחץ אוסמוטי

• תפקיד עיקרי: הדופן מגן על החיידק מפני לחץ אוסמוטי. בסביבה היפוטונית (ריכוז מומסים נמוך מחוץ לתא), מים נוטים לחדור לתא ולגרום להתפוצצותו (Lysis). הדופן הקשיחה מונעת את ההתפוצצות.
• צביעת Gram:
  • שיטה לסיווג חיידקים המבוססת על ההבדלים במבנה הדופן.
  • חיידקים Gram-חיוביים (Gram-positive): בעלי שכבת Peptidoglycan עבה.
  • חיידקים Gram-שליליים (Gram-negative): בעלי שכבת Peptidoglycan דקה, אך בנוסף יש להם ממברנה חיצונית (Outer membrane) שמעניקה להם הגנה נוספת.
  • השלכה קלינית: אנטיביוטיקת Penicillin, הפוגעת בדופן, יעילה יותר נגד חיידקים Gram-חיוביים, מכיוון שבחיידקים Gram-שליליים הממברנה החיצונית מקשה על הגעתה לדופן.

5. מקרים מיוחדים

• Lysozyme: אנזים (התגלה ע”י אלכסנדר פלמינג) הנמצא בהפרשות גוף (דמעות, רוק) ומפרק את הקשרים הכימיים בדופן ה-Peptidoglycan. פעולתו גורמת להרס הדופן ולמות החיידק בסביבה היפוטונית.

  לאחר טיפול בליזוזים, הצורה של חיידק מתג תשתנה לצורה כדורית. הדופן הקשיחה ששמרה על צורת התא הוסרה בעקבות הטיפול האנזימטי, ולכן התא מקבל צורה כדורית שהיא האנרגטית ביותר.

  כאשר תאים שטופלו בליזוזים מורחפים בתמיסה היפוטונית, הם מתפוצצים מיד עקב חדירת מים לתוך התא והעדר דופן מגנה.

• Protoplast: תא חיידק שהוסרה ממנו הדופן באופן מלאכותי (למשל, באמצעות Lysozyme). פרוטופלסטים מאבדים את צורתם המקורית והופכים לכדוריים. הם יכולים לשרוד רק בסביבה איזוטונית (ריכוז מומסים זהה בפנים ובחוץ), אחרת יתפוצצו.
• חיידקי מיקופלזמה Mycoplasma:
  • קבוצת חיידקים ייחודית חסרת דופן תא באופן טבעי.
  • כדי לשרוד, הממברנה שלהם מחוזקת בסטרולים (נגזרות שומניות), והם חייבים להתקיים בסביבה איזוטונית.
  • לכן, הם גורמים למחלות רק באזורים איזוטוניים בגוף האדם, כמו ריריות מערכת הנשימה או מערכת המין.
  • טיפול ב-Penicillin נגדם אינו יעיל כלל, מכיוון שאין להם את אתר המטרה (הדופן).