Study Guide for Exam 1

What is refractive index?

Only chapter 2, 3, 5 and part of 6

Chapter 2 

Microscopy

∙ Microscopy: study of minute organism through the aid of a microscope 1. Lenses and the Bending of Light

 Refraction: occurs when light is refracted/bent from one medium to another  Refractive index: measures how greatly a substance slows the velocity of light  Speed of light: 3 x 108 m/s

 Lenses: focus light rays at the focal point

 Focal length is the distance between center of lens and the focal point ∙ The closer the light is to the focal length, the higher the magnification. 2. Types of light microscope

        Bright field microscope 

 Resolution: lens can separate and distinguish between small objects that are close  together.

What is a working distance?

 The major factor is the wavelength of light that is use.

∙ The shorter the wavelength, the greater the resolution

∙ Numerical aperture of objective lens also affects resolution. The larger the  numerical aperture, the greater the resolution and the shorter the working distance  Working distance: distance between the lens surface and the surface of the cover  glass/specimen when in sharp focus

­ Scanning objective or 4x

­ Low power objective or 10x

­ High power objective or 40x

­ Oil immersion or 100x

        Dark field microscope 

 Use to observed internal structure of eukaryotic microorganism

 Use to identify microorganism

∙ Treponema pallidum: cause syphilis

What is confocal microscopy used for?

 Differential Interference Contrast microscope 

 Detects differences in refractive indices and thickness using 2 beams of polarized  light If you want to learn more check out ochem 2

 Forms 3D image

 Great way to observe living cells

        Confocal Microscopy 

 The focus laser beam is used to illuminate a specific point on a specimen  Light from illuminated spot is focus by an objective lens

 Creates a sharp image (3D) using a laser beam. We also discuss several other topics like ucla life sciences

 Different varieties of Light microscope

Bright field

Dark field

Phase

contrast 

Fluorescence

Confocal

Produce dark 

image against a  bright 

background

Form image by light reflected  or refracted by  the specimen

Converts 

differences in  refractive 

index into 

easily detected  variations in 

light intensity

Forms bright 

image of the 

object 

resulting from  the fluorescent  light emitted by specimen

Create sharp 

3D image of 

specimens by  using laser 

beam .

Several 

objective lenses

Bright image  against dark 

background

Great way to 

observe living  cells 

Has applications in medical 

microbiology 

and microbial 

ecology studies

Has numerous  applications 

such as study  of biofilms

Total 

magnification=  ocular lenses x  objective lenses

Used to 

observe living  unstained 

preparation 

Some light ray  form hollow 

cone of light 

passing 

through 

unstained cell  slowed out of  phase

Crucial tool in  microbiology. 

Specimens are  stained with 

fluorochrome 

which is 

important to 

identify 

pathogens with  antibodies.

Use to localized  specific proteins  in cell.

Use aperture to eliminate stray  of light and 

computer 

interface. 

We also discuss several other topics like robert mirabello

3. Staining

 Fixation: internal and external structures are preserve and fix in position  Kills the organism and attaches firmly to the microscope slide

∙ 2 types of fixation

a. Heat fixation: preserves overall morphology but not 

internal structure. Used with bacteria & archaea

b. Chemical fixation: protect cellular structure and 

morphology of larger, delicate microorganism

 Dyes and Staining

­ Know the common features of dyes. Don't forget about the age old question of uic math classes

∙ Basic dye­have a positive charge so they bind negatively charged molecules and  cell structures

∙ Acidic dye­ have a negative charge so they bind positively to cell structures ∙ Simple staining uses a single staining agent to stain a specimen

∙ Differential staining is used to divide bacteria into separate 

groups based on their different reactions and staining properties

♦   Gram stain­ widely use. Divide bacteria into gram + or gram ­

base on cell wall structure. ‘[See slide 29 for mechanism. Very  

    important] 

