Cytologia bakterii:

Skład chemiczny:

Cytoplazma-system koloidalny:

• woda 73-78%

-woda wolna- rozp.

-woda związana- tworzy tzw. warstwy hydratacji dzięki polarności(łączy się z jonami)

• białka 40-80%

-fibrylarne- kwas diaminopimelinowy, D-alanina, formy D-aminokwasów

-globularne- proste (enzymy), glikoproteidy, lipoproteidy, białka zapasowe

-chaperowe- biała opiekuńcze, dbają o strukturę białek

• kwas nukleinowy

-stosunek A+T / G+C jest cecha stała i charakterystyczną dla każdego gatunku

-brak białek zasadowych

Ca²⁺, Mg²⁺

spermina

spermidyna wszystkie 4 stabilizują

putrescyna

• węglowodany 10-30%

-wolne bądź związane z białkami i lipidami

-najwięcej jest glukozy

-są materiałem zapasowym w postaci ziaren

-u drożdży są dekstrany ( wiązanie α-1,6-glikozydowe)

• lipidy <10%

-polimery kwasu β-hydroksymasłowego - jako materiał zapasowy wielu bakterii

-wolne kw. tłuszczowe, kw. tuberkulostearynowy, kw. ftiolowy, kw. dyfterytowy

-woski np. u Mycobacterium, to estry niższych kw. tłuszczowych np. kw. mykolowego z alkoholem fitocerolem, fosfatydy, estry kw. tł. Z glicerolem, fosfolipidy

• zw. nieorganiczne

-sole - odgrywają role w zjawiskach osmotycznych

-kompleksy metalo- proteinowych enzymów np. Fe, Mo, Mg

-skł. witamin np. Co

PROCAYROTA	EUCAYROTA
Materiał genetyczny
DNA w wolnej formie w postaci nukleoidu	DNA w jadrze otoczonym błoną, występuje jąderko
tylko 1 chromosom	> 1 chromosom, 1n, 2n
białka histopodobne	histony i protaminy
plazmidy	plazmidy tylko u drożdży
brak intronów w mRNA	introny we wszystkich genach
rozmnażanie bezpłciowe przez podział kom.	mitoza
koniugacja, transdukcja, transformacja	mejoza prowadzi do wytworzenia gamet

PROCAYROTA	EUCAYROTA
Organizacja komórki
hopanoidy w błonie kom.	sterole w błonie kom.
mezosomy związane z błoną cytoplazmatyczną	mitochondria
fotosynteza- system błon i pęcherzyków w cytoplazmie	chloroplasty u roślin i glonów
	retikulum endoplazmatyczne
	aparat Golgiego
	lizosomy, peroksysomy
	cytoszkielet z mikrotubul
rzęski złożone z białka - flagelliny	rzęski z mikrotubul 9+2
rybosomy 70s	rybosomy 80s (mitochondrialne i chloroplastowe - 70s)
w ścianie kom. peptydoglikan, kwasy tejchojowe i lipopolisacharydy	ściany kom. z celulozy lub chityny

Budowa komórki prokariotycznej:

1. cytoplazma

2. nukleoid

3. subs. zapasowe

4. otoczka

5. błona kom.

6. ściana kom.

7. ciała chromatoforowe

8. fimbrie

1. Protoplazma = cytoplazma + nukleoid

cytoplazma- roztwór koloidalny związków wielkocząsteczkowych oraz soli, cukrów, aminokwasów, witamin, koenzymów

-włókienka białkowe w cytoplazmie

-łańcuchy polipeptydowe

-siły van der Waalsa

-wiązania wodorowe

-wiązania jonowe

-wiązania kowalencyjne

-brak prądów

2. Nukleoid- zawiera 1 genofor

DNA	Długość pary zasad
plazmid pUC 19	2 690
fag λ	48 502
chromosom E. Coli	4,6 mln
chromosom 1 człowieka	245 mln

chromosom bakteryjny- kolista cząsteczka DNA

-otwarte koło

-superskręcone

-superskręcona domena

*liniowe - Bonelia sp., Streptomyces sp.

Białka związane z organizacją Nukleoid w kom. bakteryjnej:

• Podwójna helisa DNA jest skręcona w spiralę II rzędu podtrzymywaną przez rdzeń złożony z RNA i białek histopodobnych

-białka części rdzeniowej

-białka uczestniczące w metabolizmie i replikacji DNA i RNA, w nuklidzie brak zasadowych białek: histonów i protamin

• DNA związany jest w jednym miejscu z błoną cytoplazmatyczną, w tym miejscu zaczyna się replikacja DNA

• większość genów bakteryjnych nie zawiera intronów

• procesy transkrypcji i translacji zachodzą jednocześnie

Nukleoid wraz z plazmidami zawierają całą inf. Genetyczną

• plazmidy - poza chromosomalne elementy genetyczne

• samoreplikujące się zamknięte, koliste cząsteczki dwuniciowego DNA

• kodują niektóre f. organizmu: odporność na antybiotyki, syntezę bakteriocynu

• transpozany- duże cząsteczki DNA zawierające 1 lub kilka genów z obu końców ograniczone sekwencją IS, przenoszone z 1 genomu na 2 jako całość

• bakteriofag M_u - rekombinacja nieuprawniona

• fag λ

Mezosomy- woreczki z wewnętrznymi błonami, lepiej wykształcone u gram dodatnich

Enzymy: -cytochromy

-ATP-aza

-oksydaza NADH₂

-dehydrogenazy (bursztynianowa, malonianowa, NADH₂)

Rola biologiczna mezosomów:

-udział w transporcie elektronów

-centrum biosyntezy kw. tł.

-miejsce zakotwiczenia nukleoidu

-udział w formowaniu ścian kom. u gram dodatnich

-udział w przenoszeniu części DNA do powstającej endospory w procesie sporulacji

Rybosomy 70s

Duża podjednostka 50s Mała podjednostka 30s

-34 białka -21 białek

-5s rRNA i 23 s rRNA -16s rRNA

Ziarnistości komórkowe:

-lipidy, polimery kwasu β-hydroksymasłowego

-węglowodany: glikogen, granuloza

-polifosforany: wolutyna

-siarka

Substancje zapasowe znajdują się w komórce w postaci osmotycznie nieczynnej.

Polifosforany:

-wiele bakterii gromadzi w kom. kwas fosforowy pod postacią ziaren polifosforanów zwanych ziarnami wolutyny

-fosforany zmagazynowane w ten sposób mogą być wykorzystane w przypadku ich braku w podłożu, umożliwiając komórce nawet kilkakrotne podziały lub wytworzenie przetrwalnika

Błona cytoplazmatyczna:

-białka

-lipidy (błonowe u bakterii- kwasy tłuszczowe nie rozgałęzione, rzadko wielonasycone, brak steroli, są hopenoidy

Archebakteria- brak kw. tł., są alkohole polizoalkailowe, często rozgałęzione, boczne sterole (w gejzerach)

Dwuwarstwa lipidowa:

-białka: integralne, powierzchniowe, peryferyczne

-cechy: płynność (dyfuzja lateralna i rotacyjna), asymetryczność, heterogenność

Rola biologiczna błony cytoplazmatycznej:

-oddzielenie wnętrza komórki od środka

-transdukcja sygnałów

-wytwarzanie sygnału elektrochemicznego

-pośredniczenie w transporcie

Rodzaje transportu:

• dyfuzja bierna - gradient stężeń

• dyfuzja wspomagana- gradient + białko

• dyfuzja prosta

• uniport - 1 rodzaj cząsteczki w jednym kierunku

• symport - 2 cząsteczki jednocześnie

• antysport - 1 do wnętrza i 1 na zewnątrz jednocześnie

Właściwości białek transportowych (permeaz):

-białka allosteryczne

-optymalna temp. od 20°C do optymalnej temp. wzrostu

-określony zakres pH

-swoistość

Transport laktozy u E.Coli:

-gradient protonowy (siła protonomotoryczna)

-niekorzystny energetycznie transport

1 cząsteczka laktozy sprzężona jest z korzystnym energetycznie transportem 1 H⁺

Transport aktywny- permeazy, ATP, PMF

-kanał białkowy + ligand

-np. pompa sodowo- potasowa : 3 Na↑ 2 K↓

Budowa i struktura ściany komórkowej (Domena Alchea)

Cechy:

-elastyczna, nadaje kształt

-mykoplasmatales (mykobakteria) nie maja ściany kom.

-bariera ochronna przed czynnikami fizycznymi i chemicznymi, przed mikroorganizmami

-jest przepuszczalna dla licznych substancji niskocząsteczkowych i soli mineralnych

peptydoglikan = murena = glikopeptyd = mukopeptyd = muropeptyd występuje u Procayrota (bez mykobakterii, bakteryjnych form L i form halofilnych)

Cechy peptydoglikanu:- tworzy siatkę wokół komórki

- L-alanina

-N-acetyloglukozamina

-kwas N-acetylomuraminowy

-D-alanina, kwas D-glutaminowy

-formy D-aminokwasów nie wysterują u roślin i zwierząt

Lizozym- rozszczepia w murenie wiązanie glikozydowe powodując rozpad na dwusacharydy GlcNAc - MurNAc, jest więc (N-acetylo)-muramidazą; znajduje się np. w ślinie

Penicylina- działa bakteriobójczo na komórki rosnące bo zaburza biosyntezę ściany kom., zahamowując tworzenie poprzecznych wiązań peptydowych między łańcuchami cukrowymi

Muroendopeptydazy - rozszczepiają wiązanie peptydowe biorące w usieciowianiu mureny

Budowa ściany kom. bakterii gram dodatnich (G⁺):

-mureina 30-70% (ok. 40 warstw)

-często zamiast m-Dpm wystepuje LL-Dpm lub L-lizyna

Kwas tejchojowy:

-reszty glicerolu lub rybitolu (8-50) połączone grupami fosforanowymi (mostkami fosfoestrowymi)

-związane z kwasem muraminowym w peptydoglikanie

-lub z lipidami błony - kwasy lipotejchojowe

kwasy tejchuronowe- złożone z utlenionych form cukrów

Rola:

-utrzymywanie struktury ściany kom.

-regulacja autolizy

Struktura i funkcje kwasów tejchojowych:

-polisacharydy o negatywnym ładunku

-nadają komórce negatywny ładunek (ochrona przed toksycznymi związkami hydrofobowymi)

-wiążą dwuwartościowe jony (Ca²⁺, Mg²⁺)

Białka i cukry powierzchniowe bakterii G⁺ związane są z peptydoglikanem:

-i bakterii chorobotwórczych są silnymi antygenami

-zmienność ich struktury odpowiada za zmienność serotypową bakterii G⁺

Funkcje białek na zewnętrznej powierzchni ściany kom.:

-adhezyny

-enzymy

-inwazyny

-ochrona przed zlizowaniem przez dopełniacz

Białko A Staphylococcus ureus - gronkowiec złocisty (Sp A - ang. Staphylococcal protein A)

• proteina powierzchniowa

• 5 powtarzających się podjednostek (A-E)

• wiąże immunoglobuliny IgG(region Fc)

• zdolne do wiązania części Fab przeciwciał

Białko M streptococcus pyogenes - paciorkowiec

• białko powierzchniowe zdolne do wiązania m.in. fibrynogenu, IgG

• odpowiedzialne za ochronę bakterii przed fagocytozą

• wiąże α-2-makroglobulinę, ochroni bakterie przed szkodliwym działaniem proteinaz w tym własnej proteinazy cysternowej oraz enzymami wewnątrzkomórkowymi

Budowa ściany komórkowej bakterii G^-

• pojedyncza warstwa mureny(stanowi < 10%)

• jest kwas mezo-diaminopimelinowy

• brak kwasów tejchojowych

• część dominującą ściany stanowi warstwa plastyczna, którą tworzy błona zewn. zbudowana z fosfolipidów, białek, lipopolisacharydów(LPS), lipoproteiny Brauna

Schemat: błona zewnętrzna(cząsteczki fosfolipidów połączone z lipopolisacharydami poryny)

przestrzeń peryplazmatyczna (periplazma) - tu jest peptydoglikan

błona wewnętrzna

Błona zewnętrzna:

• asymetryczna

• białka Omp. ( outer membrane protein)

-białka wykazujące aktywność enzymatyczną np. fosfolipaza A u E.Coli

-poryny- białka o funkcji transportowej np. OmpF i OmpC u E.Coli

-białka stabilizujące strukturę błony

-białka pełniące rolę adhezyn

-białka ochronne przed reakcjami immunologicznymi np. OmpA E.Coli

-lipoproteina Brauna

• lipopolisacharydy (LPS) składają się z:

-oligosacharydy np. kwas 2-keto-3-deoksyoktulozonowy (Kolo)

-rdzeń wielocukrowy (antygen Kunina)

-lipid A- zakotwiczony w błonie zewnętrznej

-rola: duże znaczenie w diagnostyce bakteriologicznej i epidemiologii, LPS są najbardziej aktywnymi endotoksynami bakterii wywołującymi gorączkę i biegunkę

Konsekwencją odmiennej budowy ściany kom. bakterii G⁺ i G^- jest zasadnicza odmienność fizjologiczna obu tych grup.

G^+	G^-	wrażliwość na
gruby peptydoglikan	cienki peptydoglikan
kwasy tejchojowe	błona zewnętrzna
ulega rozpuszczeniu - powstają protoplasty	odporna - tworzą się sferoplasty	lizozym
duża	mała	penicylina
duża	mała	detergenty
duża	mała	barwniki anilinowe
wrażliwe na eozynę i błękit anilinowy	wrażliwe na safraninę	fotodynamiczne działanie barwników
mała	duża	zawartość poliamin
duży	mały	zapas wolnych aminokwasów

Przestrzeń peryplazmatyczna:

• u bakterii G^- między błoną cytoplazmatyczną a ścianą kom.

• przepuszcza elektrony

• peptydoglikan + lipoproteina Brauna

• białka charakterystyczne dla peryplazmy:

-białka transportowe

-enzymy hydrolityczne: proteazy, β-laktamazy, nukleazy

-białka wiążące (receptory)

• funkcje przestrzeni peryplazmatycznej:

-transport subs. odżywczych

-ochrona przed szkodliwymi czynnikami

Domena Archaea:

• środowiska bytowania:

-ekstremalnie halofilne

-ekstremalnie termofilne

-metanogeniczne

• pseudopeptydoglikan = pseudomureina

- N-acetyloglukozamina i kwas N-acetylotaloaminuroniowy połączone wiązaniem 1,3-glikozydowym, brak form D- aminokwasów

Ściana komórkowa archebakterii:

• Methanosarcina: gruby polisacharyd złożony z glukozy, kwasu glukuroninowego, galaktozaminy, octanów

• Halococcus: jak wyżej ale z dużą zawartością reszt siarczanowych

• parakrystaliczna warstwa powierzchniowa S (S- layer) zbudowana z glikoprotein

• Thermoplasma: brak ściany kom.

Budowa osłon komórkowych bakterii nie posiadających mureiny (Mycoplysmatales):

• brak ściany kom.

• pleomorfizm

• obecność steroidów (cholesterol 36%) w błonie cytoplazmatycznej

• stabilizuje strukturę błony

• zwiększa działanie sił van der waalsa

• obecność białek enzymatycznych

Bakteryjne formy L:

• formy pozbawione ściany kom.

