Energetický metabolismus bakteriálních buněk Základní rozděleni Energetický metabolismus bakterií, sporulace Přednáška mikrobiologie č. 3 Doc. MUDr. Jan Šimůnek, CSc. Ústav preventivního lékařství 11. března 2010 • Obecně existují dva typy reakcí, exoenergetické, kdy energie vstupních látek je nižší, než látek vstupujících do reakce, a rozdíl se uvolňuje; endoenergetické, kdy je to naopak a rozdíl se do reakce musí dodat • Rozdíl endoenergetických reakcí v laboratoři - průmyslu x živé organismy (nemají k dispozici tlaky a teploty, řeší zpražením enzymatických systémů katalýzujících endo- a exoenergetické reakce) Poznámka: Bylo tomu tak vždy a všude? Jak takovéto reakce probíhají v ,hluboké horké biosféře?' • Existence univerzálních donorů energie, především ATP Důsledek: Z hlediska energetické bilance stačí vyřešit syntézu těchto donorů. Energetický metabolismus bakteriálních buněk Způsoby získávání energie Typ výživy Zdroj energie Zdroj uhlíku Příklady Fotoautotrofní svěrlo co2 Sinice, některé červeně a zeleně pigmentující bakterie Fotohet erot rofní svěrlo organické sloučeniny Některé červeně a zeleně pigmentující bakterie C herno aut otrof ní. Lirhol rofní f lil h<>-aut otrofní) anorganické sloučenin}", napr. H2, NH3, N02 H2S co2 Málo bakterií, hodně archebakterií Chrnu ihetcr. umíní (het erot rofní} nrganické sloučeniny organické sloučeniny Většina bakterií, mák) archebakterií Energetický metabolismus bakteriálních buněk Získávání ATP • Odbouráváním organických látek Musejí zvládnout i další dvě skupiny, jinak by nemohly využívat vlastní energetické zásoby. • Přeměnou anorganických látek Energetický rozdíl vstupních a výstupních látek je zpravidla malý —> do této skupiny patří i obrovské bakterie (větší než mnozí prvoci). Tato prokaryonta se podílejí na vzniku některých hornin a rudných ložisek, včetně „hluboké horké biosféry", minimálně závislé na povrchu planety. • Záchytem světelného kvanta Záchyt se děje na různých typech chlorofylů a karotenoidů. Protože chloroplasty jsou patrně přeměněná prokaryonta, týká se to i zelených rostlin. Energetický metabolismus bakteriálních buněk Organotrofie Odbourávání je možné dvěma základními způsoby: • Za spotřebovávání kyslíku, buď klasicky cyklem trikarbonových kyselin, nebo jeho prokaryontními variantami a analogiemi (zkratky v klasickém cyklu, obcházení některých reakcí v klasickém cyklu, cyklus dikarbonových kyselin) • Beze spotřeby kyslíku • přeměnou energeticky bohatších substrátů na energeticky chudší, škálou různých chemických reakcí, které se souhrnně nazývají fermentace • přesunem elektronu na různé akceptory anaerobní respirace Energetický metabolismus bakteriálních buněk Oxidace úplná • Krebsův cyklus • Cyklus kyseliny glykoxylové Přeskakuje v Krebsově cyklu kyseliny jantarovou a fumarovou, tedy z kyseliny glakocalové se tvoří adicí acetátu kyselina jablečná, uplatní se v situiaci, kdy je potřeba doplnit meziprodukty K. cyklu a nebo je kyselina octová jediný zdroj energie • Cyklus dikarbonových kyselin 2x kyselina octová —> kyselina jantarová —> kyselina fumarová —> kyselina jablečná —> kyselina pyrohroznová —> kyselina octová ... neúplná Z různých substrátů se vytváří organické kyseliny vč. některých aminokyselin. Značný průmyslový význam. □ a - = i o^o- Energetický metabolismus bakteriálních buněk Kvašení 1 Při kvašení dochází k přeměně jednoduchých sacharidů na kyselinu pyrohroznovou. Nejčastěji se tak děje Embden -Meyerhof - Parnasouvou dráhou za vzniku 2 molekul ATP a 2 molekul kyseliny pyrohroznové a jedné molekuly glukózy. (Vzniknou 4 ATP, ale 2 se spotřebují.) Předchází