♦ Acid­fast stain­ use to stain cell walls of certain bacteria. High

lipid cell wall content known as mycolic acid

c. Mycobacterium tuberculosis: causative agent of 

tuberculosis

d. Mycobacterium leprae: the causative agent of leprosy

 Specific structure Staining

∙ Endospore staining: heated, double­stain technique by which bacterial  endospores stain one color and vegetative cells stain a different color

∙ Negative staining/capsule stain: is widely used to visualize diffuse capsules  surrounding the bacteria. those capsules appear unstained and appear colorless  against a stained background. We also discuss several other topics like uthscsa general surgery

∙ Flagella staining: mordant are applied with stains to increase the thickness of  flagella. (easier to see). We also discuss several other topics like is mouthwash a homogeneous or heterogeneous mixture

4. Electron Microscopy

­ Transmission Electron Microscopy (TEM)

­ Scanning Electron Microscopy (SEM)

­ Electron Cryotomography 

 Transmission Electron Microscopy Vs. Scanning Electron Microscopy i. {see slide 36 and 37 for more} 

Transmission Electron

Microscopy (TEM)

Scanning Electron

Microscopy (SEM)

Electron

Cryotomography

1000 times better resolution  than light microscope

Uses electron reflected from  surface of specimen to create  detailed image

uses rapid freezing  technique to preserved internal features

Electron scatter when pass  through thin sections of 

specimen

Create a realistic 3D image  of the specimen’s features

Images are viewed  from different angle to create 3D structure

Electrons are transmitted  under vacuum to reduce  scatter and produce clear  image

Can determine in situ

location of microorganism in  ecological niches

Have high resolution  image of cytoskeletal  elements, inclusion  bodies and viral 

structures of 

microorganism

Specimens must be cut very  thin, involved chemical 

fixation and stained with  electron dense material 

Other preparations methods  are negative staining 

shadowing and freeze­etching (slide 30­40)

5. Scanning Probe Microscopy

 Scanning probe microscopy measures surface features by moving a short probe over the object’s surface

a. Scanning tunneling microscope creates an image using a probe that is one  atom thick at its tip. Have high magnification (100 million times) and can  view atoms of solid. The resolution is such that individual atoms can be 

observed. Up/down movement of probe detected is used to create image on  surface of specimen.

b. The atomic force microscope:  Sharp probes moves over specimen’s surface  at constant distance. The up/down movement of probe detected is used to  create an image

Chapter 3 

Bacterial Cell Structure

Main points: 

­ Be able to list characteristics of prokaryotic cells

­ Be able to distinguish bacterial cell from other cells types base on shape, arrangement,  size and cells structures.

­

1. Typical Bacteria cells 

 Shape: Cocci/spheres and rods/bacilli

 Cocci (coccus)

∙ diplococci (s., diplococcus) – pairs

∙ streptococci – chains

∙ staphylococci – grape­like clusters

∙ tetrads – 4 cocci in a square

∙ sarcinae – cubic configuration of 8 cocci

 Bacilli (s., bacillus) – rods

∙ coccobacilli – very short rods

 Arrangement is determined by plane of division and separation

 Vibrios – resemble rods, comma shaped

 Spirilla (s., spirillum) – rigid helices

 Spirochetes – flexible helices

 Mycelium – network of long, multinucleate filaments

 Pleomorphic – organisms that are variable in shape

 Size: varies

 Smallest: Mycoplasma 

 Medium: E. Coli

 Large: Epulopiscium fishelsoni

­ Know size and shape relationship. [ see slide 9] 

­ Know Bacteria cell organization and common features. Look over table 3.1 on slide 10 2. Bacteria Plasma membrane

 The cell envelope includes the plasma membrane, cell wall, and other external layers of the cell

 The plasma membrane serves several functions:

∙ Encompasses the cytoplasm and separates the cell from its environment ∙ Serves as a selectively permeable barrier

∙ Interacts with external environment and contains receptors to detect transport  systems used for nutrient uptake, waste excretion, and protein secretion ∙ Location for a variety of crucial metabolic processes such as: respiration,  photosynthesis, lipid synthesis, and cell wall synthesis

∙ It contains special receptor molecules that enable detection of and response to  chemicals in the surroundings

