MIKROBIOLOGIA

WYKŁAD I

mikros - mały

bios - życie

logos - słowa

• nauka zajmująca się morfologią, fizjologią

• rolą w środowisku naturalnym

• właściwościami chorobotwórczymi

• zastosowaniem drobnoustrojów w przyrodzie

Nazwą drobnoustroje obejmuję się odmienne pod względem systematycznym grupy organizmów:

• wirusy (virales) niepełne organizmy (nie mające budowy komórkowej)

• bakterie i bakteriopodobne (procaryota)

Eucaryota:

• grzyby (micromyces)

• glony (algae) - jednokomórkowe i kolonijne

• pierwotniaki (protozoa)

DOMENY

(jednostki nadkrólestwa, „nadjednostki”, wszystkie organizmy żywe są zakwalifikowane w tych 3 domenach)

• bacterie

• archea

• eucarya

Współczesna systematyka świata drobnoustrojów opiera się na kryteriach molekularnych:

16S rRNA - dla organizmów bezjądrowych (prokariotycznych)

18S rRNA - dla organizmów jądrowych (eukariotycznych)

16/18S - stała Sredberga

WIRUSY

• niepełne organizmy

• bezwzględne wewnatrzkomórkowe pasożyty

• widoczne tylko w mikroskopie elektronowym

• zawierające tylko DNA lub RNA

Nie mogą same syntetyzować białek. Często dzieli się je na wirusy roślinne, bakteryjne lub zwierzęce.

Wyróżniamy 2 formy występowania wirusów:

1) Forma spoczynkowa wirusa - wirion, składa się z :

• kapsydu (otoczka białkowa) złożonej z jednostek zwanych kapsomerami,

• kw.nukleinowego: dwuniciowy DNA, jednoniciowy DNA, dwuniciowy RNA, jednoniciowy RNA,

• osłonki glikoproteinowolipidowej (może być nieobecna)

Cykl replikacyjny wirusa (cykl wzrostu):

• adsorpcja,

• przenikanie (wiropeksje - wirusy zwierzęce),

• synteza kw.nukleinowego,

• synteza białek,

• dojrzewanie (składanie wirionów),

• uwolnienie:liza lub wypączkowanie,

2) Faza życia utajnionego - eklipsy

• zachowanie procesów życiowych pod wpływem enzymów w komórce gospodarza,

• replikacja,

• synteza na matrycy,

Rozprzestrzenianie wirusów (drogi zakażenia):

• układ oddechowy (wirus grypy),

• układ pokarmowy (wirus polio, enterowirusy),

• poprzez uszkodzoną skórę (wirus wścieklizny),

• drogą płciową (wirus HIV, wirus brodawczaków),

Zakażenie wirusami roślinnymi:

• poprzez zranienia - wywołane przez przenosiciela,

• mechaniczne - uszkodzenia narzędziami,

Przenoszenie wirusów roślinnych:

• bezpośrednio (np.zakażone ziarnko, pyłek kłącza),

• poprzez kontakt sąsiadujących roślin,

• wektory biologiczne:zwierzęta bezkręgowe (mszyce, roztocza, białe muszki, glebowe nicienie),

• przez narzędzia rolnicze,

Rodzaje zakażeń wirusowych:

• objawowe: choroba, wyzdrowienie,

• bezobjawowe: gospodarz odporny,

• utajone (latentne): zakażenie przewlekłe (po wyzdrowieniu wirus pozostaje),

• nosicielstwo: stan trwałego zakażenia (np.wirusem zapalenia wątroby),

• stan nowotworowy - wirusy onkogenne (np.białaczki kociej),

• wirusy powodujące śmierć (zawsze) - wirus wścieklizny,

BAKTERIE

Bakterie mają budowę komórkową (najprostsze prokariotyczne organizmy komórkowe). Nie posiadają jądra komórkowego tylko tzw.nukleoid (odpowiednik chromosomu jednak uproszczony). U organizmów prokariotycznych zupełnie inaczej odbywa się transfer informacji genetycznej (DNA zawarty w nukleoidzie nie jest oddzielony od reszty cytoplazmy z rybosomami, dzięki czemu wykorzystanie informacji zawartej w tym materiale może być bardzo szybkie). Nie mają mitochondriów tylko mezosomy, a zamiast rozmnażanie płciowego występuja procesy paraseksualne.

Bakterie mają inną budowę ścian komórkowych niż archeony (które charakteryzują się cechami pośrednimi między prokariotem a eukariotem). Archeony mają zupełnie inne wiązania w lipidach (eterowe, a bakterie estrowe). Archeony to bakterie skrajnych, ekstremalnych siedlisk (mogą występować w bardzo wysokiej temperaturze - bakterie hipertermofilne, lub przy bardzo dużym stopniu zasolenia). U archeonów nie ma patogenów, nie prowadzą też fotosyntezy.