• egzystują w organizmie żywym powodując zmiany chorobowe

• trudne do wykrycia

• mogą powstawać w wyniku działania niektórych antybiotyków (β-laktamowe, penicylina, wankomycyna, cykloseryna) i barwników (fiolet krystaliczny)

Podział L-postaci:

1. Protoplasty L-postacie powstałe z G⁺

2. Sferoplasty L-postacie powstałe z G^-

Protoplasty i sferoplasty:

• antybiotyki β-laktamowe hamują tworzenie peptydowych, krzyżowych mostków w mureinie u G⁺

• hamowanie syntezy mureiny wykazują: wankomycyna, fosfomycyna, bacytrycyna, cykloseryna

• także działanie lizozymu powoduje rozerwanie połączeń glukozamina, a kwas acetylomuraminowy

• proto- i sferoplasty są wrażliwe na działanie ciśnienia osmotycznego środowiska

• in vitro żyją w środowisku o wyższym ciśnieniu osmotycznym np. sole magnezu, albumina bydlęca, żelatyna, 20% sacharoza

• przeniesione do podłoża, które nie zawiera czynnika hamującego syntezę mureiny zmieniają swój kształt do wyjściowego (normalnych komórek)

Otoczki bakteryjne:

• wielocukrowe

• polipeptydowe ( z kwasu poliglutaminowego)

• wielocukrowi- polipeptydowe

• cecha uwarunkowana genetycznie - szczepy K⁺ to mutanty bezotoczkowe K^-

Paciorkowce zapalenia płuc (pneumokoki)

-kształt lancetowatych ziarenek

-występują zawsze parami (dwoinki)

-otoczone w warunkach in vivo wspólną otoczką

Bacillus anthracis:

-szorstkie kolonie na stałym podłożu z krwią

-lśniące kolonie (bakterie wytwarzają otoczki) na podłożu z dwuwęglanem

pXO2: capB, capB, capA geny kodujące białko związane z otoczką bakteryjną

pXO1: atxA

Warstwa S-powierzchniowa:

-dodatkowa warstwa osłonowa u archebakterii (niekiedy jedyna ich osłona) i niektórych eubakterii, zbudowana z białka, pełni funkcje mechanicznej ochrony komórki

Śluzy- substancje otoczkowe wydzielane do środowiska, można je oddzielić od powierzchni komórki przez wytrząsanie; leuconostoc mesenteroides - wytwarza śluz złożony z dekstranów (enzym heksozylo transferaza = sacharoza dekstranowa przekształca sacharozę w dekstrany (polisacharydy z wiązaniem α-1,6- glikozydowym); Streptococcus Salivalius i S. mutans - wydzielają enzym przekształcający sacharozę w polifruktozę;

Biologiczne właściwości otoczek bakteryjnych:

-ochrona komórki przed wysychaniem

-utrzymanie równowagi elektrokinetycznej

-ułatwiają adhezję do powierzchni

-powstawanie biofilmu, ”quorum sensing”

-ochrona przed fagocytozą

-hamują zlepianie komórek przez przeciwciała anty-O

-czynnik chorobotwórczości bakterii ( u pneumokoków)

(wzrost rozpełzy u Proteus mirabilis)

Etapy powstawania biofilmu:

1. Faza odwracalnej adhezji (komórki przyczepiają się do podłoża)

2. Faza pośrednia (tworzy się otoczka)

3. Faza dojrzewania struktury (tworzą się warstwy)

4. Współistnienie bakterii różnych gatunków (biofilm może składać się z różnych bakterii)

5. Niektóre komórki opuszczają biofilm

”quorum sensing” - zjawisko, gdzie bakterie wysyłają, będąc w mikrokoloniach, sygnał o zaprzestaniu podziałów

eps- zewnątrzkomórkowyegzopolisacharyd

Powstawanie biofilmu:

-wolne podziały

-wolne tempo metabolizmu

-zwiększona odporność na czynniki stresowe

Dlaczego bakterie rosną w postaci biofilmu?

-ochrona przed szkodliwymi warunkami środowiska

-zajęcie (kolonizacja) obszaru bogatego w składniki odżywcze

-współdziałanie w wykorzystaniu zasobów środowiska

-naturalna postać bytowania bakterii w środowisku (kożuszek, osad na podłożu płynnym, kolonia na podłożu stałym)

Rzęski bakteryjne - organelle ruchu:

• wyrostki o średnicy 12-18nm i długości do 20 μm

• za pomocą ciałka bazalnego zaczepione w błonie cytoplazmatycznej, łączą się z jej treścią protoplazmatyczną

• kształt lekko skręconej spirali o równej grubości na całej długości

• składają się z heliakalnie zwiniętych łańcuchów kurczliwego białka (flagelliny)

• u bakterii G⁺ brak dysku z dwoma pierścieniami zakotwiczonymi w ścianie kom.

G⁺ G^-

Wyróżniamy bakterie:

1. bezrzęse (atrychalne) - większość ziarniaków

2. jednorzęse (monotrychalne) - jedna biegunowa rzęska np. Vibrio

3. dwurzęse - po jednej rzęsce na obu biegunach

4. lofotrychalne - pęczek na jednym biegunie np. Pseudomonas

5. amfitrychalne - pęczek rzęsek na obu biegunach np. Spirillum

6. okołorzęse (perytrychalne) - rzęski są rozmieszczone wzdłuż komórki lub na całej jej powierzchni np. Proteusz, Bacillus, Clostridium

obecność rzęski- to cecha taksonomiczna

Mutacje:

• Ha⁺ Ha^- trwała utrata zdolności syntezy rzęsek

• Mat⁺ Mat^- synteza rzęsek bez zdolności ruchu

Antygeny rzęskowe H - flagellina kodowana przez gen fliC

fla A flaB flaC flaD

|_____________|

↓

kopie milczące genu A

Podstawą zmienności antygenowej jest rearanżacja genów flaA i flaB:

• prowadzi to do wywarzania białek hybrydowych zbudowanych z N-terminalnej części FlaA i C terminalnej FlaB

• różnią się one swoistością antygenową, zdolnością do ruchu w lepkim środowisku i w zmieniającym się pH

• różnią się rozmieszczeniem na komórkach długich i krótkich

Spirochetae (krętki):

• ruch poprzez skręty wzdłuż osi podłużnej

• włókno osiowe

• ruch ślizgowy w zetknięciu z powierzchnią

Myxobacteriae (bakterie śluzowe) i chlamydobacteriae (bakterie nitkowate) są zdolne do różnego rodzaju ruchu

Charakter ruchu zależy od kierunku obrotu wici:

• koziołkowanie - ruch chaotyczny, rotacja CW

• ruch prostoliniowy - rotacja CCW

• białka: Mat A (kanał protonowy) i Mat B połączone z pierścieniami MS (ciałka bazalnego) powodują obrót rzęski

Reakcje bakterii na bodźce zewnętrzne:

1. tropizm- zmiana intensywności wzrostu bakterii nieurzęsionych

2. taksja - ruch czynny bakterii urzęsionych

1. chemotaksja - ruch którego ukierunkowanie jest zależne od gradientu stężeń substancji chemicznych znajdujących się w otoczeniu;

• chemotaksja pozytywna - reakcja na atrakant

• chemotaksja negatywna - reakcja na repelent

fototaksja

termotaksja

Ukierunkowany ruch:

• czas ruchu w kierunku atrakanta - dłuższy

• czas ruchu w kierunku przeciwnym do atrakanta - krótszy

selekcja ruchów przypadkowych- mechanizm reorientacji ruchu

Chemoreceptory wykrywają gradient stężeń atrakantu poprzez porównanie różnic stężeń w czasie.

Molekularny mechanizm chemotaksji:

-receptor

-integrujące białko CheY

-silniki molekularne obracające wici

-białko pośredniczące CheA ulega spontanicznej autofosforylacji oraz przenosi grupy fosforanowe na białko CheY

atrakanty - powodują metyzację chemoreceptora

repelenty - substancje szkodliwe

Fototaksja i fotokineza:

Fotomotoryczne reakcje ruchowe:

• foto - topotaktyczna

• foto - tobotaktyczna

Formy fototropowe:

-purpurowe bakterie bezsiarkowe Athiorhodaceae

-purpurowe bakterie siarkowe Thiorhodaceae

-bakterie zielone Chlorobacteriaceae

Fimbrie:

• u bakterii o cienkiej ścianie komórkowej, głównie u bakterii z rodzaju Enterobacteriaceae

• ułatwiają przyleganie - adhezję bakterii do innej komórki np. w celu zainfekowania jej

• niektóre fimbrie tzw. pile pełnią ważną rolę w procesie koniugacji

• fimbrie są strukturami białkowymi - pilina, zbudowane z monomerów FimA, FimB, FimG,

Fimf

• fimbrie można podzielić na podstawie stopnia zahamowania aglutynacji krwinek czerwonych na: MR - mannozooporne i MN - mannozowrażliwe

Zakażenia ZUM:

• większość bakterii posiadających fimbrie jest kojarzona z zakażeniami dróg moczowych (zapalenie pęcherza, odmiedniczkowe zapalenie nerek, zakażenie bezobjawowe - bakteriuria)

• geny kodujące czynniki zjadlowości są umieszczone na tzw. wyspach patogenności- ruchomych elementach w obrębie genomu, na jednej komórce bakteryjnej może być jednocześnie kilka takich wysp

Endospory i formy przetrwalne:

-umożliwiają bakteriom przeżycie warunków niekorzystnych dla normalnych form wegetatywnych

Endospory wytwarzają:

-bezwzględne lub względne tlenowe bakterie z rodzaju Bacillus, Sporosarcina

-bezwzględne beztlenowe z rodzaju Clostridium

Oporność przetrwalnika:

• wysoka temp. - ciepłoodporność jest proporcjonalna do zawartości kwasu dipikolinowego

• niska temp. - dzięki grubym ścianom i minimalnej zawartości wody

• promieniowanie - dzięki dużej liczbie mostków dwusiarczkowych w zewnętrznych osłonkach białkowych

• wysuszenie

• czynniki chemiczne (wysokie i niskie pH, duże stężenie NaCl)

Skład chemiczny przetrwalników:

• zawierają o 40% więcej białka i prawie kilkakrotnie mnie węglowodanów niż komórki wegetatywne

• kwas dipikolinowy (kwas pirydyno-2,6-dikarboksylowy, DPA)

• przetrwalniki nie zawierają β-hydroksymaślanu, który w komórkach wegetatywnych stanowi prawie 30% s.m. (suchej masy)

• praktycznie brak wody (wolnej)

Pozycja w komórce:

-komórka bakterii w wyniku sporulacji staje się sporangium, w którym przetrwalnik w zależności od gatunku zajmuje pozycję:

• środkową

• mniej lub bardziej biegunową (cecha taksonomiczna)

Podział przetrwalników:

1. deformujące (zmienia kształt)

2. niedeformujące

Sporulacja- etapy:

1. błona cytoplazmatyczna uwypukla się do wnętrza komórki tworząc przegrodę

2. DNA dzieli się na dwie części dając genofor sporangium i genofor prespory zlokalizowany bliżej bieguna komórki

3. DNA prespory wraz z częścią cytoplazmy zostaje oddzielone a potem jest otaczane dwiema błonami cytoplazmatycznymi

4. Wewnętrzna błona tworzy ścianę komórkową przetrwalnika, błona zewn. daje do środka korteks, zaczynają powstawać osłony białkowe wytwarzane przez komórkę macierzystą

5. Zakończeniu ulega wytwarzanie korteksu oraz osłon białkowych, materiał jądrowy ulega uporządkowaniu w pobliżu błony przetrwalnika

6. Pzretrwalni dojrzewa, osłonki ulegają przemianom, które powodują, że stają się nieprzepuszczalne i ciepłoodporne, ustają przemiany metaboliczne, wejście w stan anabiozy

7. Uwolnienie endospory na skutek lizy sporangium

Budowa przetrwalnika:

• rdzeń

-cytoplazma otoczona błoną cytoplazmatyczną, czyli protoplast przetrwalnika, zawiera chromosom i wszystkie struktury potrzebne do syntezy oraz wytwarzania energii na drodze glikolizy

• ściana przetrwalnika

-warstwa znajdująca się najbliżej na zewnątrz błony cytoplazmatycznej, jest zbudowana z mureiny i po wykiełkowaniu endospory w komórkę wegetatywną staje się ścianą komórkową

• korteks

-najgrubsza warstwa przetrwalnika, zbudowana z mureiny o mniejszej liczbie mostków poprzecznych niż ściana kom., zawiera kwas dipikolinowy, jest bardzo wrażliwa na działanie lizozymu, a jego autoliza odgrywa rolę przy kiełkowaniu

• płaszcz (wewnętrzny i zewnętrzny)

-zbudowany z białka kreatynopodobnego, z wieloma mostkami dwusiarczkowymi, jest nieprzepuszczalny - zapewnia dużą oporność na antybiotyki i środki dezynfekcyjne, osłony te mogą stanowić do 50% objętości i 40-60% suchej masy endospory

• egzosporium

-występuje tylko u niektórych gatunków Bacillus, błona lipoproteinowa, zawiera niektóre węglowodany

Kiełkowanie endospory:

-kiełkowanie endospor poprzedza pobieranie wody z podłoża i pęcznienie, zwiększa się wtedy objętość przetrwalnika i zanika zjawisko silnego załamywania światła przez sporę

-następuje aktywacja enzymów i szybki wzrost przemiany materii, utrata ciepłoodporności, zanikanie dipikolinianu wapnia, wzrasta intensywność oddychania

aktywacja- przetrwalniki nie wykiełkują dopóki nie zostaną uczynnione przez czynniki, które niszczą płaszcz, do czynników przerywających stan uśpienia należą: ciepło, wzrost kwasowości, związki z wolnymi grupami sulfhydyrylowymi, które rozluźniają struktury białka płaszcza

Zapoczątkowanie kiełkowania:

-po uczynnieniu przetrwalnik zaczyna kiełkować jeśli są korzystne warunki środowiskowe, zwłaszcza obfitość związków odżywczych, receptory rozpoznają obecność L-alaniny, adenozyny i innych, połączenie tych związków z receptorem aktywuje autolizynę, która rozkłada korteks, następuje pobieranie wody, uwolnienie dipikolinianu wapnia i hydroliza licznych składników endospory

Rozrost komórki:

-po rozpadzie korteksu pojawia się komórka wegetatywna, która zaczyna rosnąć, aktywnie syntezować różne związki, aż w końcu dzieli się

Podstawowe procesy metaboliczne bakterii:

metabolizm- wszystkie procesy chemiczne zachodzące w komórce

Podział czynników odżywczych:

1. makroelementy - potrzebne w dużych ilościach - C, O, H, N, S, P

2. mikroelementy - Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn, Fe

Pierwiastek	Przyswajalna forma	Składnik medium
C	CO2, zw. org.	glukoza, maltoza, octan, szczawian
H	H2O, zw. org.	H2O, zw. org.
O	H2O, zw. org.	H2O, zw. org.
N	NH3, NO^3-
P	PO4^3-
S	H2S, SO4^2-	siarczki metali (Fes, ZnS)
K	K^+w r-r i różne sole potasowe	KCl, KH2PO4
Mg	Mg^2+w r-r i różne sole Mg	MgCl2, MgSO4
Na	Na^+w r-r i różne sole Na	NaCl
Ca	Ca^2+w r-r i różne sole Ca	CaCl2
Fe	Fe^2+lub Fe^3+w r-r lub jako Fes, Fe(OH)3	FeCl2, FeSO4

sidofory= siderofory- zw. swoiście wiążące żelazo i transportujące je do komórki

Główne grupy sideroforów:

