Biotechnologia wykłady

Wykład 1 , - 10.10.2011-

Mikroorganizmy w przyrodzie i w rozwoju cywilizacji

1. znaczenie drobnoustrojów w przyrodzie - pierwsze organizmy jakie powstały na ziemi ( małe rozmiary, prosta budowa )

2. procesy geologiczne - złoża węgla kamiennego i brunatnego, ropa naftowa i gaz ziemny, złoża minerałów siarkowych, złoża azotanów

3. procesy glebotwórcze- uruchamianie składników mineralnych, synteza próchnicy, tworzenie struktury gleby

4. żyzność gleby- metabolizm gleby, rozkład materii organicznej, synteza próchnicy, cykl przemian węgla i azotu, przemian innych pierwiastków

5. biocenozy wodne - biocenozy autotroficzne (glony )

6. biotopy o trudnych warunkach życia - gorące źródła, środowiska zasolone, wody gruntowe i głębinowe, zimne tereny Arktyki i Antarktydy

7. środowiska pionierskie

Człowiek a mikroorganizmy

- oddziaływanie negatywne

a) zmęczenie gleby- konieczność przenoszenia się na nowe tereny, gospodarka trójpolowa

b) psucie się żywności - gnicie, pleśnienie produktów roślinnych i zwierzęcych

c) choroby zakaźne - czarna śmierć, emigracja z Irlandii do Ameryki

- oddziaływania pozytywne

a) żyzność gleby - umożliwienie gospodarki rolnej

b) konserwacja żywności- kwaszenie mleka, kiszenie produktów roślinnych, solenie mięsa, suszenie żywności

c) wytwarzanie żywności- wyrabianie ciasta, produkcja serów, produkcja wina, produkcja piwa

Najważniejsze etapy rozwoju mikrobiologii

1. obalenie teorii samorództwa

2. Ludwik Pasteur - ojciec mikrobiologii, chemik, badania związków optycznie czynnych , rozwinięcie mikrobiologicznych technik laboratoryjnych

- wprowadził pojęcie czyste kultury

- hodowla w laboratorium na pożywkach sztucznych

- wprowadzenie pożywek selektywnych i elektywnych

- opracowanie metod sterylizacji

c) Robert Koch - wprowadzenie nowych pożywek, rozwój technik barwienia , wprowadził pożywki stałe

d) Sergiusz Winogardzki - mikrobiologia gleby ( organizmy chemoautotroficzne )

Wykład 2, -17.10.2011-

Budowa i stanowisko systematyczne mikroorganizmów

1. Procaryota ( bakterie i sinice ) i Eucaryota ( pozostałe organizmy )

- cechy charakterystyczne wszystkich Procaryota

brak plastydów - chloroplasty

brak jądra komórkowego ( nie mają jądra z błoną jądrową, sokiem jądrowym, jąderkiem)

podział materiału genetycznego zachodzi bez mitozy ( haploidalnie )

ściana komórkowa zawiera murenę

rybosomy 70S zamiast 80S- określa szybkość opadania

- cechy charakterystyczne niektórych Procaryota

posiadają rzęski

wytwarzają endospory- z komórki powstaje przetrwalnikowy organ, wytwarza się w środku komórki, ma wysoką odporność, kwas piramido-2-karboksylowy

polifosforany, siarka pierwiastkowa, kwas poli-β- hydroksymasłowy

komórka Prokariotyczna i Eukariotyczna porównanie

» protoplast + + » cytoplazma + +
» ściana komórkowa + + » błona cytoplazmatyczna + +
» mezosomy + - » rybosomy + +
» substancje zapasowe + + » nukleoid + -
» błona jądrowa - + » plazmid + -
» substancja śluzowa + - » rzęski + -
» fimbrie + - » jądro komórkowe - +
» wodniczki - + » ziarna wolutyny - +
» jąderko komórkowe - + » chromosomy - +

2. Wirusy

- wewnątrzkomórkowe pasożyty bakterii, roślin i zwierząt

- rozmiary kilkanaście do kilkuset mikrometrów

- kształt

- budowa ( kwas nukleinowy, kapsyd, białka wirusowe powstające w komórce gospodarza)

- rozmnażanie

- pochodzenie (prymitywne istoty żywe z początków ewolucji, pasożyty o uproszczonej budowie, fragmenty genoforu gospodarza)

3. Wirusy roślinne

- wielkość 10-50 nm

-kształt kulisty lub pałeczkowaty

-grupowanie w agregaty lub prakryształy

-kwas nukleinowy, RNA, wyjątkowo DNA

-wnikanie do komórki : wektory (owady np. mszyce)

- transport w roślinie - plazmodesmy

- objawy: karłowatość, przebarwienia ( mozaika, kędzierzawość)

- ochrona roślin uprawnych i zapobieganie - usuwanie chorych roślin

4. Wirusy zwierzęce

- wielkość 10-200 nm

- kształt kulisty, pałeczkowaty lub sześcienny

- kwas nukleinowy, DNA

- wnikają do komórki przez ścianę

- namnażanie bakterii w komórce

- rozmnażanie : cykl lityczny, cykl rozwoju bakterii lizogennych

Konsekwencja małych rozmiarów

- brak wyspecjalizowanych organelli komórkowych

- wysoki stosunek powierzchni do objętości

- bardzo szybki, intensywny metabolizm

układy bakterii: dwoinka, czwórniak, sześcianka itd.

kształty bakterii : ziarniak, laseczka, pałeczka, przecinkowiec, krętek

Budowa:

1. otoczka

- grubość od niedostrzegalnych pod mikroskopem do wielokrotnie grubszych od średnicy bakterii

- materiał - węglowodanowe u bakterii G+, G-(polimery cukrów prostych, aminocukrów, alkoholi, kwasów uronowych )

-polipeptydowe u bakterii G+ ( aminokwasy o konfiguracji D)

- wielocukrowi-polipeptydowe

- znaczenie ( ochrona przed wysychaniem, zmianami pH, Eh, fagocytozą)

b) ściana komórkowa ( murena - mukopeptyd, peptydoglikan)

- rola ściany - ochronna komórki, regulacja wielkości wnikających cząsteczek, żywica jonowymienna, rozdzielenie komórki po replikacji, kontakt ze światem zewnętrznym, receptory fagów, swoiste antygeny, zdolność rozpoznania partnera podczas koniugacji

c) błona cytoplazmatyczna

- grubość 2-10nm

-skład białka 50-75% , lipidy 20-35%

- znaczenie ( transport substancji do wnętrza komórki i na zewnątrz), inicjowanie replikacji nukleotydu, udział w działaniu rzęsek

- mezosomy (wytwory błony cytoplazmatycznej ), uwypuklenie wypełnione strukturami blaszkowymi, pęcherzykowatymi lub rurkowymi

