Pytania, na zaliczenie z wykładów, które przypadkiem wyświetlił Nam Nowak:
Wersja A:
1. Przedstawić sposoby przenoszenia materiału genetycznego u bakterii.
2. Oddychanie beztlenowe, przykłady.
3. Jak można pozyskać szczepy specjalnych mikroorganizmów do procesów
biotechnologicznych?
Wersja B:
1. Chemosynteza - rodzaje
Chemosynteza- chemosynteza jest to mniej skomplikowany sposób samożywności. Przeprowadzają go organizmy zwane chemoautotrofami. Chemoautotrofizm jest ewolucyjnie starszym i bardziej pierwotnym od fotoautotrofizmu rodzajem samożywności, prawdopodobnie ustąpił miejsca fotosyntezie ze względu na mniejszą wydajność i ograniczony dostęp do surowców energetycznych. Ma znaczenie w cyklach biogeochemicznych ważnych biologicznie pierwiastków, zaś jego udział w wytwarzaniu biomasy pierwotnej jest znikomy. Zjawisko chemosyntezy zostało odkryte w Paryżu w roku 1887, kiedy to Sergei Winodradski obserwował bakterie Beggiatoa rosnące w warunkach nieobecności materii organicznej, ale w środowisku zasobnym w H2S.
Przebieg chemosyntezy
Umownie proces ten można podzielić na dwa etapy: • faza przekształcenia energii w wyniku utlenienia określonych substratów zawartych w środowisku za pomocą tlenu atmosferycznego i użycia jej do wytworzenia siły redukcyjnej w postaci NADH i ATP
związek zredukowany + O2 → związek lub jon utleniony + energia w ATP
• faza asymilacji i redukcji CO2
CO2 + H2O + energia w ATP → glukoza + O2
Bakterie chemosyntetyzujące
1) Chemolitotrofy - wykorzystują jako źródło energii takie substraty nieorganiczne jak: związki siarki, azotu, żelaza i wodór
• bakterie siarkowe - obecne w wodach słonych i morskich obfitujących w związki siarki. Obecne są więc w źródłach siarkowych czy osadach dennych i ściekach kanalizacyjnych, gdzie tworzy się siarkowodór. Substratami są dla nich: siarkowodór, tiosiarczan czy siarka pierwiastkowa i zależnie od tego powstaje różna ilość energii:
H2S + 2O2 → 2H+ + SO42- + 789 kJ∙mol-1
S0 + H2O + 1½O2 → 2H+ + SO42- + 587 kJ∙mol-1
Na2S2O3 + H2O + 2O2 → 2H+ + 2Na+ + 2SO42- + 411 kJ∙mol-1
Bakterie, które wykorzystują siarkowodór, np. Thiothrix Nicea czy Beggiatoautleniają go najpierw do siarki pierwiastkowej, zgodnie z reakcją:
H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 kJ∙mol-1
Siarka ta odkłada się w komórce jako energetyczny materiał zapasowy i kiedy siarkowodór ze środowiska ulegnie wyczerpaniu, ta dostarcza energii ulegając przekształceniu do siarczanu będącego ostatecznym produktem utleniania.
• bakterie wodorowe - występują w glebie i mogą korzystać z wodoru środowiskowego w celu pozyskania energii potrzebnej do procesów życiowych. Zaliczamy tu dwie grupy organizmów. Pierwsza obejmuje gatunki, których akceptorem elektronów jest tlen a końcowym produktem utleniania wodoru - woda. Przykładami są gatunki z rodzajów: Hydrogenomonas, Mycobacterium iNocardia. Reakcje utleniania wodoru przebiegają zgodnie z następującym równaniem:
H2 + ½O2 → H2O + 237 kJ∙mol-1
Do grupy drugiej zaliczamy gatunki żyjące w warunkach anaerobowych wykorzystujące jako akceptor elektronów związki inne niż tlen, np. Micrococcus denitrificans, który wykorzystuje azotany.
• bakterie żelaziste - energię do procesów życiowych pozyskują z utleniania jonu Fe2+ do Fe3+:
4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 11 kJ∙mol-1
Jon Fe2+ wykazuje trwałość w obecności tlenu tylko w środowisku kwaśnym. W pH obojętnym ulega samorzutnemu utlenieniu do Fe3+, który wytraca się z roztworu w postaci Fe(OH)3. Z tego powodu bakterie żelaziste występują w środowiskach zakwaszonych, gdzie jony żelazawe wykazują większą stabilność.