1. kwasy hydroksamowe np. mykobaktyny

2. pochodne subs. fenolowych (katecholu) np. enterobaktyna

3. pochodne kwasu cytrynowego np. aerobaktyna

siderofory bakteryjne- zw. drobnocząsteczkowe, są to ligandy chelatujące III-wartościowe Fe; rodzaje transportu Fe do komórki przez siderofory: dyfuzja, aktywny transport, model „taxi”- siderofor transportuje żelazo do pow. błony, tam…..? Fe³⁺ Fe²⁺

Czynniki wzrostowe:

• zw. org. które są wymagane w niewielkich ilościach do wzrostu niektórych mikroorganizmów np. witaminy, aminokwasy, puryny, pirymidyny

• większość bakterii jest zdolna syntetyzować potrzebne do życia czynniki wzrostowe (prototrofy)

• niektóre bakterie muszą pobierać wiele związków z otoczenia np. Streptococcus Lactobacillus i Leuconostac (auksotrofy)

Witaminy najczęściej wymagane do wzrostu mikroorg.: tiamina(wit. B1), biotyna, pirydoksyna (B6), kobalamina (B12)

ODŻYWIANIE

• czynniki odżywcze- podstawowe elementy chem. pobierane przez organizm ze śr. i przekształcane na składniki komórki

Klasyfikacja sposobów odżywiania

1. Kryterium - źródło węgla

a)autotrofy-organizmy które czerpią węgiel z CO₂ do budowy substancji org., przy czym nie są zdolne do czerpania go z innych źródeł

b)heterotrofy- źródło węgla - związki organiczne

2. Kryterium - źródło energii metabolicznej

a)fototrofy- en. z promieniowania słonecznego

b)chemotrofy- en. z utleniania organicznych lub nieorg. Zw. chemicznych

3. Kryterium - źródło (donator) elektronów w procesie biosyntezy

a)litotrofy- źródło e^- to subst. nieorg. (H₂, NH₃, H₂S, związki Fe i inne)

b)organotrofy- korzystają z organicznych źródeł e^-

Podstawowe typy pokarmowe mikroorganizmów:

1. fotolitoautotrofy (fotolitotrofy)- źródło en. t promieniowanie słoneczne, źródło e^- i węgla to związki nieorg., zaliczamy tu: np. glony i sinice przeprowadzające proces fotosyntezy

2. fotoorganoheterotrofy (fotoorganotrofy)- en. z promieniowania słonecznego, źródło e^- to związki org.

3. chemolitoautotrofy- en. i e^- i węgiel z subst. nieorg., zaliczamy tu np. bakterie nitryfikacyjne, siarkowe, wodorowe, żelazowe uzyskujące en. w wyniku utleniania odpowiednio NH₃ lub NO₂, H₂S lub S, H₂, Fe³⁺

4. chemoorganoheterotrofy - źródło en., e^- i C są zw. org., należą tu: pleśnie, drożdże, liczne bakterie

Podział heterotrofów wg innych kryteriów:

1. prototrofy- wymagają do wzrostu oprócz subs. mineralnych tylko jednego org. źródła C

2. auksotrofy- wymagają do wzrostu oprócz podstawowego org. substratu węglowego co najmniej jednego dodatkowego zw. org. pełniącego rolę czynnika wzrostowego (np. witaminy, aminokwasu, zasady purynowej lub pirymidynowej)

Heterotrofy dzieli się też na:

• saprofity- wykorzystują martwą materie org.

• pasożyty - rozwijają się „na” organizmie żywym, ze szkodą dla tego organizmu

• komensale - rozwijają się „na” org. żywym, nie przynosząc mu ani korzyści ani szkody

• symbionty - rozwijają się w zespole z innym org. żywym, przy czym dla obu organizmów jest to układ korzystny

Typy procesów metabolicznych:

1)anabolizm (biosynteza) - proces w którym komórka buduje skomplikowane zw. chem. z prostych elementów pobieranych z otoczenia

np. r-cji anabolicznych:

• translacja - produkcja białka z aminokwasów

• replikacja i transkrypcja - biosynteza zw. nukleinowych z nukleotydów

• wytwarzanie cukrów złożonych z cukrów prostych

• r-cje anaboliczne często są jednocześnie endoergiczne - wymagają zużycia przez komórkę pewnej ilości energii zmagazynowanej w ATP

2)katabolizm - rozszczepianie subst. złożonych org. i nieorg. na prostsze (dysymilacja) z wytworzeniem prekursorów do procesów syntezy i wyzwoleniem en. zużytkowanej następnie do czynności życiowych

np.

• glikoliza

• cykl kwasu cytrynowego

• β-oksydacja kwasów tłuszczowych

• r-cje kataboliczne z reguły są egzoergiczne - umożliwiają komórce wytworzenie en. która jest magazynowana w wysokoenergetycznych wiązaniach cząst. ATP

3)amfibolizm - przemiany biochemiczne prowadzące do powstawania metabolitów pośrednich które mogą być włączone zarówno w procesy anaboliczne jak i kataboliczne

Szlaki utleniania zw. org. sprzężone z syntezą ATP. Metabolizm energetyczny chemoorganotrofów: oddychanie beztlenowe (fementacja), oddychanie tlenowe.

oddychanie (utlenianie biologiczne)- proces w którym en. chem. utlenianego substratu org. jest przez organizm wykorzystywana do przeprowadzenia r-cji endoergicznych albo przekształcana w en. cieplną, mechaniczna, świetlną

Metabolizm oddechowy:

• proces przenoszenia wiązań chem. z substancji będących pożywieniem komórki do zw. użytecznych w procesach życiowych

• utlenianie biologiczne polega na oderwaniu e^- z jednoczesnym odłączeniem H⁺

• r-cja utleniania jest częścią r-cji oksydoredukcyjnej

Szlaki oddychania komórkowego:

1)odd.tlenowe u Eukariota w mitochondriom:

glikolizaodd. beztlenowe : fermentacja alkoholowa, mleczanowa

↓

tworzenie acetylo-CoA cykl kwasu cytrynowego transport elektronów i chemiosmoza

Szlaki degradacji glukozy:

a)glikoliza = cykl fruktozo-1,6-bifosforanowy (FBF) = szlak Embolena-Meyerhofa-Parnasa(EMP)

b)cykl Endnera-Doudoroffa = cykl 2-keto-3-deoksy-6-fosfoglukonianowy (ED=KDFG)

c)cykl pentozowy=oksydatywny szlak pentozofosforanowy= heksozomonofosforanowy(HMP) = szlak Warbugra-Dickensa-Horeckera

Glikoliza-proces enzymatycznego rozkładu cukrów do kwasu pirogronowego, którego celem jest pozyskanie energii pod postacią NADH i adenozyno-5'-trifosforanu; substratami mogą być: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza, glicerol; proces glikolizy może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych; enzymy glikolityczne można znaleźć zarówno u bakterii jak i u eukariotow

ETAP 1-5 GLIKOLIZY: fosforylacja kosztem ATP różnych sacharydów: heksoz, glikogenu, skrobi i ich rozkład z wytworzeniem aldehydu 3-fosfoglicerynowego

ETAP 6-10 GLIKOLIZY: reakcje oksydoredukcyjne z udziałem NAD, dostarczające energii która jest częściowo magazynowana w cząsteczkach powstającego ATP oraz wytworzenie kw. pirogronowego

Etap 1 i 2 są identyczne jak w fermentacji alkoholowej.

ETAP 1: fosforylacja glukozy

ETAP2: izomeryzacja glukozy do fruktozy

ETAP3: druga fosforylacja fruktozy

ETAP4: rozpad na 2 fragmenty trójwęglowe

ETAP5: fragmenty trójwęglowe izomeryzują

ETAP6: odwodornienie i fosforylacja substratowa trójwęglowego fragmentu

ETAP7: utworzenie ATP z ADP - odzysk energii

ETAP8: izomeryzacja

ETAP9: odszczepienie cząsteczki wody

ETAP10: ponowny odzysk energii- powstaje ATP z ADP

Bilans energetyczny glikolizy:

etap 1 - -1ATP

etap 3 - -1ATP

etap 7 (2 cząsteczki) - +2ATP

etap 10(2 cząsteczki) - +2ATP

zysk netto 2ATP

Szlak Endnera-Doudoroffa:

-Pseudmonas, Rhizobium, Agrobacterium, Gluconobacter; 2-keto-deoksy-6-fosfoglukonian jest rozszczepiany przez swoistą aldozę do pirogronianu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego który utleniany jest do pirogronianu; bilans energetyczny szlaku: 1 mol ATP i NADPH₂ (1 mol ATP i NADH + H⁺

Oksydatywny szlak pentozofosforanowy:

-tworzenie różnego rodzaju związków m.in. 6-fosfofruktozy(substrat do glikolizy); produkcja pentoz niezbędna do budowy różnych związków,; produkcja NADPH- łatwo dostępny potencjał redukcyjny, niezbędny potem do różnych biosyntez; utlenianie 1 mola glukozy: 12 NADPH (36 ATP) + 2 aldehydu

REGULACJA METABOLIZMU GLUKOZY:

efekt Pasteura- hamowanie beztlenowego przebiegu glikolizy w wyniku oddychania tlenowego tzn. aerobowego utleniania w cyklu kwasu cytrynowego, dzieje się tak bo ATP, H⁺, cytrynian są inhibitorami fosfofruktoknazy - 1, regulatorowego enzymu glikolizy

Kataboliczna represja glukozowa:

-negatywny efekt Pasteura- hamowanie biosyntezy enzymów oddechowych

-efekt Crabtree - hamowanie aktywności enzymów oddechowych

-w obecności wysokich stężeń glukozy następuje: obniżenie stężenia cytochromów, spadek ilości syntetyzowanych enzymów cyklu Krebsa, zahamowanie aktywności dehydrogenaz i ATP-azy

Biosynteza jest procesem zależnym od energii pobieranej z otoczenia.

Formy energii pobieranej przez organizmy:

a)świetlna

b)chemiczna- en. zawarta w zw. chem. i uwalniana w czasie ich rozkładu ich rozkładu do zw. prostych (katabolizm)

Podział mikroorgnizmów w zależności od źródła wykorzystywanej energii:

1)Fototrofy

2)Chemotrofy - wykorzystują en. chem. zawartą w zw. chem., wykorzystanie en. zachodzi na drodze r-cji oksydacyjno-redukcyjnych(redox): redukcja(przyłączanie elektornów), donor elektronów, akceptor e^-;

potencjał redukcyjny= potencjał redoks= Eo'= potencjał oksydoredukcyjny zdlnośc do przyjmowania i oddawania elektronów;

Eo' siła elektromotoryczna która wytwarza półogniwo zawierające obydwa składniki pary redoks w równowadze z półogniwem wzorcowym

W r-cjach katabolizmu donora e^- często określa się źródłem e^- a ilość en. uwalnianej w r-cji redoks zależy od natury donora i akceptora;

Im większa różnica pomiędzy potencjałami redox połowicznych reakcji, tym więcej w jej wyniku uwalnia się energii.

W komórce transfer e^- w r-cji redoks z dnora na akceptor zachodzi za pośrednictwem tzw. przenośników e^-.

pierwotny donor e^- < przenośnik e^- < końcowy akceptor e^-

Podział przenośników e^-:

-wolno dyfundujące (NAD⁺ /NADH , NADP⁺ /NADPH)

Związki z błonami cytoplazmatycznymi: ubichinon, cytochromy, oksydaza cytochromowa, flawoproteidy

Energia uwalniana w r-cjach redoks:

-magazynowana w postaci pochodnych fosforanowych bogatych w energię, w których grupy fosforanowe łącza się wiązaniem wysokoenergetycznym przez atom tlenu wiązaniami estrowymi lub bezwodnikowymi

Typy fosfrylacji:

a)substratowa- proces bezpośredniego wykorzystania energii pochodzącej z r-cji chem. do syntezy ATP z ADP

b)oksydatywna- wykorzystanie siły elektromotorycznej jako źródło en. do syntezy ATP z ADP

NADH i FADH₂ są głównymi przenośnikami e^- w procesie utleniania”paliwa molekularnego”

W rezultacie e^- te są przekazywane w kaskadowych r-cjach tlenowi cząsteczkowemu - O₂ (stopień utlenienia-zero).

oddychanie- proces tworzenia ATP w którym ostatecznym akceptorem elektronów jest zw. nieorganiczny, donorami elektr. mogą być zw. org. lub nieorg.

odd. tlenowe- O₂ akceptorem elektronów

odd. beztlenowe- akceptorem elektr. jest zw. nieorg. inny niż O₂

Składniki transportu elektronów:

-cytochromy - w centrum maja atom miedzi

-białka żelazowo-siarkowe ( tzw. żelazo niehemowe) - ferredoksyny

-chinony - CoQ

-dehydrogenazy NADH

-flawoproteiny (białko zawierające FMN lub FAD

Łańcuch oddechowy ( w błonie cytoplazmatycznej):

1) NADH + H⁺ NAD⁺

↓ e^-

2)CoQ (ubichinon)

↓ e^-

3)kompleks cytochromów

↓ e^-

4)cytochrom C

↓ e^-

5)oksydaza cytochromowi (cytochrom A i jony miedzi w składzie)

System transportu e^-:

-przenosi e^- od donora do akceptora

-generuje energię do syntezy ATP

siła protonomotoryczna- dostarcza en. do napędzania ruchu rzęsek, transportu jonów, transportu niektórych substratów, fosforylacji ADP do ATP

F₁ F₀ -ATP-azy (synteza ATP): fosforylacja ATP, hydroliza ATP

Reakcje cyklu kwasu cytrynowego= cyklu kwasów trójkarboksylowych

-cykle Krebsa stanowi końcowe ogniwo otrzymywania en. przez org. żywe; w wyniku niego następuje utlenianie substratów energetycznych - aminokwasów, kw. tłuszczowych i węglowodanów - w postaci najczęściej acetylo-CoA otrzymany w wyniku glikolizy i innych przemian biochemicznych; łącznikiem obu ogniw: glikolizy i cyklu Krebsa jest oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

W warunkach dostępu tlenu zachodzi dalsza przemiana kw. pirogronowego. Powstaje dwu węglowy fragment - ugrupowanie acetylowe (CH₃CO), które przyłącza się do CoA tworząc acetylo-CoA. W istocie znaczenie acetylo-CoA jest bardziej ogólne- bo te grupy acetylowi pochodzą także z rozkładu kw. tłuszczowych - innego rodzaju „pożywienia” dla komórki.