 The fluid mosaic model of membrane structure

 Proposed by Singer and Nicholson, states that membranes are lipid bilayers with  floating proteins 

Cell membranes are very thin. Lipids are amphipathic meaning they have a hydrophilic  (interact with water) head groups and long hydrophobic (insoluble in water) tails;   Two types of proteins are associated with the lipid bilayer of the membrane: ♦ peripheral (loosely associated/ easily removed)

♦ integral (embedded within the membrane/help carry out crucial functions)  Bacterial Lipid

 Saturation level reflect environmental condition

Lack sterols but contain sterol like molecule such as hopanoid to stabilize membrane 

­ Know how nutrients are uptake through the barrier and where they are found, their roles Etc. (see slide 16)

Macronutrients: C, O, H, S, P, N, K, Ca, Mg, and Fe

Micronutrients: Mn, Zn, Co, Ni, Cu

­ Know what growth factors are and their role

Classes: Amino acids, purines/pyrimidines, vitamins and heme

­ Know the methods of uptake of nutrients

 facilitated diffusion 

 active transport 

 group translocation: energy dependent, chemically changes molecules as it enters the  cell

∙ phosphoenolpyruvate: sugar phosphotransferase system (PTS) is best known

[see slide 21 for more] 

Passive diffusion

Facilitated diffusion

Active transport

Molecules move from high  concentration to low 

concentration

Similar to passive, but 

molecules are not energy  dependent

Need energy in the form of  ATP to transport molecules  against the gradient

Ex: water, oxygen and  carbon dioxide

Size of concentration gradient impacts the rate of uptake

Need carrier proteins 

(permeases) 

­ Know your ABC transporters and your secondary active transport (see slide 23­24) 

3. Bacterial Cell Walls

 Rigid structure; creates characteristic shapes for bacteria which protect the cells from  osmotic lysis and toxins. May contribute to pathogenicity

The cell walls of most bacteria contain peptidoglycan (murein)

∙ gram­positive bacteria: Stain purple and have a thick peptidoglycan

∙ gram­negative: stain pink/red and have a thin peptidoglycan and outer membrane ∙ both have the periplasmic space between the cell wall material and the plasma  membrane

 peptidoglycan structure: 

 polymer of identical subunits forming long strands of 2 alternating sugars: N acetylglucosamine (NAG) and N­ acetylmuramic acid (NAM) 

 basic structure is connected by NAG amino acid

 strands have helical shape, crosslinked by peptides for strength

 Gram­positive cell walls

Consist of a thick wall composed of many layers of peptidoglycan and large amounts of teichoic acids

Teichoic acids are negatively charged and help maintain the cell envelope & enhance its structural stability

The periplasmic space of gram­positive cells is thin and contains few secreted proteins  (exoenzymes) which help in the degradation of large nutrients

Acid­fast bacteria include mycolic acids in their cell walls

 Gram­negative cell walls

 More complex than the gram­positive cell wall; and has a thin layer of peptidoglycan  surrounded by an outer membrane

 The periplasmic space is often wide and contains many different proteins.  The outer membrane is composed of lipids, lipoproteins, and lipopolysaccharides  (LPS). No teichoic acid

 Braun's lipoprotein attaches the outer membrane to the peptidoglycan  LPS consist of 3 parts: lipid A, core polysaccharides, and O antigen ∙ LPS stabilize the outer membrane, stabilize outer membrane structure, attach to  surface and biofilm structure, protect against some toxins, acts as an endotoxin The outer membrane is more permeable than the plasma membrane because of porin  proteins that form channels through which molecules smaller than 600 Daltons can  pass

 Mechanism of Gram staining

After staining with crystal violet, shrinkage of the thick peptidoglycan layer of gram positive cells during decolorization prevents the loss of the crystal violet stain The thinner peptidoglycan layer of gram­negative bacteria does not retain the stain, and  as a result, readily decolorized when treated with alcohol

 Cell walls and osmotic protection

Hypotonic 

∙ High concentration of solute inside the cell and low outside the cell ∙ Water moves inside cell and swell

∙ The cell wall prevents swelling and lysis of bacteria

Hypertonic 

∙ Low concentration of solute inside the cell and high concentration inside the cell,  which causes water to leaves the cell

∙ The plasma membrane shrinks away from the cell wall in a process known as  plasmolysis

­ Look over slide 40

o Bacteria without cell walls (removal with lysozyme or through peptidoglycan  synthesis inhibition by penicillin) called spheroplasts/protoplast.

