METABOLISMUS • Tok hmoty, energie a informace živým “otevřeným” systémem • Spřažení katabolismu a anabolismu: |-ΔG2| > |ΔG1| • Univerzální přenašeč energie: ATP NH2
ATP
O
O HO
ŽIVINY SVĚTLO KATABOLISMUS
TEPLO PRÁCE
P OH
O
P OH
AMP
P
O
CH2
O
N
N
N
OH
OH
adenosine
OH
RŮST MNOŽENÍ
BUŇKA
ŽIVINY
O
O
ribulose
-ΔG2
ANABOLISMUS
adenine N
ADP
ΔG1 BUŇKA
1
SPŘAŽENÍ KATABOLISMU A ANABOLISMU • H+ gradient na membráně (NC1978 P.D. Mitchell "for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory")
• Přenos H+ pomocí NAD(P)+
H
O
H
H
H+ OXIDACE
MEMBRÁNA
NH2 O HO
H+gradient
TRANSPORT POHYB O TEPLO HO P SVĚTLO O
Á O V CE R N LA M B RY M E SFO FO
B HETERO AH2
H+
O
SY
É NT
X+Y
H
NAD+
O
N
O CH2
HO
O
H NH2
H
N
H
NADH+H+
NH2
OH OH
OH
N
N
N
NADP+
OH P
O
OH
ZA
Z
N+
O
ADP
2hν ATP C CH2 FOTO
P
H CH2
H
2
ZDROJ UHLÍKU A ENERGIE ZDROJ UHLÍKU ENERGIE
AUTO
HETERO
(CO2)
(org.l.)
FOTO
FOTOAUTO
FOTOHETERO
(světlo)
TROFNÍ
TROFNÍ
CHEMO
CHEMOAUTO CHEMOHETERO
(anorg./org.l.) TROFNÍ (CHEMOLITOTROFOVÉ)
TROFNÍ (CHEMOORGANOTROFOVÉ)
3
FOTOTROFNÍ • FOTOAUTOTROFOVÉ: – SINICE (Cyanobacterium) • fotoredukce CO2 vodíkem z H2O
– ZELENÉ SIRNÉ BAKTERIE (z třídy Anoxyphotobacteria): • obligatorní fotoredukce CO2 pomocí H2S, S, H2. • obligatorní autotrofie, možný doplňující zdroj uhlíku (acetát, rod Chlorobium) = mixotrofie •
FOTOHETEROTROFOVÉ: – PURPUROVÉ SIRNÉ (rod Chromatium z třídy Anoxyphotobacteria): • možná tvorba ATP cyklickou fosforylací,org.l. zdroj C, ale možná mixotrofie (i asimilace CO2)
– PURPUROVÉ BEZSIRNÉ (rod Rhodospirillum z třídy Anoxyphotobacteria): • fotoredukce CO2 pomocí H2 (v přítomnosti kyslíku a ve tmě chemoheterotrofie)
4
CHEMOTROFNÍ • CHEMOAUTOTROFOVÉ: chemolitotrofové (1890 Vinogradsky), autotrofie bez fotosyntézy, zdroj C je CO2 fixovaný Calvinovým cyklem. Zdroj E:
– NITRIFIKAČNÍ: NH4+ Ö NO2- Ö NO3- (Nitrosomonas, Nitrobacter) – SIRNÉ: H2S, S Ö SO42- (Thiobacillus, Sulfolobus) – ŽELEZITÉ: Fe2+ Ö Fe3+ (Gallionella, Thiobacillus ferrooxidans) – VODÍK ZPRACOVÁVAJÍCÍ: H2 Ö H2O (Alcaligenes, Pseudomonas) – METHANOGENNÍ: CO2 + H2Ö CH4 (Methanobacterium) – KARBOXYDOBAKTERIE: CO Ö CO2 (Rhodospirillum, Azotobacter)
• CHEMOHETEROTROFOVÉ: chemoorganotrofové zdroj C a E je org. látka – ZBYTEK
5