- zawiera układ oddechowy

d) rzęski i fimbrie

rzęski ( średnica 15-20 nm, długość 5-15 mikrometrów, ilość od 0 do 100), spiralnie zwinięte włókno białka fiageliny, narząd ruchu, zawierają antygeny służące do rozpoznawania bakterii

pile ( fimbrie ) - Średnica 1,5-4 nm, długość 7-10mikrometrów , zbudowane z białka piliny

5. nukleoid - genofor, podwójna nić DNA 250-1400 mikrometrów, budowa -spiralnie skręcona, pętla II rzędu (20-40), przymocowany do błony cytoplazmatycznej

6. cytoplazma- koloidalny roztwór białek, soli i innych substancji , nie występuje ruch

7. rybosomy - ziarnistości (14-38 nanometrów, RNA (40-50%), około 20-30 różnych białek (40-60%), centrum syntezy białek

8. ciała chromatoforowe - kuliste lub owalne , centra fotosyntezy

9. Endospory- wewnątrzkomórkowe przetrwalniki, wytwarzane przez bakterie tlenowe (Bacillus), proces sporulacji, odporność endospory( zwolniona przemiana materii, odporność na wysychanie, na promieniowanie UV, na temperaturę powyżej 100 stopni C), kiełkowanie (aktywizuje się przemiana materii, oddychanie, pobieranie wody), inne przetrwalniki - mikrocysty, konidia

Promieniowce :

- podobieństwo do bakterii - budowa ściany komórkowej jak u bakterii G+

- wrażliwość na bakteriofagi

-podobieństwo do grzybów

- budowa morfologiczna - pseudomycelium

- tworzenie zarodników konidialnych

- ruch cytoplazmy

-charakterystyka metaboliczna - w większości tlenowce, produkcja antybiotyków

Grzyby:

-organizmy eukariotyczne

- ściany z węglowodanów ( celuloza, pentozy, kaltoza)

-plechowce(komórki, strzępki o średnicy 3-10 mikrometrów )

- rozmnażanie (wegetatywne, płciowe, dikariofaza)

- organizmy jednokomórkowe lub wielokomórkowe

- inne formy - zarodniki, ryzomorfy, skleroty, owocniki

- tetrapolarytet ( HYMENOMYCETES)

- metabolizm ( heterotrofy, pasożyty)

Wykład 3, -24.10.2011-

Metabolizm - pobieranie składników do przemian oraz wydalanie

Przemiany metaboliczne komórkowe prowadzą od prostych np. glukozy do najbardziej skomplikowanych.

Przemiany można podzielić na 2 fazy.

1 faza to katabolizm( kiedy substancje złożone są degradowane), rozkładanie do mniejszych fragmentów przechodzą przez fazę metabolizmu pośredniego (amfibolizm). Powstają estry fosforanowe, kwasy metaboliczne.

Amfibolizm- główne szlaki metaboliczne np. glikoliza, cykl Krebsa, etap pośredni powstają związki o małych cząsteczkach są wykorzystywane następnie w anabolizmie.

Anabolizm biosynteza drobniejszych cząsteczek w cząsteczki większe np. kwasy nukleinowe, białka. Tworzą się w wyniku biosyntezy struktury komórkowej. Czynnikiem wiążącym 2 fazy jest przepływ energii.

Mechanizm sprzęgający z energią, łączy się z produkcja ATP- magazyn energii- adenozynotrifosforan, uwalnia energię ( katabolizm), energia tracona, uwalnia ciepło

Anabolizm - energia wykorzystywana do produkcji biomasy w komórce, magazynuje ( komórka wykorzystuje ATP). Biosynteza , polega na syntezie ( syntetyzowanie białek , tłuszczy, polisacharydów) a później tworzone struktury komórkowe drogą kondensacji lub polimeryzacji.

Mikroorganizmy korzystają z energii chemicznej.

Ze względu na sposób przeprowadzenia syntezy tzn. rodzaju wykorzystywania węgla i jego formy drobnoustroje dzielimy na:

1. autotroficzne ( samożywne)

2. heterotroficzne ( cudzożywne)

Autotrofy- pobierają węgiel w formie nieorganicznej np. CO₂, węglany poprzez redukcje syntetyzują.

Autotrofy ze względu na energię:

1. Fototrofy- wykorzystują energię słoneczną

2. Chemotrofy- wykorzystują energię chemiczną

Ze względu na źródło (donator) elektronów w procesie biosyntezy

Litotrofy- korzystają ze związków nieorganicznych jako donor wodoru H2, NH3, H2S, CO, związki Fe i in.)

Organotrofy- związki organiczne jako donory elektronów

PODSTAWOWE TYPY POKARMOWE

MIKROORGANIZMÓW

Fotolitoautotrofy (fotolitotrofy) - źródłem energii jest dla nich

promieniowanie słoneczne, dostarczycielem elektronów i węgla są

związki nieorganiczne; zaliczamy tu m.in. glony i sinice

przeprowadzające proces fotosyntezy. Bakterie zielone, siarkowe, purpurowe żyją w warunkach beztlenowych, korzystają jako donor wodoru związki organiczne, siarczany.

Fotoorganoheterotrofy (fotoorganotrofy) - dostarczycielem energii

jest promieniowanie słoneczne, ale źródłem elektronów - związki

organiczne.

Chemolitoautotrofy - energię, elektrony i węgiel czerpią z

substancji nieorganicznych; zaliczamy tu m.in. bakterie nitryfikacyjne,

siarkowe, wodorowe i żelazowe uzyskujące energię w wyniku utleniania

odpowiednio: NH3 lub NO2, H2S, lub S, H2 i Fe3+.

Chemoorganoheterotrofy - źródłem energii, elektronów i węgla są

związki organiczne; należą tu pleśnie, drożdże, liczne bakterie.

Fotoorganotrofy- wykorzystują energię słoneczną do syntezy związków organicznych ( organiczny donor wodoru). Związki organiczne np.alkohole.

Chemolitotrofy- do syntezy związków organicznych wykorzystują energię chemiczną ( czerpią z utleniania związków organicznych , donorem wodoru są związki nieorganiczne. Energia chemiczna, donor wodoru- związki nieorganiczne. Energia powstaje w wyniku związków chemicznych nieorganicznych ( amoniak, siarkowodór). Ten proces nosi nazwę chemosyntezy.

Fosforylacja chemolitotroficzna- z utleniania nieorganicznych związków chemicznych powstaje energia chemiczna wykorzystywana w 2 etapie chemosyntezy czyli w asymilacji CO2 i redukcja oraz synteza organicznych związków. Np. bakterie nitryfikacyjne - bakterie dzielą się na 2 grupy tlenowe i beztlenowe. Tlenowe utleniają amoniak. Nitroso, Nitromonas.

Chemoorganotrofy- energia chemiczna , donorem wodoru jest związek organiczny. Źródło energia chemiczna, donorem jest prosty związek organiczny. Mogą wiązać CO2 dzięki enzymom.

