Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

2 Materiály k přednáškám z předmětu Mikrobiologie a virologie část mikrobiologie BOT/MVP a BOT/MVPX Katedra botaniky PřF UP v Olomouci RNDr. Barbora Mieslerová, Ph.D. Doc. RNDr. Michaela Sedlářová, Ph.D. VERZE LS 2010/2011 Byly inovovány v rámci projektu: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

3 METABOLISMUS Procesy látkové přeměny Souhrn všech anabolických a katabolických procesů v buňce Biochemické reakce vytvářejí metabolické dráhy nebo uzavřeny do kruhů (Krebsův cyklus) Daný metabolit může být vytvořen více než jednou metabolickou drahou (alternativní dráhy) KATABOLISMUS rozklad substrátu - uvolnění energie energie uložena v makroergních fosfátových vazbách v ATP (vznik fosforylací z ADP) Procesy aerobní respirace Procesy anaerobní respirace Procesy kvašení ANABOLISMUS - biosyntéza buněčných součástí - nízkomolekulárních (cukrů, fosfátů, AK, org. kyselin) i vysokomolekulárních látek - dodání energie Metabolické pochody probíhají v buňce současně! Reakce exergonické - energie je uvolňována Reakce endergonické - energie musí být dodána

4 Způsoby tvorby energie ATP v bakteriální buňce 1. Tvorba ATP na úrovni substrátu - vysokoenergetická molekula fosfátu je přenesena z katabolizovaného organického substrátu na ADP za tvorby ATP -organický fosfát + enzym + ADP ATP (Např. kys. fosfoenolpyrohroznová) - procesy kvašení, energeticky málo účinné 2. Tvorba ATP oxidativní fosforylací - v průběhu respirace chemoorganotrofních b. - vysokoenergetické e - ze substrátu přenášeny elektrontransportním řetězcem (přenašeče FAD, NAD), kde probíhá syntéza ATP 1/ aerobní respirace = přenos H + a e - až na kyslík 2/ anaerobní respirace = přenos H + a e - na anorg. sloučeninu 3. Tvorba ATP fotofosforylací - přeměna fotonů (světlo) na vysokoenergetické e - a přenos elektrontransportním řetězcem za syntézy ATP - fotosyntetizující bakterie

5 ROZDĚLENÍ MIKROORGANISMŮ PODLE ZDROJE C A ENERGIE ZDROJ ENERGIE ZDROJ UHLÍKU ORGANICKÉ LÁTKY CO 2 Organotrofní org. Litotrofní org. FOTOTROFNÍ ORGANISMY SVĚTLO Fotoorganotrofní org. Fotolitotrofní org. Purpurové nesirné bakterie Zelené nebo purpurové sirné bakterie CHEMOTROFNÍ ORGANISMY CHEMICKÁ LÁTKA Chemoorganotrofní org. Většina bakterií a mikromycet Chemolitotrofní org. Nitrifikační, železité,sirné bakterie

6 METABOLISMUS CHEMOORGANOTROFNÍCH BAKTERIÍ Přeměna organických látek na látky s nižší energetickou hladinou probíhá 2 způsoby: Fermentace (kvašení) - koncový akceptor e - a H+ org. sloučenina - akceptor se vytváří v průběhu procesu - nevyžaduje O 2 - různé koncové produkty podle druhu b. - i 1 druh více produktů, podíl závisí na ph Respirace - koncový akceptor e - a H+ anorg. sloučenina (u aerobní O 2 ) - tvorba H 2 O, CO 2 - redukcí se vytváří energie GLYKOLÝZA - nejběžnější způsob degradace cukrů, meziproduktem je pyruvát/ k. pyrohroznová - vznik 2 molekuly ATP - uvolněné H + odstraněny NAD + KVAŠENÍ - NADH z glykolýzy je během fermentace reoxidován na NAD + při redukci pyruvátu nebo jeho metabolitů

7 FERMENTACE = KVAŠENÍ - způsob získávání energie jen u chemoorganotrofních bakterií = procesy anaerobní dehydrogenace přeměna substrátu na jednoduché látky (mají stále ještě vysokou energetickou hladinu). - aktivace fosforylací za účasti ATP + enzymů - přenos H + dehydrogenázami - vznik malého kvanta energie - substrát organické látky - cukry - přeměna po metabolických drahách - hlavním meziproduktem kyselina pyrohroznová