AKCEPTORY ELEKTRONU (CHEMOORGANOTROFOVÉ) • • •
•
AKCEPTOR VZNIKÁ KATABOLISMEM DONORU – FERMENTACE (KVAŠENÍ) KYSLÍK (NEJKLADNĚJŠÍ ELEKTRODOVÝ POTENCIÁL): – AEROBNÍ RESPIRACE: O2 Ö2H2O (Escherichia, Streptomyces) JINÁ LÁTKA NEŽ KYSLÍK: – ANAEROBNÍ RESPIRACE • DENITRIFIKACE: NO3- ÖNO2- ÖN2 (Enterobakterie, Staphylococcus, Mycobacterium…) • SULFÁTOVÁ RESPIRACE: SO42- ÖH2S (Desulfovibrio) • METANOGENNÍ BAKTERIE: CO2+H2Ömethan (Methanococcus) • FUMARÁT Ö SUKCINÁT (Escherichia, Shigella, Proteus…) VZTAH MIKROORGANISMŮ KE KYSLÍKU: – STRIKTNĚ AEROBNÍ – STRIKTNĚ ANAEROBNÍ – FAKULTATIVNĚ (příležitostně) ANAEROBNÍ X AEROBNÍ
6
Příklady CHEMOORGANOTROFŮ BAKTERIE
FERMENTACE
ANAEROBNÍ RESPIRACE
AEROBNÍ RESPIRACE
Pseudomonas
Methanobacterium
+ -
+
+ -
Paracoccus denitrificans
-
+
+
Enterobacteriae
+ + +
+ +
+ +
Clostridium
Desulfovibrio Escherichia coli
7
ZDROJ DUSÍKU • • • •
AMONIAK NITRIT (REDUKCE NA AMONIAK) AMINOKYSELINY (BÍLKOVINY) FIXACE PLYNNÉHO DUSÍKU: – NITROGENASA: • FERREDOXINY (4Fe4S), FeMoprotein
– PŘEMĚNA PLYNNÉHO DUSÍKU ZA SPOTŘEBY 12 ATP NA AMONIAK – STRIKTNĚ ANAEROBNÍ PROCES • Clostridium pasteuriaum: anaerobní půdy (1895 Vinogradsky) • Azobacter vinelandií: aerobní půdy – odčerpání kyslíku AEROBNÍ RESPIRACÍ • Rhizobium japonicum: intracelulární symbiot motýlokvětých rostlin
8
FERMENTACE (EMBDEN- MEYERHOF) •
• •
Glc + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ Ö2Pyr + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
HOMOLYTICKÉ ŠTĚPENÍ GLUKÓZY Enzym ΔG°'(kJ/mol)/ΔG(kJ/mol) – 1 Hexokinase -16.7 / -33.5 – 2 Phosphoglucoisomerase +1.7 / -2.5 – 3 Phosphofructokinase -14.2 / -22.2 – 4 Aldolase +23.9 / -1.3 – 5 Triose phosphate isomerase +7.6 / +2.5 – 6 Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase +12.6 / -3.4 – 7 Phosphoglycerate kinase -37.6 / +2.6 – 8 Phosphoglycerate mutase +8.8 / +1.6 – 9 Enolase +3.4 / -6.6 – 10 Pyruvate kinase -62.8 / -33.4
• • •
ORG. INTERMEDIÁT JE DONOREM I AKCEPTOREM ELEKTRONU (oxidace NADH) SUBSTRÁTOVÁ TVORBA ATP: 2mol ATP/mol Glc KYS. MLÉKO, SMETANA, JOGURT, SÝR
9
FERMENTACE (E-M) schéma Aldolase
ATP ADP
Hexokinase Mg2+
Triose phosphate isomerase
Phosphoglucoisomerase
NAD++Pi NADH
ATP ADP
Phosphoenolate mutase
Phosphofructokinase Mg2+
ADP ATP
Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase
substrate level phosphorylation
H2O
ADP ATP
Enolase Mg2+
Pyruvatekinase Mg2+
Phosphoglycerate kinase Mg2+
10
Příklady E-M fermentace • • •
etanol
Etanol+CO2: Sacharomyces Kyselina máselná: Clostridium Buthanol, aceton: Clostridium acetobutylicum
•
Směs laktát, acetát, formiát (CO2, H2), sukcinát, ethanol: Enterobacteriae – E.coli, Salmonella, Shigella
•
Klebsiella, Bacillus +pyr acetolaktát pyruvát
Sacharomyces
2,3-butandiol: Enterobacteriae
+2H
-CO2
-CO2
+HSCoA
Shigella
acetoin
CO2 +2H acetylSCoA 2,3-butandiol
formiát Escherichia CO2 H2
H2
-CO2
-HSCoA
acetát
– Enterobacter, Klebsiella
+4H etanol -HSCoA +acetylSCoA -HSCoA
acetoacetylSCoA •
Laktát: Lactobacillus, Streptococcus
•
Kyselina propionová: Corynebacteriae, Propionibacterium, Bifidobacterium
aceton
-CO2 +4H
butyrylSCoA +4H
-HSCoA -HSCoA +2H
butanol isopropanol butyrát Clostridium
11
Příklad E-M fermentace •
METABOLICKÉ ROZLIŠENÍ ENTEROBAKTERIÍ
Klebsiella, Bacillus, Serratia
pyruvát chemická +O2 -CO2 oxidace diacetyl
+pyr
acetolaktát
-CO2
-CO2
+2H
acetoin
+NADH+H+
2,3-butandiol
TPP Thiamin diphosphate
+KOH růžové zabarvení
+
12
Příklady E-M fermentace
2ADP 2ATP
Glukosa
NADH2 NAD+
CO2
acetyl-P
+2H
laktát
+ NADH2 NAD
2NAD+ 2NADH2
• MLÉKÁRENSTVÍ acetyl-CoA
2pyruvát
Lactobacillus Streptococcus
acetát+ATP
2pyruvát 2ATP 2ADP
oxalacetát 2PEP
+CO2
ATP
NADH2
ADP
NAD+
Glukosa Corynebacterium Propionibacter Bifidobacterium
+2H
Me-malonyl-CoA
malát
propionylSCoA
-H2O
fumarát -ATP
+2H
sukcinát
sukcinyl-CoA OBRÁCENÝ KREBSŮV CYKLUS
HSCoA
propionát
13
FOSFOKETOLÁSOVÁ FERMENTACE
Glucose ATP ADP
• HETEROLYTICKÉ ŠTĚPENÍ Glc • OXIDAČNÍ DEKARBOXYLACE:
Glucose-6P NAD+ NADH2 6-phosphogluconic acid NAD+
GlcP Ö6Pglukonát ÖCO2 + pentosaP CONADH + Pentosa phosphate +Pi • FOSFOKETOLASA: Acetyl phosphate Glyceraldehyde-3-phosphate 2
2
NAD pentosaP Ö AcP + GAD-3P NADH 1,3-diphosphoglyceric acid • 1mol ATP/ mol Glc ADP +
2
•
Lactobacillus, Leuconostoc – (Acetobacter aceti-O2)
• KEFÍR
ATP 3-phosphoglyceric acid
2-phosphoglyceric acid
NADH2
NAD++Pi Acetaldehyde NADH2 NAD+ Ethanol
substrate level phosphorylation
H2O Phosphoenol pyruvic acid Lactic acid ADP ATP NAD+ Pyruvic acid NADH2
14
