Lecture 10 - Prokaryotes

Chapter 27 Prokaryotes and the Origins of Metabolic Diversity

I.  The world of prokaryotes             A.  They’re everywhere!                          1.  Collective prokaryote biomass outweighs all eukaryotes  combined by at least tenfold.                              2.  They exist almost everywhere, including places where  eukaryotes cannot.  

                        3.  Most prokaryotes are beneficial; we couldn’t  live without them.  (e.g. Nitrogen-fixing bacteria)                           4.  Some cause illness  bubonic plague,  diphtheria, salmonella                           5.  Approximately 5000 species have been  identified.  Estimates of prokaryote diversity range from  400,000 to 4,000,000 species.              B.  Bacteria and archaea are the two main branches of  prokaryote evolution                         1.  Archaea are thought to be more closely  related to eukaryotes than to bacteria.  

II.  Structure, function, and reproduction of prokaryotes              A.  Most prokaryotes are unicellular.                            1.  Some species form aggregates of two or more individuals.   B.  Three (3) common shapes:  cocci (round); bacilli (rod);  helical (spiral)  

C.  Prokaryotes are typically 1-5 μm in diameter, but some  can be seen by the naked eye.                          - Eukaryotic cells are typically 10-100 μm in diameter.  

D.  Almost all prokaryotes have cell walls external to the  plasma membrane.                          1.  Cell walls maintain cell shape.   2.  Cell walls are composed of peptidoglycan.

 3.  There are two types of cell walls.  Bacteria are grouped  according to cell wall type.                                        a.  Gram-positive bacteria have simple, thick cell walls.  Their  cell walls are composed of a relatively large amount of  peptidoglycan.   b.  Gram-negative bacteria have less peptidoglycan and are  more complex.  They have a peptidoglycan layer surrounded  by the plasma membrane and an outer membrane.                                                     - Gram-negative bacteria are typically more resistant to host  immune defenses and antibiotics.   Note that the two types of bacteria can be stained to  determine which is gram-negative (pink) and gram-positive  (purple) using a Gram Stain. 

Gram Positive

Peptidoglycan

Plasma membrane

Gram Negative Lipopolysaccharide layer Outer membrane Peptidoglycan Plasma membrane

4.  Most prokaryotes secrete sticky substances that form a  protective layer and enable them to adhere to substrates.                                      a.  The sticky protective layer secreted by prokaryotes is  called the capsule.   5.  Some prokaryotes adhere to substrates using pili.                                        a.  Some pili are specialized for DNA transfer.  This process  is called conjugation; note for later in class.  

 E.  Many prokaryotes are motile        - Some exceed speeds 100 times their body length per  second.   1.  Modes of movement – Note the three types: a.  Flagellum - basal apparatus rotates the flagellum and  propels the cell     b.  Corkscrew movement of spirochetes (helical) c.  Some prokaryotes glide over jets of slimy secretions.  2.  Many prokaryotes move toward or away from a stimulus =  taxis.  Chemotaxis is the movement toward or away from a  chemical.

F.  Cellular and genomic organization of prokaryotes is  different from that of eukaryotes                          1.  Prokaryotes have no nucleus.   2.  The nucleoid region in a prokaryotic cell consists of a  concentrated mass of DNA.  This mass of DNA is usually one  thousand times less than what is found in a eukaryote.   3.  A prokaryote may have a plasmid in addition to its major  chromosome.  A plasmid is a small ring of DNA that carries  accessory genes.   Usually these genes are for antibiotic resistance!

Asexual reproduction:

Fission

Specialized membranes of prokaryotes

G.  Prokaryotes grow and adapt rapidly - The doubling time  for E. coli is 20 minutes.  Start with one E. coli cell.  After 48  hours of doubling every 20 minutes, the mass of E. coli  would be 10,000 times the mass of the earth. Bacteria do not have gene transfer by sexual reproduction,  but do transfer genes.  Why?  This is an aid in adapting  (evolving).   1.  Three (3) ways for genes to be transferred between cells: a.  Transformation – cell takes up genes from the  surrounding environment. b.  Conjugation – direct transfer of genes from one  prokaryote to another.  Use the sex pilus to conjugate. c.  Transduction – viruses transfer genes between  prokaryotes.

Prokaryotic  conjugation

Bacterial transduction

2.  Endospores are resistant cells formed by some  bacteria as a way to withstand harsh conditions.  The  cell replicates its chromosome and wraps it in a durable  wall that can protect the chromosome from adverse  conditions, e.g. boiling water, desiccation.  When the  environment is good again, the cell will revive to a new  vegetative (growing) spore.

III.  Nutritional and metabolic diversity             A.  All prokaryotes (and eukaryotes too) are grouped  into four (4) categories according to how they obtain energy  and carbon .   1.  Photoautotrophs                                      - Photosynthetic  use light as the energy source                                     - CO2 is the carbon source                                      Example:  Cyanobacteria; plants (eukaryotic).  