Cykl kwasu cytrynowego:

ETAP wstępny: dekarboksylacja kwasu pirogronowego

ETAP 1: przyłączenie grupy acetylowej do kwasu szczawiooctowego, enzym: synteza cytrynianowa

ETAP 2: izomeryzacja, enzym: akonitaza

ETAP 3: odszczepienie jednej cząsteczki CO₂ , en. zmagazynowana w NADH, enzym: dehydrogenaza izocytrynianowa

ETAP 4: odszczepienie drugiej cząsteczki CO₂ , en. zmagazynowana w NADH, enzym: dehydrogenaza α-ketoglutarowa

ETAP 5: en. przemiany zmagazynowana w GTP, enzym: syntetaza bursztynylo-CoA

ETAP 6-8: prezmiany fragmentów czterowęglowych, szczawiooctan odtworzył się, proces w warunkach tlenowych, powstają prekursory do biosyntez.

Bilans cyklu Krebsa: 3NADH, 1 GTP, 2CO₂

MECHANIZMY ODDYCHANIA BEZTLENOWEGO

Źródło elektornów: zw. org. i nieorg.

Akceptor elektronów: zw. nieorg. i org.

Toksyczny wpływ tlenu: O₂ + 2e^- O
(jon ponadtlenkowy)

2H₂O₂ 2 H₂O + O₂ katalaza

2H₂O₂ + 2 GSH(zredukowany glutation) GSSG + 2H₂O peroksydaza

O₂ + 1e^- O


O
+ H₂O₂ + H⁺ O₂ + H₂O + OH


2O
+ 2H⁺ H₂O₂ + O₂ dysmutaza ponadtlenkowa

mikroaerofile- żyją w warunkach beztlenowych ale tolerują śladowe ilości tlenu, SA to względne beztlenowce np. Lactobacillus

Toksyczność tlenu wynika z obecności w komórce:

-enzymów flawinowych

-oksydaz (np. oksydaza NADPH)

-barwników uczulających na światło (np. chlorofil, cytochromy)

Funkcję ochronną pełnią:

-dysmutazy ponadtlenkowe

-katalazy

-karotenoidy

Mechanizmy oddychania beztlenowego:

1) redukcja nieorganicznych zw. mineralnych

2) fermentacja

Ad.1

Akceptory e^- : jony azotanowe, siarczanowe, węglanowe, fumaranowe, siarka

Dysymilacyjna redukcja azotanu. Denitryfikacja .

Enzym: reduktaza azotanowa

2 NO
2NO
2NO N₂O N₂

+4H -2H₂O +4H +2H +2H

Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas aeruginosa, Paracoccus denitrificans, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans

Denitryfikacja, redukcja azotanów(V) i (III) do azotu cząsteczkowego lub tlenku azotu (I) (denitryfikacja całkowita) lub do amoniaku (denitryfikacja częściowa), wywołana przez bakterie denitryfikacyjne (denitryfikatory). Zachodzi w warunkach beztlenowych, przede wszystkim w glebach o wysokiej zawartości wody i świeżej substancji organicznej. W wyniku denitryfikacji następuje zubożenie gleby w azot mineralny. Jest korzystnym zjawiskiem przy naturalnym oczyszczaniu się wód ściekowych.

Amonifikacja azotanów:

Enzym: reduktaza azotanowa

2 NO
2NO
NH
+ OH
+ 2H₂O

+4H -2H₂O

Azotyn ulega redukcji w asymilacyjnym szlaku redukcji azotanu do amoniaku. E.Coli, Enterobacter Aerogenes.

Redukcja siarczanów - bakterie sulfilynowe

Enzymy: sulfurylaza ATP, reduktaza APS, reduktaza siarczynowa

SO
APS SO
S₃O
S₂O
S


+ATP -PP₁

Bezwzględne beztlenowce: Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfobacter

Redukcja węglanów:

Enzymy: czynnik F₄₂₀ (pochodna deazaryboflawinowa), metanopteryna, metanofuran, koenzym M (sulfonian merkaptoetanu), niklowo- tetrapyrolowy czynnik F₄₃₀

4H₂ + CO₂ CH₄ + 2H₂O

Bakterie metanogenne z Archaebacteria np. Methanococcus, Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina

fermentacja- proces metaboliczny służący odtworzeniu ATP w którym produkty rozkładu substratów organicznych pełnią jednocześnie funkcję akceptorów i donorów; fermentacje dzielimy na:

a)beztlenową (właściwą)- beztlenowy rozkład substratu pokarmowego (cukru) w celu uzyskania energii (czyli rodzaj oddychania beztlenowego): kwas octowy, cytrynowy, fumarowy

b)tlenową - niepełne utlenianie substratu (czyli rodzaj oddychania tlenowego): kwas mlekowy, propionowy

Rodzaje fermentacji:

-alkoholowa: etanol + CO₂

-homofermentacja mlekowa: głównie kwas mlekowy

-heterofermentacja mlekowa: kwas mlekowy, etanol, glicerol + CO₂

-fermentacja bakterii z grupy coli: butanodiol, kwasy mlekowy, octowy, mrówkowy, etanol, CO₂ ,H₂

-propionowa: kwasy propionowy, octowy, bursztynowy, CO₂

-masłowa: kwas masłowy, butylowy, izopropylowy, octowy, butanol, aceton

Fermentacja mlekowa:

- G⁺ ziarniaki: Streptococcus, Lactococcus, Leuconostac

-regularne, nie przetrwalnikujące pałeczki: Lactobacillus

-nieregularne nie przetrwal;nikujące pałeczki: Bifidobacterium

-bakterie fermentacji mlekowej są względnymi beztlenowcami, produkują od 0,6 do 3% kwasy mlekowego

-gatunki mezofile: Lactococcus lactis, Lactobacillus casei, optimum temp. mają w zakresie 20-28ºC, produkują do 1,5% kwasu mlekowego

-gatunki termofilne: Lactobacillus delbruecki, Streptococcus thremophilus, temp.opt.40-45 ºC produkują do 3% kwasu mlekowego

-f.mlekowa jest procesem przemiany cukrów do produktów końcowych wśród których dominuje kwas mlekowy, pozostałe produkty to: kwas octowy, aldehyd octowy, etanol, CO₂, acetoina, diacetyl, butanodiol,

-ze względu na szlaki przemian cukrów klasyfikuje się bakterie mlekowe na homo- i heterofermentatywne

Homofermentacja mlekowa:

-proces przemiany glukowy w szlaku EMP(glikolizy), tworzone są 2 cząsteczki pirogronianu

-powstały kwas pirogronowy pod wpływem dehydrogenazy mleczajowej i w obecności NADH podlega redukcji do kwasu mlekowego

-niewielka część pirogronianu ulega dekarboksylacji i powstają uboczne metabolity węglowe i CO₂

-typowi przedstawiciele: Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii, Lactobcacillus plantarum, Lactobacillus acidofillus

Podstawowym substratem jest laktoza :

-u bakterii termofilnych laktoza hydrolizowana jest wewnątrz komórki do glukozy i galaktozy (β-galaktozydoza), glukoza wchodzi w szlak glikolityczny (EMP) bezpośrednio, galaktoza jest przekształcana w ufosforylowaną glukozę w szlaku C(L?)eloira

-u bakterii mezofilnych: ufosforylowana laktoza jest hydrolizowana przez fosfo-β-galaktozydazę do glukozy i galaktozo-6-foforanu który jest potem przekształcany do fosfodihydroksyacetonu i aldehydu trifosfoglicerynowego i w takiej postaci są włączane do szlaku EMP

Heterofermentacja mlekowa:

-jest procesem przemiany glukozy w szlaku fosfoketolazy pentozowej, który jest odgałęzieniem cyklu heksozomonofosforanowego(HMP)

-w wyniku tych przemian z 1 mola glukozy powstaje 1 mol kwasu mlekowego, 1 mol kwasu octowego(warunki tlenowe) lub etanou(warunki beztlenowe) oraz 1 mol CO₂

Lotne metabolity: diacetyl, aldehyd octowy, kwas octowy, alkohol etylowy; w mniejszych ilościach: kwasy lotne(propionowy, mrówkowy),lotne kw. tłuszczowe, alkohole, aceton, estry

Fermentacja Bifidobacterium:

-bifidobacterium bifidum, G⁺, nieprzetrwalnikująca pałeczka jelitowa

-fermentacja przebiega w szlaku fosfoketolazowym (z pominięciem glikolizy)

-produkty: kwas mlekowy, kwas octowy

2 C₆H₁₂O₆2 CH₃-CHOH-COOH +3 CH₃-COOH

Fermentacja mlekowa-podsumowanie:

-homofermentacja: glukoza 2 cząsteczki mleczanu

Lactobacillus lactis, L. casei

-heterofermentacja; glukoza mleczan +etanol + CO₂

Lactobacillus brevis

-szlak bifidum: 2 glukoza 3 cząst. octanu + 2 cząst. mleczanu

Fermentacja Enterobacteriaceae:

-E.coli, Enterobacter - fakultatywnie, tlenowe, G^- , nieprzetrwalnikujące pałeczki

Produkty: kw. mlekowy, octowy, bursztynowy, mrówkowy, etanol, CO₂, H₂, 2,3-butanodiol

-Enterobacter, Errata, Erwinia: regulacja umożliwiająca osłabienie zakwaszenia środowiska

Fermentacja alkoholowa:

-Saccharomyces cerevisiae, Mucoraceae, fermentuja heksozy i niektóre oligosacharydy(maltozę, sacharozę, tlen hamuje fermentację

-Sarcina ventriculi, Zymomonas mobili, produkty: etanol, CO₂, H₂, proces z pominięciem

glikolizy

-enzymy: dehydrogenaza pirogronianowa

Fermentacja masłowa:

- G⁺ laseczki, przetrwalnikujące, bezwzględne beztlenowce Clostridium butyricum, clostridium pasteurianum, nieprzetrwalnikujące Butyvibrio fibrisolvens

-substraty: cukry proste, oligo- i polisacharydy, skobia, pektyny, błonnik

-produkty: kw. masłowy, bursztynowy, octowy, etanol, CO₂

Fermentacja propionowa:

-G⁺ pałeczki, nie pzretrwalnikujące, względne beztlenowce, Propionibacterium

-substraty: cukry, mleczan

-produkty: kwas propionowy, bursztynowy, octowy, CO₂

3CH₃-CHOH-COOH2 CH₃-CH₂-COOH + CH₃-COOH+ CO₂ + H₂O

Metabolizm energetyczny u chemolitoautotrofów:

chemolitoautotrofy- wysoko wyspecjalizowane grupy samożywnych bakterii utleniających w procesie chemosyntezy określony, nieorganiczny substrat, w ten sposób wytwarzają energię potrzebną im do wbudowywania CO₂ w zw. org., są to m.in. bakterie siarkowe itd., nitryfikacyjne

chemoautotrofy- przyczyniają się do obiegu pierwiastków w przyrodzie (C,N,S)

chemosynteza-proces polegający na asymilacji CO₂ i przetwarzaniu go na zw. org. - cukry- przy wykorzystaniu en. chem. pochodzącej z utleniania (najczęściej tlenem atmosferycznym) różnych zw. mineralnych

Proces chemosyntezy przebiega w 2 etapach:

1) zw. mineralny ( zredukowany) + O₂zw. mineralny (utleniony) +en(ATP+ NADPH + H⁺)

2) CO₂+ H₂O + en. (ATP+ NADPH + H⁺) zw. org. (utleniony) + O₂

Bakterie nitryfikacyjne:

-utleniają NH₃ i sole amoniowe do azotynów (bakterie Nitrosomonas)

2 NH₃ + 3O₂ 2 HNO₂ + 2H₂O + en.

lub azotyny do azotanów (bakterie Nitrobacter)

2 HNO₂ + O₂ 2 HNO₃ + en.

nitryfikacja- biologiczne utlenianie NH₃ do do azotanów(V) zachodzące w 2 etapach, w I jon amonowy jest utleniany (amonifikacja) do jonu azotanowego(III) przez bakterie z rodzaju Nitrosomonas

NH
+ 3/2O₂ NO
+ 2H + H₂O

w II etapie jon azotanowy (III) jest utleniany do jonu azotanowego(V) przez Nitrobacter

NO
+ 1/2O₂ NO


Proces ten zachodzi przy udziale tlenowych bakterii autotroficznych (autotrofy nitryfikatorów) które wykorzystują zw. nieorg. jako źródło en.

Bakterie siarkowe:-utleniają siarkowodór do wolnej siarki

2 H₂S + O₂ 2S + 2 H₂O + en.

lub siarkę do siarczanów

2S + O₂ +2 H₂O 2 H₂SO₄ + en.

Bakterie wodorowe: -utleniają wodór cząsteczkowy do wody

2 H₂ + O₂ H₂O +en.

Pseudomonas facilis, P. Saccharophilia

Bakterie żelazowe:- utleniają zw. żelazawe do żelazowych

4 FeCO₃ + O₂ + 6 H₂O 4 Fe(OH)₃ + 4 CO₂ + e.

pH 1-2

Thiobacillus ferrooxidans, Galionella ferruginea, Leptothrix, Cladothrix

Metabolizm energetyczny fototofów:

Charakterystyka bakterii fotosyntetyzujących:

1) b. zielone - Chlorobacteriaceae

2)b. purpurowe siarkowe - Chromatiaceae (Thiorhodaceae)

3)b. purpurowe bezsiarkowe - Rhodospirillaceae (Athiorhodaceae)

1), 2), 3) org. wodne, G-, barwa od pomarańczowej do purpurowej, fotosynteza anoksygenowa

4)Heliobakterie- w warunkach słonych, fotosynteza anoksygenowa

5) sinice - Cyanobacterie - fot. oksygenowa

Aparat fotosyntetyczny Procaryota:

chromatofory- proste pęcherzyki i zagłębienia błony plazmatycznej u b. purpurowych

chlorosomy- przytwierdzone do błony kom., zamknięte pęcherzyki fotosyntetyzujące u b. zielonych

Barwniki fotosyntetyczne:

a) bakteriochlorofil a

- u b. purpurowych Rhodospirillum

-max. absorpcji światła o dł. fali 800-1000 nm

b) bakteriochlorofil b

-absorbuje światło o dł. ponad 1000 nm

-Rhodopseudomonas viridis

c)chlorofil typu chlorobicum

- chlorofil c : 730 -740nm

-chlorofil d : 745- 755nm

Barwniki pomocnicze:

-karotenoidy( 400- 550nm) - transfer energii, fotoprotekcja(barwniki niefotosyntetyzujące), Halobacterium (napędzana światłem synteza ATP

-likopen, spiryloksantyna, cholorobakten, hydroksycholorobakten, leproten

-fikobiliny, fikobiliproteny, fikobilisony - zbieranie światła u sinic i glonów

Wartości max. absorpcji w bliskiej podczerwieni:

-sinice i zielenice 680-685nm

-b. zielone i siarkowe(chl. c,d,e) 715-755nm

-b. purpurowe (chl. a) 850 - 890 nm

-Rhodopseudomonas viridis (chl. b) 1020-1035nm

Fotosynteza- odbywające się wewnątrz fototrofów przekształcenie en. św. w biochemiczną (ATP) oraz siłę redukującą NADPH₂, które są wykorzystywane w biosyntezie materiału komórkowego; podstawowymi procesami fotosyntezy są fotofosforylacja oraz fotosyntetyczna redukcja nukleotydu pirydynowego

Składniki łańcucha przenoszącego elektrony:

-flawoproteidy

-chinony: ubichinony, chinon typu chlorobicum

-cytochromy - cyt. c, b, o

Fotosynteza- konwersja en. świetlnej w chemiczną

reakcje jasne- en. światła, e. chem.

