+ H

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<<b
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