Bakterie to mikroorganizmy, które pod względem kształtu są bardzo skromne, ale pod względem metabolicznym bardzo urozmaicone. Podział pod względem kształtu:

• postać kulista - zwana ziarniakiem (coctus), forma pojedyncza - monococtus, forma podwójna - diplococtus (dwoinka);

ziarniaki o pojedynczej płaszczyźnie podziału - streptococtus, o podwójnej płaszczyźnie podziału - tetracoctus, o potrójnej płaszczyźnie podziału - staphylococtus (gronkoweic);

przykłady bakterii występujących w postaci kulistej: dwoinka zapalenia płuc, gronkoweic złocisty,

• postać cylindryczna - wydłużone bakterie:

• cylindryczna prosta: pałeczka (bacterium) np.pałeczka Salmonella, laseczka (bacillus) np.laseczka Clostridum

• cylindyczna skręcona: przecinkowiec (viloriol) np. przecinkowiec choplery, śrubowiec (spirillum)

• postać nitkowana - z tendencją do rozgałęziania się lub nie; forma rozgałęziona (pseudogrzybnia): promieniowce - streptomyces (mają zdolność do tworzenia antybiotyków),

Każda komórka bakteryjna jest otoczona ścianą komórkową. Na zewnątrz ściany komórkowej znajdują się struktury: otoczka, fimbrie i rzęski. Wewnątrz jest błona cytoplazmatyczna. W cytozolu występują: mezosomy, nukleoid, rybosomy oraz liczne enzymy.

Otoczka - warstwa różnej grubości osłaniająca komórkę od zewnątrz. Pod względem chemicznym wyróżniamy otoczki:

• wielocukrowe (w tym aminocukrowe), występujące u bakterii gram+ i gram-,

• polipeptydowe (głównie gram+),

• glikopeptydowe (często gram-),

Funkcje otoczki i śluzu powierzchniowego:

• ochrona przed wysychaniem,

• pomost przy pobieraniu ważnych życiowo jonów,

• ułatwianie adhezji do powierzchni,

• ochrona przed fagocytozą,

• utrudnianie dostępu bakteriofagom,

• czynnik zjadliwości u bakterii patogennych,

fagocytoza - pochłanianie mikroorganizmów przez komórki

odpowiedzialne za reakcje odpornościowe

organizmy żywiciela,

Obecność otoczki wiążę się często z patogennością - zdolnością do wywoływania chorób.

Fimbrie - wyrostki cytoplazmatyczne

• wewnątrz drożne (głównie u bakterii gram+),

• odpowiedzialne za adhezję (reakcja typu klucz - zamek),

↓

biorą udział w przyczepianiu się komórek do różnych powierzchni

Pile - fimbrie płciowe, biorą udział w koniugacji

Rzęski (organelle ruchu) pełnią funkcje lokomotoryczną. Rzęski bakterii składają się z cząst.białka o nazwie flagelina, ułożonych w ten sposób że puste wnętrze rzęski tworzy kanał na całej długości.

Ściana komórkowa bakterii

• funkcja: ochrona komórki przed liazą osmatyczną

Budowa u bakterii gram+:

• grubość 15 - 50 nm,

• peptydoglikan (mureina, mukopeptyd) 30 - 70% suchej masy ściany,

• ściany tejchojowe,

• białkowe

peptydoglikan - połączenie wielocukru z krótkim peptydem, liniowe

polimery,

Budowa u bakterii gram-:

• maja 10 - 15% mukopeptydu,

• grubość 2 - 10 nm,

• peptydoglikan (najbardziej wewnętrzna warstwa)<10% suchej masy ściany,

• lipoproteina + lipopolisacharyd >80% suchej masy ściany

lipopolisacharyd - warunkuje właściwości chorobotwórcze

(endoksyna), wrażliwość na antybiotyki i

czynniki chemiczne

• składniki mineralne,

• ich ściana komórkowa zawiera dużo białka i tłuszczu,

• pokryta od wewnątrz błoną białkowo - cukrowo - lipidową podobną do błony cytoplazmatycznej,

Bakterie gram +(ziarniaki, laseczki) w metodzie Grama barwią się na fioletowo, natomiast bakterie gram- (pałeczka)barwią się na czerwono.