Podział heterotrofów wg innych kryteriów:

→ prototrofy - wymagają do wzrostu oprócz substancji

mineralnych tylko jednego organicznego źródła węgla,

→ auksotrofy - wymagają do wzrostu oprócz

podstawowego organicznego substratu węglowego co

najmniej jednego dodatkowego związku organicznego

pełniącego rolę czynnika wzrostowego (np. witaminy,

aminokwasu, zasady purynowej lub pirymidynowej).

Heterotrofy dzieli się także na:

→ saprofity - wykorzystują martwą materię organiczną,

→ pasożyty - rozwijają się „na” organizmie żywym, ze

szkodą dla tego organizmu,

→ komensale - rozwijają się „na” organizmie żywym,

nie przynosząc mu ani korzyści ani szkody,

→ symbionty - rozwijają się w zespole z innym

organizmem żywym, przy czym dla obu organizmów

jest to układ korzystny.

Fotosynteza u bakterii

światło

CO₂+ H₂S C₆H₁₂O₆+ H₂O + S

bakteriochlorofil

Fotosynteza u roślin

światło

CO₂ + H₂O C₆H₁₂O₆ + H₂O + O₂

chlorofil

donor wodoru

Bakteriochlorofil - ksantofile, pantonoidy, barwniki absorbujące światło, ulegają utlenianiu i później ulegają redukcji

Fotosynteza u bakterii

1. Fotofosforylacja

2. Asymilacja i redukcja CO₂ i synteza związków organicznych

Pod wpływem energii kwantu światła pochłoniętego przez chlorofil ulega utlenianiu wybity elektron zostaje przetransportowany przez przenośniki na akceptor. W czasie transportu uwalnia się energia i powstają cząsteczki ATP. Energia jest używana do asymilacji CO₂ i do jego redukcji.

Bakterie pobierają CO₂ i później następuje jego redukcja oraz tworzy się z tego związek organiczny np. cukier.

Fosforylacja cykliczna występuje u bakterii

W komórkach bakterii gromadzi się siarka elementarna.

Katabolizm - polega na rozpadzie substancji organicznych na mniejsze prostsze związki, mają charakter oksydacyjny, uwalniania jest energia, która może być zużyta w biosyntezie, w procesach biosyntezy, do pobierania pokarmu, poruszania się, rozmnażania

Rodzaje procesów katabolicznych:

1. oddychanie tlenowe

- akceptorem jest tlen

2. oddychanie beztlenowe

- związki nieorganiczne

Azotanowe

Siarczanowe

Węglanowe

3. fermentacja

- akceptorem jest związek organiczny

Mlekowa

Alkoholowa

Masłowa

Prioponowa

Inne fermentacje

1. oddychanie tlenowe

Istotą oddychania tlenowego jest schemat: substrat - dehydrogenaza - substrat utleniony + elektrony. Równocześnie mamy do czynienie z odłączeniem protonów h + czyli odwodorowaniem. Jony te są następnie przekazywane przez szereg przenośników, czyli substancji o coraz wyższym potencjale oksydacyjno-redukcyjnym na tlen, co prowadzi do wytworzenia cząsteczki H 2 O. Do tych przenośników zaliczamy N A D , N A D P, flawoproteidy, ubichion, cytochromy i oksydazę cytochromową.

dehydrogenaza

substrat substrat utleniony + elektrony

Rozkład najczęściej glukozy w wyniku powstaje CO2 i H2O

Oddychanie tlenowe, zwane też komórkowym, składa się z trzech podstawowych etapów. Pierwszym z nich jest glikoliza, czyli metabolizm glukozy. Główną substancją, która dostarcza energii jest właśnie glukoza. Całościowy bilans energetyczny procesu uzależniony jest od obecności tlenu. Etap ten polega na wielu reakcjach, które doprowadzają w rezultacie do powstania związków trójwęglowych. Powstały kwas pirogronowy ulega dekarboksylacji i tworzy się czynny octan.

Druga faza to cykl Krebsa, który polega na utlenieniu powstałego wcześniej czynnego octanu. Ma miejsce szereg reakcji, w czasie których odłączane są cząsteczki dwutlenku węgla i atomy wodoru. Ostatni etap to łańcuch oddechowy. Atomy wodoru i elektrony zostają przeniesione na tlen. Wytworzona zostaje cząsteczka wody.

W czasie oddychania tlenowego główne produkty to dwutlenek węgla i cząsteczka wody. Uwalniana ilość energii jest w tym wypadku jest bardzo duża.

2. oddychanie beztlenowe

Redukcja asymilacyjna azotanów

+2H +H

NO₃ NO₂ Hydroksyamina NH₂OH NH₃

fermentacja (częściowe rozłożenie związków organicznych tak ze, redukowane są prostsze związki oraz niewielka ilość energii. -redukcja (wykorzystywanie związków nieorganicznych, które wykorzystywane akceptują elektrony inne niż tlen)

Oddychanie beztlenowe zwane jest także fermentacją. Jest to proces beztlenowy i enzymatyczny. W zależności od produktów końcowych można wskazać na fermentację alkoholową, masłową czy tym podobną. Podstawowym zadaniem całego tego mechanizmu jest dostarczenie określonemu organizmowi energii w beztlenowych warunkach. W przeciwieństwie do oddychania tlenowego w tym przypadku ilość uwalnianej energii jest niewielka.

Proces oddychania beztlenowego rozpoczyna się od glikoliza. Jej przebieg jest podobny jak w opisanym wyżej przypadku. Zmiana następuje od momentu wytworzenia kwasu pirogronowego. Nie wchodzi on już w cykl Krebsa, ulega jednak dekarboksylacji. Następnie zostaje on zredukowany.

Mikroorganizmy oddychające beztlenowo nie posiadają katalazy- są to też mikroaerofile żyjące przy niewielkim stężeniu tlenu, albo brak im katalazy i dysmutazy nadtlenków-bezwzględne beztlenowce, dla których obecność tlenu jest zabójcza.

3. oddychanie siarczanowe

Bakterie redukujące siarczany (SO42-) nie utleniają cukrów, lecz korzystają z prostych związków organicznych będących produktami fermentacji. Mogą być to: kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas masłowy, kwas octowy, etanol, indol, benzoesany, a także związki będące składnikami ropy naftowej. W redukcji siarczanów biorą udział inne przenośniki elektronów niż w redukcji azotanów. Elektrony na reduktazę redukującą siarczany przenoszone są przez szczególny cytochrom c3 występujący jedynie w bakteriach siarczanowych. Elektrony do łańcucha dostarczane są przez dehydrogenazy związków organicznych lub hydrogenazę wykorzystującą jako źródło elektronów wodór cząsteczkowy H2. Do redukcji siarczanów zdolne są bakterie z rodzaju: Desulfovibrio, Desulfotomaculus, Desulfobacter,Desulfococcus i Desulfolobus

podobnie jak w przypadku azotanów także siarczany mogą być  redukowane na drodze asymilacyjnej i dysymilacyjnej. Redukcja asymilacyjna polega na przeprowadzeniu siarki do S-2 tak aby była możliwość wbudowania jej do związków organicznych. Dysymilacyjna redukcja siarczanów jest związana z procesem oddychania beztlenowego przy którym są one akceptorem elektronów przenoszonych z substratu oddechowego. Ten typ utleniania spotykamy u bakterii występujących w zbiornikach wodnych i bagnach.