• bakterie nitryfikacyjne - spotykane są w glebie oraz zbiornikach wodnych, zaś energię do procesów życiowych czerpią z utleniania azotu w postaci NO3- czy NO2-. Bakterie z rodzajów Nitosomonas czy Nitrosocystis utleniają amoniak do azotynu według równania: NH3 + 1½O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 kJ∙mol-1
Amoniak jest przekształcany do produktu pośredniego - hydroksylaminy (NH2OH) z udziałem enzymu monooksygenazy amoniakowej, zaś ta jest utleniana do azotynu przez oksydoreduktazę hydroksylaminową. W kolejnym etapie bakterie z rodzaju Nitobacter utleniają azotyn do azotanu:
NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 kJ∙mol-1
Bakterie nitryfikacyjne odgrywają szczególnie dużą rolę w obiegu azotu w przyrodzie oraz są ważnym czynnikiem w gospodarce rolnej. Przekształcają lotny amoniak wytwarzany podczas rozkładu materii organicznej w nielotne azotany, co wzbogaca glebę w deficytowe związki azotu.
2) Chemoorganotrofy - bakterie, które czerpią energię z utleniania prostych, jednowęglowych związków organicznych: metan, metanol czy mrówczan, z użyciem tlenu atmosferycznego jako akceptora elektronów. Nazywa się je metylotrofami, a do grupy tej należą: Methylobacter, Methylocystis czy Methanomonas. Jako, że są to obligatoryjne aeroby, spotyka się je w środowisku, w którym obecne są przytoczone wyżej źródła węgla oraz tlen. Jedną z grup metylotrofów są metanotrofy, utleniające metan do dwutlenku węgla. Reakcja ta zachodzi stopniowo, zgodnie z reakcjami przedstawionymi poniżej:
CH4 + ½O2 → CH3OH → CHOH + 2H + 77 kJ∙mol-1
CHOH + H2O → HCOOH + 2H HCOOH → CO2 + 2H + 77 kJ∙mol-1
Metylotrofy jako źródło węgla wykorzystują takie związki jak metanol czy aldehyd mrówkowy, w których to węgiel jest na niższym stopniu utleniania niż w CO2 (tego związku nie mogą asymilować). Przez to nie zalicza się ich do klasycznych autotrofów. Wyjątkiem jest Pseudomonas oxalaticus, który utlenia mrówczan do CO2, wykorzystywany następnie jako źródło węgla do syntezy własnych związków organicznych.
Ekosystemy chemosyntetyczne
Obserwacje takich ekosystemów rozpoczęły się w 1977 roku w pobliżu Wysp Galapagos, podczas badań zjawisk wulkanicznych w strefie rozchodzenia się płyt oceanicznych. Naukowiec Jack Corliss na głębokości kilku tysięcy metrów, w warunkach wiecznego mrozu i temperatury 2°C dostrzegł nieznane dotąd gatunki małż, ślimaków i wieloszczetów. Okazało się, że siarkowodór przepełniający wody hydrotermalne jest źródłem siarki dla wolno żyjących bakterii chemosynetycznych. Następnie odkryto, że wiele organizmów bytujących wokół kominów hydrotermalnych zawiera w swoich tkankach takie symbiotyczne bakterie, niektóre zaś pozostają z nimi w zależności pokarmowej. W roku 1984 opisano zespoły zwierzęce żyjące wokół źródeł solankowych i węglowodorowych (zimne wycieki) u wybrzeży Florydy. Temperatura takiej wody jest zbliżona do niskiej temperatury otaczającego oceanu, a zespoły chemosyntetyczne wokół takich chłodnych źródeł reprezentowane są przez inne gatunki zwierząt, choć spokrewnione z mieszkańcami kominów hydrotermalnych. W kolejnych latach zbadano szkielety waleni znalezione po obu stronach północnego Pacyfiku, u wybrzeży Nowej Zelandii oraz na dnie północnego Atlantyku. Okazało się, że pokryte były one licznymi małżami i ślimakami, a same kości cuchnęły siarkowodorem. Także zatopione kłody drewna obfitują w zespoły chemosyntetyczne. W tym przypadku zwierzęta wchodzące w ich skład są jedynie częściowo dostarczycielami niezbędnej do życia energii. Dziurawiące drewniane burty okrętów małże świdraki masowo produkują odchody zawierające związki siarki, tworząc tym samym podłoże do funkcjonowania organizmów chemosymbiotycznych.
