1 4. Výživa a transport Prostředí, ve kterém bakterie rostou a množí se, musí obsahovat : • Zdroj uhlíku – pro syntézu malých organických molekul sloužících jako skelet makromolekul • Zdroj dusíku – tvorba amino- a imino- skupin jako součásti organických látek • Zdroj energie – pro biosyntézu nízkomolekulárních látek a biologických makromolekul, tvořících strukturu buňky • Minerální prvky • Růstové faktory – vyžadované organizmy, pokud si je nedokáží syntetizovat 2 Zdroje uhlíku Zdroj uhlíku = výchozí substrát pro biosyntézu sacharidů lipidů aminokyselin organických bází nukleotidů bílkovin Zdroje uhlíku • Rozdělení bakterií podle uhlíkaté výživy * autotrofní – základním zdrojem uhlíku je CO2 * heterotrofní – základním zdrojem uhlíku je jakákoli organická látka 3 Zdroje uhlíku - autotrofie • U bakterií není autotrofie vázána jen na fotosyntézu. • Existují dva způsoby získání energie - fototrofie a chemotrofie a dva způsoby získávání uhlíku – autotrofie, heterotrofie, které jsou vzájemně kombinovatelné. • Podle výživy lze tedy organizmy rozdělit na fotoautotrofní, fotoheterotrofní, chemoautotrofní, chemoheterotrofní Zdroje uhlíku • Chemoautotrofie (chemolitotrofie)– známa jen u bakterií. Energie se získává oxidací redukovaných anorganických sloučenin (síry, dusíku, železa,..) a zdrojem uhlíku je CO2. • Chemoheterotrofie – zdrojem uhlíku a energie je prakticky jakákoliv oxidovatelná organická látka – většina organizmů • Bakterie metylotrofní – jako zdroj energie a uhlíku slouží většinou jednouhlíkaté sloučeniny obsahující metylskupinu –CH3 (metan, dimetyleter, metanol). Metylotrofie je obligatorní (Methylomonas) nebo fakultativní (Hyphomicrobium) 4 Zdroje dusíku • Amonné soli, amoniak – pro většinu organizmů – snadno se transportují do buňky (nejvhodnější jako síran a fosfát nebo sůl organických kyselin) • Dusičnany – využívány houbami a některými kvasinkami nebo bakteriemi (nejprve nutná redukce na amonné soli) • Aminokyseliny • Močovina – výhradně jako zdroj dusíku u urobakterií • Molekulový dusík – většinou u bakterií a sinic Zdroje energie • Světelné kvantum – fototrofie • Organické a anorganické látky – chemotrofie (energie se získává oxidoredukčními pochody, jedna látka je oxidována, druhá redukována) ■ akceptor elektronů a vodíku vzniká katabolizmem donoru - kvašení (fermentace) ■ akceptorem elektronů a vodíku je molekulový kyslík – aerobní respirace ■ akceptorem elektronů a vodíku je kyslík v oxidované anorganické sloučenině - anaerobní respirace (sírany, nitráty, CO2, …) 5 Zdroje minerálních látek • Kyslík a vodík – významně ovlivňují celkový metabolizmus buňky. Některé organizmy vyžadují molekulový kyslík a některé mohou využívat molekulový vodík. • Podle vztahu ke kyslíku se organizmy dělí na striktní (obligatorní) aeroby – aerobní respiratorní metabolizmus striktní (obligatorní) anaeroby – rostou jen v anaerobních podmínkách (i malý parciální tlak O2 je pro ně toxický) fakultativní anaeroby – mají metabolické dráhy jak pro respiratorní, tak i fermentatorní metabolizmus aerotolerantní organizmy – mají fermentatorní metabolizmus, rostou v přítomnosti O2, ale nevyužívají jej Zdroje minerálních látek • Síra – sírany, thiosírany, sirovodík, S0 – při oxidoredukčních pochodech • Fosfor – soli kyseliny fosforečné – součást NK, koenzymů, fosfolipidů, makroergické vazby, … • Draslík – v různých reakcích, při syntéze bílkovin • Sodík – regulace osmotického tlaku, transportní systém, ovlivňuje aktivitu některých enzymů • Hořčík – syntéza bílkovin, syntéza nebo hydrolýza ATP, součást chlorofylu • Železo – reaktivní místo v proteinech obsahujících hem (v cytochromech, kataláze) a dalších proteinech • Kobalt – složka vitaminu B12 • Vápník – význam při sporulaci • Zn, Cu, Mo, Ni, Se atd. součástí metaloenzymů 6 Růstové faktory • Růstový faktor – molekula (komponenta buňky), kterou buňka nedovede syntetizovat ze živin • Podle vztahu k růstovým faktorům jsou buňky ■ prototrofní – všechny potřebné složky syntetizují ze živin ■ auxotrofní – některé molekuly nedokáží syntetizovat a získávají je z prostředí. Auxotrofie je přirozená (organizmus nemá odpovídající genetickou výbavu) nebo vzniká z prototrofního organizmu ztrátovou mutací • Vyžadovány jsou především vitamíny, aminokyseliny a baze Transport a transportní systémy prokaryot 7 Transport látek do buňky • Protože buňka je systém otevřený, musí existovat řízený, selektivní a obousměrný transport mezi základní cytoplazmou a vnějším prostředím – bariérou je semipermeabilní cytoplazmatická membrána Typy transportu  pasivní transport (bez dodání energie)  aktivní transport (nutné dodání energie) Pasivní transport • Volná (prostá) difuze přes membránu • Usnadněná difuze pomocí specifických přenašečů • Transport makromolekul mechanizmem exoa endocytózy (ne u bakterií!) 