8 KVAŠENÍ 1. Etanolové Původci: Saccharomyces, Torula /kvasinky/, Zymomonas Produkt: etanol Sumární rovnice : C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CH 2 OH + 2 CO 2 Metab. dráha: EMP /Embden-Meyerhof- Parnasova/ Energetický výtěžek: 2 ATP/1mol Význam - alkoholické výrobky, kynuté pečivo 2. Mléčné - homofermentativní Původci: Lactobacillus bulgaricus, L. casei, Streptococcus lactis Produkt: kys. mléčná C 6 H 12 O 6 2 CH 3 CHOHCOOH - glykolýza Energetický výtěžek: 2 ATP - heterofermentativní Původci : Lactobacillus brevis Produkt: kys. mléčná + kys. octová + etanol + H 2 + CO 2 + CH 3 COOH + C 2 H 5 OH + H 2 + CO 2 Metab. dráha: fosfoketolázová Energetický výtěžek: 2 ATP Význam - k. mléčná hromadění ve svalech při hypoxii, zubní kaz, výroba kys.zelí, mléčných výrobků

9 KVAŠENÍ pokrač. 3. Propionové Původci: r. Propionibacterium, Clostridium propionicum 3 C 6 H 12 O 6 4 CH 3 CH 2 COOH + 2 CH 3 COOH + CO 2 Produkt: kys. propionová, kys. octová Metab. dráha: EMP Propionát- protiplísňové činidlo, sýrařství-výroba ementálu 4. Máselné Původci : anaerobní b. rodu Clostridium, C. butyricum 4 C 6 H 12 O 6 3 CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2 CH 3 COOH + CO H 2 Produkt: kys. máselná, kys. octová Metab. dráha: glykolytická dráha Voňavkářství, ale i nežádoucí kontaminace v sýrařství 5. Smíšené Původci : enterobaktérie, r. Bacillus, r. Pseudomonas Produkt: kys. octová, mravenčí, mléčná, jantarová, izopropanol, 2,3-butandiol, vodík a CO 2 Metab. dráha: glykolýza, př. hexózomonofosfátová dráha

10 KVAŠENÍ pokrač. 6. Polysacharidů Kvašení glykogenu a škrobu Původci : r. Clostridium, r. Bacillus - α-amylázy - enzymy, oligosacharidy maltóza (maltáza), glukóza Kvašení celulózy Původci : Clostridium celobioparum... celulóza (celuláza) celobióza (celobiáza) glukóza Produkt: kys. mravenčí, octová, máselná, mléčná... Kvašení pektinu Původci : Clostridium felsineum, Bacillus macerans - pektiny, celulóza + protopektiny (pektináza) kys. pektinová (pektoláza) Produkt: kys. octová, máselná, CO 2, H 2 7. Aminokyselin Původci : r. Clostridium - proteolytické enzymy - endo a exopeptidázy - volné aminokyseliny vstupují do biosyntéz 8. Heterocyklických sloučenin /deriváty purinu, pyrimidinu../ Původci : anaerobní b., r. Clostridium... - amoniak, CO 2, - produkty kvašení pyrimidinů, kys.octová navíc u purinů a pyridinů

11 - koncový akceptor e- a H + anorg. sloučenina (u aerobní respirace O 2 ) - tvorba H 2 O, CO 2 - redukcí se vytváří energie RESPIRACE

12 AEROBNÍ RESPIRACE - oxidace organického substrátu molekulovým kyslíkem - v cytoplazmatické membráně prokaryot - přenos vodíku a elektronů prostřednictvím komplexního transportního řetězce až na kyslík, který se slučuje s H na vodu - současně s přenosem H + a e - probíhá postupná oxidace organického substrátu (alkoholy, sacharidy, lipidy, uhlovodíky, polysacharidy, ) - vyšší energetický výtěžek: C 6 H 6 O O 2 6 CO H 2 O + 38 ATP 1/ Úplná oxidace substrátu - probíhá až do vytvoření CO 2 cyklické metabolické dráhy: Krebsův cyklus (c. kyseliny citrónové) Azotobacter vinelandii, E. coli pentózový cyklus (hexózomonofosfátová dráha) fakultativní anaerobní b. - Enterobacter aerogenes, E. coli.. + alternativní dráhy - oxidace lipidů, uhlovodíků, polysacharidů, heterocyklických sloučenin 2/ Neúplná oxidace substrátu - po vytvoření určitého metabolitu zastavení oxidace substrátu (alkoholy a sacharidy) a hromadění meziproduktu (mastné kyseliny, ketony, org. kyseliny) r. Acetobacter a Gluconobacter