zpravidla konverze na glukózu (na začátku), někde i na fruktózu (je v cestě). kvasinky k. pyrohroznová —> etanol bakterie mléčného kvašení k. pyrohroznová —> kyselina mléčná u homofermentativního kvašení výlučně, u heterofermentativního s koprodukty propionové bakterie k. pyrohroznová —> kyselina oxaloctová —> kyselina jantarová —> kyselina propionová enterobakterie (různé druhy různě) přeměňují kyselinu pyrohroznovou na kyselinu octovou, butandiol, etanol, případněji rozloží na vodík „a^oxjd, uhljpitý Energetický metabolismus bakteriálních buněk Kvašení 2 Při kvašení aminokyselin dochází k přeměnám: • arginin na citrulin Pseudomonas aeruginosa • kyselina glutamová na kyselinu máselnou Clostridium butyricum • alanin na kyselinu pyrohroznovou a dále na acetyl-koenzym A rod Clostridium • alanin a dvě molekuly glycinu na dvě molekuly kyseliny octové a čpavek Zpravidla dojde k okyselení substrátu, někdy k tvorbě aldehydů nebo jiných charakteristických metabolitů. Reakce jsou druhově nebo skupinově závislé, proto se využívají k determinaci a identifikaci („pestrá řada"). Energetický metabolismus bakteriálních buněk Anaerobní respirace Energetický metabolismus bakteriálních buněk Chemolitotrofie Organismus se různými cestami zbavuje vodíku, uvolněného jinými reakcemi. Přeměňuje: • dusičnany na dusitany • dusičnany až na dusík • sírany na sirovodík • tvorba metanu z C02 Energetický metabolismus bakteriálních buněk Fototrofie Při fototrofii dochází ke známé přeměně vody a oxidu uhličitého na glukózu (prostřednictvím ATP). Bakteriální fototrofie využívá jako donor vodíku sirovodík. Liší se i vlnové délky zachyceného svcětla. Fotosyntéza pomocí karotenoidů se zase liší ve „světlé" fázi, kde probíhá teakce podobná reakcím v lidském oku při zrakovém vjemu, ale restituce analogu zrakového pigmentu je energeticky využita. Sporulace Definice Spory: • klidová stádia, umožňující přežít nepříznivé podmínky, včetně nedostatku živin • podstatně méně hydratovaná než vegetativní buňka, proto schopná přežít vysoké i nízké teploty • s minimálním metabolismem, proto umožňující přežití přítomnosti metabolických inhibitorů, ionizujícího záření apod. • ničí se razantními desinfekčními prostředky a speciálními sterilizačními postupy vč. vysoké teploty (autokláv) • někdy postačí zajištění toho, že spory nebudou moci vyklíčit, samotné životaschopné spory nevadí Postup vytváření spory na mikrofotografiích Early stage late stage http://textbookofbacteriology.net/structure_l0.htm Přeměny: • amoniak na dusičnan • sirovodík na síru • Fe2+ na Fe3+ • přesun vodíku na různé akceptory • oxidace metanu Energetický metabolismus bakteriálních buněk Vztah ke kyslíku Název Normální Oj Snížený Oj Žádný 03 Obligátně aerobní rostou špatně rostou nerostou Mikroaerofilni spatně rostou rostou nerostou Striktní anaerobi nerostou nerostou rostou (*) Fakultativní anaerobi (**) rostou rostou rostou Aerotolerantní anaerobi rostou rostou rostou • (*) někdy vyžadují extrémní snížení koncentrace • {**) synonymum fakultativní aerobi Sporulace Postup vytváření spory CEZ) Buňka s replikovanou I.).