8 1. Nespecifická prostá difuze • Nespecifická difuze se týká jen malého počtu molekul a iontů (voda, molekuly rozpustné v tucích,Cl-,HCO3 -,NO3 -, ..) • Rychlost je přímo úměrná koncentračnímu (nebo elektrochemickému) gradientu dané látky a teplotě 2. Usnadněná difuze • přenos specifickou bílkovinou po koncentračním gradientu (bez dodání energie) Usnadněná difuze • Transport je uskutečňován specifickou bílkovinou, ale po koncentračním spádu dané látky • Rychlost je závislá na koncentračním gradientu, počtu transportních bílkovin a teplotě. Jedna molekula transportní bílkoviny může přenášet až 60 000 molekul substrátu za sekundu • Transport funguje obousměrně (do buňky i z buňky) 9 Aktivní transport • Primární aktivní transport Aktivní transport prostřednictvím vazebného proteinu Přenos anorganických iontů a malých molekul organických látek proti koncentračnímu gradientu (energii dodává ATP) • Sekundární aktivní transport Aktivní transport využívající rozdíl elektrochemických potenciálů protonů v průběhu katabolizmu (protonový gradient) • Skupinová translokace je uskutečňována transportní bílkovinou a přenos je spojen s modifikací přenášené látky Energii dodává např. fosfoenolpyruvát (fosforylací) Aktivní transport prostřednictvím vazebného proteinu - primární aktivní transport • V periplazmatickém prostoru se na velmi afinní vazební bílkovinu naváže přenášená látka a předá ji na integrální membránový protein, který ji přenese na vnitřní stranu membrány • Předáním energie (z ATP) na transportní protein se rozpadne komplex substrát- bílkovina a substrát se uvolní do základní cytoplazmy Transportní protein 10 Aktivní transport prostřednictvím vazebného proteinu - sekundární aktivní transport • Zdrojem energie pro transport je protonový gradient (rozdíl elektrochemických potenciálů) • Transport je uskutečňován jediným membránovým proteinem • Transport iontů jde po koncentračním gradientu, transport živin i proti koncentračnímu gradientu • Symport – oba ligandy jsou transportovány jedním směrem • Antiport – ligandy jsou transportovány opačným směrem • Uniport – přenášejí se jen ionty • Je velice častý u bakterií (u E.coli se takto dostává do buňky až 40 % substrátů) 11 Aktivní transport prostřednictvím vazebného proteinu – skupinová translokace • Specifické pro každý přenášený cukr jsou enzymy Enz I a EnzII vázané na cytoplazmatickou membránu • Fosfotransferázový systém plní také regulační funkci (např. transport glukózy inhibuje transport laktózy sekundárním transportem – glukózový efekt; nebo inhibuje adenylátcyklázu, která je nutná pro přepis laktózového operonu, …. • Při skupinové translokaci nemůže dojít k vytvoření rovnováhy přenášeného substrátu na membráně, protože je chemicky modifikován • Většina substrátů je přenášena více než jedním mechanizmem (galaktóza celkem 5) 12 Transport a transportní proteiny Export proteinů – Translokázy: odpovědné za export proteinů skrz membránu a vkládání proteinů do prokaryotických membrán • „Sec translocase system“: exportuje proteiny a vkládá integrální membránové proteiny do membrány • „Type III secretion system“: běžný u patogenních bakterií; sekretovaný protein je translokován přímo do hostitelské buňky Využití transportních systémů u G- bakterií 13 Exkrece látek z buňky • Exkrece metabolitů Malé molekuly prostou difuzí Některé metabolity v buňce zůstávají ve formě zásobních látek Makromolekuly u kvasinek a mikromycet – exkrece pomocí sekrečních váčků (např. Golgiho aparátu) • Bílkoviny – specifické transportní systémy, např. ABC (ATP binding casette), Sec systém apod.