FERMENTACE (ENTER- DOUDOROFF) Glucose ATP ADP Glucose-6P NAD+ NADH2 6-phosphogluconic acid NAD+
Embden-Meyerhof pathway
NADH2 2-keto-3-deoxy-6-phosphogluconic acid +Pi Glyceraldehyde-3-phosphate Pyruvic acid NADH 2ADP 2 2ATP NAD+ NADH2 Pyruvic acid
NAD+ CO2 + acetaldehyd NADH2 NAD+ Ethanol
• OXIDACE: GlcP Ö2-keto-3-deoxy-6-Pglukonát
• KDPG ALDOLASA: KDPG ÖPyr + GAD- 3P
• 1mol ATP/mol Glc • Zymomonas – povrch kaktusů, Mexiko
• KAKTUSOVÉ PIVO (pulque) • TEQUILA, MESCAL (destilace)
CO2 + acetaldehyd NADH2 NAD+ Ethanol
15
Příklady fermentací Embden Meyerhof
Fosfo ketolasa
Entner Doudoroff
Acetobacter aceti
-
+
-
Agrobacterium tumefaciens
-
-
+
Azotobacter vinelandii
-
-
+
Bacillus subtilis
Majoritně
Minoritně
-
Escherichia coli
+
-
-
Lactobacillus acidophilus
+
-
-
Leuconostoc mesenteroides
-
+
-
Pseudomonas aeruginosa
-
-
+
Minoritně
-
Majoritně
-
-
+
Bakterie
Vibrio cholerae Zymomonas mobilis
16
TVORBA ATP
AEROBNÍ RESPIRACE GTP
• SUBSTRÁTOVÁ
GLYKOLÝZA – FERMENTACE (2mol ATP/mol Glc) GLUKOSA KREBS – KREBS (2mol GTP/mol Glc) ADP+Pi ATP+H2O
• RESPIRACE
NAD+
– KOMPLETNÍ OXIDACE SUBSTRÁTU
H+
e-
NADH+H+ 1/2O2
cytosol
ELEKTRON TRANSPORTNÍ SYSTÉM
H+gradient
MEMBRÁNA
– AKCEPTOR ELEKTRONU • AEROBNÍ (KYSLÍK) • ANAEROBNÍ – EL.TRANS.SYSTÉM (ATPáza)
ATPáza
E.coli: 26mol ATP/mol Glc Pseudomonas/mitochondrie: 38mol ATP/mol Glc
H2O
6CO2
periplasma
H+
• NC1997,Paul D. Boyer + John E. Walker "for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"
17
KREBSŮV CYKLUS •
Pyr + CoA-SH + 4 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O Ö 4 NADH + FADH2 + GTP + CoA-SH + 3 CO2
•
Glucose Ö6 CO2 + 10 NADH2 + 2 FADH2 + 4 ATP
• Glucose + 6 O2 Ö 6 CO2 + 6 H20 + 688 kcal (total) • Enzyme ΔG°(kJ/mol) 1 citrate synthase -32.2 2 aconitase +6.3 3 isocitrate dehydrogenase -20.9 4 α-ketoglutarate dehydrogenase complex -33.5 5 succinyl-CoA synthetase -2.9 6 succinate dehydrogenase 0.0 7 fumerase -3.8 8 malate dehydrogenase +29.7
18
NADH
acetyl-CoA
CO2
NAD+ Pyr-dhd
oxalacetate
pyruvate
citrate
malate
KREBSŮV isocitrate CYKLUS schéma substrate level phosphorylation
fumarate
succinate
succinyl-CoA α-keto glutarate
19
14
11
13
12
Saccharomyces cerevisiae
Methanococcus jannaschii
1 2
10
Mycobacterium tuberculosis Synechocystia ? Aquitex aeolicus
8
7
4
6
?