13 Hlavní metabolické dráhy pro přeměnu monosacharidů: EMP - Embden- Meyerhoff Parnasova dráha HMP - Hexózomonofosfátová dráha (dovoluje produkci pentóz pro syntézu nukleotidů) ED Entner- Doudoroffova dráha (běžná u bakterií, neprůkazná u hub) KC Krebsův cyklus

14 ANAEROBNÍ RESPIRACE - oxidace organického substrátu přenosem H + a e - na kyslík vázaný v molekule anorganické látky - soli kys. dusičné, sírové, oxid uhličitý - pochody probíhají za přísně anaerobních podmínek - přenos H + a e - prostřednictvím cytochromreduktázy - u chemoorganotrofních b. je org. substrát donorem H + a e - i zdrojem C - u chemolitotrofních b. - donor H + a e - anorg. látky, ale zdroj uhlíku CO 2 Procesy anaerobní respirace 1. Redukce dusičnanů na dusitany Escherichia, Shigella, Klebsiella, Staphylococcus, Mycobacterium 2. Denitrifikace redukce dusičnanů až na molekulový dusík nebo oxid dusný. 3. Redukce síranů /desulfurikace/ produkce sirovodíku Desulfovibrio 4. Redukce oxidu uhličitého /metanové kvašení/ Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina

15 DENITRIFIKAČNÍ BAKTERIE Mají schopnost redukovat nitráty na nitrity, případně až na molekulární dusík Nejznámější příklad je anaerobní dýchání (konečný akceptor elektronů kyslík z dusičnanu) C 6 H 12 O NO 3-6 CO H 2 O + N 2 (enzym NITRATÁZA) Většina nitrát redukujících bakterií redukuje NO 3 na NO 2-, které jsou vylučovány do prostředí Zástupci: r. Escherichia, Citrobacter, Klebsiella, Salmonella, Staphylococcus, Mycobacterium, Bacillus, Pseudomonas, Achromobacter Jen málo bakterií je schopno úplné denitrifikace, redukce až na plynný dusík 2NO H 2 + 2H - N 2 + 4H 2 O Zástupce: Paracoccus denitrificans, ale i autotrofní zástupci Thiobacillus, Thiosphaera, Sporovibrio ferrooxidans Tento proces je fyziologicky významný. Probíhá v různých typech vod (kromě přírodních lokalit i např. při snižování obsahu NO 3 - ve zdrojích pitné vody nebo v biologických čistírnách odpadních vod) Půda je pak únikem N 2 do atmosféry zbavována základní živin pro rostliny

16 Escherichia Salmonella Staphylococcus Paracoccus denitrificans

17 SULFÁTREDUKUJÍCÍ (DESULFURIKAČNÍ) BAKTERIE (SRB) Mají schopnost využívat kyslík ze síranů jako akceptory elektronů a tvořit touto cestou sirovodík a sulfidy. Morfologicky různorodá skupina anaerobních bakterií. Jde o biologickou desulfurikaci SO e H + S H 2 O SRB jsou striktně anaerobní, vyžadují nízký redox potenciál Rostou na jednoduchých organických sloučeninách (mastné kyseliny, mléčnan, pyrohroznan), které oxidují na octan (Desulfovibrio, Desulfomonas) nebo na CO 2 (Desulfotomaculum) Zástupce: Desulfovibrio, Desulfotomaculum Význam SRB ve vodním prostředí spočívá ve schopnosti nahromadit v anaerobních podmínkách značná kvanta H 2 S. Jejich růst není nahromaděným H 2 S omezován. Permanentní populace se vyskytují zejména v sedimentech s nevyčerpatelným zdrojem síranu (moře, slaná jezera). V mořích - kmeny rostoucí při 104 C a tlaku až 100 MPa. H 2 S je biologicky produkován např. v sedimentech stojatých vod, v neřízených vyhnívajících procesech, ve vlhkých neprovzdušňovaných půdách Silné redukční podmínky nebezpečí koroze kovových i betonových konstrukcí ve vodě.