reakcje ciemne- wykorzystanie en. chem. do redukcji CO₂ do zw. org., en. w postaci ATP, elektrony do redukcji w formie NADPH

fosforylacja cykliczna- wybity przez kwant światła elektron przechodzi z fotosystemu I na ferredoksynę, układ cytochromów, plastocyjaninę i z powrotem do fotosystemu I

fosforylacja niecykliczna- wybity przez kwant światła elektron przechodzi od fotosystmeu I do fotosystemu I, wzbudzony elektron przechodząc przez szereg przekaźników traci swoją energię, utracona en. przekształca się w en. chem. wiązań ATP i NADPH, elektron pochodzący z rozpadu H₂O redukuje wcześniej utlenioną cząsteczkę chlorofilu P₆₈₀

zróżnicowanie fotosyntezy:

a)anoksygenowa- b. purpurowe i zielone, produkcja NADPH z donorów elektronów obecnych w środowisku (H₂S, zw. org.) przy braku uwalniania tlenu (cyjanobakterie)

b)oksygenowa- rośliny zielone, glony, sinice, fotoliza wody, uwalnianie tlenu

Fotosynteza anoksygenowa na przykładzie bakterii purpurowych

-aparat fotosyntetyczny: wewnętrzny cytoplazmatyczny system membran fotosyntetycznych (chromatofor)

-4 kompleksy barwników powiązanych z białkami i związanych z chromatoforem oraz kompleks ATP-azy: 1-centrum fotosyntezy, 2-kompleks zbierania światła I (B 870 nm), 3-kompleks zbierania światła II (B 800-850nm), 4-kompleks cytochromu bc1 (wspólny dla procesu fotosyntezy i oddychania)

Skład centrum fotosyntezy:

-3 polipetydy (L.M i H) trwale związane z błoną fotosyntetyczną z wieloma odcinkami transmembranowymi

-polipeptydy wiążą kompleks fotosyntetyczny centrum reakcji składający się z: 2 cząsteczek bakteriochlorofilu a (para specjalna), 2 cząst. bateriochlorofilu o nieznanej funkcji, 2 cząst. bakteriofeofityny (bakteriochlorofil a bez Mg²⁺, 2 cząst. chinonów, 2 cząst. karotenoidu

W jaki sposób elektrony przekazywane są na NADP⁺ :

1)bezpośredni transfer ze związku o bardziej ujemnym potencjale redoks niż NADP⁺

H₂ + NADP⁺ = NADP⁺ + H⁺

(-0,42V) (-0,32V) hydrogenaza

2)siarczki i tiosiarczany maja potencjał redoks bardziej elektrododatni niż para NADP⁺/ NADPH, w tym przypadku elektrony z puli chininowej są zmuszone wędrować wbrew gradientowi potencjału redoks w energochłonnym procesie napędzanym wytworzonym potencjałem błonowym (chemolitotrofy)

Fotosyntetyczny przepływ elektronów:

-en. światła jest przekazywana z anteny na centrum reakcji w postaci pakietów energii zwanych ekscytronami

-absorpcja energii pobudza specjalną parę bakteriochlorofilu przetwarzając ją w dobry donor elektronów (niska Eo')

-poprzez szereg przekaźników elektronów, elektrony wracają na CR(cykliczny przepływ elektronów) i tworzy się gradient stężenia protonów poprzez błonę

Odwrócony przepływ elektronów w fotosyntezie anoksygenowej:

-b. zielone i purpurowe nie produkują tlenu w czasie fotosyntezy, en. światła wykorzystywana jest tylko do syntezy ATP, do wzrostu opratego tylko o CO₂ jako źródła węgla oprócz ATP nieodzowny jest potencjał redukcyjny NADPH

-źródłem elektronów do redukcji CO₂ są zredukowane substancje występujące w środowisku np. H₂S, siarka elementarna, tiosiarczan, H₂

Przykładowe reakcje dla bakterii wykorzystującej H₂S jako źródło elektronów:

6CO₂ + 12H₂S = C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 12SO

SO- na zewnątrz komórki u bakterii zielonych; wewnątrz komórki u bakterii purpurowych

Fotosynteza oksygenowa:

-dwie oddzielone ale oddziaływujące ze sobą reakcje fotochemiczne (PS I<730nm i PS II<700nm)

-en. światła jest wykorzystywana do generowania ATP i NADPH

-elektrony do redukcji NADP⁺ powstają w wyniku fotolizy H₂O

U sinic membrany fotosyntetyczne zebrane SA w stosy pęcherzyków w cytoplazmie (tylakoidy) a chlorofil a związany ze swoistymi białkami

Przepływ elektronów:

-schemat przepływu elektronów ”Z”

-potencjał redoks P₆₈₀ jest bardziej elektropozytywny niż dla pary O₂/ H₂O

-P₆₈₀, feofityna, chinony, pula chinonowa, cyt. bf, plastocyjanina (Cu)

-P700 (PS I), P700* (* oznacza stan wzbudzony) (Eo'=11V) wolny rodnik chl. a, białka Fe-S, ferodoksyna(Eo'= -0,39), NADP⁺

-niecykliczna fosforylacja w obrębie fotosystemu I

Anoksygenowa Fotosynteza u oksygenowych fototrofów

-glony i sinice w warunkach beztlenowych w obecności substancji redukujących (H₂, H₂S), SO deponowany na zewn. komórek

-przykład: Oscillatoria limnetica - przepływ elektronów w fotosystemie II jest hamowany przez H₂S wymuszając anoksygenową fotosyntezę; Oscylatoria

Aspekt genetyczny syntezy składników fotosyntezy

-purpurowe b. fototropiczne są G^- prokariontami, przedstawiciele: Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter spheroides

-zgrupowanie genów fotosyntetycznych

-superoperony

-transkrypcja genów regulowana przez tlen (tlen jest represorem i Fotosynteza anoksygeniczna fototrofów zachodzi tylko w warunkach beztlenowych)

Wiązanie CO₂ - cykl Calvina

-kluczowy enzym cyklu: karboksylaza rybulozo bifosforanu

-stechiometria cyklu

-alternatywne drogi wiązania CO₂: Chloroflexus(fototroficzna zielona bakteria siarkowa), metanogenne Arche, pewne bakterie redukujące siarkę, bakterie homoacetgenne

Bioluminescencja- enzymatyczna reakcja chem. polegająca na utlenianiu lucyferyny tlenem atmosferycznym w obecności enzymu lucyferazy; reakcja wymaga dodatkowo udziału ATP i jonów Mg2+; w wyniku utleniania powstaje cząsteczka w stanie wzbudzonym - oksylucyferyna, której przejście do stanu wzbudzenia wiąże się z emisją światła

Bakterie świecące należą do 2 rodzajów: Vibrio, Photobacterium

Najlepiej poznane gatunki: Photobacetrium luciferum, Vibrio fischeri, Vibrio harveyi, Vibrio phosphoreum

Wzrost mikroorganizmów definiuje się jako wzrost liczby komórek.

Podział poprzeczny:

-wydłużenie komórki

-podwojenie chromosomu

-podwojenie strukturalnych elementów komórki

-bruzda podziałowa

-rozdział chromosomu i elementów strukturalnych

-rozdział makrocząsteczek pomiędzy komórki potomne

Modele podziału komórkowego

-podział na dwie np. E.coli

-wielokrotny np. sinice

-na trzy np. Pelodictyon

-pączkowanie np. Blastobacter, Nitrobacter, Hyphomicrobium

Powstałe komórki mogą się od siebie oddzielać lub pozostać luźno powiązane tworząc łańcuchy komórek (Bacillus subtilis)

Wzrost logarytmiczny:

2⁰2¹2²2³2⁴…2ⁿ

N=N₀2ⁿ

N-końcowa liczba komórek

n- liczba generacji (liczba podziałów)

N₀- początkowa liczba komórek

logN = log N₀ + log2

Liczba podziałów:

N= logN - log N₀/log2

Wzrost populacji bakteryjnych

-szybkość wzrostu (podziałów) [h^-1], v= n/t

-czas generacji (g) - czas podwojenia liczby komórek (czas konieczny do przebiegu jednego pełnego cyklu komórkowego

G=t/n

n-liczba generacji (liczba podziałów)

t-czas wzrostu logarytmicznego

-czas podwojenia (t_d) - czas potrzebny do podwojenia masy komórkowej

Określona masę komórek na określonej objętości określamy stężeniem (gęstością hodowli) i jest w jednostkach g/ml.

Hodowla okresowa (lub statyczna):

-namnażanie drobnoustrojów przez określony okres w stałych warunkach środowiska w ograniczonej porcji pożywki

-w pożywce takiej wyczerpują się stopniowo substancje odżywcze a akumulują produkty metabolizmu

Fazy wzrostu bakterii w hodowli okresowej:

1)faza zastoju (lag phase)

2)faza logarytmiczna (wykładnicza) (expotental phase)

3)faza stacjonarna (stationary phase)

4) faza zamierania (death phase)

Krzywa wzrostu:

Proces wzrostu drobnoustrojów w czasie można przedstawić za pomocą krzywej wzrostu bakterii. Jest to wykres logarytmu z liczby komórek w jednostce objętości od czasu w określonych warunkach hodowli, krzywa wzrostu jest charakterystyczna dla danego gatunku.

faza zastoju - adaptacja do nowego środowiska; od momentu zaszczepienia do chwili ustalenia maksymalnej liczby podziałów; czas trwania fazy zastoju zależy od: „historii” inokulatu, warunków wzrostu;

zjawisko diauksji - bakterie wykorzystują najpierw glukozę, fruktozę itd. a gdy wyczerpie się ona w podłożu to korzystają z innego źródła węgla

wzrost niezbalansowany- wzrostowi masy nie towarzyszy wzrost liczby komórek

faza logarytmiczna- stały minimalny czas generacji swoisty dla danego gatunku i warunków hodowli; komórki rosną i dzielą się z szybkością maksymalna dla danego gatunku w określonych warunkach

wzrost zbalansowany- liczba komórek podwaja się ze stała szybkością

faza stacjonarna- komórki nie mogą się reprodukować; wzrost ukryty (cryptic growth); specjalne geny zapewniające przeżycie komórki w fazie stacjonarnej np. geny sur (od survival) w E.coli;

idiofaza- w biotechnologii jest to faza produkcyjna

wydajność - masa bakteryjna wytworzona w chwili osiągnięcia w fazie stacjonarnej

faza zamierania- liza komórek; dominują procesy obumierania komórek; bakterie wytwarzają formy inwolucyjne (zmienia się kształt komórek); drobnoustroje przetrwalnikowe intensywnie wytwarzają przetrwalniki

Pomiar wzrostu bakterii:

-liczenie komórek

-oznaczenie wzrostu suchej biomasy w określonym czasie

-śledzenie pobrania (lub wydzielania) określonej substancji

-pomiar ilości substancji radioaktywnej włączonej do biomasy w określonym czasie

-pomiar gęstości optycznej (OD₆₀₀)

Pomiar masy komórek (biomasy):

a)metody bezpośrednie

-mokra masa

-sucha masa (10-20% masy mokrej)

-oznaczanie zawartości całkowitej azotu lub węgla

-oznaczanie białka

b)metody pośrednie

-pomiar zmętnienia (turbidometria)

-pomiar rozproszenia światła (nefelometria)

Typy hodowli bakteryjnych:

-hodowla okresowa- (batch culture) czynnik pokarmowy limituje szybki szybkość wzrostu i wydajność

-hodowla ciągła- (continuous culture) hodowla drobnoustrojów w pożywce płynnej i odpowiednio skonstruowanym aparacie który wymienia zużyte porcje pożywki zastępując je świeżymi, utrzymuje stałe warunki środowiska(temperatura, pH, skład atmosfery), umożliwia to hodowanym drobnoustrojom ciągły wzrost bez przechodzenia kolejnych faz

Wzrost bakterii w hodowlach ciągłych

-wzrost bakterii w niezmiennych warunkach w stanie równowagi, w którym liczba komórek i skład medium pozostają niezmienione

-o takim układzie mówmy że znajduje się w stanie stałym

Chemostat:

-równoczesna kontrola gęstości populacji (wydajność) jak i szybkości wzrostu

-wydajność - szybkość rozcieńczania

D=


f- szybkość przepływu (uzupełniania) pożywki (litr/godz)

V- objętość naczynia hodowlanego (litr)

-szybkość wzrostu- kontrolowana poprzez stężenie limitującego czynnika pokarmowego

-szybkość rozcieńczania D=
- reguluje szybkość wzrostu bakterii w szerokim zakresie wartości

-zbyt duże D wymycie kultury ponieważ komórki nie mogą nadążyć z podziałami

-zbyt małe D komórki zagłodzone, ponieważ pożywka dostarczana jest za wolno aby sprostać wymaganiom energetycznym komórek

Wpływ czynników środowiskowych na: przeżywalność, wzrost bakterii, reprodukcję

Główne czynniki środowiskowe, czynniki wzrostowe: dostęp odpowiednich substancji odżywczych, źródło energii, temp., pH, woda, tlen

Zakres tolerancji na dany czynnik środowiskowy, punkty kardynalne: minimum, optimum, maksimum

Temperatura

-temperatury kardynalne

-temp. minimalna

-temp. maksymalna

Temperaturowy podział organizmów:

1)psychrofile - zimnolubne

2)mezofile - ciepłolubne

3)termofile-ciepłolubne

4)hipertermofile - gorącolubne

mezofile- większość bakterii glebowych i wodnych oraz żyjących na zwierzętach stałocieplnych; typowy przedstawiciel: E. coli; T_(opt) = 39ºC, T_(max)= 48ºC, T_(min) = 8ºC

psychrofile- przedstawiciele: algi pod lodami obszarów podbiegunowych, w śniegach lodowców (Chlomydomonan nivalis); T_(opt) = 15ºC, T_(max)< 20ºC, T_(min) = 0ºC; średnia temp. oceanów: 5ºC(1-3ºC)

Niskie temperatury a płynność błony komórkowej

-niskie temp. usztywniają błonę komórkową; by zapewnić jej w tych warunkach odpowiednią płynność w składzie błony występuje więcej krótszych, rozgałęzionych i nienasyconych łańcuchów węglowodorowych

Molekularne adaptacje do psychrofilności

-enzymy o niskim optimum temperaturowym działania (termowrażliwe)

-wydajny transport przez błonę w niskich temp.

-podwyższona zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych w błonach komórkowych

-węglowodory nienasycone

-substancje krioprotekcyjne (cryoprotectans) np. glicerol, DMSO

Organizmy psychrotolerancyjne

-rosną w temp. 0ºC, ale T_(opt) = 20-40ºC

-gleby i wody w klimacie umiarkowanym

-mięso, mleko, przetwory mleczne, warzywa, owoce itp., przechowywane w temp. 4ºC

termofile- T_(opt) >45ºC i hipertermofile- T_(opt) > 80ºC

-występowanie: nasłoneczniona gleba, fermentujący materiał organiczny (60-65ºC), zjawiska wulkaniczne

-większośc należy do archeobakterii

-organizmy niefototroficzne

-przy wysokich temperaturach niezbędne jest usztywnienie błony - transmembranowe tetraetery

-ściana kom. termofilnych archontów tworzy warstwę S (S-layer)

Molekularne adaptacje do termofili

-enzymy i białka odporne na wysoka temp.