3
9
5
Chlamydia trachomatis Helicobacter pylori
Methanobacterium thermoautotrophicum
KREBSŮV/GLYOXALÁTOVÝ CYKLUS (FYLOGENESE)
Rickettsia prowazekii
Haemophilus influenzae
Archaeoglobus tutgidus
Pyrococcus horikoshii
Escherichia Mycoplasma coli Borrelia genitalium burgdorferi Bacillus Treponema subtilis pallidum
• • •
ARCHAE BACTERIA EUKARYOTA
20
ELEKTRON TRANSPORTNÍ ŘETĚZEC • E. coli: GPdh
Ö NitrRed Ö NO3 NADHdh Ö Q Ö cytb556 Ö cyto Ö O2 Suc/Lacdh Ö cytb558 Ö cytd Ö O2
• Mitochondrie: GPdh
cytb NADHdh ÖQ Ö FeS Ö cytc Öcytaa3 ÖO2 Sucdh cytc1
CoQ
komplex I
komplex III
2H+
cyt c
3H+
periplasma mezim. prostor
komplex IV
komplex V
komplex II
NADH H+
sukcinát fumarát
2H+
cytosol
H2O
1/2O2
NAD+
vnitřní mitochondriální membrána matrix
mitochondrie
4H+
2H+
2H+ ADP+Pi 3H+
ATP+H2O
21
• • •
FOTOTROFNÍ METABOLISMUS
FOTOSYNTESA PRODUKUJÍCÍ O2: rostliny, řasy (Cyanobacteria) FOTOSYNTESA NEPRODUKUJÍCÍ O2: purpurové a zelené bakterie NEFOTOSYNTETICKÁ FOTOFOSFORYLACE: Halobacteria – (BAKTERIORHODOPSIN) (NC 1988, J. Deisenhofer+R. Huber+H. Michel "for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre")
•
FOTOSYNTESA:
ROSTLINNÁ
BAKTERIÁLNÍ
Typ chlorofylu
Chlorofyl a,(fykobilin) Bakteriochlorofyl 650-750nm, (550-650nm) 800-1000nm cykl.fosf. (fotosystém I) + + necykl.fosf.+red.ekv. (fotosystém I+II) + tvorba red.ekv. (reversní tok e ) + Produkce O2 + - (inhib.O2) Donor elektronu H2O H2S, jiné slouč.S, H2, org.látky
22
FOTOSYNTÉZA
•
SVĚTELNÉ FÁZE (cyklická fosforylace)Öprodukce ATP TEMNOSTNÍ FÁZE (reversní přenos red. ekvivalentů z externího donoru H2A)Ötvorba NADPH2 ATP a NADPH2 pro fixaci CO2Ötvorba org. látek (CH2O)n
fixace CO2
-0.7
ATP
-0.5
0.0 0.3 0.5
„P-870“ e ADP bph H+gradient
redox potential (V)
CO2
hν H+
P-870
(CH2O)n e NADPH 2
e-
NADP+
chinon
e-
FeRx
reversní e-
• •
cytochrom b50
cytochrom c30
e-
H+
Anoxyphotobacteria A
H2A H
+
Proteobacteria (purpurové, G-)
23
Střední potenciál (V)
FYLOGENEZE FOTOSYSTÉMU
-1.0 -0.5
Iron sulphur RC
Pheophytin Quinone RC
BChl2* BChl BPhe
Chl2* Phe
QA QB
0.0
Chl2*
Chl Q FX
BChl2* Chl Q FA/B NADP
QA QB
FX
FA/B NAD
BChl2 0.5 1.0
Chl2
BChl2
PURPUROVÉ A VLÁKNITÉ ZELENÉ BAKT.
Chl2
H2O YZ
SINICE ROSTLINNÝ PSII, PSI
ZELENÉ SIRNÉ BAKT. HELIOBAKT.