WYKŁAD II

Struktura osłon bakteryjnych

Gramdodatniej Gramujemnej

Peptydoglikan błona

zewnętrzna

przestrzeń

peryplazmatyczna

błona

cytoplazmatyczna

Błona zewnętrzna zbudowana jest z dwóch warstw:

• LPS - lipopolisacharyd (polimer zbudowany z hydrofilowej i hydrofobowej części, lipopolisacharyd leży na zewnątrz komórki).

• LP - lipoproteid (lipoproteina Brawna)

swoisty

łańcuch boczny białko

LPS

lipid A

peptydoglikan

STRUKTURA PEPTYDOGLIKAN

GlcNAc - N-acetyloglukozoamina

MurNAc - kwas N-acetylomuraminowy

D-Ala - D-alanina

DAP - kwas mezodiaminopimielinowy

D-Glu - kwas D-glutaminowy

Protoplasty - brak ściany komórkowej(Gram+) muramidaza (-lizozym

we łzach)

Sferoplasty - niepełna ściana komórkowa (Gram-) penicylina

z natury nie posiadają Formy (formy olbrzymie) bakterie

ściany kom. pleomorficzne

spontaniczne indukowane

(antybiotyki)

wielopostaciowe

(mogą występować pojedynczo

lub jako formy olbrzymie - po

połączeniu)

BŁONA CYTOPLAZMATYCZNA

MEZOSOMY (odpowiednik mezosomów - budowa tłuszczowo białkowa), funkcje:

• transporty elektronów

• synteza kwasów tłuszczowych

• tworzenie ściany poprzecznej

• udział w sporulacji (biorą udział w tworzeniu przetrwalników)

• miejsce zakotwiczenia nukleoidu

NUKLEOID - chromosom bakteryjny (genofor), kolista cząsteczka 2 - niciowego DNA o wielkości 100 - 200 nm zawierająca zespół genów ułożonych w zespoły (clusteres) pełniących rolę regulatorów determinujących określony szlak metaboliczny, właściwości organizmu lub proces komórkowy.

PLAZMIDY - (pozachromosomalne DNA) koliście zwinięte cząsteczki DNA samoregulujące i determinujące pewne cechy komórki m.in.odporność na antybiotyki (plazmidy R), odpowiedzialne są również za koniugację (plazmidy płuciowe F), wytwarzanie bakteriocyn (swoiste antybiotyki np. w naszym przewodzie pokarmowym wytwarzają substancję zabijające mikroflorę chorobotwórczą), różnych metabolitów i inne.

FORMY PRZETRWALNE BAKTERII

• endospory - najbardziej odporne: pow.100 C, całkowicie bez

wody, pokarmu, są abiotyczne, niewrażliwe na UV środki

dezynfekujące; tworzą je laseczki:

• Laseczki Tlenowe (Bacillus) - najczęściej endospora ma taką samą średnicę jak średnica komórki

• Laseczki Beztlenowe (Clostridium) - endospora jest większa

• konidia - formy przetrwalne i rozmnożeniowe promieniowców

• mikrospory - formy przetrwalne bakterii śluzowych, rozkładają

celulozę, tworzą ciała owocowe

• cysty - całe komórki

• akinety - całe komórki przetrwalne sinic (ejonobakterie)

Budowa przetrwalnika:

1)cytoplazma

2)błona cytoplazmatyczna

3)ściana komórkowa

4)korteks

5)wewnętrzny płaszcz spory

6)zewnętrzny płaszcz spory (osłony białkowe)

7)egzosporium DPA kwas dipikolinowy - składnik warstwy

kwas dipikolinowy DPA

Substancje zapasowe komórki bakteryjnej:

• wolutyna (polifosforan)

• B - hydroksymaślan

• siarka, żelazo

Sposoby pobierania pokarmu:

• dyfuzja (zgodnie z gradientem stężeń, bez udziału energii metabolicznej)

• dyfuzja ułatwiona (przez białka przenośnikowe)

• transport aktywny (uczestniczy energia metaboliczna, uczestniczy ATP, transport odbywa się wbrew gradientowi stężeń)

GRZYBY (Mycota, Fungi)

Są to tzw. grzyby właściwe (Eumycota), reprezentujące oddzielne królestwo w obrębie Eucorya. Wyróżniamy także organizmy grzybopodobne należące do królestwa Protozoa i Chromista.