­ Know the difference between protoplast and Spheroplasts

Protoplast: no cell wall, single membrane and gram positive

 Spheroplast: no cell wall has 2 membrane and gram negative

Mycoplasma: have no cell wall and the plasma membrane is more resistant to osmotic  pressure. Pleomorphic

4. Cell Envelope 

 Glycocalyx

Capsules and slime layers protects bacteria from phagocytosis and help in attachment to solid surface

∙ capsules are made of polysaccharides, well organized and not 

easily removed

∙ slime layers diffuse, unorganized and easily removed

 S­layers

∙ S­layers are regularly structured layers of protein or glycoprotein outside of the  cell wall

♦ In gram +, S layer associate with outer membrane

♦ In gram – it associates with the peptidoglycan

∙ S­layers protect against ion and pH fluctuations, osmotic stress, and enzymes;  help maintain cell shape and envelope rigidity, promote cell adhesion, and protect  against host defenses

 Bacterial Cytoplasmic structure

 The cytoplasmic matrix is the substance bounded by the plasma/plasmid membrane;  The prokaryotic cytoskeleton has homologs of the elements seen in eukaryotes.

­ See slide 51 to see more examples of bacterial cytoskeleton molecules   FTsZ

 MreB

 CreS

 Intracytoplasmic membranes

∙ Plasma membrane infoldings are observed in many photosynthetic bacteria and  bacteria with high respiratory activity

∙ Anammoxosome in Planctomycetes are site for anaerobic ammonia oxidation  Inclusions

∙ Many inclusions are granules of organic or inorganic material that are stockpiled  by the cell for future use 

∙ Some are not bounded by a membrane, but others are enclosed by a single­layered membrane

 Storage inclusions

 glycogen storage

 carbon storage, [poly­β­hydroxybutyrate], 

 polyphosphate granules (energy and phosphorus storage),

 cyanophycin granules (nitrogen storage in cyanobacteria)

 Carboxysomes are microcompartments that accumulate carbon dioxide and the enzyme  Rubisco for CO2 fixation

 Gas vacuoles are found in aquatic photosynthetic bacteria and archaea; provide buoyancy in gas vesicles

 Magnetosomes

∙ Intracellular chains of magnetite particles for orientation in earth’s magnetic field. ∙ Cytoskeleton protein MamK helps form magnetosomes chain

 Ribosomes 

∙ Ribosomes are the site of protein synthesis (translation)

∙ They are complex structures of protein and RNA

∙ Bacterial and archaea ribosomes are 70S with 50S and 30S subunits vs.  eukaryotic with 80S and 40 subunits

­ Look over slide 59 and 60  

Nucleoid

Plasmid

 External Structures

 Pili and fimbriae are short, thin, hairlike appendages that mediate bacterial  attachment to surfaces (fimbriae) or to other bacteria during sexual mating (sex pili);  ∙ Sex pili: longer and thicker. Less numerous

Flagella are threadlike locomotor appendages extending outward from the plasma  membrane and cell wall.