24
CALVINŮV CYKLUS (FIXACE CO2)
NC 1961 M Calvin for his research on the carbon dioxide assimilation in plants"
ANABOLISMUS: 6 CO2 Ö Glc (18ATP, 12NADPH) Cyanobacteria aminoacids CO purpurové bakt. 2 litoautotrofové Pyruvate Ribulosa bisP karboxylasa
ribulose bisP ATP
pentoseP nucleic acid DNA/RNA
(2) P-glycerate OBRÁCENÁ E-M DRÁHA
• • • •
proteins lipids membranes
2 ATP (2) NADPH2
(2) trioseP
hexoseP polysacharides
cell wall capsules
25
FIXACE CO2 METHANOGENNÍ BAKTERIE • 2CO2 + 8H + HSCoA Ö AcCoA + 2H2O • CO2(95%) AKCEPTOREM ELEKTRONŮ – zdroj energie – redukce CO2, produkce metanu – koenzym METANOPTERIN
• CO2(5%) ZDROJEM UHLÍKU – koenzym podobný vit.B12 – DEHYDROGENASA CO (codh)
NADH
CO2
Energie HCOOH 95%
NAD+ NADH NAD+ NADH NAD+
MP-CH3
MP
CH4
„vitB12“
MP
B12-CH3
„vitB12“
ATP ADP
NAD+ NADH
CO
CO codh 2
codh-CO-CH3 HSCoA
codh
acetyl-CoA
Uhlík 5% 26
FIXACE CO2 ZELENÝMI FOTOSYNT. BAKT.
• Chlorobium acetate
citrate cis-aconitate isocitrate
ATP+CoA ADP+Pi
CO2
NADP+
acetyl-CoA
NADPH2
OBRÁCENÝ α-ketoglutarate FD KREBSŮV FEREDOXIN CO2 FDH2 CYKLUS
FDH2
FEREDOXIN FD
pyruvate
succinyl-CoA
ATP
ATP+CoA ADP+Pi
phosphoenolpyruvate Pi
CO2
CO2
ADP+Pi
succinate NADH2 flavin+H2 flavin + NAD fumarate
oxalacetate
malate
27
• • • • •
HIS (5C) TRP (2C)
nucleic acid
benzene ring
NUCLEOTIDES
glucose-6-P
ribulose-P tetrose-P TYR PHE Shikimate triose-P glyceral-P TRP ATP TETRA SER GLY P-glycerate lipids PYROLES E-M DRÁHA TRP CYS HIS (N-C) P-enolpyruvate PURINES PHE membrane ATP ALA TYR pyruvate LYS side -CO2 ILE chains nucleic acid VAL acetylSCoA LEU lipids +CO2 ASN membrane nucleic acid
•
POLYSACHARIDOVÁ KAPSULE, INKLUZE (Glc) B.STĚNAPEPTIDOGLYKAN (GlcP, AMK) NUKLEOTIDY (RibP, AMK) MEMBRÁNA-LIPIDY (GOH, AcSCoA) AMINOKYSELINY (Pyr, 2-KG, Oxa) KOENZYMY: ATP, NAD (Pur, Pyr) HEM (Suc, Gly)
other sugars
glucose
ASP THR, ILE MET, LYS
oxalacetate
citrate
KREBS
succinate isocitrate GTP -CO2 -CO2 TETRAPYROLES ketoglutarate +NH3 GLU +NH GLN hem, chlorophyl 3 PRO, ARG
aminogroups ring nitrogens
•
polysacharides
PYRIMIDINES
HLAVNÍ DRÁHY BIOSYNTÉZY
cell wall
28
Příklad biosyntesy peptidoglykanu • STRUKTURA – NAG (N-Ac-Glcamin) – NAM (N-Ac-muramová kys.) – PENTAPEPTID
•
BIOSYNTÉZA NA MEMBRÁNĚ (Staphylococcus aureus) – BAKTOPRENOLFOSFÁT – ANTIBIOTIKA BLOKUJÍCÍ SYNTÉZU • • • •
CYCLOSERIN (Ala synt.) VANCOMYCIN (růst PG) BACITRACIN (defosforylace baktoprenolpyrofosfátu) PENICILIN (transpeptidace) O O