SO4 S-2

D)oddychanie azotanowe

Oddychanie azotanowe polega na przekształcaniu azotanów poprzez azotyny i hydroksyaminę do amoniaku który może być wykorzystywany do syntezy aminokwasów. Bakterie zdolne do oddychania azotanowego redukują azotany inaczej-produktami są wtedy podtlenek azotu N2O lub wolny azot N. Proces ten prowadzą chemolitotrofy, chemoorganotrofy.

E) oddychanie węglanowe

Oddychanie węglanowe gdzie akceptorem elektronów w procesie oddychania beztlenowego mogą  być tez CO2 i węglany. Zawarty w tych związkach węgiel ulega redukcji do metanu. Równocześnie zachodzi utlenianie wodoru. Zachodzi to u bakterii metanogennych.

Wykład -14.11.2011r-

Fermentacja- zdolne do fermentacji jest wiele bakterii, niektóre grzyby- drożdże (Eucaryota). Proces fermentacji mogą  przeprowadzać niektóre bakterie, jak również grzyby. Polega ona na rozbiciu substratu oddechowego na części oraz utlenieniu jednej z nich kosztem zredukowania drugiej. Elektrony są więc przenoszone z substratu, a właściwie związku powstałego z jego rozbicia na akceptor, którym jest związek organiczny. Odbywa się to bezpośrednio z pominięciem łańcucha przenośników. W przypadku fermentacji zachodzi również synteza ATP Jest to tak zwana Fosforylacja substratowa.

Produkt rozbicia substratu związki organiczne elektrony produkt rozbicia

Przemiany substratu w czasie oddychania:

1. przemiany różnych związków węgla

- związki 3,4,5 węglowe poprzez glikolizę, cykl pentozowy, cykl Entnera, cykl Krebsa

- związki 2 węglowe są przekształcane do acetylo-CoA. Mogą też być utlenianie bezpośrednio np.

CH₃COOH CH₂CHCOOHCHOCOOHHCOOHCO₂

- spotykana jedynie u bakterii jest zdolność wykorzystania związków 1 węglowych

CH₄ CH₃OH HCHO CO₂

Niepełne utlenianie substratu:

- produkty - kwasy organiczne i inne wysoko utlenione związki, łatwe do pomylenia z fermentacją, przyczyną jest niepełny cykl Krebsa

- mogą powstawać kwasy organiczne, ketony

1. fermentacja mlekowa

FERMENTACJA MLEKOWA to enzymatyczny rozkład bogatszych w energię substancji organicznych do uboższych związków prostych, przebiegający w warunkach beztlenowych. Proces ten przeprowadzają różne gatunki bakterii, metabolizując CUKRY PROSTE i dwucukry do kwasu mlekowego i innych związków tj. kwasu octowego czy dwutlenku węgla, z zastosowaniem enzymów. 

Bakterie właściwej fermentacji mlekowej, ze względu na metabolizm dzielimy na: 
• homofermentatywne (fermentują cukrowce wytwarzając kwas mlekowy) 
• fakultatywnie heterofermentatywne (podczas fermentacji produkują tylko kwas mlekowy lub dodatkowo kwas octowy, etanol i dwutlenek węgla) 
• heterofermentatywne (fermentują cukrowce wytwarzając obok kwasu mlekowego produkty uboczne).

Bakterie te zaliczane są do rodzajów: 
• Lactococcus- paciorkowce homofermentatywne (Lactococcus lactis- paciorkowiec mlekowy, Lactococcus cremoris- paciorkowiec śmietanowy),
• Leuconostoc- paciorkowce heterofermentatywne (Leuconostoc citrovorum- używany jako dodatek do zakwasów przy wyrobie masła),
• Lactobacillus- pałeczki zarówno homo-, jak i heterofermentatywne (Lactobacillus bulgaricus- pałeczka używana do wyrobu jogurtu, Lactobacillus viridescens- wywołuje zielenienie mięsa peklowanego oraz surowych kiełbas). 

Przebieg właściwej fermentacji mlekowej można przedstawić za pomocą następującego równania sumarycznego: 
C6H12O6 -> 2CH3 • CHOH • COOH + 94 kJ (22,5 kcal) 

Fermentacji ulegają głownie heksozy, zaś pentozy i CUKRY złożone nie są metabolizowane w tym procesie. 

2. fermentacja alkoholowa, etanolowa

Fermentacja alkoholowa to beztlenowy rozkład cukrów prowadzony głównie przez drożdże z gatunku Saccaromyces cerevisiae, według ogólnego równania ustalonego już ponad 150 lat temu przez Gay Lussaca:

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 + 117,2 KJ

W wyniku tego procesu powstaje również szereg produktów ubocznych, między innymi: gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy. Produktami ubocznymi fermentacji są również wyższe alkohole i estry, które mają decydujący wpływ na bukiet smakowo-zapachowy produktu. Fermentacja jest od tysięcy lat głównym sposobem zabezpieczania żywności przed psuciem. Mikroorganizmy biorące udział w fermentacji powodują zmiany chemiczne i fizyczne, w wyniku których powstający produkt może być znacznie dłużej przechowywany oraz uzyskuje nowy smak i zapach. 
Fermentacja alkoholowa jest wynikiem działania dużej liczby enzymów, przy czym rezultatem jej jest wydzielenie się około 50 kcal/mol rozłożonej heksozy. Szereg reakcji omawianego procesu zachodzi także w komórkach drożdży, w mięsistych dużych owocach, w nasionach okrytych twardą łupiną i w korzeniach, jeśli jest dużo wody w glebie, zachodzi w korzeniach roślin bagiennych np. ryż.

Fermentacja etanolowa, jako proces 3 etapowy

W przebiegu fermentacji alkoholowej można dostrzec trzy etapy, z których dwa pierwsze zdają się być identyczne z przebiegiem fermentacji mlekowej lub z procesem GLIKOLIZY zachodzącym w mięśniach (beztlenową przemianą cukru w kwas mlekowy).

a) pierwszy etap polega na tworzeniu się z glukozy (pod wpływem ATP, odpowiednich kinaz i izomeraz) - ostatecznie 1,6-dwufosforanu fruktozy
b) drugi etap polega na rozpadzie dwufosforanu fruktozy na aldehyd fosfoglicerynowy i fosfodwuhydroksyaceton a następnie wytworzenie kwasu pirogronowego
c) trzeci etap fermentacji alkoholowej to dekarboksylacja kwasu pirogronowego a następnie zredukowanie, aldehydu octowego do alkoholu etanolowego pod wpływem zredukowanego NAD (dinukleityd nikotynoamidoadeninowy)

Pirogronian +H+ => dekarboksylaza pirogronianowa=> aldehyd octowy + CO2

aldehyd octowy +NADH +H+ => dehydrogenaza alkoholowa => etanol +NAD+

Ostatecznym rezultatem tych przemian jest powstanie dwóch cząsteczek etanolu i dwóch cząsteczek CO2 z cząsteczki rozłożonej heksozy.
Organizmy fermentacji alkoholowej

Wiele grzybów strzępkowych (Mucom, Rhizopus) oraz bakterii (Sarcina ventriculi) wytwarza etanol, jednakże praktyczne zastosowanie mają, tylko te u których etanol jest produktem głównym.
W przemyśle stosowane są różne gatunki i rasy drożdży należących do rodzajuSaccharomyces. Fermentują one CUKRY PROSTE tj.: glukoza, fruktoza, mannoza także maltoza i sacharoza. Podczas intensywnego przebiegu fermentacji, komórki drożdży są rozmieszczone w całej objętości płynu.
Drożdże fermentacji górnej (Saccharomyces cerevisiae) prowadzą proces w wyższej temperaturze niż drożdże fermentacji dolnej (Saccharomyces carlsbergensis), sam proces przebiega bardziej intensywnie z wydzieleniem dużej ilości CO2. 

3. Fermentacja propionowa

Fermentacja propionowa to proces biochemiczny prowadzony przez liczne gatunki bakterii propionowych (rodzaj Propionibacterium), charakterystyczny dla oddychania beztlenowego. Polega na przemianie cukrów, mleczanów i innych związków na kwas propionowy, kwas octowy i dwutlenek węgla. Przebieg reakcji przedstawić można za pomocą schematu:
3CH₃CHOHCOOH => 2CH₃CH₂COOH + CH₃COOH + CO₂ +H₂0

Bakterie fermentacji propionowej

Bakterie propionowe występują w żwaczu i jelicie przeżuwaczy (bydło, owce), gdzie odgrywają rolę w tworzeniu kwasów tłuszczowych, przede wszystkim kwasu propionowego i octowego w żwaczu. Ich działanie polega na przekształceniu mleczanu, powstającego podczas różnorodnych fermentacji w żwaczu, do kwasu propionowego. Rzadko występują w mleku, nie są izolowane z gleby, ani wody, natomiast istnieje możliwość ich wyizolowania z hodowli wzbogaconej, stosując podłoże zawierające kwas mlekowy i ekstrakt drożdżowy. 

Do najbardziej znanych gatunków bakterii należą:
• Propionibacterium freudenreichii i jego podgatunek P. shermanii,
• Propionibacterium acidi-propionici,
• Propionibacterium agnes,
• Veilonella alcalescens (Micrococcus lactilyticus),
• Clostridium propionicum,
• Selenomonas,
• Micromonospora.

Bakterie z rodzaju Propionibacterium to gram-dodatnie, nieruchliwe laseczki, nie tworzące endospor. Bakterie propionowe nie rosną na podłożach stałych na powietrzu z powodu braku tolerancji na tlen atmosferyczny oraz zdolności do wzrostu i tworzenia ATP w wyniku beztlenowej fermentacji. Przez długi czas uważano bakterie propionowe za obligatoryjnie fermentujące. Stwierdzono jednak, że zawierają one enzymy takie jak katalazy, a także cytochromy. Wszyscy dotychczas zbadani przedstawiciele rodzaju Propionibacterium rosną zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych.
W warunkach tlenowych Propionibacterium przeprowadzają fermentację glukozy, sacharozy, laktozy, jak również mleczanu, jabłczanu, glicerolu i wielu innych związków do kwasu propionowego.

Substraty: sacharoza, pentozy, kwas mlekowy, kwas jabłkowy, gliceryna

Produkty: kwas propionowy, kwas bursztynowy, kwas octowy, CO2

Występowanie : jelita

4. fermentacja masłowa

fermentacja masłowa to beztlenowy proces enzymatycznego rozkładu sacharydów na kwas masłowy, dwutlenek węgla i wodór. Produktami są również: kwas octowy, kwas bursztynowy i etanol. Zachodzi ona w komórkach bakteriiClostridium. Fermentacja masłowa jest rozpowszechniona w przyrodzie, to m.in. rozkład resztek roślinnych np. w zbiornikach wodnych czy bagnach. Fermentacja masłowa jest podstawą przemysłu produkcji kwasu masłowego oraz bierze udział w procesie roszenia łodyg roślin włóknodajnych jak len, konopie.
Charakterystyczną cechą fermentacji masłowej jest wytwarzanie dużej ilości wodoru, oraz liczne reakcje kondensacji, uwodnienia, wtórnego uwodorowania itd.

Przebieg fermentacji masłowej

Fermentacja masłowa ma różny przebieg w zależności od gatunku bakterii, które ją przeprowadzają jak i od odczynu środowiska. Kwas masłowy jest głównym produktem fermentacji w środowisku obojętnym, zaś w środowisku kwaśnym te same bakterie przeprowadzają fermentację acetobutanolową. Bakterie masłowe odgrywają również istotną rolę w procesie moczenia łodyg lnu i konopi, ponieważ umożliwiają, na skutek fermentacji błonnika, oddzielenie włókien przędnych od tkanki korowej i zdrewniałej.

C6H12O6 + bakterie masłowe → CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 + ok. 15 kcal/mol

Bakterie fermentacji masłowej

Fermentację masłową prowadzą bakterie charakteryzujące się następującymi cechami:
• należą do rodzaju Clostridium,
• są beztlenowcami,
• mają kształt laseczek,
• wytwarzają przetrwalniki (endospory) nadające komórce kształt buławki lub wrzeciona,
• mają zdolność do rozkładu wielocukrów na CUKRY PROSTE; rozkładają m.in. skrobię, dekstryny, błonnik, pektyny,
• materiały zapasowe gromadzą w postaci wielocukrów podobnych do skrobi,
• naturalnym środowiskiem ich występowania jest gleba.
Bakterie fermentacji masłowej:
• Clostridium butyricum
• Clostridium pasteurianum
• Clostridium tyrobutyricum
• Clostridium pectinovorum
• Butyrivibrio fibrisolvens
• Eubacterium limosum
• Bacteroides melaninogenicus
• Treponema phagedenis
• Sarcina
• Butyribacterium
• Fusobacterium
• Megasphera

5) fermentacja octowa

Fermentacja octowa to enzymatyczny proces utleniania alkoholu etylowego do kwasu octowego, katalizowana przez enzymy wytwarzane głównie przez bakterie octowe. Zachodzi także jako proces uboczny podczas innych przemian fermentacyjnych. Fermentacja octowa stanowi fundamentalny proces w przemysłowym otrzymywaniu octu (roztworu kwasu octowego). Kwas octowystosowany jest również przy produkcji barwników, różnorodnych tworzyw sztucznych w tym m.in. sztucznego jedwabiu, środków zapachowych, rozpuszczalników i leków w tym aspiryny.

Przebieg procesu fermentacji octowej

Fermentacja octowa jest procesem biochemicznym w wyniku którego powstaje kwas octowy. Zdolnością wytwarzania tego kwasu, w wyniku niecałkowitego spalania alkoholu i zdobywaniem w ten sposób energii, odznaczają się przede wszystkim bakterie octowe, należące do rodzaju Acetobacter.
Pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie octowe etanol utlenia się z wykorzystaniem tlenu z powietrza do kwasu octowego z wydzieleniem wody.
Fermentacja octowa przebiega w dwóch etapach:
1. CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 - 29,29 kJ
2. 2H2 + O2 → 2H2O +477,09Kj
Pierwsza reakcja jest endotermiczna i wymaga wydatkowania energii, wynoszącej 29,29 kJ/mol alkoholu. Druga zaś jest egzotermiczna i dostarcza 477,09 kJ/,mol. W sumie obie reakcje dostarczają 447,80kJ/mol:
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + 447,80kJ
U niektórych gatunków bakterii octowych występuje zjawisko nadmiernego utlenienia, czyli tzw. nadoksydacji. Mogą one np. dalej utleniać kwas octowy, zgodnie z zapisem reakcji:
CH3COOH +2 O2 → 2CO2 + 2H2O + 857,92kJ

Bakterie fermentacji octowej

Bakterie octowe należą do rodzaju Acetobacter. Są to pałeczki występujące pojedynczo, po dwie lub w łańcuszkach Mają skłonność do przechodzenia w postacie nieprawidłowe, czyli inwolucyjne, pod wpływem silnego zakwaszenia środowiska Wiele gatunków wytwarza otoczki śluzowe. Nie tworzą przetrwalników. Są Gram - ujemne. Są typowymi tlenowcami, mezofilami, najkorzystniejsze pH dla ich rozwoju wynosi od 4 do 6,5. Nie mają wysokich wymagań pokarmowych. Mogą utleniać alkohol etylowy do kwasu octowego.
Kwas octowy, oprócz bakterii octowych, produkowany jest przez inne drobnoustroje, np. przy fermentacji alkoholowej, mlekowej (przez bakterie heterofermentatywne) i masłowej, ale powstaje on wtedy w małych ilościach, jako produkt uboczny. Istnieją również niektóre bakterie z rodzaju Clostridium(np. C. aceticum), które przenoszą wodór, odczepiony w reakcjach oksydacyjnych na dwutlenek węgla i wytwarzają w ten sposób również kwas octowy:
8H+ + 2CO2 → CHCOOH + 2H2O

1. fermentacja Enterobacteriaceae - pałeczki jelitowe, proces beztlenowy

Najwięcej energii wydobywa komórka w procesie oddychania tlenowego. Beztlenowe około 80%. Fermentacja mniej energii. Komórka musi dużo przerabiać substratów by mieć dużo energii i zachodzą zmiany w środowisku przy fermentacji.

Ogólna charakterystyka procesów oddychania bakterii

- różnorodność i odrębność w porównaniu z innymi organizmami żywymi

- alternatywny lub równoczesny przebieg w komórce różnych przemian oddechowych

- istnienie różnych form oddychania beztlenowego

Asymilacja CO₂

- do biosyntezy niezbędne są proste związki organiczne, które drogą kondensacji lub polimeryzacji są przekształcane w białka, kwasy nukleinowe, tłuszcze, polisacharydy, i inne składniki komórki

- substraty są pobierane przez organizmy heterotroficzne z otoczenia

- autotrofy mają zdolność syntezy prekursorów jeszcze z prostszego substratu jakim jest CO2

- węgiel zawarty w CO2 jest na wysokim stopniu utlenienia

Fotosynteza bakteryjna

- chromatofory

- chlorofil

- karotenoidy i ksantofile

- aparat fotosyntetyczny

Energia jest magazynowana w ATP. Reszty fosforanowe są przyłączane

Fosforylacja fotosyntetyczna

Energia uwalniana podczas transportu elektronów (w kolejnych reakcjach redox między przenośnikami) jest wykorzystywana do przeniesienia protonów ze stromy chloroplastu do wnętrza tylakoidów. Powstały gradient protonów umożliwia syntezę ATP przez zlokalizowaną w błonie tylakoidów syntazę ATP. Ponieważ do syntezy ATP wykorzystywana jest energia świetlna, stąd ten typ fosforylacji określany jest jako fosforylacja fotosyntetyczna. Transportowane elektrony docierają do fotosystemu I, uzupełniając w nim niedobór elektronów, który powstał podobnie jak w fotosystemie II (absorpcja fotonu → wzbudzenie cząsteczek chlorofilu → wybicie elektronu). Elektrony wybite z fotosystemu I są przenoszone na NADP+, powodując jego redukcję do NADPH+H+.

Synteza ATP zachodzi na drodze fosforylacji fotosyntetycznej, czyli przy udziale światła. Jeśli transport elektronów odbywa się od H2O do NADP+, w czym uczestniczą fotosystemy II i I, mówimy o fosforylacji niecyklicznej.

Natomiast w fosforylacji cyklicznej występuje zamknięty obieg elektronów wybitych z fotosystemu I i do niego wracających przez układ przenośników. Podczas takiej fosforylacji nie zachodzi fotoliza wody i redukcja NADP+, następuje jednak synteza ATP. Fosforylacja taka odbywa się w warunkach niedoboru wody, braku NADP+ lub braku fotosystemu II (np. u bakterii purpurowych).

U bakterii nie ma fosforylacji niecyklicznej jest tylko cykliczna.

Cechy fotosyntezy bakteryjnej :

- w warunkach beztlenowych, w tlenowych nie chce zachodzić

- faza ciemna przechodzi tak samo jak u roślin

Bakterie fotosyntetyzujące

- purpurowe bakterie siarkowe

- bakterie zielone

- purpurowe bakterie bezsiarkowe

Chemosynteza

To samo co fotosynteza- asymilacja CO2 , pochłanianie nieorganicznego węgla, energia pochodzi ze światła

Bakterie nitryfikacyjne:

- utlenianie związków organicznych i nieorganicznych , wytwarzanie energii

- utleniają związki azotu

Nitroso- amoniak do azotynów

Nitro - azotyny- azotany

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

Intensywność metabolizmu :

Procesy anaboliczne - synteza genoforu trwa 40 minut w ciągu 1 sekundy zostaje połączonych do 5000 pojedynczych nukleotydów. Cząsteczka białka syntetyzowana w ciągu 5s.

Procesy kataboliczne - Azotobakter w wykorzystując glikolizę wytwarza w ciągu 1 h w procesie oddychania około 2000 cm3 CO2 na 1g suchej masy.

Komórka roślinna funkcjonuje w ten sam sposób co inne, każda działa tak samo w oddychaniu tlenowym

Komórka zwierzęca też tak samo

Komórka bakteryjna - ma dużo sposobów życia. Żyją wszędzie w warunkach tlenowych, beztlenowych.

Przebiegi zmieniają się w zależności od ilości tlenu. Warunki beztlenowe- oddychanie siarczanowe, azotanowe, fermentacja

Mikroorganizmy starają się wykorzystywać najpierw oddychanie tlenowe, później beztlenowe, na końcu fermentacje

Materia organiczna wyprodukowana przy procesie fotosyntezy nie cała jest wykorzystywana. Jest magazynowana w postaci próchnicy, torfu, humusu, łupków ilastych, gazu ziemnego

Genetyka mikroorganizmów

Materiał genetyczny

- wielkość genomu - rośliny 10⁵ - 10⁹, wirusy 10¹,

- budowa genoforu -spirala DNA, długość 250-1400 mikrometrów, spirala II rzędu, poplątana, długa

Eucaryota- organizm diploidalny , chromosomy są w parach na chromosomach są geny. Zmiany budowy DNA mogą nie uwidoczniać się w fenotypie

Procaryota - zmiany w DNA uwidaczniają się natychmiast w fenotypie

Mutacja

Mutacja to nagłe pojawienie się w populacji komórek różniących się od pozostałych np. swoimi wymaganiami co do niezbędnych substancji odżywczych lub wrażliwości na niekorzystne warunki środowiska i przekazujących te cechy komórkom potomnym. Przyczyny mutacji to zmiana w budowie D N A np. zamiast przyłączenia właściwej zasady purynowej lub pirynowej zostaje przyłączona inna o podobnej budowie, zakłócenia zdolności kontrolnych polimerazy D N A ( nukleoidy łączone są w złej kolejności ), wbudowanie do części D N A zamiast nukleotydu jego analogu, zmiana w matrycy służącej jako wzór do syntezy nowej nici wywołana np. promieniowaniem ultra fioletowym U V albo pod wpływem mutagenów chemicznych, zmiana fazy odczytu występująca po dodaniu lub opuszczeniu nukleotydu w łańcuchu D N A powoduje to syntezę innego białka, Mutacje milczące- zmiana trójki nukleotydów która nie powoduje widocznych efektów albo zmiana aminokwasów poza jego centrum aktywnym.

Mutacje u bakterii:

Nagłe pojawienie się komórki o odmiennych dziedzicznych cechach zmiana sekwencji zasad w genomie komórki

Przykłady mutacji :

- zmiana koloru

- na pożywce stałej pojawiają się kolonie o odmiennych cechach

- bakteria może tracić rzęski ( nie może się poruszać) , są mniejsze, wydłużają się , mogą tracić otoczki, może się zmienić budowa ściany komórkowej, może pojawić się auksotrofia bakteria heterotroficzna wytwarzała sobie wszystko co potrzebne dla niej

-fermentacja cukrów - utrata enzymów szlaków metabolicznych- brak zmiany koloni na pożywce z cukrem i wskaźnikiem, pH

- odporność na toksyny- zmiana odporności na toksyny

- odporność na wirusy- utrata receptorów wirusów

- wrażliwość na temperaturę - zmiana budowy i struktury białek

- utrata pigmentu

- wrażliwość na niską temperaturę - zmiana składu i budowy białek

Mutacje spontaniczne- zachodzą same z siebie

- promieniowanie naturalne np. kosmiczne

- błędy podczas replikacji DNA

Częstość mutacji

Pomimo istnienia mechanizmów kontrolnych - błędy pojawiają się z częstością jednej na 10 do 7 - 10 do 11 przyłączonych par zasad. 1 gen zawiera przeciętnie 1000 par zasad

Częstość błędów w obrębie genu to 10 do minus 4 - 10 do minus 8 na pokolenie w przeciętnej hodowli znajduje się około 10 do minus 8

Mutacje punktowe

- zmiana sensu kodonu

- zmiana pojedynczej - pojedynczych zasad w DNA

Brak zmian fenotypu pomimo mutacji

- niedokładny odczyt trzeciej zasady z kodonu AUC

Znaczenie zmian sekwencji aminokwasów w białku - miejsce cząsteczki ( centrum aktywności)

Jeżeli zajdzie mutacja w centrum aktywnym to nie będzie reakcji, ponieważ substrat nie będzie pasował, zajdzie reakcja gdy mutacja zajdzie na peryferiach enzymu

- niewielka zmiana struktury białka w wyniku mutacji

- znaczna zmiana struktury białka w wyniku mutacji

Mutacje powrotne ( rewersje)

-mutacja powodująca przywrócenie cech typu dzikiego

- rewentanty prawdziwe- odtworzenie genotypu pierwotnego

- rewentanty funkcjonalne - druga mutacja w innym fokus

- mutanty supersorowe

Delekcje i insercje

Przesunięcie fazy odczytu

Czynniki mutagenne

- analogie zasad - związki podobne do kwasów nukleinowych udają zasady 5-bromouracyl, zamiast tyminy łączy się z guaniną

- 2-aminopuryna zamiast adeniny łączy się z cytozyną

Mutageneza ukierunkowana - inżynieria genetyczna

Wyrażenie się mutacji i selekcja fenotypu mutantów

- natychmiastowe pojawienie się mutacji

Auksotrof = Prototrof - nabycie zdolności syntezy aminokwasu - wzrost na pożywce bez tego związku

- opóźnienie fenotypowe

Prototrof= auksotrof - cecha ujawnia się po wyczerpaniu ( rozcieńczonego ) enzymu po kilku pokoleniach

Wypieranie szczepu dzikiego przez mutanty w komórkach bakterii szybko rosnących może być kilka egzemplarzy genomu Enstericha coli

Rekombinacja genetyczna to włączenie obcego DNA do genoforu lub plazmidu

1. rekombinacja ogólna - zachodzi pomiędzy homologicznymi nićmi DNA

- połączenie w pary homologicznych nici DNA

- pęknięcie nici DNA

- skrzyżowanie nici DNA

-ponownie połączenie nici DNA

PROCES CROSING OVER

2. rekombinacja nieuprawniona

- zachodzi między nie homologicznymi nićmi 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 :

1. koniugacja - przekazywanie materiału genetycznego z komórki do komórki przy bezpośrednim kontakcie np. Enstericha coli - bakterie typu F⁺, F^- oraz Hfr . 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⁺