∙ Functions: attachment to surface and motilitiy

♦ May be arranged in various patterns:

 Monotrichous—a single flagellum

 Amphitrichous—a single flagellum at each end of cell

 Lophotrichous—a cluster (tuft) of flagella at one or both ends

 Peritrichous— sprea over entire cell surface

­ Read slide 65­65 to know more about flagella synthesis 

 Bacterial Motility 

Bacteria and archaea have directed movement

Chemotaxis

Move in response to temp, light, oxygen osmotic pressure and gravity ∙ Prokaryotic flagella rotate to create motion (propeller);

∙ Direction of flagellar rotation determines nature of bacterial movement:  counterclockwise rotation causes forward motion (called a run) and clockwise  rotation disrupts run causing cell to stop (resulting in a tumble)

­ Read slide 70­73 for more about motility of bacterial cell 

 Chemotaxis

 Movement toward a chemical attractant or away from a chemical repellent  Changing the concentration of chemical attraction and repellents binds  chemoreceptors of chemosensing system

 Bacterial Endospores

∙ The bacterial endospore is a complex, dormant structure formed by some bacteria  which enables them to resist harsh environmental conditions

∙ Endospore structure

♦ (sporulation)­ spore are surrounded by thin covering called exosporium ♦ Spore coat are form by thick layer of protein

♦ Core has nucleoid and ribosomes

 Sporulation is the process of endospore formation. It is a complex multistage process  that can occur in hours

­ See slide 79 to see the cycle 

 Formation of vegetative cell

 Activation

 Germination

­ See slide 80 

Chapter 5 

Eukaryotic Cell Structure

­ Be able to identify eukaryotic cell structure and know common features and function ­ Study Table 5.1 to know organelles and function 

 Eukaryotic Cell Envelopes

­ Know which types of eukaryotic microbes that have cell wall. How do they differ from  plant cells?

 Eukaryotic membranes are phospholipid bilayers with sphingolipids and sterols, also  include phosphoglycerides and cholesterol

 Microdomains in the membranes differ in lipid and protein content to participate in  different cellular processes and function

 Eukaryotes o not have peptidoglycan and lack chemically distinct cell wall  Photosynthetic algae have cellulose, pectin and silica in their cell wall.

 Fungi have cellulose, pectin or glucan in their cell walls

 Cytoplasm of Eukaryotes

 Have liquid, cytosol and many other organelles

 The cytoskeleton is a vast network of interconnected filaments within the matrix  which plays a role in cell shape and movement

∙ filaments that form the cytoskeleton: 

♦ microfilaments (actin), microtubules, intermediate filaments, and motor  proteins

­ read slide 14 & 15 to know more about the filaments 

 Microfilaments 

 Intermediate filaments 

 Microtubules 

 Organelles of the Secretory and Endocytic Pathways

 Endoplasmic reticulum 

 Irregular network of branching and fusing tubules and flattened sacs that have  ribosomes attached (rough endoplasmic reticulum) or be devoid of ribosomes  (smooth endoplasmic reticulum)

∙ Rough ER is the site of protein synthesis by ER associated ribosomes ∙ Smooth ER is the site of lipids synthesis associated by ER enzymes  The ER has many functions:

∙ It transports proteins, lipids, and other materials within the cell

∙ It is a major site of membrane synthesis

 The Golgi apparatus

 The Golgi apparatus is a set of membranous organelles (cisternae) that is involved in  the modification, packaging, and secretion of materials

∙ the cisternae exist in stacks called dictyosomes

∙ cis and trans faces

 Lysosomes 

 are membrane­bound vesicles that contain hydrolase enzymes found in most  eukaryotes

 involves intracellular digestion

 maintain acidic environment by pumping H+ inside the cell

 Secretory pathway

 Proteins destined for the cell membrane, lysosomes, endosomes or secretion are  synthesized by ribosomes on rough ER  

 the proteins are modified and transported/released in vesicles of the cis and trans face  of the Golgi apparatus

 after release, some vesicles deliver contents to endosomes and lysosomes ∙ know the two types [slide 22]

 Proteasomes are a nonlysosomal protein degradation system found in eukaryotic cells that degrades proteins marked with ubiquitin

 Endocytic pathway

 Used by all eukaryotes to bring materials into the cell

 Endocytosis: cell takes up solutes or particles by enclosing them in vesicles  (endosomes) pinched off from the plasma membrane which are then delivered to  lysosome to be destroyed

∙ Phagocytosis—endocytosis of large particles by engulfing them into a phagocytic  vacuole

∙  Pinocytosis—endocytosis of small amounts of liquid with its solute molecules  ­ [see slide 25­28]

 Know what the nucleus, nuclear envelope and nucleolus structure and their function. {slide 30­32] 

 Endosymbioic Hypothesis 

These 3 organelles: mitochondria, chloroplast and hydrogenosomes are thought to have  evolved from bacteria cells engulfed by host of eukaryotic cell

∙ Mitochondria: power house f cell, found in most eukaryotic cell. It is the site of  ATP generation and oxidative phosphorylation as well as tricarboxylic acid cycle  activity. Can also reproduce binary fission just like bacteria. 