One of the most independent organisms on  earth: Cyanobacteria (Anabaena)

Cyanobacteria: Gloeothece (top left), Nostoc (top  right), Calothrix (bottom left), Fischerella (bottom right)

A bloom of  cyanobacteria

Algal blooms

Anabaena

Microcystis

 2.  Chemoautotrophs      - Energy from oxidation of inorganic substances (e.g. NH4,  and S)      - CO2 is the carbon source          Example:  Sulfolobus, Beggiatoa (shown on slide)                                                                 

3.  Photoheterotrophs      - Light as energy source      - Organic compounds are source of carbon   4.  Chemoheterotrophs       - Organic compounds are energy source and source  of carbon (this includes humans)   Examples:  Many prokaryotes; animals (eukaryotic);  fungi (eukaryotic)

 B.  Metabolic relationships to oxygen                          1.  Obligate aerobes       - Use O2 for respiration; cannot grow without it. (Humans  are obligate aerobes)                          2.  Facultative aerobes       - Use O2 when available; ferment when O2 isn’t available.   3.  Obligate anaerobes       - Poisoned by O2; use fermentation or live by anaerobic  respiration.  In anaerobic respiration, inorganic molecules  like SO4, NO3, and Fe3+  are used instead of oxygen.

C.  Photosynthesis evolved early in prokaryotic life                          1.  Cyanobacteria started to produce O2 about 2.7 billion  years ago   Contrasting hypotheses for the taxonomic distribution of  photosynthesis among prokaryotes.

A.  Great diversity of Archaea in extreme environments and  oceans   1.  Two taxa of archae:         a.  Euryarchaeota – most archae         b.  Crenarcheota – most thermophilic species    2.  Examples of extremophiles         a.  Methanogens produce methane             - Energy is from hydrogen gas             - Strictly anaerobic             - Inhabit swamps and animal intestines   b.  Extreme halophiles             - Live in salty environments (Great Salt Lake)                                                 

   c.  Extreme thermophiles       - 60- 80 °C optimum temperatures (hot springs)       - 105 °C for deep-sea hydrothermal vents

Rhizobium:  N2-Fixing, Lives in Plant Roots of Legumes

Chromatium: Example of a chemoautotroph; Note the sulfur granules

Bdellovibrio: Bacterial predator

Myxobacterium: Produces cell aggregates and fruiting bodies

Heliobacter: Causes stomach ulcers

The remaining four clades and examples for each are:

 2.  Chlamydias

- Parasitic; survive only within cells of  animals  - Some cause STDs e.g. chlamydia

 3.  Spirochetes      

- Helical heterotrophs

    

- Some cause STDs e.g. syphilis

 4.  Gram-Positive Bacteria       

- Broad, diverse group

         - Antibiotic producing bacteria are in this group - Example shown is Streptomyces (streptomycin) - And (next slide)

Mycoplasma shown covering a human cell; some species  of mycoplasmas cause walking pneumonia

 5.  Cyanobacteria          - Oxygenic photosynthesis, and chloroplasts  evolved from them.

V.  Ecological impacts of prokaryotes                A.  Prokaryotes are links in the recycling of chemical  elements    B.  Many prokaryotes are symbiotic (2 organisms living in  direct contact with each other).   There are three types of symbioses:                      1.  Mutualism – both symbiotic organisms benefit                          - e.g. Nitrogen-fixing bacteria like Rhizobium:   plant obtain organic nitrogen, Rhizobium gets energy in the  form of sugars that the plant produces.  Another example:  

Are all prokaryotes disease producing germs?

Without prokaryotes ecosystems would collapse!

53.10

54.1  An overview of  ecosystem dynamics

Methanogens in Peat

54.18  The nitrogen  cycle

2.  Commensalism – one organism benefits and the other is  not harmed.                                      - e.g. Bacteria on our skin   3.  Parasitism – parasite benefits and the host is harmed.                C.  Pathogens cause human diseases                          - Some pathogens are opportunistic.  They may be normal  residents of the host, but if the host is weakened, then they  cause disease.  

Lyme disease:  Caused by a spirochete

Red-band disease (RBD) consists of a narrow band of filamentous cyanobacteria that advances slowly across the surface of a coral, killing living tissue as it progresses.

- How do we know if a particular organism is responsible for  a disease?                          Robert Koch formed postulates as guidelines to establish  that a disease is caused by a particular pathogen:                                      a.  Find same pathogen in each diseased individual.              b.  Isolate the pathogen and grow it in pure culture.   c.  Inoculate an individual with the isolated pathogen and the  disease is induced.   d.  Isolate the same pathogen from the infected individual. This procedure is called Koch’s Postulates and is used  widely to determine what infectious agent causes disease.

Most pathogens cause disease by producing poisons, these  are either: - Exotoxins: proteins secreted by the pathogen that cause  illness.   - Endotoxins: poisons that are part of the pathogen that  causes illness.  (e.g. bacterium’s outer membrane)

  D.  Humans use prokaryotes in research and technology                          Examples: Sewage treatment Bioremediation Chemical & Medical production Research (genetic engineering, etc.)  

Figure 27.19 (p. 542) – Bioremediation for an oil spill.