18 Desulfovibrio Desulfotomaculum Desulfuromonas

19 METANOGENNÍ BAKTERIE Předpokládalo se, že využívají kyseliny a alkoholy za produkce metanu V současnosti: Jsou striktně litotrofní a syntetizují CH 4 pouze z CO 2 a H 2, zatímco jejich doprovodná mikroflóra provádí rozklad organických kyselin (mravenčí, octová) a alkoholů na CO 2. Tvorba metanu je tedy komplexní proces jehož se zúčastňuje několik skupin bakterií V posledních letech intenzivně studovány i v oblasti čištění odpadních vod a likvidaci kalů, pevných odpadů a v neposlední řadě v produkci bioplynu. V menší míře dochází v přírodě ke spontánní tvorbě metanu v sedimentech stojatých vod (tvorba bublinek na hladině) Rody: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina, Methanomicrobium. (ARCHAEA) Metanogenní bakterie jsou striktní anaerobové. Methanobacterium Methanococcus Methanosarcina

20 METABOLISMUS CHEMOLITOTROFNÍCH MIKROORGANISMŮ Získávají energii pro biosyntetické pochody oxidací anorganických sloučenin Mohou ve výživě postrádat organické látky Pokud je bakterie schopna využívat k zisku energie i organickou látku, jedná se o chemolitotrofii fakultativní, není-li tomu tak, mluvíme o chemolitotrofii obligátní. Jsou aerobní Nitrifikace (oxidace sloučenin dusíku) Sulfurikace (Oxidace síry a jejich sloučenin) Oxidace sloučenin železa

21 NITRIFIKAČNÍ BAKTERIE Oxidují amoniak na nitrit a nitrát 2 skupiny: bakterie nitritační (oxidují amoniak na dusitany) NH ,5 O 2 2H + + H 2 O + NO kJ Zástupci: r. Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosocystis, Methylsinus, Methylocystis, heterotrofové (Pseudomonas, Alcaligenes, aktinomycety) Bakterie nitratační (oxidují dusitany na dusičnany) NO ,5 O 2 NO kj Zástupci: r. Nitrobacter, Nitrocystis, aktinomycety i některé vláknité houby (Aspergillus flavus) Ekologický i ekonomický význam nitrifikace spočívá především v ovlivnění výživy rostlin Většinou autotrofní organismy x možná i heterotrofní nitrifikace (popisovaná v přirozených ekosystémech včetně vod (jezera, odpadní vody) Nitrifikační bakterie ve značném množství v půdě značné množství nitrátů se pak dostane do povrchových i podzemních vod. Při sledování samočisticích procesů indikuje zvýšený počet nitrifikačních bakterií pokročilou fázi rozkladných procesů organického znečištění, kdy již výrazně převažují mineralizační pochody

22 Nitrosomonas Nitrosococcus Nitrobacter Aspergillus flavus

23 SULFURIKAČNÍ BAKTERIE Energii získávají oxidací anorganických látek (síry) (sulfurikační bakterie) a zdrojem uhlíku pro stavbu buněk je CO 2. Chemolitotrofní. THIONOVÉ BAKTERIE Tyčinky, Např. r. Thiobacillus Průvodním jevem při oxidaci volné síry těmito bakteriemi je pokles ph až na 1. V některých horninách se vyskytují ve velkém množství v pramenech nebo kyselých důlních vodách působí korozivně na betonové vodní stavby i kovové součásti 2 S + 3O H 2 O 2 H 2 SO 4 + energie Síra, která je v průběhu oxidace získávána je na přechodnou dobu ukládána vně buněk. Striktní aerobie. Některé druhy mohou získávat energii alternativně oxidací sirných sloučenin nebo Fe 2+ na Fe 3+. Nejvýznamnější je Thiobacillus ferrooxidans - schopnost využívat železo ze sulfátů, ale i ze sulfitů, případně železo elementární, které bakterie rozpouštějí Hlavní energetický zdroj přeměna Fe + 2 na Fe + 3 4FeSO 4 + 2H 2 SO 4 + O 2 2 Fe 2 (SO 4 ) H 2 O Thiobacillus ferrooxidans

24 Druhou skupinou bezbarvých sirných bakterií jsou VLÁKNITÉ SIRNÉ BAKTERIE, vyskytující se v místech přísunu H 2 S i O 2, tvoří nápadné VLÁKNITÉ POVLAKY na dně stojatých vod. Jsou nebarevné a vyžadují pro růst CO 2 Oxidují sulfidy na síru, kterou ukládají jako rezervní látku uvnitř buněk, získávají tak energii Po vyčerpání sulfidů oxidují intracelulárně síru, když ji vyčerpají, organismus hyne. H 2 S + 0,5 O 2 S + H 2 O kj S + 0,5O 2 + H 2 O H 2 SO kj Typičtí zástupci vodní mikroflóry. Zástupci Thiothrix, Beggiatoa, Thiobacterium. Dokáží akumulovat značné množství síry, a některé druhy mají význam při mikrobiálním loužení rud. Jsou bezbarvé, vláknité. Vyskytují se ve sladkých vodách i v mořích za přítomnosti H 2 S. Bývají sukcesním organismem při rozkladu organické hmoty (např. nárostů ve stojatých vodách) a objevují se v biocenózách čistíren. Beggiatoa