-wysokość optymalnej temperatury działania enzymów: struktura, mostki solne, hydrofobowy rdzeń cząsteczki, białka szoku cieplnego Hsp60

-odporne na temp. rybosomy i inne struktury komórki (odwrotna gyraza, histony)

-błona komórkowa bogata w nasycone kwasy tłuszczowe

hipertermofile- główni przedstawiciele archeobakteii, w błonie kom. zamiast kwasów tłuszczowych zawierają węglowodory; występowanie: gorące źródła, sztucznie nagrzewana woda; cechy charakterystyczne: szybkie tempo wzrostu (<1h), aeroby i anaeroby, zróżnicowanie filogenetyczne

Zastosowanie w przemyśle i biotechnologii

-polimeraza Taq - polimeraza DNA z Thermes aqatius

-amylaza, ksylanaza

Środowisko kwaśne i zasadowe (pH)

-pH cytoplazmy: 6-8

acidofile- głównie grzyby (opt. pH 5 , niektóre pH 2);Thiobacillus, Sulfolobus, Thermplasma (obligatoryjne acydofile, czynnik krytyczny - błona)

alkalofile- liczne gatunki Bacillus, przedstawiciele grupy Archeobakterie; duże znaczenie przemysłowe

Dostępność wody (stopień zasolenia)

-halofile - odporne na zaslenie

-halotolerancyjne

-ekstremalne halofile

-osmofile

-kserofile (odporne na suszę)

Tlen

a)tlenowce(aeroby)

-bezwzględne

-fakultatywne (wolą warunki tlenowe ale bez tlenu tez rosną)

-mikroaerofile- niezbędne niewielkie stężenie tlenu do wzrostu

b)beztlenowce(anaeroby)

-tolerancyjne (aerotolarent anaerobes)

-bezwzględne

Zapotrzebowanie mikroorganizmów na tlen

a)bezwzględne tlenowce

b)bezwzględne beztlenowce

c)względne tlenowce

d)mikroaerofile

e)względne beztlenowce

Reakcje do detoksyfikacji aktywnych form tlenu:

katalaza: H₂O₂ + H₂O 2 H₂O + O₂

peroksydaza: H₂O₂ + NADH + H⁺ 2 H₂O + + NAD⁺

dysmutaza nadtlenkowa: O^2- + O^2- + 2H⁺ H₂O₂ + O₂

dysmutaza nadtlenkowa + katalaza: 4O^2- + 4H⁺ 2H₂O +3O₂

Clostridium:

-beztlenowe laseczki G⁺

-brak cytochromów, oksydazy cytochromowej (nie mogą wykorzystywać tleny atmosferycznego jako ostatecznego akceptora wodoru)

-nie wytwarzają katalazy i peroksydazy

-mają w większości rzęski nieliczne wytwarzają otoczki

-przetrwalniki o średnicy większej od szerokości komórki umiejscowione terminalnie lub subterminalnie

Gatunki chorobotwórcze z rodzaju Clostridium wytwarzają bardzo silne egzotoksyny, są to: laseczka tężca (Cl. tetani), laseczka jadu kiełbasianego (Cl. botulinum), grupa laseczek zgorzeli przemysłowej obrzęku złośliwego (Cl. perfingens, Cl. septicum, Cl. Cl. novyi, Cl. sordelli, Cl. histolyticum)

W zakażeniach zwierząt głównie owiec i krów na uwagę zasługuje laseczka szelestnicy(Cl. chauvoei)

Bacillus

- G⁺,, tlenowe laseczki, komórki duże i mają kwadratowe końce

-wytwarzają przetrwalniki niezwykle oporne na niesprzyjające warunki środowiska (mogą przetrwać w glebie nawet kilkadziesiąt lat)

-endospory zlokalizowane po środku komórki, niedeformujące, mają od 2 do 6 mikrometrów średnicy

Antybiotyki(anti-przeciw, bios-życie) - naturalne związki chemiczne wytworzone przez drobnoustroje, ale także syntetyczne, produkowane przez człowieka, stosowane w lecznictwie jako leki przeciwdziałające infekcjom wywoływanym przez drobnoustroje (najczęściej bakterie, ale tez grzyby i pierwotniaki, antybiotyki nie przeciwdziałają wirusom); bakterie które wytwarzają antybiotyki jednocześnie posiadają gen oporności na niego

Działanie uboczne antybiotyków na organizm człowieka:

-toksyczność w stosunku do różnych narządów

-odczyny alergiczne

-biologiczne: dysbakteriozy (grzybice)

Zasada selektywnej toksyczności Ehrlicha- podstawa terapii antybiotykami:

Zgodnie z nią antybiotyk w stężeniu nie wykazującym toksycznego wpływu na zdrowie ludzi lub zwierząt wykazuje działanie bakteriobójcze lub bakteriostatyczne w stosunku do bakterii chorobotwórczych

działanie bakteriobójcze antybiotyków- polega na powodowaniu śmierci komórki bakteryjnej np. β-laktamy: penicyliny, bacytrycyna; cefalosporyny- działają tylko na kom. rosnące; wankomycyna; antybiotyki aminoglikozydowe: gentamycyna, kanamycyna, neomycyna, streptomycyna; nowobiocyna

działanie bakteriostatyczne- antybiotyki wpływają na metabolizm kom. bakteryjnej, ograniczając możliwości jej mnożenia się; chloramfenikol, tetracykliny, kwas malidyksowy; antybiotyki makrolidowe

Podział antybiotyków ze względu na zakres działania przeciwbakteryjnego:

1)o wąskim zakresie działania- obejmujące swoim wpływem niewielką liczbe rodzajów drobnoustrojów, głównie:

a)drobnoustroje G⁺ (penicylina G, bacytrycyna, wankomycyna, makrolity, erytromycyna, tyrozyna, oleandomycyna, spiamycyna, linkomycyna

b)drobnoustroje G^- (aminoglikozydy, streptomycyna, neomycyna, kanamacyna, gentamycyna)

c)grzyby (gryzeofulwina, nystatyna, amfoteracyna B)

d)pierwotniaki (trychomycyna, fumagilina)

2)o szerokim zakresie działania- wpływają na względnie dużą liczbę drobnoustrojów: bakterie G⁺ i G^-, riketsje i pierwotniaki (tetracykliny, chloramfenikol)

Ogólny podział antybiotyków

1)β-laktamy (penicylina)

2)aminoglikozydy (streptomycyna)

3)makrolidy (erytromycyna)

4)tetracykliny (tetracyklina)

5)peptydy (polimyksyna)

6)sulfonamidy (sulfatiazol)

7)chinolony (cyprofloksacyna)

8)linkozamidy (linkomycyna)

9)nitroimidazole (metronidazol)

10) inne np. o budowie makrocyklicznej - chloramfenikol

Podział antybiotyków według ich mechanizmu działania

1)wpływające na replikację informacji genetycznej: kwas nalidyksowy, gryzeoflawina

2)hamujące syntezę kwasów nukleinowych (inhibitory gyrazy DNA): mitomycyna C, aktynomycyna D, ryfampicyna

3) blokujące syntezę zasad azotowych (DNA): sulfonamidy

4)zaburzające przekazywanie informacji genetycznych w biosyntezie, blokujące biosyntezę białka przez działanie na podjednostkę 30s rybosomy: chloramfenikol, erytromycyna, kanamacyna, streptomycyna, tetracykliny, linnomycy- na, neomycyna, blokujące syntezę białka przez jednostkę 50s rybosomy: makrolity

5)uszkadzające strukturę i czynność bakteryjnej ściany kom.: penicyliny, cykloseryna, rystocetyna, cefalosporyny, wankomycyna, bacytrycyna

6) powodujące zaburzenia czynności błony kom.: gramicydyna, polimiksyna B, amfoterycyna B, tyrotrycyna, kolistyna, nystatyna

Drobnoustroje wytwarzające antybiotyki - metabolity wtórne:

-Penicillium notatum - penicylina G (benzylowa)

-Penicillium chrysogenum - penicyliny

-Cephalosporium sp - cefalosporyny

-Bacillis polymyxa - polimiksyny

-Bacillus subtilis - sacytracyna

-Streptomyces venezuelae - chloramfenikol

-Streptomyces griseus - streptomycyna

Mechanizmy biochemiczne lekooporności:

1)zaburzenia w przepuszczalności błony dla antybiotyku

2)produkcja enzymów rozładających antybiotyki (β-laktamazy)

3)zmiana budowy receptora wiążącego antybiotyk (białka PBP)

4)ominięcie szlaku biochemicznego w który włączą się antybiotyk

5)zwiększenie ilości substratu dla antybiotyku

Mechanizmy oporności związane z błoną zewnętrzną G^-

a)zaburzenia w przepuszczalności błony dla antybiotyku:

­-mutacje poryn (5-10-cio krotny wzrost oporności)

-zmniejszona liczba poryn

-zmiany w błonie lipidowo-białkowej

b)enzymatyczna inaktywacja antybiotyków

• β-laktamaza

-bakterie G^-: sekrecja do periplazmy

-specyficzność β-laktamaz

-semisyntetyczne antybiotyki β-laktamazowe i inhibitory β-laktamaz (kwas klawulanowy lub sublaktam)

-wielokrotna duplikacja genu β-laktamazy

• enzymatyczna modyfikacja przez oddanie grup fosforytowych, adenylowych i arylowych

-bakterie G^-: enzymy zlokalizowane na błnie kom.

-oporność na aminoglikozydy

• enzymatyczna inaktywacja wymagająca warunków tlenowych

-oporność na tetracykliny

Aktywny transport antybiotyków:

• bakterie pobierają aktywne antybiotyki hamujące syntezę białka - wzrost stężenia wewnątrzkomórkowego

• aktywne wypompowywanie antybiotyków z cytoplazmy (np. zależny od ATP transport tetracykliny z komórek)

-bakterie G^-: geny tetA - tetG

-bakterie G⁺ :geny tetK i tetL

• Staphylococcus spp.: zalezne od ATP wypompowywanie makrolitów (homologiczny system do zależnych od ATP transporterów białek)

Modyfikacja celów działania antybiotyków:

• oporność na β-laktamy

-zmiany specyficzności białek wiążących penicylinę: rozpowszechnione wśród bakterii G⁺ , główny problem kliniczny

-gen myc(PBP2'), oporność na metycyklinę u S.aureus

• oporność na antybiotyki glikopeptydowe

-synteza D-Ala-mleczan

• oporność na tetracyklinę

-ochrona rybosomy przez białko cytoplazmatyczne: powszechne wśród G⁺ , mykoplazm, niektórych G^- jak: Neisseria, Haemophilus i Bacteroides

-geny odpowiedzialne: tetM, tetQ, tetO

-E.coli i spokrewnione bakterie: błona zewnętrzna

• oporność na makrolidy i linkozamidy

-metylacja adeniny 2 23s rRNA (metylaza rRNA): G⁺ cocci i Bacteroides

-E.coli i spokrewnione bakterie: błona zewn.

• oporność na antybiotyki chinolonowe

-mutacje punktowe zmieniające powinowactwo b-podjednostki gyrazy DNA do antybiotyku

-nabycie nowego genu b-podjednostki gyrazy

• oporność na rifampin

-mutacje b-podjednostki polimerazy RNA

• oporność na trimetoprim

Drogi nabywania oporności:

-podczas koniugacji, gdy plazmidy pochodzące z jednego szczepu bakterii przedostaną się do komórek innego szczepu lub nawet gatunku bakterii

-podczas transformacji (pobierania materiału z uszkodzonych bakterii) lub transdukcji (przenoszenie plazmidów przez bakteriofagi, może zachodzić przemieszczenie plazmidów między komórkami bakterii)

oporność krzyżowa- opornośc uzyskana względem całej grupy antybiotyków o podobnej budowie

oporność równoległa- oporność uzyskana względem antybiotyków o podbnym mechanizmie działania

Pochodzenie genów oporności na antybiotyki:

1)pochodne naturalnie występujących genów - mutacje istniejących genów

2)geny oporności wywodzą się z mikroorganizmów syntetyzujących antybiotyki

3)teoria samolubnego DNA(selfish DNA)

Alternatywa dla antybiotyków:

probiotyki- żywe kultury mikroorganizmów działające wspomagająco w zapobieganiu i leczeniu określonych stanów chorobowych np. Clostridium difficiale - Saccharomyces boulardii; rotawirusy - Lacobacillus spp.; Heliobacter pylori - Lactobacillus spp.

prebiotyki- składniki pokarmu nie ulegające strawieniu lecz selektywnie stymulującę wzrost i/lub aktywność określonych mikroorganizmów w jelicie grubym; oligosacharydy

synbiotyki- kombinacje pro- i prebiotyków

Rozmnażanie i genetyka bakterii

Nukleoid i plazmidy zawierają pełną informacje genetyczną komórki

nukleoid- pojedyncza, superhelikalna (superskręcona), kolista cząsteczka DNA zlokalizowana w centralnej części komórki

plazmidy- niezależne koliste lub liniowe cząsteczki DNA, zawierające dodatkowe geny warunkujące m.in. oporność na antybiotyki lub zdolność do wykorzystywania alternatywnych źródeł węgla

W genomach prokariontów mogą występować krótkie ruchome sekwencje zwane transpozonami bakteryjnymi

transpozony- sekwencje nukleotydów które mogą w trakcie podziału przemieszczając się w obrębie genomu bakteryjnego, wywołując zmienność rekombinacyjną; koduja enzym transpozazę która umożliwia ich przemieszczanie się; transpozony na skutek przemieszcania się dokonują mutacji

sekwencje inercyjne- typ transpozonu u E.coli które na swoich końcach zawierają odwrócone powtórzenia kilku nukleotydów, te końcowe sekwencje po przemieszczeniu się transpozonu zostają zduplikowane

Wszystkie transpozony:

-maja odwrócenia na końcach: tworzą proste, swoiste dla transpozonu, 3-9 pz powtórzenia w docelowym DNA które flankują transpozon

-integruja w różne miejsca genomu, nie wykazując swoistości (lub ograniczoną swoistość) w stosunku do miejsca docelowego

Transpozony dzielą się na klasy:

-elementy IS (insertion sequences) o dł. ~1000pz.

