Wykład 1:
Drobnoustroje
Występowanie
W skałach do głębokości 4 km
W wodach chłodzących reaktory atomowe
W meteorytach marsjańskich ?
Przeżyły podróż na księżyc poza kabiną
Rola
Obieg pierwiastków w biosferze;
węgiel („monopol” celuloza, ropa naftowa, gaz ziemny, odnawianie zapasu CO2),
azot („monopol” wiązanie wolnego azotu, utlenianie amoniaku),
siarka („monopol” utlenianie siarczków, redukcja siarczanów),
obieg żelaza, manganu, antymonu,
Kształtowanie układów biocenotycznych
Wzajemne stosunki
makroorganizmy - drobnoustroje
?
PATOGENY SYMBIONTY
INHIBITORY STYMULATORY
NEUTRALNE
Wykorzystanie w gospodarce
„Nie ma nauk stosowanych ... Ale istnieją zastosowania nauki” L. Pasteur
produkcja rolnicza i leśna,
ochrona środowiska (oczyszczanie ścieków, degradacja zanieczyszczeń, ograniczenie efektu cieplarnianego),
górnictwo,
medycyna,
produkcja i wydobycie paliw,
synteza rozpuszczalników i biodegradowalnych materiałów,
Mikrobiologia
Obszarem zainteresowania są organizmy jednokomórkowe przedstawiciele królestw
PROKARYOTAE
(bakterie, brak jądra i innych organelli)
PROTISTA
(pierwotniaki, glony, śluzowce, akrazjowce, lęgniowce)
FUNGI
(grzyby drożdżoidalne i strzępkowe)
WIRUSY
Nie zaliczane do żadnego z królestw
Brak budowy komórkowej
Brak zdolności do poruszania
Brak zdolności do samodzielnych czynności metabolicznych
Priony
Zdefektowane wirusy ?
Samoreplikujące się białka
Rozmiary komórek mikroorganizmów
1 cm3 ~1012 komórek E. coli
1 cm3 ~ 3,2 m2
Człowiek ~ 1,7 m2
|
μm |
Białko katalazy |
0,009 |
Wirus polio |
0,01 |
Bakteriofagi |
0,04 |
Wirus ospy |
0,15 |
Mycoplasmatales |
0,1 - 20 |
Eubacteriales |
0,5 - 5 |
Drożdże |
5 - 10 |
Glony |
10 - 300 |
Pierwotniaki |
10 - 1000 |
Priony
BSE
(BOVINE SPONGIFORM ENCEPHALOPATHY
BYDLĘCE GĄBCZASTE ZWYRODNIENIE MÓZGU)
Pierwsze przypadki 1984 r. w Kent
Zdiagnozowane po raz pierwszy w 1985
1985 - 2001
~ 200 000 przypadków BSE w UK
BSE - objawy
Czas inkubacji u bydła 3 - 5 (7 ?) lat
Zwierzęta wykazują nadmierną nerwowość
Zwierzęta mają trudności z chodzeniem i utrzymaniem równowagi
Zwierzęta tracą na wadze i zmniejsza się produkcja mleka
Znane TSE wywoływane przez priony
TSE - Transmissible Spongiform Encephalopathy
Zakaźne gąbczaste zwyrodnienia mózgu
Scrapie (endemiczna gorączka owiec) u owiec i kóz (endemiczna na Wyspach Brytyjskich od 200 lat),
Kuru i Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD) u ludzi,
Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrom i Śmiertelna rodzinna bezsenność u ludzi,
Gąbczasta zwyrodnienie mózgu norek płn.-ameryk.,
Chroniczna wyniszczająca choroba jeleni,
Wyniszczająca choroba łosi,
Prion to:
GLYKOPROTEID
(peptydy + polimer kwasu salicylowego)
TERMOSTABILNY
(do + 300oC)
SAMOREPLIKUJĄCY SIĘ W KOMÓRKACH CUN NIE WRAŻLIWE NA PROTEAZY
BIAŁKO JEST CZYNNIKIEM ZAKAŹNYM, INDUKUJE SYNTEZĘ POTRANSYKRYPCYJNĄ CZYNNIKÓW MODYFIKUJĄCYCH, KTÓRE ZMIENIAJĄ NORMALNE BIAŁKO PRIONOWE
W FORMĘ
PATOLOGICZNĄ PRIONU
„Priony infekcyjne” są transportowane do CUN przez system limfatyczny
Doświadczalnie nie można wywołać choroby drogą pokarmową podając mięso lub mleko od krów z BSE
(ryzyko 1 przypadek / 1 miliard lat / osobę)
Doświadczalnie można wywołać chorobę drogą pokarmową podając tkankę nerwową rdzenia kręgowego oraz szpik kostny
Priony środki zapobiegawcze
Zakaz mechanicznej odzyskiwania mięsa z kości
Zakaz obrotu mięsa z kością
Eliminacja stad w których stwierdzono objawy BSE
Wykład 2:
WIRUSY
Nie zaliczane do żadnego z królestw
Brak budowy komórkowej
Brak zdolności do poruszania
Brak zdolności do samodzielnych czynności metabolicznych
Odkryte w 1892 r. (Iwanowski)
wirus mozaiki tytoniowej
(filtraty soku roślin wywoływały chorobę)
Pochodzenie wirusów
A. Ewolucyjnie uproszczone formy pasożytów
B. Fragmenty kwasów nukleinowych uwolnione z organizmów
większe podobieństwo do gospodarza niż do innych wirusów
z reguły są monofagami,
Kryteria podziału
Genom (ssDNA, sDNA, sRNA, ssRNA),
Forma kapsydu (białko)
Płaszcz (lipidy)
Liczba genów 3 - 300,
Ponadto dzieli się wirusy na podstawie zdolności do infekcji komórek innych organizmów
Kryteria podziału
Podział na podstawie zdolności do infekcji komórek innych organizmów
bakteriofagi,
algofagi,
protofagi,
mykofagi,
fitofagi,
fagi zwierząt i ludzi,
WIROIDY
Genom sRNA / ssRNA (~360 nukleotydów)
Brak kapsydu
Brak płaszcza
(występują tylko u roślin - choroby m.in. chmielu, ogórków, palm kokosowych)
WIRUSY
giną > 60oC (żółtaczka ~90oC),
giną < - 90oC,
stabilne w 1 M NaCl przy +60oC,
odporne na rozpuszczalniki organiczne z wyjątkiem posiadających płaszcz,
trwałe pH 5,0 - 9,0,
antybiotyki są nieaktywne (wyjątek analogi nukleozydów),
wrażliwe na UV i promieniowanie jonizujące,
formaldehyd dezaktywuje (inaktywowane wirusy),
WIRUSY LITYCZNE (ZJADLIWE)
WIRUSY LIZOGENNE
WIRUSY ZWIERZĄT I LUDZI
przeciętnie 2 - 6 infekcji wirusowych rocznie,
większość infekcji zachodzi bezobjawowo,
większość infekcji drogą pokarmową i kropelkową,
DNA - wirusy
POKSYWIRUSY
(ospa, krowianka) replikują się w cytoplazmie - wirus krowianki uodparnia na wirusa ospy,
HERPERWIRUSY
(opryszczka pospolita, opryszczka narządów płciowych, ospa wietrzna - półpasiec) często wywołują infekcje utajone, mogą integrować się z DNA gospodarza indukując guzy nowotworowe (~ 1 / 105), odporność po przechorowaniu,
RNA - wirusy
MYKSOWIRUSY
(wirusy grypy) przenoszone drogą kropelkową i bezpośrednich kontaktów, bardzo zmienne „antigenic shift” nowe ułożenie genów w wyniku wymieszania w jednej komórce zainfekowanej kilkoma cząsteczkami różnych typów, nosicielami ptaki i trzoda chlewna, odporność po przechorowaniu,
RETROWIRUSY
(HIV, nowotwory zwierząt i ludzi) zawierają odwrotną transkryptazę, RNA przepisany na genom gospodarza, uaktywniają się pod wpływem czynników stresowych UV, WWA, zatrucia toksynami bakteryjnymi i grzybowymi, nitrozoaminami,
HIV / HTLV
Human Immunodeficiency Virus
Wirus Upośledzenia Systemu Immunologicznego Ludzi
Powoduje chorobę AIDS
(Acquired Immune Deficiency Syndrome)
Nabyty Zespół Upośledzenia Odporności
Drogi transmisji;
droga płciowa,
krew i preparaty krwiopochodne,
Pochodzenie
prawdopodobnie od naczelnych z Afryki,
pierwszy przypadek 1952 r. - Bristol,
Etiologia
wirus atakuje limfocyty T4, które są komórkami pomocniczymi dla limfocytów B przy tworzenie przeciwciał,
organizm nie wytwarza przeciwciał przez co staje się bardziej wrażliwy na szereg chorób zakaźnych bakteryjnych, drożdżyc i grzybic oraz nowotworów (szczególnie mięśniaki)
ROLA WIRUSÓW
TRANSFER ODPORNOŚCI NA LEKI I PESTYCYDY
INŻYNIERIA GENETYCZNA
produkcja białek i enzymów,
produkcja antybiotyków,
terapia genowa,
ZWALCZANIE CHRÓB I SZKODNIKÓW
Wykład 3
Formy morfologiczne komórek bakterii
GRUPY FIZJOLOGICZNE
FOTOTROFY
pierwotne źródło energii kwant światła
CHEMOTROFY
pierwotne źródło energii
utlenianie związków chemicznych
LITOTROFY
PIERWOTNE ŹRÓDŁO H+ i e-
UTLENIANE ZWIĄZKI MINERALNE
ORGANOTROFY
PIERWOTNE ŹRÓDŁO H+ i e-
UTLENIANE ZWIĄZKI ORGANICZNE
FOTOLITOTROFY
KWANT ŚWIATŁA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI MINERALNE
FOTOORGANOTROFY
KWANT ŚWIATŁA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI ORGANICZNE
CHEMOLITOTROFY
PROCESY UTLENIANIA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI MINERALNE
CHEMOORGANOTROFY
PROCESY UTLENIANIA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI ORGANICZNE
FOTOLITOTROFY
Prokaryotae
Sinice (Cynabacteria)
Fotaliza wody - Zawierają chlorofil a
Zamiast chlorofilu b występuje u nich fikobiliny
Wiążą CO2 w cyklu Kelvina - typ C3 (via fosfoglicerynian)
Niepełny cykl Krebsa
Niektóre wiążą N2
Najczęściej spotykane Sinice
Chloroococcales
Rodzaj Chroococus
Rodzaj Gleocapas
Jednokomórkowe, dzielą się przez podział lub pączkowanie,
Zdolne do wiązania N2,
Pospolite w wodach słodkich i słonych, na skałach oraz w glebie,
Nostocales
Rodzaj ANABENA
Heterocysty - miejsce wiązania N2
Rodzaj NOSTOC
Sinice Anabaena azollae żyją w symbiozie z paprocią wodną Azolla jako endofity wiążące wolny azot i wykorzystywane są do nawożenia pól ryżowych od stuleci jako zielony nawóz jako międzyplon dostarczając do 20 - 60 kg N/ha 2 x rocznie
Sinice wolnożyjące wiążące wolny azot
Stanowią istotny element mikroflory pól ryżowych ~104/1 g gleby
Zakwity na polach ryżowych (5 - 10 t/ha biomasy) w temperaturach 30 - 35oC
Proces wiązania N2 zależy od dostępu P i odczynu (pH > 6,0)
Nawożenie mineralnym N blokuje proces wiązania N2
Wiążą od 20 - 80 kg N2 / ha rocznie
Wykorzystywanie sinic
Sinice Spirulina zbierano z jeziora Texcoco przez Azteków oraz jeziora Czad od wieków
Sinice Spirulina produkowane są na skalę przemysłową w krajach tropikalnych; Izrael, Meksyk, Tajlandia
koszt produkcji ~ 10 - 12 $/kg s.m.,
biomasa zawiera 70% białka, witaminy z grupy B, kwas linolenowy,
Sinice Spirulina wykorzystywane są do oczyszczania ścieków komunalnych i gospodarczych w celu zwiększenia produkcji biomasy w połączeniu z produkcją biogazu (metanu)
Sinice Anabena flos-aqueae wykorzystywane są do oczyszczania ścieków zanieczyszczonych olejem napędowym
Rola sinic w środowisku
Sinice odpowiedzialne są za erozję skał
Zdolne do wzrostu w ekstremalnych warunkach
Zakwity sinic - Microcystis
Odnotowane występowanie toksynotwórczych sinic w Europie
Sinice intensywnie namnażający się w silnie zeutrofizowanych wodach szczególnie o znacznym dopływie fosforanów z nieczyszczonych ścieków produkuje polipetydowe toksyny silnie działające na ptactwo wodne oraz zwierzęta wodne
FOTOLITOTROFY
Prokaryotae
Prochlorales
Jednokomórkowe formy,
Fotaliza wody
Zawierają chlorofil a i chlorofilu b
Wiążą CO2 w cyklu Kelvina typ C3
Niepełny cykl Krebsa
Rola Prochlorales w środowisku
Istotny element fitoplanktonu w jeziorach płn. Europy
Prochlorotrix
w oceanach
Prochlorococcus
Bezwzględne symbionty żachw i koralowców
Prochloron
Prochlorales i sinice porastające koralowce na Wielkiej Rafie Koralowej, Australia
Bezwzględne symbionty jamochłonów
Prokaryotae
Bakterie zielone siarkowe
Chlorobiaceae
Bakterie purpurowe siarkowe
Chromatiaceae
Bezwzględne beztlenowe, niezdolne do oddychania, zawierają chlorofil (CHLOROBIUM) lub bakteriochlorofil b
Gram ujemne
Zdolne do wiązania N2
Donorami do redukcji CO2 są H2S, S, S2O3-2 lub H2 Niektóre odkładają globule siarki w komórkach
Niektóre CO2 w cyklu innym niż Kelvina - nieznany
Zdolne do wzrostu w ekstremalnych warunkach - gorące źródła Yellowstone
Jednokomórkowe glony - Protista
Fotaliza wody
Zawierają chlorofil a i chlorofilu b, karotenoidy
Wiążą CO2 w cyklu Kelvina typ C3
Pełny cykl Krebsa
Oddychanie tlenowe
Bruzdnice (typ - Dinoflagellata)
Eugleiny (typ - Euglenophyta)
Pospolite w słodkich wodach o znacznym stopniu obciążenia fosforanami
Czynne w oczyszczaniu ścieków
Zielenice (typ - Chlorophyta)
Pospolite w czystych wodach Mogą wywoływać zakwity
Krasnorosty (typ - Rhodophyta)
Intensywnie namnażają się w silnie zeutrofizowanych wodach szczególnie o znacznym dopływie azotu i z nieczyszczonych ścieków produkuje neurotoksyny silnie działające na ptactwo wodne oraz zwierzęta wodne
Brunatnice (typ - Phaeophyta)
Intensywnie namnażający się w silnie w strefach oddziaływania prądu El-Ninio - mniej wrażliwe na dziłanie promieniowania UV ?
Produkuje toksyny silnie działające na inne glony oraz zwierzęta wodne
Rola glonów w środowisku
Odnotowane występowanie toksynotwórczych glonów w Europie
Glony różnych intensywnie namnażające się w słonych wodach zanieczyszczonych ściekami - produkuje różnego rodzaju toksyny silnie działające na ptactwo wodne oraz zwierzęta wodne
Przyczyny zakwitów nie są do końca rozpoznane
Odnotowane występowanie toksynotwórczych glonów w Ameryce Płn.
Glony są istotnym elementem porostów
Wykorzystywanie glonów
Glony Scenedesmium zbierano z jezior w Afryce Wschodniej
Glony Scenedesmium produkcja biomasy w Meksyku w oparciu o odpadowy dwutlenek węgla z elektrowni gazowych
Glony Scenedesmium
- biomasa zawiera 55% białka, witaminy z grupy B, karoteny,
FOTOORGANOTROFY
KWANT ŚWIATŁA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI ORGANICZNE
Bakterie zielone bezsiarkowe
Chloroflexaceae, Heliobacteriacea
Bezwzględne beztlenowe, niezdolne do oddychania tlenowego
zawierają chlorofil typu CHLOROBIUM
Bakterie purpurowe bezsiarkowe
Rhodospirillaceae
Zdolne do fotosyntezy w warunkach beztlenowych,
Zawierają tylko chlorofil b
w warunkach tlenowych odżywiają się heterotroficznie
Donory dla elektronów dla redukcji CO2
Mrówczan, octan, etanol, metanol
Zdolne do wiązania N2
Rola w środowisku
czynne w oczyszczaniu ścieków w otwartych lagunach w głębszych warstwach,
tworzą zakwity w ciekach wodnych obciążonych znaczną ilością ścieków
niektóre gatunki wytwarzają toksyny,
Wykłady 4 i 5:
CHEMOORGANOTROFY
PROCESY UTLENIANIA
ŹRÓDŁO H+ i e- ZWIĄZKI ORGANICZNE
Utlenianie substratów węglowodanowych
Szlak fruktozo-1,6-bisfosforanowy (EMP)
Dodatkowo u bakterii wykorzystywane mogą być;
Szlak pentozofosfornaowy (HMP),
Szlak 2-keto-2-deoksy-6-fosfoglukoniowy (ED),
Szlak fruktozo-1,6-bisfosforanowy (EMP)
Szlak pentozofosfornaowy (HMP) (uproszczony)
Niepełne utlenienie substratów węglowodanowych
Utlenianie alkoholi i węglowodanów do kwasów
Acetobacter i Gluconobacter (dawniej Acetomonas)
„bakterie octowe” błędnie zwane bakteriami fermentacji octowej
Dwa typy fizjologiczne
Peroksydans - przejściowo akumuluje kwas, który następnie utlenia całkowicie,
Suboksydans - produkuje kwas wydzielany do podłoża,
Posiadają łańcuch oddechowy
Z reguły nie posiadają cyklu Krebsa
Naturalnie występują w fylosferze i ryzosferze
roślin, owocach i w sokach owocowych
- szkodniki w przemyśle spożywczym
Niepełne utlenienie substratów węglowodanowych
Utlenianie alkoholi i węglowodanów do kwasów
Utleniają alkohole pierwszorzędowe do odpowiadających im kwasów tłuszczowych
CH3CH2OH + NAD ® CH3CHO + NADH2 (łańcuch oddechowy)
CH3CHO + NAD + H2O ® CH3COOH + NADH2 (łańcuch oddechowy)
Utleniają alkohole drugorzędowe do odpowiadających im ketonów
CH3 CHOH CH3 + NAD ® CH3COCH3 + NADH2 (łańcuch oddechowy)
Utleniają alkoholcukry do aldoz lub ketoz
CH2OH (CHOH)4 CH2OH + NAD
D - sorbitol ¯
CH2OH CO (CHOH)3 CH2OH + NADH2 (łańcuch oddechowy)
L - sorboza
Niepełne utlenienie substratów węglowodanowych
Utlenianie alkoholi i węglowodanów do kwasów
Utleniają aldehydy, aldozy i ketozy do odpowiednich kwasów
D - glukoza ® D - glukonian
D - glukonian ® ketoglukonian
L - ksyloza ® L - ksylonian
Wykorzystanie przemysłowe
Produkcja kwasu octowego
Produkcji L - sorbozy (prekursor kwasu askorbinowego)
Produkcji D - glukonianu
Niepełne utlenienie substratów węglowodanowych
„Nadprodukcja kwasów organicznych” przez grzyby
Kwas cytrynowy i inne TCA
Glikoliza + niepełny cykl Krebsa - Aspergillus niger
Kwas itakonowy
Glikoliza + niepełny cykl Krebsa (izomeryzacja) - Aspergillus itaconicus,
Kwas glukonowy
Niepełna glikoliza - Aspergillus niger
Kwasu mlekowy
Glikoliza + bez cyklu Krebsa - Mucorales, Phycomycetes
Posiadają łańcuch oddechowy
Niepełne utlenienie substratów węglowodanowych
Nadprodukcja kwasu cytrynowego - ASPERGILLUS
Utlenienie innych substratów
Utlenianie związków C2
Utlenianie kwasu octowego
A. CH3COOH + ATP ® CH3CO~P + ADP
CH3CO~P + HSCoA ® Pi + CH3CO~SCoA (do cyklu Krebsa)
Utlenianie kwasu szczawiowego
(COOH)2 + HCO~SCoA ® HOOC • CO~SCoA + HCOOH
Formylo - CoA Glioksalanylo - CoA
HOOC • CO~SCoA ® HCO~SCoA + CO2
HCO~SCoA + H2O ® HCOOH + HSCoA
HCOOH + NAD ® CO2 + NADH2 (łańcuch oddechowy)
Utlenianie lipidów
Hydroliza do glicerolu i kwasów tłuszczowych
Utlenianie kwasów tłuszczowych na drodze b-oksydacji
1. CH3(CH2)nCH2CH2COOH + 2 NAD
¯ + H2O
CH3(CH2)n• CO • CH2COOH + 2 NADH2 (łańcuch oddechowy)
2. CH3(CH2)n• CO • CH2COOH + HSCoA
¯
CH3(CH2)n-2CH2CH2COOH + CH3CO • S • CoA (do cyklu Krebsa)
Itd.
Utlenianie metanu
Bakterie Pseudomonas, Mycobacterium, Arthrobacter i inne
CH4 + O2 + NADH2 ® CH3OH + NAD + H2O
Monooksygenaza metanowa
CH3OH + X ® HCHO + XH2 (łańcuch oddechowy)
HCHO + X + H2O ® HCOOH + XH2 (łańcuch oddechowy)
HCOOH + NAD ® CO2 + NADH2 (łańcuch oddechowy)
Oddychaniem nazywamy proces w którym protony i elektrony z reakcji utleniania przenoszone są na ostateczny akceptor mineralny i uwalniana energia swobodna wykorzystywana jest do fosforylacji oksydacyjnej
Fermentacją nazywamy proces w którym protony i elektrony z reakcji utleniania przenoszone są na ostateczny akceptor organiczny bez uwalniania energii swobodnej ® nie zachodzi fosforylacja oksydacyjna
Synteza ATP następuje jedynie na drodze fosforylacji substratowej
Drobnoustroje ze względu na stosunek do tlenu dzielimy;
Bezwzględne tlenowce (jedynie tlen jest akceptorem H+ i e-),
Fakultatywne tlenowce (w obecności tlenu uruchamiają łańcuch oddechowy, w warunkach beztlenowych wykorzystują inne akceptory H+ i e- w łańcuchu oddechowym lub prowadzą fermentacje)
Względne beztlenowce (tolerują tlen),
Bezwzględne beztlenowce (tlen jest toksyczny),
Oddychanie beztlenowe - siarkowe
Bakterie właściwe
Desulfovibrio
Desulfococcus,
Desulfobacter,
Desulfolobus,
Desulfotomaculum
Archebakterie
Pyrodictium
(występują w ekstremalnych warunkach - gorące źródła i stawy siarkowe)
Utleniają kwasy
mrówczan, octan, mleczan, propionian, maślan, wyzsze kwasy tłuszczowe, metanol, etanol, indol, benzoesan i wodór
Nie utleniają cukrów
Alkohole utleniają do kwasów
Żaden gatunek nie ma zdolności do utleniania wszystkich substratów
Są z reguły obligatoryjnymi beztlenowcami
Występują z reguły wspólnie z bakteriami metanowymi
Występują
Przewód pokarmowy, żwacz,
Wody gruntowe,
Obornik, gnojowica, komposty,
Gleby organiczne (bagienne),
Osady denne zbiorniki słodkowodne i słone,
Pola ryżowe powodując uszkodzenia systemu korzeniowego tzw. uduszenie blokując oksydazę cytochromową o,
Rola w środowisku
odpowiedzialne za degradację substancji organicznej w warunkach beztlenowych,
odpowiedzialne za tzw. „martwe strefy” na Bałtyku, Morzu Północnym, Morzu Czarnym (zmniejszenie populacji dorszy i śledzi - zniszczone tarliska),
Na terenach zalanych po powodzi 1997 w wyniku tworzenia się H2S obserwowano masowe wypadanie drzew i krzewów,
odpowiedzialne za beztlenową korozję rur żelaznych i stalowych (siarczki metali),
odpowiedzialne z tworzenie się złóż nierozpuszczalnych siarczków niklu, kobaltu, miedzi, srebra, molibdenu, arsenu, ołowiu, żelaza,
Oddychanie węglanowe
Błędnie zwane fermentacją metanową
Bakterie metanogenne (węglanowe - archebakteria)
Methanobacterium
Methanococcus
Methanosarcina
Methanospirillum
Brak peptoglikanu szkieletowego (mureiny)
Nie są wrażliwe na penicylinę
Tlen jest toksyczny
NADH2 + O2 ® H2 O2
Utleniają mrówczan, octan, metanol, etanol,
Rzadziej mleczan, maślan, propanol, butanol
Występowanie;
strefy denne w deltach rzek niosący znaczne ilości substancji organicznych (Zatoka Meksykańska, Morze Arktyczne, Morze Północne, delta Amazonki, Zatoka Bengalska)
zbiorniki wodne,
osady ściekowe,
obornik i komposty,
żwacz przeżuwaczy (~109 / ml przeżuwaczy),
gleby bagienne i torfowe, pola ryżowe,
tundry,
Bakterie metanogenne
Rola w środowisku
Około 1 - 1,5% CO2 w atmosferze pochodzi z metanu
Gaz cieplarniany zatrzymuje 30x więcej energii cieplnej niż CO2
CH4 w atmosferze 1800/1850 - 0,7 ppm
Aktualne CH4 w atmosferze - 1,7 ppm (4700 x 106 ton)
Roczna produkcja ~ 500 x 106 ton
Naturalny rozkład ~ 450 x 106 ton
Naturalne źródła ~ 160 x 106 ton
Pola ryżowe ~ 100 x 106 ton (największy wzrost)
Paliwa stałe ~ 80 x 106 ton
Przeżuwacze ~ 100 x 106 ton
na dnie oceanu tworzą się hydraty tzw. „lód metanowy” warstwy o miąższości do 50 - 100 m (wiek do 600 000 lat),
- w hydratach jest zakumulowane ~ 10 000 Gton C,
Hydraty metanowe tworzą specyficzną niszę ekologiczną
Wnętrze hydratu zasiedlane przez robaki
odkryte w 1997 r.
Metanowy ekosystem
Powierzchni złóż hydratów zasiedlona jest przez niezidentyfikowane małże, które odżywiają się bakteriami utleniającymi metan
Na powierzchni złóż hydratów rosną niezidentyfikowane robaki „kanałowe” (3 m x 2 cm)
żyjące w symbiozie z bakteriami siarkowymi utleniającymi H2S
Układ symbiotyczny robaków „rurkowych”
W wyniku ruchów tektonicznych lub wierceń może się gwałtownie uwalniać (wybuch na platformach, tajemnicze zatonięcia w Zatoce Meksykańskiej)
Ocieplenie klimatu grozi gwałtownym uwalnianiem się metanu do atmosfery ® gwałtowne ocieplenie (~ 40oC)
Potencjalne źródło odnawialnej energii
WYKORZYSTANIE i ZNACZENIE
produkcja biogazu (beztlenowe oczyszczanie ścieków, gnojowicy),
odpowiedzialne za powstawanie złóż gazu ziemnego i ropy naftowej (znajdowane w trakcie wierceń do głębokości 3 500 m),
odpowiedzialne za stratę ~ 0,5 - 1 l mleka / dziennie,
Warunki produkcji biogazu
Warunki beztlenowe - hermetyczne zbiorniki
Zawartość substancji organicznej min. 15%
wzbogacanie ścieków komunalnych ściekami gospodarczymi - gnojowicą, masą organiczną roślin słoma, obornik, zielona masa, serwatka
Proces należy prowadzić dwuetapowo;
„Klarowanie” fermentacje (masłowa, mlekowa rzekoma, propionowa)
Produkcja metanu po obniżeniu odczynu pH ~ 5,0
Oddychanie beztlenowe - azotanowe
Typy fizjologiczne
Denitryfikacja całkowita - redukcja azotanów do podtlenku azotu (N2O) lub do wolnego azotu (N2) w warunkach beztlenowych,
Denitryfikacja częściowa - redukcja azotanów do formy amonowej (NH4+),
Denitryfikacja całkowita
Pseudomonas denitryficans, P.aeruginosa,
Paracoccocus denitryficans,
Bacillus licheniformis,
Alacligens faecalis
Thiobacillus denitryficans
Tlenowce, które w warunkach beztlenowych wykorzystują azotany zamiast tlenu
Denitryfikacja częściowa
Fakultatywne tlenowce
Escherichia coli
Enterobacter aerogenes
Beztlenowce
Propionobacterium acidopropionicum, P. pentosaceum,
Veillonela alacalescens,
Selenomonas ruminatium
Bakterie zdolne do procesów fermentacji węglowodanów lecz w obecności azotanów mają zdolność do oddychania
„Denitryfikacja” asymilacyjna
NO3- + 2H+ + 2e- ® NO2- + H2O (reduktaza azotanowa B)
NO2- + 2H+ + 2e- ® [HNO] + 2H+ + 2e- ® [NH2OH] + 2H+ + 2e- ® [NH3] (reduktaza azotynowa)
[NH4+] + R • CO • COOH ® R • CH (NH2) • COOH (syntetaza)
Proces nie jest źródłem energii - służy jedynie do redukcji azotanów w celu wykorzystania ich w biosyntezie aminokwasów
DENITRYFIKACA
Bakterie denitryfikacyjne występują;
Przewód pokarmowy, żwacz,
Obornik,
Gleby,
Osady denne - degradacja substancji organicznej,
(odpowiedzialne za tzw. „martwe strefy” na Bałtyku i Morzu Północnym, Morze Czarne, zbiorniki słodkowodne)
Rola procesów denitryfikacji w środowisku
Całkowita równoważy proces biologicznego wiązania N2 utrzymując stabilną ilość azotu w atmosferze,
Całkowita straty ~10% azotu z ekosystemów wodnych,
Całkowita straty ~20% azotu z ekosystemów lądowych,
Częściowa zapobiega wypłukiwaniu azotanów w głąb profilu glebowego,
Oddychanie beztlenowe - żelazowe, (manganowe ?)
Aletromonas putrefaciens, Geobacter, Geotrix,
Filogenetycznie najstarsze?
Tlenowce
W warunkach beztlenowych wykorzystują azotany
Dopiero po ich wyczerpaniu redukują
Fe+3 ® Fe+2
Mn+3 ® Mn+2 (?)
Utleniają w warunkach beztlenowych octan i mleczan
Pobieranie Fe+3 ze środowiska odbywa się za pomocą sideroforów
Oddychanie beztlenowe - selenowe, arsenowe
Sulfurospirillum, Bacillus,
Bezwzględne beztlenowce
W warunkach beztlenowych wykorzystują azotany
Dopiero po ich wyczerpaniu redukują
Se+6 ® Se-2 (H2Se łatwo rozpuszczalny)
lub As+5 ® As+3 (As2O3 arszenik łatwo rozpuszczalny)
Utleniają w warunkach beztlenowych kwasy i alkohole
Z reguły haliofity
Wykłady 8 i 9:
FERMENTACJE
Ostatecznym akceptorem 2H+ i 2e-
z reakcji utleniania związków organicznych są związki organiczne (z reguły pirogronian lub jego pochodne)
Powstają zredukowane związki organiczne oraz CO2 i H2
Fermentacja etanolowa
Drożdże szlachetne
Rodzaj: Saccharomyces
S. cerevisiae,S. carlsburgensis, S. logos, S. elipsoides
Rodzaj: Kloeckera
Dzikie szczepy
Produkują nie więcej niż 7% etanolu
- pleśnie
Fusarium, Pencillium, Aspergillus, Monillinia
- drożdże
Candida, Zygosccharomyces, Torula, Rodhotorulla
(wykorzystywane do produkcji biomasy na odpadach przemysłu spożywczego)
- bakterie
Clostridium, Xanthomonas, Pseudomonas
Występowanie
Układ pokarmowy - żwacz,
Błony śluzowe,
Materiał roślinny,
Obornik,
Ścieki,
Drożdże utleniają węglowodany szlakiem glikolizy
Fakultatywne tlenowce
Monocukry (glukoza, fruktoza, arabinoza, galaktoza)
Dwucukry (laktoza, sacharoza, maltoza)
Trójcukry (rafinoza) - tylko S. carlsburgensis
Nie rozkładają białek
Wymagają wolnych aminokwasów
W obecności tlenu produkują 20x większą biomasę
Pełne utlenienie ® cykl Krebsa ® łańcuch oddechowy
W warunkach beztlenowych
Fermentacja etanolowa - wytrzymują do 18% v/v
Drożdże (Saccharomyces) - Szlakiem glikolizy
Bakterie (Zymomonas mobilis) -
Szlakiem 2-keto-3-deoksy-6-P-glukonianowym
Praktyczne wykorzystanie drożdży
Produkcja glicerolu w obecności wodorosiarczynu
Produkcja etanolu
Produkcja piwa
Znana od ~ 10 000 r. p.n.e. (opisana 6 000 r. p.n.e.)
Hydroliza skrobi do maltozy - kiełkujący jęczmień
S. cerevisiae,S. carlsburgensis, S. logos (4-8%; - 7-14 dni)
Produkcja wina
Znana od ~ 4 000 r. p.n.e. (rozpowszechniona 600 r. p.n.e.)
S. cerevisiae, S. bayanus, Kloeckera spp. (8-18%; 3 - 6 miesięcy)
Wina białe - fermentowany sok odfiltrowany
Wina czerwone - fermentowany sok wraz z skórkami i pestkami
Produkcja spirytusu
Znana od XIII / XIV w. Destylacja wina,
Od ~ XV wykorzystywano scukrzanie skrobi słodem
Współcześnie scukrzanie skrobi enzymatyczne a-amylaza i b-amylaza
S. cerevisiae (~11%; 48 - 72 godz.)
Melasa
S. cerevisiae x carlsburgensis (~11% %; 48 - 72 godz.)
Zawartość aminokwasów w autolizacie drożdży
Aminokwas % w biomasie % wolnych
Kwas glutaminowy 9.18 6.01(~ 60%)
Alanina 5.53 4.78 (~ 86%)
Leucyna 4.83 4.34 (~ 90%)
Fenylalanina 2.80 2.72 (~ 97%)
Histydyna 1.80 1.63 (~ 96%)
Metionina 1.12 1.08 (~ 96%)
Praktyczne wykorzystanie drożdży
Wykorzystanie glukanu
Stymulujący monocysty, fibroblasty, kolagen i elastynę),
Stymulator makrofagów (aktywuje wzrost produkcji IL-1 (interleukin) niezbędnej dla syntezy IL-2 w limfocytach),
U przeżuwaczy immunostymulant fagocytozy ograniczając mastitis wywoływaną przez staphyloccocus
Dodatek do „zdrowej” beztłuszczowej żywności,
Substytut tłuszczy,
Składnik kosmetyków regenerujących skórę,
Redukuje zawartość cholesterolu,
Nośnik do preparatów przyśpieszających gojenie ran,
Nośnik w preparatach podawanych domięśniowo,
Fermentacja propionowa
Rodzaj: Propionobacterium
P. freudenreichii, P. freudenreichii ssp. shermanii, P. acidi-propionici, P. acnes
Ponadto
Rodzaj: Selenomonas
Rodzaj: Micromonospora
Oraz
Veilonella alcalescens
Clostridium propionicum
Występowanie;
Układ pokarmowy - Żwacz,
Powłoki skórne,
Błony śluzowe,
Komposty,
Obornik i gnojowica,
Ścieki i osady denne,
Bakterie gram +
Mikroaerotolerancyjne - zdolne do denitryfikacji !!!
Utleniane substraty;
Monocukry; pentozy, heksozy,
Dwucukry; sacharoza, laktoza
Kwasy: mleczan, jabłczan i glicerol
Znaczenie bakterii propionowych
Dodatek do zakiszania i pasz,
Można stymulować ich rozwój przez dodatek biotyny,
Ograniczenie ilości kwasu mlekowego - zapobieganie kwasicy u przeżuwaczy,
Produkcja serów i wędlin,
Ograniczenie ilości azotynów i azotanów,
Wykład 10:
Szlaki Metabolityczne
METABOLIZM PODSTAWOWY
Metabolizm kwasów nukleinowych,
Metabolizm energetyczny,
Metabolizm strukturalny,
Metabolizm reprodukcyjny,
METABOLIZM WTÓRNY
(idiolity)
Metabolity wtórne
Teorie wyjaśniające pochodzenie metabolitów wtórnych;
Relikt procesu ewolucyjnego
Wolna gra ewolucyjna
ANTYBIOTYKI
Antybioza - swoisty antagonizm polegający na wytwarzaniu przez jedne z nich produktów metabolizmu wywierający niekorzystny wpływ na inne
Termin Antybioza - Vuillemin w 1889 r.
Antybiotyki są to naturalne produkty metabolizmu, z reguły wtórnego drobnoustrojów, które działają w niskich stężeniach wybiórczo na struktury i procesy metaboliczne hamując wzrost lub podziały komórek drobnoustrojów
~ 3000 - Chiny spleśniałe produkty sojowe do ran skóry
~ 1400 w kościach z terenów Nubii stwierdzono streptomycynę
XVII w. - Indianie wykorzystywali wyciągi z drzewa chinowego do leczenia malarii (chinina alkaloid wydzielony w 1820 r.) oraz wyciągi z korzeni wymiotnicy do zwalczania czerwonki (emetyna alkaloid wydzielony w 1871 r.)
Piocyjanaza - wyciąg bakteriolityczny z hodowli P. aeruginosa opisano w 1899 stosowany do zwalczania wąglika do 1935 r
Pierwszy chemicznie zidentyfikowany antybiotyk
KWAS MYKOFENOLOWY
Opisał Gosio w roku 1896
Za początek współczesnej ery uważa się odkrycia Fleminga
w 1922 r. wykrył lizozym i w 1929 penicylinę
Wielkoprzemysłowa produkcja penicyliny w USA w czasie II wojny światowej
Gliotoksyna z Trichoderma viride - Weidling 1939 r.
Tyrocydyna i Gramicydyna z Bacillus subtillis - Dubos 1939 r.
Gryzeofulwina z Streptomyces gryseofulvus - Oxford 1939 r.
Streptomycynę z Streptomyces griseus - Waksman 1944 r.
Bacytracyna z Bacillus subtillis - Johnson 1945 r.
Klasyfikacja idiolitów
1. Pochodne aminokwasów (m.in.)
Modyfikowane aminokwasy, np. cykloseryna
Antybiotyki β-laktamowe, np. penicylina, cefalosporyna
Antybiotyki polipeptydowe, np. polimyksyna, cyklosporyna
Glikopeptydy, np. bleomycyna, wankomycyna
Lipopeptydy, np. daptomycyna
2. Pochodne cukrów
Cukry, np. nojiromycyna
Aminoglikozydy, np. streptomycyna, gentamycyna
C - glikozydy, np. tekoplanina
N - glikozydy, np. streptorycyna
Glikolipidy np. moenomycyna
3. Antybiotyki makrocykliczne (m.in.)
Makrolidy właściwe, np. erytromycyna, oleandomycyna
Makrolidy polienowe, np. amfoterycyna B, nystatyna
4. Chinony i ich pochodne (m.in.)
Antracykliny, np. daunorubicyna, aklarubicyna,
Tetracykliny, np. chlorotetracyklina, oksytetracyklina
Naftochinony, np. aktynorodyna
Benzochinony, np. mitomycyna
5. Inne antybiotyki (m.in.)
Pochodne cykloalkanów, np. cykloheksamid,
Nukleozydy, np. polioksyna
Polietery, np. lasalocid, moenozyna
Związki aromatyczne, np. chloramfenikol, gryzeofulwina,
Związki fosforoorganiczne, np. fosfomycyna
Związki steroidowe, np. Kwas fusydowy
Producenci antybiotyków
Grupa Rodzaj Liczba
Drobnoustrojów antybiotyków
Promieniowce > 6 000
Streptomyces ~ 5 000
Micromonospora > 400
Nocordia ~ 300
Inne bakterie > 1 000
Bacillus ~ 200
Pseudomonas ~ 100
Grzyby > 2 000
Penicillum ~ 200
Aspergillus ~ 150
Mechanizmy działania idiolitów LBiHz
1. Hamowanie syntezy kwasów nukleinowych przez blokowanie matrycy albo polimerazy DNA lub RNA
Replikacja DNA (mitomycyna - matryca, bleomycyna - polimeraza)
Replikacja RNA (aktynomycyna - matryca, ryfamycyna - polimeraza)
2. Hamowanie syntezy białek
Funkcji rybosomów (aminoglikozydy)
Wiązania tRNA (makrolidy niepolienowe, chloramfenikol, tetraacykliny)
3. Zaburzenia funkcji błon biologicznych
Zmiany w strukturze błon (polimyksyny, amfoterycyna)
Transport jonów poza komórkę (jonofory, gramicydyna, nystatyna)
4. Zakłócenia syntezy ścian komórkowych
Syntezy peptoglikanu (cykloseryna, bacytracyna, wankomycyna)
Transpeptydacji (antybiotyki β - laktamowe)
5. Zakłócenia procesów energetycznych
(antymycyna, oligomycyna)
Zakres działania antybiotyków
Antybiotyki o szerokim spektrum działania (cefalosporyny, tetracykliny, ryfamycyna)
Antybiotyki działające na bakterie Gram + (penicylina, cykloseryna, bacytracyna)
Antybiotyki działające na bakterie Gram - (polimyksyna B, niektóre cefalosporyny)
Antybiotyki przeciwgrzybowe (gryzeofulwina, makrolidy polienowe - nystatyna, amfoterycyna B)
Antybiotyki przeciwnowotworowe (aktynomycyna, bleomycyna, mitomycyna)
Zakres wykorzystania antybiotyków
Lecznictwo ludzi ~ 50 000 ton
Weterynaria ~ 30 000 ton
Ochrona roślin ~ 20 000 ton
Konserwacja żywności ~ 10 000 ton
Główne antybiotyki wykorzystywane w lecznictwie ludzi
Penicyliny biosyntetyczne ~ 33 000 ton
Penicyliny półsyntetyczne ~ 13 500 ton
Cefalosporyny ~ 9 500 ton
Tetracykliny ~ 4 000 ton
Główne mechanizmy obronne
1. Brak miejsca uchwytu
2. Miejsce uchwytu niewrażliwe lub zablokowane (osłonięte)
3. Nadprodukcja liczby miejsc uchwytu
4. Wytworzenie zastępczych procesów metabolicznych
5. Bariera transportu antybiotyku do miejsca uchwytu
6. Transport antybiotyku poza komórkę
7. Deaktywacja antybiotyków przez związanie ze strukturami komórkowymi
8. Enzymatyczna inaktywacja antybiotyku
9. Biosynteza antybiotyku dopiero po fazie namnażania komórek (tylko producenci).
Zjawisko odporności
Pochodzenie form odpornych
Mutacje (109 - 1012)
Rozprzestrzenianie się genów R (odporności)
Transdukcja
Plazmidy
Natywny DNA
Konjugacja
Zapobieganie pojawiania się form opornych;
Zmiana substancji biologicznie czynnej,
Regularne stosowanie,
Stosowanie pełnej zalecanej dawki,
Wykład 11 i 12:
CHOROBY POWODOWANE PRZEZ GRZYBY
Alergie
Mikozy
Mikotoksykozy
Alergie
Reakcja immunologiczna szkodliwa dla organizmu w wyniku zetknięcia się z białkiem (konidia, strzępki) polegająca na wytworzeniu przeciwciał klasy IgE - łączące się receptorami komórek tucznych
IgE + alergen Þ uwolnienie serotoniny, histaminy Þ stan zapalny
Zarodniki grzybów porastające pasze, resztki roślin, zawilgocone ściany budynków
Penicillium, Cladosporium, Tilletia
Zapalania płuc, oskrzeli, spojówek, uszu
Stany astmatyczne
Mikozy
Grzybice - choroby wywoływane w wyniku wniknięcia i rozwojem pasożytniczego patogena w tkankach i komórkach gospodarza
Do najgroźniejszych zaliczamy
Drożdżyce
Aspergiliozy
Dermatomikozy
Drożdżyce
Candida albicans wywołuje 80 - 90% przypadków
Rozwija się w płucach, przewodzie pokarmowym, błonach śluzowych jamy ustnej, narządów rodnych, gruczoły mleczne
Candida albicans
Występuje u ptaków, ssaków i ludzi często po kuracjach antybiotykowych bez osłon eliminujących Lactobacilliaceae,
Infekcje przewodu pokarmowego często przebiegają bezobjawowo - pośmiertnie biało-szare ogniska na ścianach przewodu pokarmowego (powodują ograniczenie zdolności wchłaniania pokarmów, uszkodzenia i upośledzenia wątroby)
Infekcje błon śluzowych i narządów rodnych pojawiają się narośla
(objawy - upławy, poronienia, tzw. jałowienia)
Aspergiliozy
Aspergillus niger
Rozwija się w płucach u osób i zwierząt z osłabioną odpornością - zarażonych HIV, po bakteryjnych zapaleniach płuc, kuracjach antybiotykowych, po zatruciach mykotoksynami
Szczególnie wrażliwe pisklęta kaczek i kur
Leki z wyboru - wyłącznie
amfoterycyna A i/oraz itrakonazol
Często potrzebny zabieg chirurgiczny
Formę inwazyjną przeżywa ~30% pacjentów
Aspergilioza nie leczona zawsze kończy się śmiercią
Dermatomikozy
Aspergillus versicolor
Wywołuje dermatomikozy, skóry owłosionej, paznokci
Trichophyton verrucosum
Wywołuje dermatomikozy skóry owłosionej, paznokci i kopyt
Trichophyton mentagrophytes
Wywołuje dermatomikozy skóry
Dermatomikozy
Powszechnie zwane liszajami czy parchami - strzygący, strupiasty, pęcherzykowaty
U zwierząt hodowlanych najczęściej występują dermatomikozy wywoływane przez Trichophyton u bydła i koni
Leki z wyboru jak w leczeniu aspergilioz
Okres kuracji 4 - 6 miesięcy
Mikotoksykozy - choroby wywoływane przez toksyny produkowane przez grzyby spożyte wraz z paszą i żywnością powodujące uszkodzenia tkanek i komórek oraz zaburzenia metabolizmu organizmu
Z organizmu gospodarza nie izoluje się patogenów
Mechanizmy działania analogicznie jak opisane dla antybiotyków
Do najgroźniejszych zaliczamy
Aspergilitoksykozy
Pencilitoksykozy
Fuzariotoksykozy
Stachybotriotoksykozy
Opisano ponad 1 000 metabolitów wtórnych produkowanych przez grzyby wykazujących działanie toksyczne w stosunku do organizmów wyższych
Aspergilitoksykozy
Pierwsza opisana mykotoksykoza u indyków w 1960
Choroba X indyków (~ 100 000 padłych ptaków) - A. flavus
Do najgroźniejszych zaliczamy
A.flavus, A. niger, A. tamarii, A. wentii, A. clavatus, A. terreus, A. fumigatus, A. glaucus, A. ochraceus
występuje na nasionach roślin oleistych (mączki sojowe, arachidowe), kukurydzy, słonecznik, pasz wysokobiałkowe
Rozwija się w wyższych temperaturach
Optymalna temperatura > 20oC
MYKOTOKSYNY - Aspergillus flavus
Aflatoksyny (B1, C1, B2, G2), Flawicyna, Flawacydyna, Kwas kojowy, Sterigmocystyna
powodują uszkodzenia wątroby (marskość wątroby) zmiany typu nowotworowego (tzw. szara plamistość)
- brak apetytu, apatia, chudnięcie
- wrażliwa młodzież, najczęściej ulega zatruciu trzoda chlewna, bydło, drób (kaczki !),
- aflatoksyny wydzielane z mlekiem jako aflatoksyna M (metylowane) u krów przez 9 dni od podania,
wydalana z moczem u kóz,
indukują nowotwory,
Dopuszczalna zawartość w produktach 0,02 ppm
Dopuszczalna zawartość w mleku i jego przetworach 0,0005 ppm
STERIGMATOCYSTYNY
TOKSYCZNOŚĆ STERIGMATOCYSTYNY
(KOCZKODANY POŁUDNIOWOAFRYKAŃSKIE)
(van der Watt, J.J. & Purchase I.F.H., J.Exp. Pathol., 1970, v. 51, s. 183)
WPŁYW SUBLETALNYCH DAWEK STERIGMATOCYSTYNY
NA POJAWIENIE SIĘ NOWOTWORÓW U MYSZY RASY ICR
(van der Watt, J.J. & Purchase I.F.H., J.Exp. Pathol., 1970, v. 51, s. 183)
Aspergilitoksykozy MYKOTOKSYNY - Aspergillus clavatus
Grzyb wymaga wysokich temperatur > 18oC i wilgotności
Klawacyna
powodują obrzęki płuc z krwawymi wylewami,
uszkodzenia wątroby i nerek,
brak apetytu, obniżenie laktacji, rozkojarzone ruchy,
łukowate wygięcie grzbietu, paraliż tylnych kończyn,
- szczególnie wrażliwe bydło,
MYKOTOKSYNY - Aspergillus fumigatus
Gliotoksyna, fumigalina, kwas helwolowy
powoduje obrzęki płuc i w następstwie grzybice pęcherzyków płucnych, porażenie nerwów,
brak apetytu, krwawe biegunki, uszkodzenia nerek i wątroby, skurcze kończyn,
szczególnie wrażliwe są ptaki i trzoda chlewna ,
Penciliotoksykozyy
Do najgroźniejszych zaliczamy
P. rubrum, P. expansum, P. urticeae, P. griseofulvum, P. terrestre, P. citrinum, P. islandicum
Penicillium expansum, P. uriticae
Występują na słodzie, nasiona zbóż, owocach, sokach owocowych, przetworach wysokosłodzonych (dżemy, konfitury)
(temperatura rozwoju 10 - 37oC)
Grzyby te są wysoce osmotolerancyjne
Klawacyna (objawy opisane)
Patulina
wywołuje krwawe wylewy w mózgu i płucach,
indukuje nowotwory żołądka,
powoduje uszkodzenia błon śluzowych i nekrozy jelita cienkiego,
Penicillium rubrum, P. giseofulvum, P. terrestre
występuje na ryżu, sianie, słomie, nasionach zbóż, zawilgoconej sieczce, zaparzonych otrębach, parowanych ziemniakach (temperatura rozwoju 10 - 25oC)
Fenicyna, gryzeofulwina,
wywołuje ślinotok u trzody chlewnej,
apatia na przemian z podnieceniem,
rozkojarzenie ruchów,
czerwone plamy na skórze jamy brzusznej,
zmiany szpiku i uszkodzenia narządów rodnych,
uszkodzenia jelit, wątroby i nerek, krwawe wylewy,
przyczyna zatruć trzody chlewnej, była, koni i gęsi,
Fuzariotoksykozy
Do najgroźniejszych zaliczamy
F. culmorum, F. graminearum, F. oxysporum, F. roseum, F. moniliforme, F. avenaceum, F. equiseti, F. nivale
Grzyby z rodzaju Fusarium z reguły produkują mieszaninę MYKOTOKSYN
Kwas fuzariowy, lipotoksolem, trichotecyny, zearelone, nivalenon, fumonisin B1,
występuje na zbożach już w polu i rozwijają się na ziarnach w trakcie przechowywania zbóż
(temperatura rozwoju 4 - 25oC)
Na ziarnach rozwijają się pod okrywą nasienną
Powodują:
uszkodzenia przewodu pokarmowego z krwawymi wylewami, wymioty, uszkodzenia wątroby i nerek (biała plamistość wątroby, deformacja nerek),
zaburzenia krążenia, krwiaki, obniżenie laktacji,
drgawki, paraliż, rozkojarzone ruchy, senność w wyniku uszkodzeń CUN,
poronienia, jałowienia
szczególnie wrażliwa trzoda chlewna i drób,
- Przerost narządów rodnych
- Uszkodzenia mózgu konia i Leukoencephalomalacia
Zapobieganie rozwojowi grzybów z rodzaju Fusarium
Zrównoważone nawożenie N : P
Zaprawianie materiału siewnego
Ochrona zbóż przed chorobami w trakcie kłoszenia
Hodowla odmian odpornych
Odpowiednie przechowywanie (wilgotność < 14%)
Stachybotrotoksykozy
Stachybotris atra
(w latach 20-tych wywołał pandemię w ZSRR - MZ)
Występuje na słomie i wilgotnej sieczce
Na wilgotnych tapetach
Występuje na drewnianych konstrukcjach
(temperatura rozwoju 10 - 25oC)
Stachybotris atra, S. chartarum
trichoverryna, trichoverrol
Choroba najczęściej występuje u koni
Zapalenie błon śluzowych pyska, nabrzmienie pyska (wygląd hipopotama), ślinotok, nabrzmienie węzłów chłonnych,
Agronulocytoza, spadek liczby leukocytów i trombocytów, spadek krzepliwości krwi,
Silna gorączka, słabnie tętno, arytmia serca, martwica śluzówek pyska, krwotoki - zwierzęta padają w ciągu 7 dni
U ludzi mających kontakt z zarodnikami tych grzybów w zagrzybionych pomieszczeniach stwierdzono zapalania błon śluzowych i zaburzenia w morfologii krwi
Sporodesmium chartarum
Sporodesmina
Pojawia się na trawach na pastwiskach w okresie suchego lata
Choroba najczęściej występuje u owiec
Wywołuje uczulenia świetlne, zaczerwienie oczu, łzawienie, i wysięki z nosa, obficie oddają mocz,
Obrzęki uszu, powiek, pyska, warg,
Na odsłoniętej skórze pojawiają się uszkodzenia, które po kilku dniach ulegają nekrozie,
Uszkodzenia nerek i wątroby (zabarwienie zielone),
Obfite pojenie, usuwanie „niedojadów”
Wykład 13 i 14:
Wybrane bakterie chorobotwórcze
Cechy drobnoustrojów chorobotwórczych
Toksyczność
Zdolność do wytwarzania toksyn porażających komórki i tkanki organizmu żywiciela (egzotoksyny i endotoksyny),
Zjadliwość (zdolność do wywołania śmierci gospodarza) (wyraża się poprzez LD50 lub ID50)
zakaźność tj. zdolność do namnażania się po wniknięciu do organizmu gospodarza,
inwazyjność tj. zdolność do przenikana przez bariery ochronne organizmu,
chorobotwórczość tj. zdolność do wywołania zmian chorobowych w miejscu wtargnięcia do tkanek i narządów lub do wywołania objawów chorobotwórczych ogólnych,
Cechy organizmu gospodarza
Odporność przeciwzakaźna
Niewrażliwość ustroju wyższego na działanie chorobotwórcze drobnoustrojów i ich produktów
Typy odporności;
nieswoista - dziedziczna
swoista - nabyta
Odporność przeciwzakaźna nieswoista - dziedziczna
CZYNNA
Fagocytoza drobnoustrojów przez wędrujące i osiadłe komórki układu siateczkowo-nabłonkowego,
Działanie przeciwbakteryjne przeciwbakteryjnych składników krwi i płynów ustrojowych
B. BIERNA
Bariery ochronne ciała, skóra, błony śluzowe
Ciepłota ciała,
Metabolizm ustroju gospodarza,
Działanie antagonistyczne i za pośrednictwem inhibitorów (lizozym w łzach, inhibina w ślinie),
Odporność przeciwzakaźna swoista - nabyta
(cecha swoista osobnicza)
C. ŚRÓDZAKŹNA
Organizm sam wytworzył przeciwciała w trakcie trwania choroby w stosunku do innych szczepów;
naturalna (w trakcie trwania choroby zakaźnej),
sztuczna (po podaniu szczepionki np. BCG przeciwko gruźlicy zawierającej Mycobacterium bovis),
Klasyfikacja Enterobacteriaceae
> 20 rodzajów i > 100 gatunków
Podstawowe cechy diagnostyczne :
Toksyny Enterobacteriaceae
Endotoksyny
Złożone polisacharydy pochodzące ze ścian komórkowych, często uwalniane w czasie autolizy
Ciepłostałe o masie od 100 000 do 900 000
Budowa Nazwa zwyczajowa
1. Oligosacharyd (man - rha - gal) 1. Polisacharyd O-swoisty antygen,
zewnętrzna warstwa ściany indukuje swoistą odporność
komórkowej
2. N-acetglukozoamina - glu - gal 2. Powszechny polisacharyd rdzenia
- heptoza ściany komórkowej,
3. Naprzemiennie grupa heptozow i 3. Lipidy i KDO odpowiedzialne za
fosforanowe połączone przez kwas 2 toksyczność pierwotną
-keto-3-deoksyoktonowym (KDO) z
lipidem
Skutki oddziaływania endotoksyn;
Gorączka (uwolniona interleukina-1 zmienia układ termoregulacji),
Leukopenia w wyniku obecności bakterii G - we krwi następuje rozpad białych ciałek,
Hipotensja tj. na przemian gwałtowne skurcze/rozkurcze tętniczek i żyłek (dreszcze),
Upośledzona perfuzja i kwasica tj. z powodu hipotensji upośledzone ukrwienie narządów (nerek, wątroby), nagromadzenie się kwasów w tkankach i narządach,
Rozsiane krzępniecia wewnątrznaczyniowe - endotoksyny uruchamiaja kaskadę krzepniecia pojawia się fibryna, zmniejsza się liczba krwinek płytkowych, płytki przyklejają się do nabłonka blokując małe naczynia,
Zgon - zaburzenia czynności narządów, wewnętrzne krwawienia,
Inne skutki;
- poronienia, przedwczesne porody
Egzotoksyny
Skutki oddziaływania egzotoksyn;
produkcja kontrolowana przez plazmidy
ciepłowrażliwe toksyny wywołujące zaburzenia w w jelicie cienkim (stymulują wydzielanie wody i jonów Cl- do jelita i hamują pobieranie Na+,
efekt biegunki,
Enterobacteriaceae
Drogi i przyczyny rozprzestrzeniania się epidemii
zanieczyszczenia wody odchodami i błędy w oczyszczeniu ścieków,
centralizacja obrotu i masowa produkcja żywności, (Rocznie w USA ~25 000 zakażeń ~500 śmiertelnych)
Epidemia wywołana skażonymi malinami z Gwatemali (1996), owoce myto i przechowywano w lodzie z zanieczyszczonej wody (~ 12 000),
Epidemia wywołana skażonymi siewkami rzodkiewek w Japonii skażona woda do podlewania (~ 14 000),
Epidemia wywołana skażonymi sokiem jabłkowym „Odwala” w USA (do produkcji wykorzystano spady jabłek) Þ odchody jeleni (~ 7 000),
Epidemia wywołana skażonymi niedosmażonymi hamburgerami w USA (~ 2 800),
Środki zapobiegawcze
izolacja pacjentów,
zapewnienie czystej wody pitnej,
efektywne oczyszczanie ścieków,
dezynfekcja pomieszczeń,
zwalczanie owadów i gryzoni,
usuwanie śmieci i odchodów zwierząt domowych !!!,
pasteryzacja mleka i jego przetworów,
badania okresowe personelu !!!,
Szczególnie niebezpieczne szczepy patogeniczne
E. coli wytwarzające dodatkowe specyficzne toksyny
typ ETEC,
typ EPEC,
typ EHEC 0157:H17
Szczepy patogeniczne E. coli
ETEC
Uwalniają toksyną ciepłowrażliwą [LT] składającą się z dwóch elementów A - B oraz jednoelementową toksynę ciepłostała [SL]
Toksyna ciepłowrażliwą [LT] prawdopodobnie pochodzi od Vibrio cholerae
Wywołują biegunki
TOKSYNA [LT]
Część [B] (5 jednostek białkowych) tworzy w błonie komórek jelitowych strukturę poropodobną umożliwiającą przejście do komórki części o aktywności enzymatycznej [A]
Część [A] wiąże się z enzymem cyklazą adenylanową powodując nadprodukcje cyklicznego AMP
Wzrost cAMP Þ deregulacja pomp Þ wypływ wody
TOKSYNA [SL]
Część białkowa wiąże się z enzymem cyklazą guanazyno-1-fosforanu powodując nadprodukcje cGMP
Wzrost cGMP Þ blokada pomp Þ zablokowanie wypływu jonów
EPEC
Przyczepiają się do komórek jelita powodując ich uszkodzenie Þ nekrozy
Uwalniają toksyną jednoelementową toksynę typu [LT] bezpośrednio do komórek poprzez wytworzony kanał bezpośrednio łączący cytoplazmę bakterii z cytoplazmą komórki nabłonka
Toksyna jest nie wrażliwa na przeciwciała
Wywołują biegunki z powodu złej absorpcji wody
EHEC 0157:H17
Wytwarza toksynę typu [SHIGA]
Toksyna kodowana jest w bakteriofagu łagodnym infekującym typ coli EPEC
Toksyna pochodzi od patogenicznych bakterii Shigella
Wywołują krwawe biegunki (bardziej zabójcze)
TOKSYNA [SHIGA]
Krąży w krwioobiegu w okolicy jelit i odkłada się w jelicie
Powoduje uszkodzenia komórki śródbłonkowe naczyń krwionośnych Þ uszkadza naczynia w nerkach
Þ leczenie antybiotykami powoduję wywołuje cykl lityczny faga zwiększając ilość kopii i toksycznego białka
Choroby wywoływane przez Escherichia coli:
A. Zakażenia dróg moczowych (90% infekcji u kobiet) Objawy: częste oddawanie moczu, krwiomocz, bóle z boku,
- wywoływana przez szczepy typu UPEC (uropatogenne) pochodzące z okrężnicy,
- kolonizacja układu moczowego następuję wyniku wiązania się fimbri typu 1 (FimH) z receptorami komórek nabłonkowych,
- uwalniane LPS wywołują stan zapalny
B. Biegunka podróżnych u ludzi i kolibakteriozy u zwierząt (szczepy typu ETEC, EPEC, EHEC i zwykłe)
Najgroźniejsza u niemowlaków przy braku odporności nabytej występuje. Biegunka kał wodnisty koloru żółtego, może prowadzić do zapalenia żołądka i jelit oraz posocznicy.
U ludzi dorosłych tzw. choroba brudnych rąk
Leczenie uzupełnianie płynów !!!
- kolibakterioza cieląt przy braku odporności nabytej wraz z siarą występuje pomiędzy 1 - 5 dniem. Objawy biegunka. Kał szary, szarobiały lub biały. Cielęta stają się apatyczne, przestają przyjmować pokarm.
kolibakterioza prosiąt występuje pomiędzy 1 - 5 dniem. Objawy biegunka. Kał koloru żółtego. Prowadzi do zapalenia żołądka i jelit oraz posocznicy. Śmiertelność do 50%.
Shigella dysenteriae, S. flexneri
Przedostają się przez jamę ustana wraz z zanieczyszczonym pokarmem lub wodą
Owady (muchy) mogą być roznosicielami
Dawka wywołująca chorobę 103
Epidemia 1969 r. - krewetki
Gwatemalia 110 000 / 8 000 zgonów
Epidemia 2003 r. - przetwory mleczne
Rosja 20 000 / 120 zgonów
Czerwonka
Bakterie docierają do jelita cienkiego ® jelito grube ® osadzają się na nabłonku ® martwica ® owrzodzenia i krwawienia błony śluzowej
Toksyna [SHIGA]
Krąży w krwioobiegu w okolicy jelit i odkłada się w jelicie. Powoduje uszkodzenia komórki śródbłonkowe naczyń krwionośnych Þ uszkadza naczynia w nerkach
Po 1 - 2 dniach pojawia się ból brzucha, gorączka i wodnista biegunka. Liczba wypróżnień narasta po kilku dniach stolce krwawe
Leczenie antybiotykami !!!
Ponieważ ozdrowieńcy mogą być długo nosicielami.
Salomonella spp.
Przedostają się przez jamę ustana wraz z zanieczyszczonym pokarmem lub wodą
Dawka wywołująca chorobę 105 - 108 (103)
Źródła zatruć:
Zanieczyszczona żywność odchodami gryzoni, psów, kotów, przepiórek, kaczek !!!, kur, żółwi,
Brak odporności po przechorowaniu
„Zatrucia pokarmowe” (Dur brzuszny) S. typhimurium i S. cholerae-suis
Spożyte bakterie docierają do jelita cienkiego ® naczynia chłonne ® rzadko przenika do krwi
Pierwsze objawy po 8 - 48 godz.