\A vr dv<>u clinuintfiHiircli Vytvoření chromosomu ze dvou vláken DNA Poéárek dělení lumky, separování DNA Zaškivování lumky, dokouření tvorby nepra CZ3D Vytváření protospory v polovině buňky, vchlipování septa CB Přeměna vehlípcin'lio srpla na obaly spory (upraveno podle Němce) Schéma spory podle mikrofotografie Sporulace ve světelném mikroskopu Sporulace Umístění spory v bakteriální buňce (upraveno podle Němce) Centrálni sporá Periterminální sporá C Terminálni sporá Rod Clostndium Rod Plectridium Sporulace Stavba obalů spory Význam sporulujících bakterií vnitřní membrána sporová stěna korn-x (vnitrní silná vrstva) vnójší membrána vnitřní vrstva pláště zevní vrstva pláště exosporium (jen spory některých druhů} přežívání v potravinách Spory přežívají běžné kulinární i konzervační postupy. V případě příznivých podmínek jsou zdrojem • kažení potravin • některé produkují jedy (= i jiné, než jaké vznikají při běžném kažení) • některé ohrožují člověka přímo - patogeny přežívání v prostředí především v půdě. Jsou tedy přístupné v řadě potravinářských surovin vyvolání nemocí nesouvisejících s výživou Produkce potravinových toxinů Otravy GIT Botulotoxin Neboli „klobásový jed". Více typů, některé vázané geograficky a na některé komodity. Průmyslová výroba konzerv zohledňuje svými parametry (tlak, teplota, doba záhřevu) právě riziko spor Clostridium botulinum. Teoreticky projde 1 kontaminovaná konzerva za 300 let. Problémem jsou domácí konzervy (nelze autoklávovat). Dříve dlouhodobě uchovávané potraviny s kořením a zeleninou - paštiky, uzeniny apod. Příznaky otravy: Svalová ochablost (u okohybných svalů dvojité vidění) - byly záměny počátečního stadia za otravu alkoholem! Clostridium perfringens Otrava vyvolává především potíže ze strany GIT. Většinou dojde ke kažení v domácnosti. Vektorem je jako u předchozího půda. Otravy Bacillus cereus Je původcem většinou benigních byť nepříjemných gastrointestinálních potíží. Častý výskyt v obilí a výrobcích z mouky, především nepečených (těstoviny). Je ale i jedním z původců kažení chleba. Vzácněji produkuje enteronekrotický toxin, vyvolávající rozpad stěny střevní s fatálním koncem. Bývají rodinné otravy z potravin uchovávaných v chladničce a krátce ohřívaných (mikrovlnka). Tetanus Typicky se jedná o rannou infekci (poranění kontaminované hlínou + anaerobní podmínky v ráně). Typicky z půdy kontaminované trusem (hnojem) býložravců, hlavně koní, mnohaleté přežití v půdě. Místně produkovaný toxin vyvolává tonické a klonické křeče, vedoucí k dušení, lámání kostí, poškození vnitřních orgánů atd. Smrtnost v desítkách procent! Atypicky infekce pupečníku u novorozenců. Vzácně - pomnožení a produkce toxinu ve střevě novorozence (starší nemají poměry vhodné k usazení Plectridium tetani. Tetanus http://www.southstaffordshirepct.nhs.uk/YourHealth/ vaclmms/photo/tetanus.asp Anthrax Spory jsou v půdě, kam se dostávají s kadavery uhynulých zvířat, přežívají desítky let. Formy kožní pustula maligna černý vřed, rozrůstající se a nereagující na běžnou léčbu. Nejméně nebezpečná forma (časně se diagnostikuje, léčba je zahájena zpraviodla včas). plicní Atypický zápal plic. Pokud je včas diagnostikován, smrtnost jen" v desítkách procent. Zpravidla se na diagnózu přijde po úmrtí prvních obětí epidemie, celková Finální stav předchozích, případně prostup infekce z GIT při požití spor, proniknutí infekce ránou do krve atd. I při včasné a adekvátní léčbě se smrtnost blíží sto procentům. Pustula maligna http://www.scielo.cl/scielo.php?pid= S0716-101820 01000400010&script=sci_arttext Plynnatá sněť • Infekce z půdy (rod Clostridium) • Rány mají podobný charakter jako rány při tetanové infekci. • Charakteristická je tvorba plynu, omezující přítok krve do okolí rány -► rozšiřují anaerobní zónu, kde se bakterie množí, mm až cm za hodinu! Léčba tradiční Amputace až ve zdravé tkáni moderní Přetlakové komory se zvýšenou tenzí kyslíku - zmenší se bubliny a kyslík lépe difunduje do rány. Někdy je ale amputace nezbytná Plynnatá sněť http://www.meddean.lue.edu/Lumen/Meded/ medicine/pulmonar/PD/step7 6b.htm □ g - = = ^^fi