Znaczenie czynnika F w przenoszeniu u bakterii

• czynnik F może być włączony do genoforu Hfr lub ponownie z niego wycięty

• jeśli wycięcie nastąpi niedokładnie to czynnik F zawiera części genów bakterii

• czynnik F z fragmentem genoforu to tzw. F'

• w wyniku przeniesienia F' do bakterii F^- powstaje komórka mająca podwójny fragment genoforu

Rozpowszechnienie koniugacji u bakterii; Rhizobium

Plazmidy

Oprócz genoforu występują w cytoplazmie małe, dwuniciowe zwykle koliste cząsteczki DNA

Budowa i wielkość plazmidów- plazmid zawiera origin, czyli miejsce warunkujące początek replikacji spleciona spirala DNA. Liczba kopii plazmidów w komórce do kilkuset im mniejsze tym więcej komórek

Plazmidy to autonomiczne cząstki DNA mające kształt pierścienia, których replikacja odbywa się  niezależnie od podziału genoforu bakterii. Plazmid może tez być  wbudowany do DNA, ma on geny istotne dla komórki, np. gen o możliwości rozkładu laktozy przez bakterie Escherichia coli. W genach tych mogą być zawarte informacje o odporności na np. jony metali, o wydalaniu związków toksycznych na zewnątrz komórki. Zakażenie komórki jednym plazmidem zapobiega wnikaniu innych.

Wyróżniamy

• plazmidy krytyczne - nie kodują żadnych cech zmieniających fenotyp

• Plazmidy kodujące - nadają odporność, nadają patogeniczność, kodują cechy metaboliczne

- efekty fenotypowe wywołane przez plazmidy

= wykorzystanie octanu, kamfory, naftalenu np. Pseudomonas

= wiązanie azotu np. Rhizobium

Wykład -05.12.2011r-

Transformacja - przekazywanie rozpuszczonego DNA uwolnionego z komórek dawcy do komórek biorcy

Komórka bakterii musi się przygotować do pobierania DNA pobieranie zauważono u wielu gatunków bakterii, przenoszone cechy, tworzenie otoczek, pototrofizm

Przebieg:

• Zmiana warstw powierzchniowych komórki

• Wzrost aktywności egzoenzymów

• Synteza czynnika kompetencji

• Wnikanie do komórki jednej z nici dwuniciowego DNA

• Po wniknięciu rekombinacja genetyczna z DNA genoforu

Transformacje można przyśpieszać np. temperaturą, glikolem , działaniem pola elektrycznego , jest to sposób na wymianę na przedostawaniu się DNA z jednej do drugiej

Transdukcja - przekazywanie DNA z jednej do drugiej komórki przy udziale bakteriofagów. Zwykle przekazywane są małe odcinki DNA. Występuje u wielu gatunków bakterii Pseudomonas, Salmonella

Transdukcja ogólna ( niespecyficzna ) wbudowane DNA do faga zamiast ( lub obok ) DNA fagowego

Transdukcja specyficzna - przeniesienie przez faga obok własnego DNA części materiału genetycznego dawcy

Wśród procesów paraseksualnych bakterii wymienia się niekiedy kapsdukcję i konwersję lizogenną.

Kapsdukcja jest przekazywaniem DNA z jednej komórki bakterii do innej:

• Odbywa się bez kontaktu komórek

• Nie uczestniczą w tym procesie bakteriofagi

• Kwas nukleinowy jest chroniony przed działaniem nukleaz

Genetyczne sposoby regulacji metabolizmu

Ilość lub aktywność enzymów jest regulowana zgodnie z aktualnymi potrzebami komórki

Metabolizm jest sterowany przez genofor. Przeprowadzają go różne enzymy .

Indukcja - enzymy indukcyjne ( egzoenzymy) są wydzielane przez komórkę bakterii tylko wtedy gdy w środowisku jest dostępny odpowiedni substrat

Substrat swoim pojawieniem zaindukował proces, pasuje swoim kształtem do represora, represor woli łączyć się z substratem niż z operatorem.

Represja enzymów - produkcja enzymów potrzebnych w szlakach metabolicznych biosyntezy jest regulowana przez produkt końcowy. Biosynteza argininy prowadzi do glutaminianu przez ornitynę i cytrulinę.

Represja kataboliczna- dotyczy regulacji wytwarzania enzymów w procesach rozkładu substratów

Zjawisko diauksji - przy równoczesnej dostępności różnych substratów, są one wykorzystywane kolejno a nie równocześnie

Regulacja aktywności enzymów - obok regulacji ilość enzymu może być zmieniana do jego aktywności

Inżynieria genetyczna - zespół metod umożliwiających wprowadzenie obcego genu do komórki. Pozwala na uzyskiwanie organizmów o cechach, które nie występują w przyrodzie.

Stała się możliwa dzięki :

• Opracowywaniu metod izolacji i oczyszczania DNA

• Poznaniu sposobów wprowadzenia DNA do żywych komórek

• Odkryciu enzymów restrykcyjnych

Enzymy restrykcyjne - przecinają podwójna nić DNA ( niezależnie od pochodzenia w specyficznym miejscu ).

Zasada inżynierii genetycznej :

• Wyszukiwanie plazmidu z komórki bakterii

• Wyizolowanie genu z komórki dawcy

• Przecięcie plazmidu

• Wmontowanie genu do plazmidu

• Wprowadzenie plazmidu do komórki bakterii

• Namnażanie bakterii z wprowadzonym nowym genem

Wektory- czynniki używane do transportowania genów ( wprowadzania do komórki)

• Plazmidy

• Fagi

Materiał genetyczny ma dwa końce i łatwo się wymienia. Końce przyczepia się do genu, wsadzamy do kapsydu, szukamy nóżki i mamy fag λ\

Przykładowe zastosowanie inżynierii genetycznej :

• Produkcja insuliny

• Kosmetyka

• Farmaceutyka

• Produkcja szczepionek

• Przetwarzanie płodów rolnych

Zagrożenia stwarzane przez inżynierię genetyczną

• Wynikają z wytworzenia nowych szczepów lub gatunków

• Zasady pracy z organizmami genetycznie modyfikowanymi

Wzrost bakterii

W optymalnych warunkach hodowle niektórych bakterii podwajają swoją mapę w zaledwie 15- 20 minut.

Większość bakterii glebowych i wodnych rośnie wolniej, jednak w porównaniu z innymi organizmami ich wzrost jest intensywniejszy

Bardzo sprawna synteza szeregu substancji ( białek, tłuszczy, węglowodanów, kwasów nukleinowych, mureny), powiększenie objętości komórki

Wzrost populacji bakterii

1. Lag- faza nic się nie dzieje

2. faza młodości fizjologicznej ( zaczyna rosnąc , na krótko)

3. faza logarytmiczna ( wzrost duża szybkość )

4. faza równowagi ( ilość komórek równa się )

5. faza zamierania ( obumieranie )

6. faza logarytmicznego zamierania ( może być samowyjaławianie się koloni )

1

---