-transpozony złożone (composite Tn)

-transpozony niezłożone (noncomposite Tn)

-transpozony koniugacyjne

Rozmnażanie bakterii

-rozmnażanie bezpłciowe

-prosty podział komórki (rozszczepianie)

-z jednej komórki macierzystej powstają po wytworzeniu poprzecznej błony dwie komórki potomne

-brak wrzeciona kariokinetycznego jakie podczas mitozy tworzy się u Eucaryota

-podział kom. bakteryjnej jest pod tym względem prostszy

Fazy:

-podział substancji jądrowej w fazie intensywnego wzrostu komórki, kolisty chromosom bakteryjny ulega w wyniku replikacji podwojeniu

-po skończonym podziale Nukleoid następuje właściwy podział komórki bakteryjnej; tworzy się poprzeczna przegroda (septym) rosnąca od zewn. do środka komórki, stanowi ona następnie ścianę kom. odgradzającą nowo powstałe komórki

-z jednej komórki powstają dwie identyczne - jedno pokolenie

-czas podziału różny - minimum 20 minut dla E.coli

Replikacja DNA i Eucaryota - wielopunktowa

Replikacja DNA u Procaryota - jednopunktowa (struktura theta) - rozpoczyna się w jednym miejscu, rozpoczyna się strukturą ”ori”

Archae- niektóre mają dwa aktywne miejsca inicjacji replikacji

Replikacja

-ori- pojedyncze miejsce inicjacji replikacji na chromosomie bakteryjnym

-krótki starter RNA syntetyzowany przez prymazę

-przesuwanie się widełek replikacyjnych, powstaje specyficzna struktura theta

-topoizomerazy- niwelują superskręcenia w rozplatanej nici DNA

-fragmenty Okazaki na nici opóźnionej (wynoszą 1000-2000 pz)

-sekwencje terminatorowe- oznaczją konie replikacji (gdy polimeraza na nie napotka)

Po zakończeniu syntezy DNA dwie potomne, koliste cząsteczki są ze sobą splecione. Ich rozdzielenie jest możliwe dzięki aktywności topoizomerazy

Polimerazy DNA bakteryjne

Polimeraza DNA I - enzym monomeryczny (zbudowany z pojedynczego łańcucha polipeptydowego), masa ok. 109 kDa, odkryty przez Arthura Kornberga (enzym Kornberga), posiada 3 aktywności enzymatyczne:

1)polimerazowa

2)egzonukleazowa 3' 5' weryfikuje poprawność wbudowanych nukleotydów i jeśli trzeba wycina je

3)egzonukleazowa 5'3' jak rybonukleaza wycina fragmenty starterowe RNA i syntezuje w to miejsce DNA, wycina także dimery pirydynowe

-białko pozbawione aktywności 5'3' egzonukleazy nazywamy fragmentem Klenowa

Polimeraza DNA II - enzym monomeryczny, masa ok. 90kDa, posiadający dwie aktywności:

1)polimerazowa

2)egzonukleazowa 3'5'

-polimeraza ta nie uczestniczy w procesie replikacji DNA, jej funkcja polega na naprawianiu uszkodzeń DNA

Polimeraza DNA III -enzym heteromultimeryczny, masa ok. 900 kDa, główny inicjator replikacji DNA; działa w sposób ciągły, łączy się tylko z jednoniciowym DNA, do którego przyłączony jest starter wytwarzany przez enzym prymazę, wchodzący w skład prymosomu; przyłączają się do prymosomu poliemraza III przekształca go w replikom; występuje w liczbie 10 do 20 cząsteczek na jedną komórkę; aktywności enzymatyczne:

1)polimerazowa

2) egzonukleazowa 3'5'

Doświadczenia Matthew Meselsona i Franklina Stahla z 1957 roku

-udowodnili oni że model replikacji semikonserwatywnej jest prawdziwy

horyzontalny transfer genów- polega na stabilnym przeniesieniu informacji genetycznej z jednego organizmu do drugiego gdzie przekazane geny podlegają utrwaleniu w genomie; u bakterii nie stwierdzono rozmnażania płciowego, wykryto natomiast procesy płciowe umożliwiające pewną wymianę materiału genetycznego między różnymi komórkami bakteryjnymi

Koniugacja

-jednokierunkowy proces w którym dochodzi do przenoszenia DNA z bakterii dawcy do bakterii biorcy w wyniku kontaktu, bez wpływu czynników zewnętrznych; w wyniku koniugacji nie powstają komórki diploidalne; kom. dawcy posiada samo przenoszący się plazmid składający się z 15-25 genów tzw. genów tra koduje enzymy i struktury potrzebne do zapoczątkowania koniugacji tj. fimbrie płciowe (filamenty zbudowane z polipeptydu piliny)

Etapy koniugacji:

1)fimbria płciowa działając jak lektyna wiąże się z polisacharydami występującymi na powierzchni komórki biorcy

2)pobudzone kontaktem fimbrie płciowe kurczą się, przycią

gają komórkę biorcy do komórki dawcy, powstaje mostek koniugacyjny przez który DNA może ulec przeniesieniu

3)plazmidowy DNA ulega przecięciu przez nukleazę w określonym miejscu

4)wolny koniec 5' przeciętej nici DNA plazmidowego przechodzi przez mostek koniugacyjny

5) nic przeniesiona do biorcy jak i nić pozostająca u dawcy ulegają skopiowaniu przez polimerazy DNA

komórka F⁺ - dawca jest tzw. komórką męską i posiada czynnik F, komórka F^- to biorca

Na skutek koniugacji komórka biorcy stała się dawcą czyli F^- F⁺

komórki Hfr- high frequency of chromosomal recombination

episom- plazmid zintegrowany z chromosomem

przekazywanie chromosomu przez komórkę Hfr rozpoczyna się od miejsca w którym znajduje się czynnik F I postępuje wokół chromosomu w stałym kierunku

sekwencje inercji(IS)- miejsca na chromosomie komórki Hfr w których przyłącza się plazmid, charakteryzują się obecnością takich samych par zasad, jak plazmid F

plazmid koniugacyjny(Trat)- zawiera komplet genów potrzebnych do wytworzenia kontaktu z komórką biorcy i przekazania do niej DNA

plazmidy mobilizowalne(Troi Mob⁺) - mogą zostać przeniesione do komórki biorcy jedynie przy współudziale dodatkowego plazmidu (tzw. mobilizującego)

Transformacja

-przekazanie cech genetycznych szczepom biorcy z pominięciem łączenia w pary za pomocą wolnego rozpuszczalnego DNA uzyskanego od dawcy, możliwe jest to dzięki wytworzeniu systemu aktywnego transportu- zbudowanego z wyspecjalizowanych białek które przez oddziaływanie z cząsteczką DNA umożliwiają jej przetransportowanie do wnętrza komórki; proces ten dotyczy głównie bakterii wolnożyjących tzw. niepasożytujących

-komórka dawcy DNA obumiera

-DNA uwalniany jest do środowiska

-komórka kompetentna pobiera DNA do swojego wnętrza

-geny z jednej komórki są przekazywanie do drugiej bez kontaktu komórek i bez pośrednictwa wirusa

-nie wszystkie gatunki bakterii mogą pobierać DNA ze środowiska

Stan kompetencji można wywołać sztucznie w laboratorium

Doświadczenie Griffitha na dwoinkach zapalenia płuc

Doświadczenie Avery-ego nad transformacją komórek bakterii in vitro

stan kompetencji bakterii- zdolność bakterii do pobrania obcego DNA ze środowiska

Transdukcja

-proces przenoszenia fragmentów DNA z jednej kom. do drugiej przez bakteriofaga łagodnego (w czasie cyklu lizogenicznego), fag taki wbudowuje część bakteryjnego DNA w swój własny kwas nukleinowy i przenosi go jako trwałą cechę na szczep biorcy

Przebieg transakcji bakteriofagiem:

1)DNA bakteryjne i bakteriofagowe zostaje pocięte pod wpływem enzymów wirusowych

2)kompletne winiony opuszczają kom. bakteryjną (niektóre kapsydy zostały błędnie ”załadowane” bakteryjnym DNA

3)bakteriofag niosący bakteryjny DNA zakaża kolejna bakterię

4)DNA z komórki bakterii - dawcy wstrzyknięte do kom. bakterii- biorcy

5)DNA z kom. donora zastąpiło fragment DNA akceptora

transdukcja ogólna- w wyniku której może zostać przeniesiony dowolny fragment genomu dawcy

transdukcja specyficzna - względem miejsca, w wyniku której mogą zostać przeniesione tylko specyficzne geny, położone w określonym rejonie genomu dawcy

Znaczenie procesu transdukcji

-bakteriofag pełni funkcje wektora

-proces ten umożliwia zmiany właściwości bakterii np. E.coli możliwe jest przekształcenie na tej drodze symbiotycznej bakterii w wywołujący krwawe biegunki szczep 0157:H7, bakterie mogą uzyskiwać oporność na antybiotyki

-transdukcja fagiem powoduje też powstanie form patogennych u maczugowca błonicy

-konwersja fagowa- nabycie właściwości chorobotwórczych przez zakażenie fagiem

Doświadczenie A. Hershey-a i M.Chase

Wirusy wywołują dwa rodzaje zakażeń: wirulentne (lityczne) i ograniczone (lizogenne). Przypadku zakażenia lizogennego bakterie zyskują nowy zestaw genów należących do profagów, zdarza się że chorobotwórcza jest tylko bakteria zakażona wirusem (posiada gen kodujący toksynę, czyli adhezynę)

Lizogenizacja:

-locus aa' na DNA faga miejsce rozpoznające odpowiedni region na DNA bakterii

-integracja DNA fagowego z DNA bakterii

-unieczynnienie genów bakteriofaga - represja funkcji wirusowych, represor - białko wiążące się swoiście z DNA faga i blokujące transkrypcję

Drogi wymiany informacji genetycznej u Procaryota:

-koniugacja - bakteriofagiem

-transformacja- bezpośrednio ze środowiska

-transpozycja- za pomocą transpozonów

Rekombinacja genetyczna:

-proces wymiany materiału genetycznego w wyniku którego powstają nowe genotypy; bakterii rekombinacja towarzyszy procesom: transdukcji, transformacji, transkrypcji

Geny Procaryota

-większość genów bakteryjnych jest zorganizowanych w tzw. operony, których ekspresja zależy od tzw. promotora

-część genów to elementy pojedyncze

-geny to ok. 75% całości genomu bakteryjnego, reszta to sekwencje sterujące, wyznaczające początek replikacji itp.

Struktura genu prokariotycznego:

-promotor

-miejsce rozpoczęcia, terminacji, transkrypcji

-miejsce przyłączenia się rybosomy

-właściwa sekwencja kodująca ograniczona miejscem rozpoczęcia i zakończenia translacji

białka ES- uczestniczą w przenoszeniu elektronów

Bakteryjna polimeraza RNA syntetyzuje wszystkie rodzaje RNA, składa się z 25 podjednostek:

-podjednostka α- rozpoznają czynniki regulatorowe

-podjednostka β - katalizuje syntezę RNA

-podjednostka β' - wiąże niespecyficzne DNA

-podjednostka ω

-podjednostka sigma (σ) - wiąże się z sekwencjami promotorowymi

Transkrypcja u Procaryota:

I - inicjacja

-rozpoznanie promotorów przez czynnik sigma

-przyłączenie polimerazy RNA do elementów promotorowych

-topnienie- miejscowe rozdzielnie helisy DNA

II - elongacja

III - terminacja

terminator- miejsce w DNA w którym zachodzi oddysocjowanie pomierzy RNA

czynnik uwalniający- białko wiążące się z określoną sekwencją DNA uniemożliwiającą dalsza elongację

białkowy czynnik ρ(rho)

-tworzenie struktury spinki do włosów

Translacja

-proces dopasowywania się antykodonów (tRNA) i kodonów (mRNA) oraz synteza łańcucha aminokwasowego

-enzym: syntetaza aminoacylo-tRNA

Rybosomy:

-utrzymują kompleks mRNA i tRNA z przyłączonymi aminokwasami

-biorą udział w tworzeniu wiązania peptydowego

-zapewniają dokładność syntezy białka

-miejsca wiążące tRNA: miejsce aminokwasowi (A) i peptydylowe (P)

Prokariotyczna inicjacja translacji

-podjednostka 30s wiąże się do mRNA, kodon startowy AUG znajduje się w pozycji P

-sekwencja Sine-Dalgarno (charakterystyczna dla prokariontów)5'-GGAGG-3'

-tRNA + formylometionina paruje z kodonem AUG

-dołączona jest podjednostka 50s

-aminoacylo-tRNA wchodzi w pozycję A

Elongacja

-enzym: transferaza peptydylowa

-rybosom przesuwa się wzdłuż mRNA w kierunku 5' do 3'

Terminacja

-kodony: UAG,UAA,UGA działają jako sygnały terminacyjne

Regulacja ekspresji genów bakteryjnych poprzez:

-zmianę tempa transkrypcji

-zmianę okresu półtrwania mRNA

-zmianę wydajności translacji

-większośc genów genomu bakteryjnego jest nieaktywna

-ekspresji podlegają jedynie te geny, które są potrzebne w danej chwili ze względu na sytuację w środowisku otaczającym bakterię

Pierwszym poznanym mechanizmem regulacji peronowej u bakterii jest proces rozkładu laktozy u E.coli

-β-galaktozydaza

-β-galaktozydopermaza

-transacetylaza galaktozydowa

allolaktoza= α-D-galaktozylo-β-1,6-D-glukoza L-D-galaktozylo-β-1,4-D-glukoza

β-galaktozydaza

Mechanizm regulujący tempo transkrypcji

operon laktozowy (E.coli)- realizuje syntezę enzymu β-galaktozydazy, który umozliwia bakterii rozłożenie laktozy to cząstek galaktozy i glukozy

gen laci- odpowiedzialny za syntezę represora- monomeru, z którego powstaje tetrametr

tetrametr- przyłącza się do operatora i blokuje transkrypcję

represja kataboliczna- mechanizm regulacji, dzięki któremu operon laktozowy reaguje na obecność cukru glukozy

aktywator kataboliczny białko CAP- wiąże się z DNA (nad promotorem lac) i zwiększa transkrypcję operonu; wiązanie DNA i CAP jest możliwe tylko przy obecności cAMP

• glukoza słabo dostępna- rośnie poziom cAMP, CAP-cAMP wiąże się z DNA nad promotorem i rośnie transkrypcja operonu

• gdy w komórce wyczerpie się glukoza, to represja kataboliczna jest przerywana, operon jest wydajnie transkrybowany (jest przetwarzana laktoza)

Operon tryptofanowi

-ekspresja jest regulowana przez końcowy produkt tory biosyntezy

operony deprymowane- ulegające hamowaniu

represja- zahamowanie syntezy enzymów szlaku biosyntetycznego w odpowiedni na nadmiar końcowego produktu

-operon tryptofanowy(trp) zawiera 5 genów kodujących enzymy niezbędne do biosyntezy tryptofanu

-cząsteczka represja kodowana w niewielkiej odległości od operonu

Model pozytywnej regulacji ekspresji genów

-geny ulegają ekspresji dopiero pod wpływem działania specyficznego białka regulatorowego

-aktywacja kompleksu promotor- polimeraza RNA operonu lac przez wiązanie się białka CAP do CBS

Katabolizm maltozy u E.coli

-kompleks białko aktywujące (AP-activator protein) + cząsteczka maltozy łączy się z DNA i umożliwia polimerowanie RNA, rozpoczęcie transkrypcji

-aktywator rozpoznaje specyficzną sekwencję DNA tzw. miejsce wiązania aktywatora

-geny potrzebne do katabolizmu maltozy są w kilku operonach wobec czego aktywator kontroluje więcej niż jeden operon, grupa operonów regulowanych przez jedno białko aktywujące nazywana jest regulonem

Atenuacja

-synteza peptydu literowego prowadzi do zahamowania transkrypcji genów trypofanowych

-opiera się o transkrypcję i translację

-w obrębie sekwencji literowej jest gen atenuatowy

Antysensowne RNA:

-regulatorowe RNA oddziałuje jako regulator poprzez parowanie komplementarną sensowna nicią RNA, jeżeli ta komplementarną nicią jest mRNA to parowanie z antysensownym RNA może zapobiec zajściu translacji