Enterotoksyny wywołują gorączkę, wymioty, biegunki
Komórki w okrężnicy przechodzą w formy spoczynkowe i są wydalane wraz z kałem
„Gorączka jelitowa” (gorączki durowe) S. typhi
Spożyte bakterie docierają do jelita cienkiego ® naczynia chłonne ® układ limfatyczny (namnaża się) ® krew ® tkanki
Po 10 - 14 dniach pojawia się gorączka, osłabienie, ból głowy, zaparcia, wolnoskurcz, bóle mięśni. Gorączka rośnie, powiększa się wątroba i śledziona. Czasami czerwona wysypka.
Może dojść do perforacji jelita ® zapalenie otrzewnej ® Śmiertelność < 1%.
Leczenie antybiotykami
Yersinia pestis DŻUMA
Pochodzi z Azji lub centralnej Afryki
1. Epidemia prehistoryczna ~ 1 200 r p.n.e. - starotestamentowa plaga, która zniszczyła filistynów i trwała w rejonie Morza Śródziemnego około 200 lat
2. Wielka epidemia 558 - 590 n.e. ~ 1 mln (upadek cesarstwa rzymskiego)
3. Wielka epidemia w Chinach (1330 - 34) zmarło w niektórych prowincjach (2/3 ludności) ® szlakiem jedwabnym Europie 1348 - 1352 (59) zmarło ~25 milionów ludzi (1/3 ludności)
4. 1665 r. - Londyn > 70 000 ofiar
5. 1770 - 1774 - Austria i Bałkany > 50 000 ofiar
5. Współczesna od 1894 r. - Hong Kong & Bombaj
Rocznie 1 000 - 3 000 przypadków (14% śmiertelność)
Żywiciele:
Ludzie, szczury, wiewiórki ziemne i świstak him.?
Nosiciele - koty domowe, antylopy, myszy
Wektorem jest Xenopsylla cheopis !!! (pchła)
Objawy:
- Odmiana dymieniczna (śmiertelność 40 - 60%)
Objawy 2 - 4 dni po zakażeniu. Wysoka gorączka nabrzmiałe wężły chłonne, krwotoki podskórne
- Odmiana płucna (śmiertelność 100% leczona ~100%)
- Ogóloustrojowa Sepsa (śmiertelność 100% leczona ~100%)
Cykl rozwojowy
Diagnostyka:
“Diagnostyka w oparciu o objawy kliniczne”
Barwienie
Hodowle
ZWALCZANIE
- regulacja liczebności gryzoni i owadów,
- deratyzacja statków,
- antybiotykowa intensywna kuracja
- brak skutecznych szczepionek
Mycobacterium tuberculosis GRUŹLICA:
W latach 1950 / 1960 praktycznie wyeliminowana
Dzisiaj ~30% ludzi jest zainfekowana -> szczepy lekooporne na streptomecynę!!!
1 osoba infekuje ® 20 nowych
Szczep W odporny na antybiotyki wywołał epidemię w Nowym Jorku (1990 - 1993)
367 osób zakażonych ® 83% zmarło w ciągu 1 - 4 miesięcy od infekcji
Infekcja kropelkowa
W płucach pochłonięta jest przez makrofagi -> Rozmnaża się w makrofagach i następnie zabija je!!!
Powstają gruzełki ® ziarniniaki (gruzelki zwapniałe)
Postać objawowa występuje u osób, u których nie dochodzi zwapnienia.
M. tuberculosis wnika do krwiobiegu ® infekcja innych tkanek ® śmiertelność 50%
TEST NA GRUŹLICĘ
- próba tuberkulinowa (szczepienie BCG daje też pozytywną reakcję),
- barwienie kwasooporne
- metoda hodowlana (niestety kilkutygodniowa),
ZWALCZANIE
Izoniazyd, etambutol, rifampina i pirazynamid
Leczenie musi być skojarzone, co najmniej trzema antybiotykami przez okres ~6 - 8 miesięcy
Wywołuje skutki uboczne
Niestaranna terapia ® mutacje !!!
Analiza genomu
Analiza fenotypu
Klasyfikacja taksonu
Skład DNA
% G+C
Podobieństwo
DNA/DNA
Katalogowanie
rDNA
DNA/rRNA
Analiza rRNA
Fingerprint DNA
Klasyczna:
cechy morfologiczne
fizjologiczne i biochemiczne
Numeryczna analiza -
podejście fenetyczne
Chemiczne składniki komórki:
skład ściany kom., lipidy, poliaminy
Fingerprint fenotypu
Klucze identyfikacyjne oraz
tabele diagnostyczne (Klucz Bergeya)
Wykorzystanie substratów:
Systemy identyfikacji mikroorganizmów
(API, Biolog, nie komercyjne)
Schemat identyfikacji mikroorganizmów prokariotycznych
Glukoza + ATP → glukozo - 6 - P
(heksozy)
fruktozo - 6 - P
+ ATP
fruktozo - 1,6 - 2 P
dihydroksyaceton - P aldehyd P - glicerynowy
+ Pi NAD+
2 Kwas 1,3 - bisfosfoglicerynowy
NADH + H+
+ 4 ADP + 4 H2O
2 Kwas pirogronowy + 4 ATP
Glukoza + ATP → glukozo - 6 - P
(heksozy)
+ NAD+ - NADH+ + H+
kwas glukonowo - 6 - P
- CO2
rybulozo - 5 - P (pentozy)
acetylofosforan aldehyd P - glicerynowy
+ Pi NAD+
Kwas 1,3 - bisfosfoglicerynowy
NADH + H+
Kwas pirogronowy + 2 ATP
Glikoliza → 2 Kwas pirogronowy
(COOH) CO CH2 COOH (kwas szczawiooctowy)
Cykl Krebsa - HSCoA + CH3CO • S • CoA
(COOH) CH2 COCOOH CH2 COOH (kwas cytrynowy)
CH3 CO COOH + HSCoA
- CO2 - NADH2 (łańcuch oddechowy)
CH3CO • S • CoA
CH3 CO COOH
+ CO2 Asymilacja CO2
(COOH) CO CH2 COOH (kwas szczawiooctowy)
Szlak utleniania węglowodanów
FERMENTACJE
Etanolowa
Masłowa
Mlekowa
Acetonowa butanolowa
Octowa (beztlenowa)
Mieszaniny kwasów
Propionowa
Aminokwasów
Pirogronian
Utlenianie w Cyklu TCA
Łańcuch oddechowy
- NADH2
CO2
NADH2
Procesy oddychania
NADH2 -
Procesy fermentacji
O2 2 H2O
NAD NADH2
FAD
Białko żelazowo-siarkowe
Ubichinon (Koenzym Q)
Cytochromy a, a3, b, c,
Cytochrom o
ADP + Pi
ATP
ATP
ATP
ADP + Pi
ADP + Pi
ODDYCHANIE
Łańcuch oddechowy
tlenowców
Cytochromy a, a3, b, c,
Alternatywne akceptory w łańcuchu oddechowym
CO2
S lub/i SO4-2
Siarkowe/siarczanowe bezwzględne beztlenowce
NO3-1
CH4
H2S
NH4+ v N2
Węglanowe bezwzględne beztlenowce
Azotanowe Fakultatywne tlenowce
Fe+3
Żelazowe Fakultatywne tlenowce
Fe 2+
Se+6 / As+3
Se-2 / As-3
Selenowo/Arsenowe bezwzględne beztlenowce
CH3 C=O COOH
- CO2
CH3 HC=O
- NAD + NADH2
CH3 CH2 OH
CH3 C=O COOH
- CO2
CH3 HC=O
+ NaHSO4
CH3 CH OH - SO3Na (precypituje)
Zamiast redukcji aldehydu octowego następuje redukcja P - dihydroksyacetonu
CH2OH C=O CH2 - O ~ PO4
+ NADH2
CH2 OH - HCOH - CH2 - O ~ PO4
+ ADP - ATP
+ H2O
CH2 OH - HCOH - CH2OH
Fermentacja propionowa
CH3-C=O-COOH
CH3-CH-OH-COOH
GLIKOLIZA
- 2 H+
HOOC-CH2-C=O-COOH
HOOC-CH2-CHOH-COOH
HOOC-CH = CH-COOH
+ 2 H+
- H2O
HOOC-CH2-CH2 -COOH
+ 2 H+
ADP + Pi
ATP
HOOC-CH2-CH2 -CO~SCoA
HOOC-CH-CO~SCoA
CH3
CH3-CH2-CO~SCoA
CH3-CH2-COOH
CO2 - biotyna
biotyna
Masa ciała
Dawka
mg / kg masy ciała
Przeżywalność
dni
4,4 - 5,2
15
10
3,8 - 3,3
32
7
4,9 - 5,1
70
5
3,8 - 4,2
150
4
Dawka mg / kg
paszy
Częstotliwość pojawiania się nowotworów
SAMCE SAMICE
0
21,0 %
17,6 %
5 (czysta toksyna)
78,5 %
69,7 %
5 (kultura grzybów)
62,5 %
60,6 %
Shigella
nieruchliwe, nie wytwarza gazu,
Salmonella
- ruchliwe, wytwarza gaz
Proteus
„pełzające” na agarze, hydrolizują mocznik
Yersinia
Edwardsiella
Serratia
Citrobacter
Arizona
Providencia
Erwinia
Escherichia coli
ruchliwe, nieśluzowe
Enterobacter aerogenes
- ruchliwe, śluzowe
Klebsiella pneumonie
- nieruchliwe, b. śluzowe
Brak fermentacji laktozy
Wolna fermentacja laktozy
Szybka fermentacja laktozy
1