9
P O-
O O
P
O
NAM
O-
29
Příklad biosyntesy peptidoglykanu CYCLOSERINE D-Ala- D-Ala
L-Lys (DAP)
L-Ala
D-Glu
D-Ala
UDP-NAM
L-Ala UDP-NAM-pentapeptide Pi CYTOPLASM
UMP
P Bactoprenol
Bactoprenol
pentapeptide PP-NAM-NAG
Bactoprenol
MEMBRANE
BACITRACIN Bactoprenol EXTERIOR
UDP-NAG pentapeptide UDP PP-NAM
Bactoprenol PP-NAM-NAG
PP Peptidoglycan-NAM-NAG Peptidoglycan pentapeptide VANCOMYCIN
pentapeptide
30
Biochemické určování bakterií • •
GRAM+/-, TVAR, POHYBLIVOST, ENDOSPORY DOPLNĚNÍ MIKROBIOL. POZOROVÁNÍ: TOLERANCE KYSLÍKU, FERMENTACE Glc, HEMOLYSA, KATALASA, OXIDASA, ATB RESISTENCE, TOLERANCE SOLÍ, RŮST NA MEDIÍCH
+
Gram negativní bakterie kok
růst na vzduchu
tyčka
tvar
+
Veillonella
Neisseria
Thayer-Martin medium +
-
+
-
fermentace Enterobacteriaceae
N. gonorhoae
+
oxidace
-
+
fermentace
Glc oxidace
kanamycin 1000ug
R
S
Bacteroides
A. calcoaceticus subsp.anitratus
Fusobacterium
inaktivní A. calcoaceticus subsp. lwoffi
Glc, Malt (kyselina)
+,-
-
Glc
ONPG
Neisseria spp.
N. lactamica
oxidáza
růst na vzduchu
+,+ N. meningitidis
penicilin, 2U
Pseudomonas Achromobacter
Aeromonas Vibrio Cardiobacterium inaktivní Flavobacterium Alcaligenes Pasteurella Eikenella
S R
Bacteroides spp.
B. fragilis
Moraxella Brucella Haemophilus Campylobacter
31
PŘÍKLADY Biochemické určování bakterií •
FERMENTACE
– PRODUKCE ACETOINU •
ZPRACOVÁNÍ CUKRŮ
– beta-GALAKTOSIDASA – ONP TEST (LAKTOSA) OH
OH OH
O
O
OH
beta - galaktosidasa
OH
O OH
+
NO2
OH OH
OH
HO NO2
– GLUKURONIDASA – Coli TEST HO
O O
O
OH
O
O
HO
O O
beta - glukuronidasa
OH
+
OH OH
OH
HO
OH
O
O
OH
•
METABOLISMUS AMINOKYSELIN
32
ŽIVOT BAKTERIE in vivo •
•
•
•
METAB. ZÁVISLOST NA HOSTITELI: – EXTRACELULÁRNÍ – OBLIGATORNĚ INTRACELULÁRNÍ – FAKULTATIVNĚ INTRACELULÁRNÍ VZTAH K O2: – AEROTOLERANTNÍ – FAKULTATIVNĚ ANAEROBNÍ SPECIFICKÉ METABOLITY (AUXOTROFIE) – Brucella abortus: erytritol (patogen placenty) – Proteus mirabilis: močovina (patogen močových cest) – Heliobacter pylori: rozklad močoviny ureasou v žaludku, neutralisace pH, žaludeční vředy (původce 80%) • NC2005, Barry J. Marshall + J. Robin Warren "for their discovery of the bacterium Helicobacter pylori and its role in gastritis and peptic ulcer disease" Fe (důležitý faktor virulence mnoha patogenů): – INTRACELULÁRNÍ (FERITIN): rozrušení b. a využití Fe – EXTRACELULÁRNÍ: PLASMA (TRANSFERIN), SLIZNICE (LAKTOFERIN), VOLNÉ (10-18M Fe3+, pH7,0) 33
TRANSPORT • NESPECIFICKÁ DIFUSE • SPECIFICKÝ PŘENOS – USNADNĚNÁ DIFUSE (E.coli, glycerol) – AKTIVNÍ TRANSPORT • CHEMIOSMOTICKÝ GRADIENT (40% u E.coli, Lak, Pro) • VAZEBNÝ PROTEIN V PERIPLASMĚ + MEMBR.PŘENAŠEČATPdep (40% u E.coli, His, Arab, Gal)
• SKUPINOVÁ TRANSLOKACE – PŘENOS A MODIFIKACE SUBSTRÁTU (fosfotransferásový systém přenášející cukry-Glc, Fru)
34
Aktivní transport • Primární ABC (ATP bindig cassette) transport (SBPdep, ATPdep) • Sekundární H+/Na+ symport, antiport • Sekundární SBPdep – (Rhodobacter sphaeroides, Glu transport)
• Membránový potenciál E.coli : a=b S H.influenze: a>>b S.cerevisiae: a<
S S
H+(Na+)
S a
PERIPLASMA H+(Na+) +++
S b
ATP ATP ADP ADP
c
CYTOSOL
ΔΨ ----
d
S
35
Příklady TRANSPORTU Fe
O NH
– ROZPUSTNOST Fe3+ 10-18M, pH7,0
• (1) TOLERANCE KYSELÉHO PROSTŘEDÍ – rozpustnost Fe3+ 10-8M, pH3,0
N
• (2) ANAEROBNÍ PODMÍNKY Fe2+ – dostatečná rozpustnost – ATPdep transportní membr. protein (84kDa)
• (3) SIDEROFORY
-O O
HN
O Fe O-
O-
N
O
N
NH2
O
– chelatační hydroxymáty, katecholáty a hydroxykarboxyláty (Kd=10-24M) – receptor FhuA, přenos chelátů Fe, H+gradient
PERIPLASMA
Fe3+
Fe3+ H+(Na+)
H+(Na+)
Fe2+ (1)
(2)
ADP
ATP ATP ADP
Fe3+
(3)
CYTOSOL
36
Příklady TRANSPORTU Fe • (4) SPECIF. RECEPTOR PRO HOSTITELSKÝ PŘENAŠEČ – HasR, přenos hemu, H+gradient • Hemopexin: H.influenzae • Hemoglobin: H.influenzae, Neisseria • Hem: Vibrio, Shigella, Yersinia, Serratia – TbpA-TbpB, přenos Fe3+, H+gradient (do periplasmy) FbpA+PO43- (v periplasmě), FbpB+FbpC ATPdep (do cytosolu) • Transferin, laktoferin: H.influenzae, Neisseria
37
BAKTERIE A KOLOBĚH PRVKŮ (O, C)
ANAEROBNÍ
AEROBNÍ
FIXACE UHLÍKU
CO2
FIXACE UHLÍKU
FERMENTACE
RESPIRACE
METANOGENEZE
ZE
METAN
CO
H2
CO2 E OXIDAC
E GEN ANO MET
ORGANICKÁ HMOTA
OXIDACE METANU
CO
38
•
APLIKOVANÁ A POTRAVINÁŘSKÁ MIKROBIOLOGIE
Aplikace biochemických procesů vázaných na celé organismy nebo jejich enzymové systémy s cílem připravit (popř. odstranit) produkty významné pro lidskou populaci
• Mléčné výrobky (mléko, smetana, máslo, jogurt, acidofilní mléko, kefír, sýry) • Alkoholické nápoje (pivo, víno, destiláty) • Výroba nízkomolekulárních organických látek a proteinů • Ostatní technologie (bioremediace, čističky, speciální) • Geneticky modifikované organismy • Produkty rostlinné původu (čaj, káva, kakao, bylinky a koření, cukr a cukrovinky) • Konzervárenství
39