♦ Ex: rickettsia: a type of bacteria that resembles a mitochondrion

♦ See slide 36 for the structure 

∙ Hydrogenosome: small organelles in some anaerobic protist that conserve energy  by fermentation and generate hydrogen; composed of a double membrane they  share from their common mitochondria ancestor, produce ATP by substrate level  phosphorylation and does not have their own DNA

∙ Chloroplast: type of plastid (a pigment organelles seen in plants and algae).  Believed to evolved from cyanobacteria It is the site of photosynthetic reaction.  Surrounded by two membranes­ {See slide 40 for internal structure}

♦ Stroma: site for dark reaction

♦ Have flagella and cilia that are bigger than bacteria cells

 External Structures

 Cilia and flagella are locomotors structures that differ in length and how they move  the cell (slide 42)

 Cilia and flagella are structurally similar. [slide 43]

 Comparison Bacterial, Archaeal, and Eukaryotic Cells

 Eukaryotes have a membrane­delimited nucleus and many complex membrane­bound organelles, that performs a separate function for the cell

 Prokaryotes lack a membrane­delimited nucleus and internal membrane­bound  organelles. Do not perform endocytosis

 Archaea prokaryotes differ in the content of their ribosomal RNA

 Despite the significant differences, they still share biochemical similarities: the same  basic chemical composition, genetic code, and basic metabolic processes ­ See table 5.2 in slide 47 

Chapter 6 

Viruses and Other Acellular Infectious Agents

­ Know the difference between a virus and a virion

­ Viruses contains protein and nucleic acid {see slide 4 for more}

Cannot reproduce outside a living cell, can cause diseases. 

­ Viroids­ contain only RNA

­ Satellites: only nucleic acid

­ Prions: contains only proteins

 Properties of viruses:

Virion: complete virus particle yet to infect a living host. Exist extracellular ∙ Infect all cell types­ [slide 6] 

 Structure of viruses

Nucleocapsid—the nucleic acid plus the surrounding capsid (protein coat that surrounds the genome).  Some viruses consist only of nucleocapsid, other viruses may possess  additional structures. 

 See slide 8 for size and morphology  

 Capsids

 Protein coat of virus, protect genetic info and assist in the transfer between host cells  Shape 

∙ Helical­ [slide 11]

∙ Icosahedral [slide 12]

∙ Complex [slide 13]

 Viral envelopes and enzymes

Envelopes are membrane structures surrounding some viruses

Lipids and carbohydrates are usually derived from the host membranes

Envelop proteins are viral encoded may project envelop surface as spikes or peplomers. ∙ Involve in viral attachment and used for identification of the virus

∙ Not all virus has viral envelop.

∙ Some virus has enzyme

 Viral genomes

Either single or double stranded RNA or DNA

1. DNA viruses

a. Most use double­stranded DNA as the genome; the DNA can be linear or  circular

b. Many have one or more unusual bases (e.g., hydroxymethylcytosine instead of  cytosine)

2. RNA viruses—most have single­stranded RNA as their genome

 Understand the one­step growth curve on slide 20  

 Viral Multiplication

 Mechanism used depends on the virus structure and genome

1. Attachment /adsorption to the host cell

2. Entry and uncoating of genome

3. Synthesis: Expression of viral genes in host cell, virus takes control of cell's and  produces viral proteins and genomes

4. Assembly: New virions self­assemble into mature virions

5. Release: virions released by budding or cell lysis

References: