Opracowanie zrobione na podstawie wykładów Miksha, więc nie odpowiadam za ew błędy.

1. Błony biologiczne

1.Budowa błon biologicznych

Błona biologiczna (błona plazmatyczna) - podstawowa jednostka strukturalna wszystkich błon występujących w komórce. Składa się z dwuwarstwy cząsteczek fosfolipidów oraz z cząsteczek białka, które są na stałe wbudowane pomiędzy fosfolipidy albo tylko luźno przymocowane do błony. Błony biologiczne są selektywnie przepuszczalne. Oznacza to, że nie wszystkie cząsteczki mogą równie łatwo przechodzić z jednej strony błony na druga. Dla niektórych cząsteczek błony plazmatyczne są nieprzepuszczalne, a inne cząsteczki mogą być transportowane przez błonę białkowo-lipidową przy użyciu specjalnych przenośników białkowych

 Komórki mogą pobierać związki wielkocząsteczkowe nie rozpuszczone, jak i rozpuszczone w wodzie. Ze względu na wielkość i powierzchniowy ładunek tych związków transport ich ma odmienny charakter niż błonowy transport jonów i związków małocząsteczkowych. Transport związków wielkocząsteczkowych do komórek organizmów wyższych zachodzi poprzez fagocytozę i endocytozę, a dla organizmów jednokomórkowych poprzez pinocytozę. Do takiego transportu nie są zdolne bakterie.

2. Fosfolipidy – struktura i właściwości

Fosfolipidy - Cząsteczka fosfolipidu składa się z dwóch fragmentów różniących się powinowactwem do wody: hydrofilowej główki i hydrofobowego ogonka. Hydrofobowy ogonek cząsteczki fosfolipidu jest utworzony przez dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych. W skład hydrofilowej główki fosfatydylocholiny (jednego z głównych fosfolipidów błon biologicznych) wchodzą:

- reszta glicerolu,

- grupa fosforanowa,

- reszta choliny połączona z grupą fosforanową.

Poszczególne błony komórki różnią się od siebie rodzajem białek i lipidów, ale ich ogólny schemat budowy jest taki sam. Cząsteczki fosfolipidów układają się naprzeciw siebie i tworzą półpłynną dwuwarstwę lipidową, w której są zakotwiczone białka błonowe. Błona plazmatyczna nie jest strukturą sztywną: fosfolipidy i białka przez cały czas poruszają się względem siebie. Wszystkie błony biologiczne składają się z dwuwarstwy lipidowej oraz białek, jednak poszczególne rodzaje błon są zbudowane z różnych białek i lipidów. Na przykład wewnętrzna błona mitochondrium zawiera inne białka, niż błona komórkowa (błona oddzielająca wnętrze komórki od płynu zewnątrzkomórkowego)

3. Funkcje błon biologicznych

• pełnią funkcje enzymatyczne, katalizując różne reakcje metaboliczne,

• reagują na bodźce chemiczne, termiczne i mechaniczne,

• utrzymują równowagą między ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki.

• regulują  transport wybranych substancji z i do komórki,

• chronią komórki przed działaniem czynników fizycznych i chemicznych, a także przed wnikaniem obcych organizmów, w szczególności chorobotwórczych.

4. Białka błonowe, integralne i powierzchniowe

Białka błonowe to białka związane z błonami biologicznymi. Dzielą się na białka integralne, wbudowane na stałe w błonę i białka powierzchniowe, słabo związane z wewnętrzną albo zewnętrzną powierzchnią błony białkowo-lipidowej

Białka integralne (transbłonowe) - Białka wbudowane w błonę plazmatyczną. Przynajmniej jeden fragment białka transbłonowego jest „na stałe” zakotwiczony pomiędzy cząsteczkami fosfolipidów błony

Białka powierzchniowe (peryferyczne) - Luźno połączone z błoną białko, które można łatwo usunąć z wewnętrznej albo zewnętrznej powierzchni błony biologicznej.

5. Białka transportowe

Białko transportowe (przenośnikowe, translokujące, permeazy) - Białko błonowe przenoszące inne cząsteczki lub jony z jednej strony błony plazmatycznej na drugą. Białka przenośnikowe (zwane także transporterami) potrafią rozpoznawać i wiązać cząsteczki przeznaczone do przeniesienia przez błonę. Cząsteczka przyłączona przez transporter jest przenoszona na druga stronę błony biologicznej. Po uwolnieniu przenoszonej cząsteczki białko przenośnikowe przygotowuje się do transportu następnej cząsteczki. Niekiedy przenoszeniu cząsteczki przez białko przenośnikowe towarzyszy transport jakiegoś jonu w tym samym kierunku w którym przenoszona jest cząsteczka (symport) albo w przeciwnym kierunku (antyport).

6. Pinocytoza

Pinocytoza jest to sposób odżywiania się organizmów jednokomórkowych lub wielokomórkowych (np. gąbek). Jest to nieswoiste pobieranie małych kropel płynu zewnątrzkomórkowego do wnętrza komórek. Błona ulega wpukleniu do środka tworząc pęcherzyk zawierający pobraną kroplę. Wewnątrz cytoplazmy dochodzi do enzymatycznej degradacji zawartości pęcherzyka (po rozpuszczeniu otoczki uwalniane są proste związki organiczne: aminokwasy, cukry, które są włączane do wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych).

7. Transport prosty i ułatwiony

Transport przez błony biologiczne związków małocząsteczkowych - Cząsteczki różnych substancji mogą przenikać przez błony białkowo-lipidowe na zasadzie dyfuzji, dyfuzji ułatwionej lub transportu aktywnego. Proces przechodzenia wody przez błony biologiczne nosi nazwę osmozy.

Osmoza - Przechodzenie cząsteczek wody przez selektywnie przepuszczalną błonę białkowo-lipidową.

Dyfuzja - Proces samorzutnego przenikania cząsteczek jednej substancji pomiędzy cząsteczki drugiej substancji.

Dyfuzja ułatwiona - Transport cząsteczek przez błonę biologiczną przy użyciu białek transportowych, ale z zachowaniem gradientu stężeń i bez zużywania energii przez komórkę. Na drodze dyfuzji ułatwionej mogą być transportowane cząsteczki niektórych substancji, na przykład aminokwasów. W tym procesie uczestniczą specjalne białka przenośnikowe wbudowane w błonę plazmatyczną. Białka transportowe biorą udział zarówno w dyfuzji ułatwionej, jak rownież procesach transportu aktywnego. Dyfuzja ułatwiona jest szybsza od zwykłej dyfuzji, ponieważ białka transportowe sprawnie wyłapują cząsteczki przeznaczone do przeniesienia przez błonę. Jednak w przeciwieństwie do transportu aktywnego dyfuzja ułatwiona zawsze odbywa się zgodnie z gradientem stężeń - cząsteczki są transportowane z tej strony błony, gdzie jest ich więcej, na tę stronę, gdzie jest ich mniej. Dlatego w tym procesie nie jest zużywana energia zmagazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach cząsteczek ATP.

8. Transport aktywny

Transport aktywny - Transport przez błonę biologiczną, odbywający się przeciwnie do gradientu stężeń transportowanej substancji, a więc są one wypompowywane z roztworu, w którym jest ich mniej, do roztworu, w którym jest ich więcej. Pokonanie gradientu stężeń wymaga zużycia pewnej ilości energii zmagazynowanej w ATP.

9. Translokacja grupowa

Translokacja grupowa - Jest formą transportu aktywnego, ale różni się od typowego tym, że w czasie wchodzenia do komórki substrat ulega modyfikacji. Natomiast w omówionym wcześniej typowym transporcie aktywnym, cząsteczka uwalniana w cytoplazmie jest taka sama jak na zewnątrz. A w w translokacji grupowej, pobrany cukier, dostarczany jest do wnętrza komórki w postaci fosfocukru. Glukoza, fruktoza, mannoza i inne węglowodany są pobierane za pośrednictwem systemu fosfotransferazowego zależnego od fosfoenolopirogronianu (PEP). W translokacji grupowej uczestniczą cztery enzymy (schemat). Enzym II jest integralnym białkiem błony, który tworzy kanał i katalizuje fosforylację cukru. Grupa fosforanowa nie pochodzi bezpośrednio od PEP, lecz zostaje najpierw przekazana przez enzym I do małego, termostabilnego białka, zwanego HPr. Ufosforylowana forma HPr (HPr ~ P) reaguje z enzymem peryferycznym białkiem błony(enzym III), od którego enzym II odbiera grupę fosforanową i przenosi ją na cukier. Enzymy błonowe II i III są swoiste dla poszczególnych cukrów, podczas gdy enzym I i HPr uczestniczą we wszystkich procesach przenoszenia (translokacji) cukrów z udziałem PEP. W transporcie niektórych cukrów nie uczestniczy enzym III.

1. Metabolizm węglowodanów

1. Glikoliza – przebieg (ogólnie) i znaczenie

Jedną z najważniejszych przemian, jakiej podlega cukry w organizmach żywych jest glikoliza. Proces ten może przebiegać w warunkach beztlenowych lub przy dostatecznej ilości tlenu. Sumarycznie procesy te możemy opisać równaniami:

Przemiana beztlenowa

C₆H₁₂O₆ --> 2CH₃CH(OH)COOH + 57kcal

Przemiana tlenowa

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ --> 6CO₂ + 6H₂O + 677kcal

Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających glukozę (cukier prosty) w pirogronian z jednoczesną produkcją ATP.

1. Cykl pentozowy - przebieg (ogólnie) i znaczenie

Cykl pentozowy ( szlak pentozofosforanowy, rybulozowy) to utlenianie glukozy na innej drodze niż szlak glikolityczny. Ma znaczenie w metabolizmie jako źródło czynników redukujących do wytwarzania NADPH oraz jako mechanizm syntezy i dostarczania pentoz (cukrów pięciowęglowych). Sumarycznie z sześciu cząsteczek glukozy wchodzących do cyklu jedna podlega całkowitemu utlenieniu, a pięć regeneruje się i ponownie wchodzi w cykl. Cykl pentozowy poprzez związki trójwęglowe może łączyć się z cyklem Krebsa.

Przemiany w tym szlaku rozpoczynają się od glukozo-6-fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-5-fosforan, odgrywający ważną rolę w reakcjach związanych z fotosynteza, a także jest źródłem pentoz wchodzących w skład nukleotydów i kwasów nukleinowych.

1. Cykl Krebsa

1. Przebieg (ogólnie) i znaczenie cyklu Krebsa

Cykl kwasu cytrynowego zwany również cyklem kwasów trójkarboksylowych lub cyklem Krebsa, jest jednym z głównych cykli metabolicznych, ściśle związany z łańcuchem oddechowym, dzięki czemu stanowi podstawowe źródło ATP w organizmie. Jest końcowym miejscem utleniania cukrów, białek, tłuszczów. W wyniku niego następuje utlenianie substratów energetycznych - aminokwasów, kwasów tłuszczowych i węglowodanów- w postaci najczęściej acetylokoenzymu A (acetylo-CoA ) otrzymanym w wyniku glikolizy i innych przemian biochemicznych np. beta-oksydacji. Często prekursorem acetylokoenzymu A jest inny kluczowy metabolit – pirogronian.

U Procaryota enzymy cyklu kwasu cytrynowego zlokalizowane są w cytoplazmie, a u Eucaryota w matriks mitochondrialnej.

Podczas jednego obrotu cyklu zachodzi pięć reakcji dehydrogenacji, w których wodór przenoszony jest na NAD+ lub FAD+. Zredukowane koenzymy są dalej utleniane w łańcuchu oddechowym. Początkową reakcją jest kondensacja acetylo-CoA ze szczawiooctanem, katalizowana przez syntetazę cytrynianową, gdzie wykorzystywana jest jedna cząsteczka wody i powstaje kwas cytrynowy i CoA. Kwas cytrynowy jest przekształcany w szczawiooctan w szeregu reakcji katalizowanych przez kolejne enzymy. Dwa razy zachodzi dekarboksylacja, przy czym atomy węgla opuszczające cykl (jako CO2) nie pochodzą z grupy acetylowej dołączanej przez CoA. W wyniku rekcji powstają 3 NADH+ + H+ i 1 FADH2 oraz 1 cząsteczka GTP.

Rola cyklu Krebsa nie ogranicza się do dostarczania energii (bezpośrednio lub pośrednio). Powstające w nim związki pośrednie są substratami wyjściowymi wielu syntez komórkowych np. aminokwasów, tłuszczów i węglowodanów.

1. W oparciu o podany schemat cyklu Krebsa wylicz liczbę mogących powstać cząsteczek ATP przy zużyciu jako substratu jednej cząsteczki acetylo-koenzymu A

1. Metabolizm węglowodorów

1. Oksydazy i oksygenazy – definicja i rola

Oksydazy - stanowią grupę enzymów katalizujących odrywanie się elektronów od utlenionego substratu i dwu- lub czteroelektronową redukcję cząsteczki tlenu. Po połączeniu się z protonami powstaje cząsteczka H₂O₂ lub H₂O. Do tego zespołu należą m.in. oksydazy cytochromowe.

Oksygenazy - katalizują proces wbudowywania tlenu w cząsteczkę. Wyróżnia się oksygenazy właściwe tj. dioksygenazy oraz monooksygenazy, do których zalicza się hydroksylazy.

1. Dioksygenazy i monooksygenazy – definicja i rola

Dioksygenazy- włączają dwa atomy tlenu do substratu. Istnieją dwa rodzaje diooksygenaz. Dioksygenazy wymagające udziału NADH i NADPH, katalizujące reakcje hydroksylacji substratu oraz drugi typ dioksygenaz nie wymagający udziału NAD(P)H, katalizujący rozerwanie pierścienia aromatycznego

Monooksygenazy – katalizują włączenie jednego z atomów tlenu do hydroksylowanego substratu, podczas gdy drugi atom tlenu wiązany jest w cząsteczkę wody z udziałem NADH lub NADPH, zgodnie z równaniem:

1. Dehydrogenazy – definicja i rola

Dehydrogenazy – katalizują odrywanie atomów wodoru od utlenionego substratu i przenoszą je na inne enzymy czy związki pośrednie. Nie mają zdolności przenoszenia elektronów bezpośrednio na tlen. Akceptorem atomów wodoru może być: NAD⁺, NADP⁺, FMN lub FAD.

1. Oksydacja terminalna, subterminalna i omega-oksydacja

Biorąc pod uwagę strukturę chemiczną związku oraz skład i aktywność flory bakteryjnej - rozkład n-alkanów może odbywać się na drodze:

•  oksydacji terminalnej- n-alkanów polega na wstępnym utlenieniu węglowodoru do alkoholu pierwszorzędowego. W procesie tym pośredniczą monooksygenazy, które działając na jeden z peryferyjnych atomów węgla, przekształcają cząsteczkę w alkohol (tzw. oksydacja monoterminalna), bądź działając na dwa peryferyjne atomy węgla utleniają cząsteczkę do diolu, tzw. oksydacja diterminalna. Dalsze utlenianie terminalne alkoholi, przez odpowiednie aldehydy i kwasy organiczne, kończy proces β-oksydacji.

•  oksydacji subterminalnej- Oksydacja dotyczy atomów węgla położonych subterminalnie w cząsteczkach węglowodorów i prowadzi do przekształcenia ich w drugorzędowe alkohole, a następnie w ketony i estry.

•  ω- oksydacji- Proces ω- oksydacji jest charakterystyczny dla degradacji alkanów rozgałęzionych. Obecność podstawników jest czynnikiem hamującym proces β-oksydacji, z tego względu kwasy tłuszczowe są atakowane na drugim końcowym węglu prowadząc do powstania kwasów dikarboksylowych.

1. Jakie produkty zazwyczaj powstają w pierwszym etapie transformacji związków aromatycznych w warunkach aerobowych?

Węglowodory aromatyczne (areny) stanowią liczną grupę związków zawierających od jednego do kilku, a nawet kilkunastu pierścieni aromatycznych w cząsteczce. Liczne badania potwierdzają obecność mikroorganizmów zdolnych do rozkładu tej grupy związków na drodze metabolicznej, bądź w procesie kometabolizmu. Większość spośród związków aromatycznych występujących w przyrodzie, w pierwszym etapie mikrobiologicznej degradacji ulega oksydacji do katecholu bądź kwasu protokatechowego Do katecholu degradowane są pojedynczo lub podwójnie (w pozycji 1,2-) podstawione pierścienie aromatyczne, np. w fenyloalaninie, toluenie, benzenie itp. Pierścienie aromatyczne podstawione w pozycjach 1,3- i 1,4- oraz pierścienie podstawione wielokrotnie są przekształcane do kwasu protokatechowego.

Szlaki rozkładu węglowodorów aromatycznych prowadzą przez szereg reakcji: hydroksylacji, demetylacji i dekarboksylacji podstawników alkilowych w pierścieniu aromatycznym z udziałem różnych grup enzymów, po rozszczepienie pierścienia aromatycznego i w efekcie końcowym włączenie produktów przemian do szlaków metabolizmu pośredniego.

1. Rozszczepienie orto- i meta- pierścienia aromatycznego

• Rozszczepienie pierścienia w pozycji orto- (tj. między dwoma sąsiadującymi hydroksylowanymi atomami węgla) prowadzi do powstania kwasu cis, cis- mukonowego (produkt rozszczepienia katecholu) bądź kwasu 3-karboksy- cis, cis- mukonowego (produkt rozszczepienia kwasu proto-katechowego). Produkty tych reakcji ulegają dalszym przemianom metabolicznym poprzez ten sam związek pośredni tj. kwas 3-oksoadypinowy, a następnie w wyniku aktywacji z udziałem transferazy-CoA do bursztynylo-CoA i acetylo-CoA, które w końcowym etapie procesu degradacji są włączane do szlaków metabolizmu pośredniego.

• Rozszczepienie pierścienia w pozycji meta- (tj. między hydroksylowanym i niehydroksylowanym atomem węgla), katalizowane przez dioksygenazy powoduje powstanie semialdehydu kwasu 2-hydroksymukonowego, który następnie wchodzi w szlaki metabolizmu pośredniego poprzez pirogronian, aldehyd octowy i inne produkty pośrednie, zależnie od typu podstawienia powstałych kwasów alifatycznych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, zawierające struktury skondensowane, rozkładne są przez sukcesywne otwieranie kolejnych pierścieni, a mechanizm rozszczepiania pierścieni zbliżony jest do mechanizmu rozszczepiania benzenu.

1. Rozkład ksenobiotyków

1. Ksenobiotyki – definicja

Ksenobiotyk- Są to związki zsyntetyzowane chemicznie, na ogół nie występujące w przyrodzie. Wydaje się wątpliwe, aby istniały organizmy zdolne do ich rozkładu. Do ksenobiotyków należą fungicydy, herbicydy, pestycydy, nematocydy i wiele innych. Pod względem budowy najczęściej są to podstawione węglowodory, fenylowęglany i inne podobne związki. Niektóre z tych substancji, stosowane w dużych ilościach w uprawach, są bardzo oporne i rozkładają się niezwykle wolno lub wcale. Inne usuwane są z gleby, lecz nie są znane produkty ich rozkładu. Jeszcze inne rozkładają się bardzo szybko. Badania w tym kierunku pełne są niespodzianek. W niektórych słabo przepuszczalnych glebach pod budynkami przemysłowymi, takie rozpuszczalniki, jak chloroform, di-, tri- i polichloroetylen akumulują w ilościach pozwalających na ich wypompowanie. Gleba wymaga zaś oczyszczenia metodami chemicznymi, fizycznymi lub biotechnologicznymi. Ważne problemy tego rodzaju są przedmiotem badań mikrobiologicznych. Sztuczne włókna typu polietylen i polipropylen są niegroźne, ale praktycznie zupełnie niepodatne na biologiczną degradację. Podczas gdy substancje zmiękczające zawarte w tych włóknach stopniowo utleniają się, to szkielet polimeru pozostaje nienaruszony. Należy mieć nadzieję, że polimery te będą zastąpione przez takie biodegradowalne biopolimery, jak kwasy poli(hydroksy)tłuszczowe lub pochodne skrobi.

1. Kometabolizm – definicja i rola

Niektóre związki podlegają degradacji przez drobnoustroje jedynie wówczas, gdy występują razem z innymi substancjami. Tego typu degradacja jakiegoś związku, która sama nie podtrzymuje wzrostu komórki, ale przebiega w obecności innej degradowalnej substancji (kosubstratu), nosi nazwę kometabolizmu lub koutlenienia. Kometabolizm może być wykorzystywany, na przykład, do oczyszczania w tej samej

oczyszczalni ścieków przemysłowych zawierających syntetyczne związki oporne na degradację razem ze ściekami komunalnymi. Często mechanizm procesu jest nieznany. Naturalna odmiana tego typu przemian występuje w przypadku rozkładu ligniny przez Phanerochaete chrysosporium (rozdz. 14.9). Lignina występuje tu w związku z celulozą (lignoceluloza). Uwalnianiu glukozy towarzyszy powstanie nadtlenku wodoru oraz rodników hydroksylowych i nadtlenkowych potrzebnych do degradacji szkieletu ligniny. Inkubując ksenobiotyki razem ze substratami, które indukują syntezę monooksygenazy, można enzym ten wykorzystać do

tworzenia rodników.

1. Bioaugmentacja – definicja i rola

Bioaugmentacja- wzbogacanie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane bakterie, o dużej zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń.

Jest to rodzaj bioremediacji In situ, czyli technologia usuwania zanieczyszczeń (głównie substancji ropopochodnych) z gleby i wód podziemnych za pomocą żywych mikroorganizmów w celu katalizowania, destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe. Wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów tzw. szczepienie gleby

1. Biofilmy bakteryjne – etapy formowania

Biofilmy tworzą się naturalnie najczęściej w wilgotnych i niesterylnych środowiskach. Ich powstawanie jest odpowiedzią bakterii na warunki środowiska umożliwiającą przeżycie. Drobnoustroje tworzą w biofilmie małe kolonie, które zajmują łącznie mniej niż trzydzieści procent jego ogólnej objętości. Pozostałą część stanowią substancje wydzielane przez te komórki na zewnątrz - tzw. egzopolimery (EPS), które tworzą macierz pozakomórkową (glikokaliks). Zwykle więc błony biologiczne składają się z bardzo dużej liczby mikrokoloni, oddzielonych od siebie siecią kanalików, przez które dostarczane są składniki pokarmowe i usuwane produkty przemiany materii. W głębszych warstwach biofilmu system ten nie funkcjonuje już sprawnie, co powoduje różnicowanie się komórek w biofilmie. Ponadto drobnoustroje wchodzące w skład błon biologicznych wytwarzają cząsteczki sygnałowe w rodzaju feromonów i hormonów zwierzęcych, dzięki czemu tworzą się kolonie o różnorodnej strukturze i funkcjach. W ten sposób biofilm zaczyna funkcjonować jako prymitywny organizm wielokomórkowy.

Powstawanie biofilmu bakteryjnego składa się z trzech etapów:

• Adhezja pojedynczych komórek do powierzchni.

• Powstawanie mikrokoloni i różnicowanie populacji bakterii.

• Powstanie dojrzałej formy biofilmu.

Trwałość powstającego biofilmu potęgowana jest przez pobieranie jonów wapnia z otaczającego medium, dzięki czemu następuje sieciowanie polisacharydów. Komórki danego gatunku w biofilmie odczuwają swoją gęstość i odpowiednio do niej regulują

aktywność metaboliczną.

1. Quorum sensing – definicja i rola w formowaniu biofilmu bakteryjnego

Quorum sensing jest to sposób "porozumiewania się" między sobą bakterii za pomocą cząsteczek związków chemicznych.

Rola: Gdy hodowla bakteryjna osiągnie duże zagęszczenie, aby nie zginąć z powodu braku pokarmu lub samozatrucia metabolitami, wytwarza związki chemiczne które informują kolonię o potrzebie zaprzestania rozmnażania.