25 ŽELEZITÉ BAKTERIE Bakterie schopné redukované formy železa oxidovat a při tom využít energii, která se při této oxidaci uvolňuje pro své metabolické procesy. Někdy jsou fyziologicky spojeny se vztahem k oxidaci manganu. Rostou ve vodách kde se buď železo hromadí nebo kam je přinášeno trvale i v menším množství (nejčastěji z geologických vrstev v místě vodního zdroje). Mohou být litotrofní, organotrofní; oxidační procesy můžou nebo nemusí poskytovat energii Oxidují Fe 2+ na Fe 3+ které se jako rezavá sraženina Fe (OH) 3 usazuje v pochvách buněk nebo je vylučována do prostředí Současně probíhají oxidoredukční pochody ve vodě za přítomnosti sirovodíku: Fe 2 O H 2 S FeS + 3 H 2 O + S Železité bakterie se mohou vyskytovat v podzemních vodách, minerálních pramenech i v pitné vodě všude, kde je zajištěn stálý a dostatečný přísun železa, složka mikroflóry důlních vod Zástupci: Gallionella, Leptothrix, Cladothrix, Siderocapsa, Sideromonas, Siderocystis Thiobacillus ferrooxidans kromě železa oxiduje i redukované sloučeniny síry.

26 Převážná většina jsou aerobní, rostoucí za mezofilních i psychrofilních podmínek Autotrofní, heterotrofní Mají inkrustace z Fe(OH) 3 ve svém slizovitém obalu nebo bez obalu a trojmocné železo je vylučováno do okolí buněk. 4FeCO 3 + 6H 2 O + O 2 4 Fe(OH) CO kj Siderocapsa Leptothrix ochracea Gallionella ferruginea

27 Některé železité bakterie oxidují kromě železa i mangan, který mohou někdy i preferovat Oxidované množství soli manganu však musí být proti zdrojům železa podstatně vyšší, neboť energetický zisk je při oxidaci na čtyřmocný mangan menší MANGANOVÉ BAKTERIE bakterie oxidující dvojmocné formy manganu na čtyřmocné a vyšší formy MnCO 3 + H 2 O Mn(OH) 2 + CO kj Tyto druhy mají pochvy, stopky či kapsule po nějaké dobře silně inkrustovány sloučeninami Mn 4+, které jim dávají výrazné tmavohnědé až černohnědé zbarvení. Vyskytují se při úpravě vody na pitnou ve zdrojích se zvýšeným obsahem manganu, ve stojatých vodách při hromadném rozkladu zelené hmoty Zástupce: Clonothrix Clonothrix

28 METABOLISMUS FOTOTROFNÍCH MIKROORGANISMŮ Schopnost využívat světlo jako zdroj energie OXYGENNÍ FOTOSYNTÉZA Sinice, prochlorofyta Fotolitotrofní organismy - Voda donorem elektronů, oxid uhličitý je fixován na organické sloučeniny a jako vedlejší produkt se uvolňuje kyslík. Tato reakce se dá zjednodušeně vyjádřit rovnicí: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O Tylakoidy (Chlotofyl a (b,c,d)) Fykobilizómy (Fykobiliproteiny) Anabaena sp.

29 ANOXYGENNÍ FOTOSYNTÉZA Některé bakterie jsou také schopny využívat světlo jako zdroj energie. Díváme se na ně jako na přežitky počátku evoluce fotosyntézy, neboť nevyužívají jako zdroj vodíku vodu, ale sulfan. Tato fotosyntéza tedy probíhá za nepřítomnosti kyslíku, nazýváme ji tedy anoxygenní fotosyntéza. Fotolitotrofové Jsou to purpurové sirné bakterie (Chromatium) a zelené sirné bakterie (Chlorobium). Vodík pro redukci CO 2 poskytují anorganické sloučeniny (sirovodík nebo thiosíran) Chromatium Chlorobium

30 Fotoorganotrofové Organické sloučeniny slouží jako zdroj vodíku pro redukci oxidu uhličitého a také jako zdroj uhlíku Nesirné purpurové bakterie (Rhodospirillaceae) Rostou jako fotoorganotrofové, za přítomnosti O 2 jako chemoorganotrofové Bakteriochlorofyly u fototrofních bakterií Rhodopseudomonas Purpurové nesirné bakterie Purpurové sirné bakterie Zelené bakterie a nebo b a nebo b c,d nebo e malé množství a