Rola chemosyntezy w przyrodzie
Proces ten, podobnie jak FOTOSYNTEZA bakteryjna, nie odgrywa większej roli w wytwarzaniu związków organicznych w przyrodzie ze względu na ograniczone występowanie większości bakterii chemosyntetyzujących do swoistych nisz ekologicznych. Ma on jednak duże znaczenie w krążeniu pierwiastków w przyrodzie i w przekształcaniu związków nieorganicznych w formy przyswajalne dla innych organizmów, szczególnie roślin. Zasadniczą rolę pełnią bakterie nitryfikacyjne z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter obecne w glebie i utleniające amoniak do azotanów. Drugim rodzajem pod względem ważności są bakterie siarkowe utleniające zredukowane związki siarki w siarczany dostępne dla roślin.
Rodzaje chemosyntezy:
- beztlenowe utlenienie wodoru
- bakterie żelazowe
- bakterie utleniające tlenek węgla
2. Oddychanie beztlenowe. Przykłady.
Oddychanie beztlenowe są to procesy beztlenowego rozkładu związków w których wyniku zostaje wytworzona energia. Jest ono charakterystyczne przede wszystkim dla bakterii beztlenowych. Najczęstszym rodzajem oddychania beztlenowego jest fermentacja czyli rozkład związków organicznych.
Substratem oddychania beztlenowego jest przede wszystkim glukoza. Towarzyszy temu przemiana pirogronianu, czyli jego bezpośrednia lub pośrednia redukcja. Redukcji pirogronianu towarzyszy utlenianie NADH+H+ do NAD.
Zależnie od tego, jaki końcowy produkt powstanie, wyróżnia się kilka rodzajów fermentacji, miedzy innymi:
fermentację alkoholową - to fermentacja beztlenowa w wyniku której powstają dwutlenek węgla i alkohol. Zachodzi ona miedzy innymi w komórkach drożdży, a także w owocach, nasionach okrytych twarda łupina i w korzeniach. Powstały w procesie glikolizy pirogronian ulega dekarboksylacji do aldehydu octowego, a ten z kolei ulega redukcji do etanolu.
fermentację mlekową - zachodzi ona w komórkach bakterii mlekowych. Może przebiegać również u pasożytów wewnętrznych oraz w mięśniach szkieletowych przy wzmożonym wysiłku, któremu towarzyszy deficyt tlenu. Końcowym produktem fermentacji mlekowej jest mleczan-anion kwasu mlekowego.
W procesie oddychania beztlenowego z 1 cząsteczki glukozy pozyskiwane są 4 cząsteczki ATP. Dwie z nich powstają w procesie fosforylacji substratowej i stanowią końcowy zysk energetyczny.
W dwóch molach ATP zawartych jest 62,8 kJ energii. Z kolei w 1 molu glukozy zmagazynowane jest 2874 kJ energii. Przy całkowitym utlenieniu glukozy powinno więc powstać 90 cząsteczek ATP.
Wynika z tego, że wydajność beztlenowej glikolizy wynosi około 2%.
2 mole ATP uzyskane w wyniku fosforylacji substratowej są całkowitym zyskiem oddychania beztlenowego. Dalsze etapy fermentacji nie przynoszą dodatkowej energii.
Oddychanie beztlenowe jest o wiele mniej wydajne od oddychania tlenowego. Z użycia wielu związków organicznych otrzymuje się niewiele energii. Jednak uniezależnienie od obecności tlenu w środowisku pozwala organizmom beztlenowym opanować korzystne dla siebie nisze ekologiczne a energia powstała w oddychaniu beztlenowym jest wystarczająca do tego, aby mogły one funkcjonować.
3. Przedstawić sposoby przenoszenia materiału genetycznego u bakterii
Rekombinacja genetyczna to włączenie obcego DNA do genoforu lub plazmidu
rekombinacja ogólna - zachodzi pomiędzy homologicznymi niciami DNA
- połączenie w pary homologicznych nici DNA
- pęknięcie nici DNA
- skrzyżowanie nici DNA
-ponownie połączenie nici DNA
PROCES CROSING OVER
rekombinacja nieuprawniona
- zachodzi między nie homologicznymi niciami DNA ( genofor bakterii i plazmid lub DNA fagowe)
- na obydwu niciach muszą być odcinki homologiczne tzw. sekwencje inercyjne ( IS) lub transpozony
Warunkiem jest proces płciowy
Procesy paraseksualne u bakterii :
koniugacja - przekazywanie materiału genetycznego z komórki do komórki przy bezpośrednim kontakcie np. Enstericha coli - bakterie typu F+, F- oraz Hfv . Czynnik F- - podwójna spirala DNA, wielkości 100 000 par zasad, zamknięta w pierścień
- zbliżenie komórek
-połączenie komórek przy pomocy pili płciowych (fimbrii)
- przejście czynnika F z komórki F+ do komórki F-
- rozłączenie komórek
- komórka F- staje się komórka F+