-antysensowne RNA może być syntetyzowane z tego samego genu co mRNA przez zastosowanie drugiego promotora zorientowanego w przeciwnym kierunku do pierwszego lub poprzez drugi gen z promotorem na przeciwnym końcu

Czynniki sigma

-podjednostka polimerazy RNA odpowiedzialna za rozpoznawanie i wiązanie się do sekwencji paromotorowych

-czynniki sigma wykazują specyficzność dla określonych promotorów i w ten sposób mogą wpływać na regulację ekspresji genów

-transkrypcja z większości promotorów E.coli prowadzona jest przez polimerazę RNA zawierającą czynnik 670, ale podczas transkrypcji niektórych genów wykorzystywane są alternatywne czynniki sigma rozpoznające inne sekwencje promotorowe

mutageneza- proces prowadzący do powstania mutanta

mutant- mikroorganizm różniący się genotypem od szczepu macierzystego; zmiany genotypowe w komórkach mutanta musza być trwałe, dziedziczone przez komórki potomne, ich obecność musi nadawać szczepowi mutanta właściwości fenotypowe, różniące go od szczepu macierzystego

mutacja- trwała zmiana w sekwencji DNA która jest przekazywana komórkom potomnym

zmiana premutacyjna- zmiana w sekwencji DNA, która może być usunięta w procesie replikacji

mutageneza spontaniczna(samorzutna)- proces powstawania mutacji zachodzący niezależnie od określonych czynników zewnętrznych: błędy popełniane w czasie replikacji DNA, błędy powstające w wyniku samorzutnych modyfikacji chemicznych zasad DNA

Przypadkowe mutacje w genomie:

-częstość mutacji spontanicznych może się wahać od 1 mutacji na gen na każde 104 rund replikacyjnych do jednej na każde 1011 rund (przeciętnie 10^-6 , czyli jedna mutacja na każde 10⁶ rund)

gorące miejsca- w których częstość mutacji jest znacznie wyższa

Spontaniczne mutacje są wynikiem m.in.:

-błędów polimerazy podczas replikacji

-fizycznego uszkodzenia DNA

-błędów rekombinacji i transpozycji

-poślizgu polimerazy DNA

-oksydatywnej dezaminacji C do U

-wbudowania elementu transpozycyjnego

Podstawowym powodem zmian w strukturze DNA jest zdolność do tworzenia przez zasady form tautomerycznych.

Podczas replikacji adenina która normalnie tworzy parę z tyminą może ulec tautomeryzacji do swej formy iminowej i utworzyć parę z cytozyną. Jeśli ten błąd nie zostanie zauważony przed następną replikacją to para A-T zostanie zastąpiona parą G-C.

systemy naprawcze- wychwytują i naprawiają uszkodzenia i błędy, minimalizując częstość mutacji

Typy mutacji indukowanych:

• Mutacje punktowe

-substytucja- zmiana jednej pary zasad na inną

-tranzycja- zmiana jednej puryny na inną purynę lub jednej pirymidyny na inną pirymidynę

-transwersja- zmiana pirymidyny na purynę lub puryny na pirymidynę

• delecja- usunięcie jednej lub większej liczby par zasad

• insercja- wstawienie jednej lub większej liczby par zasad

mutacje indukowane- ich częstość zwiększa się przez działanie czynników mutagennych

Skutki mutacji:

Mutacje punktowe:

-zmiana pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka

-brak zmian sekwencji aminokwasowej białka

-przedwczesna terminacja translacji

Delecje lub insercje:

-przesunięcie ramki odczytu

-wstawienie lub usunięcie aminokwasu w sekwencji białka

Chemiczne czynniki mutagenne:

-analogi zasad(związki które wbudowuje się w nić DNA zamiast zasady): 2-aminopuryna (zastępuje A, para z C), 5-bromouracyl i 5-bromodeoksyurydyna (zastępujące T, tworzą parę z G)

-czynniki interkalujące (barwniki akrydynowe)

-czynniki modyfikujące DNA

-kwas azotowy

Czynniki modyfikujące DNA:

-azotany (III) - powodują deaminację A (hipoksantyna), G i C w efekcie powstają mutacje punktowe

-hydroksylamina- reaguje z C powodując że zaczyna tworzyć parę z A

-MNNG (N-metylo-N-nitro-N-nitrozoguanidyna) powoduje metyzacje zasad

Fizyczne czynniki mutagenne:

- promieniowanie UV

-promieniowanie jonizujące

Promieniowanie UV:

-światło dł. 260nm powoduje powstanie podwójnego lub pojedynczego wiązania kowalencyjnego pomiędzy sąsiadującymi (w tej samej nici) pirymidynami (najczęściej tyminami), powstaje dimer tyminowy

Uszkodzenia radiacyjne:

-promieniowanie jonizujące wysokiej energii- powoduje wybicie elektronów i jonizację cząsteczek, powstające reaktywne wolne rodniki(OH^*) reagują z zasadami azotowymi i powodują rozerwanie nici DNA

Mutacja auksotroficzna:

-mutanty auksotroficzne nie rosną na podłożu minimalnym a ich wzrost jest uwarunkowany obecnością w podłożu gotowego produktu, którego nie mogą syntezować

-np. His oznacza że mutant nie rośnie na podłożu minimalnym bez histydyny

Test Annesa- określenie mutageniczności związków chemicznych

Mutageneza in vitro:

-polega na syntezie chemicznej sekwencji DNA, która potem jest wykorzystywana do zastąpienia fragmentu DNA w genomie szczepu dzikiego

Metaboliczne warunki mutagenezy:

-faza hodowli

-skład pożywki

-warunki hodowli przed mutagenizacją

-forma materiału biologicznego

Naprawa DNA:

Przed rozpoczęciem replikacji DNA:

-naprawa bezpośrednia (np. fotoreaktywacja)

-wycięcie nukleotydu

-wycięcie odcinka DNA

Po rozpoczęciu replikacji DNA:

-rekombinacja homologiczna ( u Eukariota)

-niehomologiczne łączenie końców

-naprawa błędnie sparowanych zasad - mismatch repair

-system naprawy SOS

Uszkodzenia DNA często powodują zaburzenie struktury podwójnej helisy. Kompleks polimerazy nie jest w stanie ominąć takiego miejsca i oddysocjowuje od tak odkształconej matrycy. Replikacja zostaje wznowiona kilkanaście nukleotydów dalej - w nowej nici powstają przerwy.

Fotoreaktywacja:

-proces enzymatyczny

-fotoliaza- białko (enzym) o masie cząsteczkowej 37 · 10³ Da, enzym specyficzny wobec fotodimerów, pod wpływem światła 310- 480 nm rozszczepia dimery pirymidyn do monomerów

-proces ten jest bezbłędny i nie prowadzi do mutacji

Naprawa DNA przez wycinanie:

-glikozylaza DNA przecina wiązanie β-glikozydowe między uszkodzoną zasadą a cząsteczką deoksyrybozy, tworząc miejsce apurynowe/apirymidynowe

-endonukleaza AP rozpoznaje to miejsce i wycina DNA w kierunku 5' od miejsca AP tworząc wolny koniec 3'-OH

-polimeraza DNA I wydłuża nić DNA od wolnego końca 3'-OH wykorzystując aktywność egzonukleazy do zastąpienia nukleotydu z uszkodzoną zasadą oraz kilku następnych

-następnie nowa nić jest łączona ze starą za pomocą ligazy DNA

Mismatch repair:

-geny mutatorowe mut H, L, S

-rozpoznanie nowo zreplikowanej nici DNA zawierającej niewłaściwie włączoną zasadę zachodzi na podstawie różnic między stara i nową nicią w poziomie metylacji w pozycji N6 A w sekwencji GATC

Odpowiedź SOS u prokariontów:

-homodimer LexA - represor transkrypcji genu recA i genów din, przyłącza się do sekwencji operatorowych (kaseta SOS)

-białko RecA powoduje proteolizę represora LexA co prowadzi do derepresji genów din

-najczęstszym komórkowym sygnałem aktywującym odpowiedź SOS jest obecność jednoniciowego DNA powstającego przy replikacji w miejscu widełek replikacyjnych albo przy rozdzieleniu podwójnej nici DNA katalizowanym przez helikazę DNA

Regulon SOS

-naprawa DNA poprzez: wycięcie nukleotydów, homologiczna - wierna, system SOS - mutagenna

Morfologia i namazanie się wirusów

-wymiary wirusów mierzymy w nm

Budowa wirionu:

wirion- pojedyncza cząsteczka wirusa wydostająca się z jednej komórki, a następnie zakażająca kolejną; w skład wirionu danego wirusa wchodzi zawsze tylko jeden rodzaj kwasu nukleinowego

Wyróżnia się:

-DNA wirusy

-RNA wirusy

-retrowirusy

Retrowirusy:

-genom retrowirusa zawiera dwie identyczne kopie jednoniciowego RNA i koduje odwrotną transkryptazę (in. inwertazę), która ma zdolność przepisywania informacji z RNA na DNA

Cykl życiowy retrowirusa:

-odwrotna transkryptaza

-integraza

-proteaza

kapsyd- białkowa otoczka osłaniająca materiał genetyczny wirusa

kapsomery- pojedyncze jednostki kaspydu

Funkcje kapsydu:

-ochrona

-wiązanie się z błoną atakowanej komórki

Wirusy, które opuszczają komórkę gospodarza przez pączkowanie otoczone są dodatkowo błoną lipidową pochodzącą z komórki gospodarza

Kształty wirionów:

-bryłowy np. wirus poliomyelitis

-spiralny np. wirus mozaiki tytoniowej

-bryłowy z otoczką np. HIV (retrowirus)

-spiralny z otoczką np. wirus grypy

-bryłowo-spiralny np. bakteriofag

Ściśle przylegające osłonki:

-wirus wścieklizny(wielkość 180nm), HIV(wielkość 100 nm)

Słabo przylegająca osłonka:

-wirus Herpes simplex (wielkość 90 nm)

Brak osłonki:

-adenowirus (wielkość 45nm)

Wirusy z płaszczem:

-płaszcz zawiera podwójną warstwę tłuszczową z glikoproteinami przytwierdzonymi do niej, jej symetria przypomina nukleokapsyd

-peplomery = adhezyjny

Wirusy posiadają pewna symetrię budowy. Symetria wirusów odnosi się do nukleokapsydu a nie do całego wirusa z błoną.

Np.

-wirus o symetrii helikalnej - wirus mozaiki tytoniu

-wirus o symetrii ikosaedralnej - adenowirus

-symetria ikosaedralna z zaznaczeniem osi obrotu

Kapsyd helikalny:

-amplituda=średnica 19nm

-skok helisy

-dł.300-500nm

Symetria heliakalna:

-wirus mozaiki tytoniowej (TMV - Tobacco Mosaic Virus)

Dwudziestościan- najwydajniejszy układ dla podjednostek w zamkniętej osłonie

ikozaedr- osiągnięcie minimum energii swobodnej

Wirusy budują swoje otoczki z N*60 podjednostek gdzie N to liczba triangulacyjna (1,3,4,7,9,12 i więcej), uniemożliwia to ich równocenne upakowanie w formę ikosaedru

Poxowirusy

-Poxovirus variolae (wirus ospy prawdziwej)

-Poxovirus officinale

-owalne lub prostopadłościenne kapsydy dł. 200-400nm

-w zewnętrznej powierzchni wirionu wyżłobione są równoległe rowki, czasem układające się w helisę

-cząstki są niezwykle złożone- w kapsydzie występuje przynajmniej sto różnego rodzaju białek

Trzy główne grupy białek wirusowych:

-białka macierzy- białka MA (Matrix Associated proteins)

-glikoproteiny transmembranowe

-glikoproteiny zewnętrzne

-kanały transportowe

Bakteriofagi to główne DNA wirusy

Części bakteriofaga: główka, kołnierz, ogonek, płytka, nici ogonka

Namnażanie się wirusów:

fagi zjadliwe(wirulentne)- po namnożeniu się w komórce (cykl lityczny) wydostają się z niej dzięki wywołaniu lizy komórki gospodarza (śmierć), uwolnione bakteriofagi atakują następnie komórki bakterii - infekcja się rozprzestrzenia

fagi łagodne- zakażają swego gospodarza, namnażają się w jego komórkach jako fag nie infekcyjny (profag), nie zarażają innych komórek, a jedynie potomne komórki swego gospodarza, jest to cykl lizogeniczny

Wyspecjalizowana transdukcja:

1)profag występuje w komórce bakterii wykorzystującej galaktozę (zawiera gen gal)

2)genom fagowy ulega oderwaniu, przenosząc przylegający gen gal gospodarza

3)fag dojrzewa i lizuje komórkę uwalniając faga zawierającego gen gal

4)fag atakuje komórkę która nie potrafi wykorzystywać galaktozy (brak genu gal)

5)wraz z profagiem, bakteryjny gen gal zostaje zintegrowany z DNA nowego gospodarza

6)komórka lizogeniczna może teraz metabolizować galaktozę

Cykl lityczny:

adsorpcja- fag przyczepia się nićmi ogonka do komórki żywiciela

penetracja- lizozym faga nadtrawia ścianę komórkową, pochewka kurczy się, aby wypchnąć szyjkę i DNA do komórki

biosynteza- produkcja fagowego DNA i białek

dojrzewanie- składanie się fragmentów faga

uwolnienie- lizozym fagowy

Wirusy zwierzęce - RNA lub DNA wirusy:

-wścieklizna

-pryszczyca

-nosówka

-cholera świń

-trzęsawka owiec

-flaszeria jedwabników

-choroba woreczkowa pszczół

Namnażanie wirusów zwierzęcych:

adsorpcja- wirusy przyczepiają się do błony komórkowej

penetracja- poprzez endocytozę lub fuzję

odpłaszczenie- przez enzymy wirusowe lub gospodarza

biosynteza- produkcja kwasu nukleinowego i białek

dojrzewanie- składanie kwasu nukleinowego i białek kaspydu

uwalnianie- poprzez pączkowanie (wirusy opłaszczone) lub przebijanie błony

Hodowla wirusów

-wirusy zwierzęce i roślinne mogą być hodowane w kulturach komórkowych

-ciagła linia komórkowa może być utrzymywana przez określony czas

-wirusy zwierzęce mogą być hodowane w żywych zwierzętach lub zapłodnionych jajach

Wirusy ludzkie- RNA, DNA wirusy, retrowirusy:

-ospa wietrzna, półpasiec, opryszczka, odra, różyczka, grypa, świnka, żółtaczka, odkleszczowe wirusowe zapalenie mózgu, gorączka krwotoczna (wirus Ebola), AIDS

Droga rozprzestrzeniania się wirusów:

-przeżywają zazwyczaj w zabójczych warunkach panujących w żołądku

-wirusy zawierające płaszcz lipidowy, zwykle inaktywowane są przez kwasy żołądkowe, sole żółciowe, enzymy

-opanowywanie i namnażanie w komórkach nabłonka jelita cienkiego

-wydostają się z kałem

Wirusy roślinne- głównie RNA wirusy:

-mozaikowatość liści tytoniu (TMV), mozaikowatość pomidora, mozaikowatość lucerny, karłowatość pomidora ziemniaka

42

---