Formy morfologiczne mikroskopijnych grzybów (Fungi):

• grzyby strzępkowe (tworzące grzybnię) czyli mycelialne zwane pleśniami:

1)komórczaki (cenocentryczne)

2)strzępki wielokomórkowe

• grzyby nie tworzące grzybni, czyli nie mycelialne zwane drożdżami (np. w formie łańcuszków)

• formy przejściowe (grzyby dimorficzne)

FAZY ROZWOJOWE GRZYBÓW:

• wegetatywna (metabolizm pierwotny), tworzy własną biomasę

• strzępki, komórki drożdżowe, stolony

• sznury (synnemy, ryzomorfy), ssawki i inne

• owocowania (metabolizm wtórny, wytworzone substancje są morfologicznie nie ważne do wzrostu, synteza antybiotyków, mykotoksyn)

• owocowanie bezpłciowe (anamorfia) chlomydospory, sklerocia, zarodnie i zarodniki, sporangialne, konidiofory i konidia, pyknidia, koremia i inne

• owocowanie płciowe (telomorfia) zygogamia i zygospory, gametongiogamia, peritecja, apotecja, worki i zarodniki workowe

Drożdże

a)pączkujące

b)rozszczepkowe

Grzyby w ścianie komórkowej nie mają celulozy, ale podstawą budowy są dwa polimery (wielocukry):

a)strukturalne

b)wypełniające

TYPY ŚCIAN:

chityna(wielocukier - glukozoamina) chitozan(pozbawiona gr.acetylowej chityna) Zygomycetos(są komórczakami rozmnażającymi się bezpłciowo przez zarodniki sporangialne, a płciowo przez zygogamię)

chityna glukan(glukany nie celulozowe) Ascomycota

Basidiomycetos

mannan glukan Endomycota(drożdże niedoskonałe)

brak chityny, substancją szkieletową jest polimer mannozy

Budowa ściany komórkowej grzybów strzępkowych (pleśni):

1. Warstwa zewnętrzna, bezpostaciowa - glukan

2. Glikoproteina (gruba siteczka)

3. Białko

4. Warstwa wewnętrzna baiłko + chityna

glukany 30 - 60% ściany

chityna 10 - 30% ściany

Budowa ścian drożdży:

1. Warstwa zewnętrzna mannon + baiłko

2. Warstwa środkowa glukan (u niektórych drożdży brak glukanu,

który zastępuje chityna)

3. Warstwa zewnętrzna białko

WYKŁAD III

ODŻYWIANIE I ODDYCHANIE DROBNOUSTROJÓW

W świecie drobnoustrojów jest ogromna różnorodność typów oddychania i odżywiania.

Odżywianie - polega na pobieraniu przez mikroorganizm z

otaczającego go środowiska substancji

pokarmowych, a w określonych przypadkach także

promieniowania elektromagnetycznego (słonecznego)

Kryterium podziału odżywiania drobnoustrojów ze względu na źródła odżywiania:

• źródło węgla

• źródło protonów i elektronów (lub samych protonów)

• źródło energii

Pobrane składniki zapewniają:

• budowę i odbudowę

• dostarczanie pożywienia

Sposoby pobierania pożywienia:

Typy pokarmowe drobnoustrojów:

1. Fotolitoautotrofy - promieniowanie słoneczne, donory elektronów

to zw.nieorganiczne

2. Fotoorganotrofy - źródło energii - promieniowanie słoneczne,

donory elektronó to zw.organiczne

3. Chemolitotrofy - źródło energii - reakcje biochemiczne, donory

elektronów - substancje nieorganiczne (chemoatotrofy)

4. Chemoorganotrofy - źródło energii - rozkład związków

organicznych, donory elektronów - substancje organiczne

Fotosynteza u bakterii jest procesem beztlenowym ponieważ nie ma fotolizy wody, donorem wodoru są zredukowane związki organiczne (np. siarkowodór).

Fotolitotrofy

jako reduktory: H2S, S, tiosiarczan

• bakterie zielone m.in. rodzaj Chlorobium

• bakterie purpurowe siarkowe

• bakterie purpurowe bezsiarkowe (wykorzystują do redukcji NADP zw.organiczne; NADP potrzebny jest do redukcji CO2

Chemolitotrofy:

• bakterie nitryfikacyjne: utleniają N - NH4 do N - NH3

• bakterie siarkowe: utleniają H2S, S,S2O3

• bakterie żelazowe: utleniają Fe2 do Fe3

• bakterie wodorowe: utleniają H2

Mikroorganizmy, które przeprowadzają ten proces to organizmy tlenowe i autortofy (asymilują CO2 i redukują go przy udziale procesów chemicznych). Samożywne bakterie dzieli się na kilka grup, w zależności od tego jakie związki utleniają.

Bakterie nitryfikacyjne występują w wodach, glebach (w glebie są związane z koloidami). Są to przeważnie Pałeczki albo Ziarniaki. Nie tworzą przetrwalników. Prowadzą proces nitryfikacji - utlenianie soli amonowych poprzez azotyny do azotanu, składający się z II faz:

• faza I nitryfikacji prowadzona jest przez bakterie nitroso np. Nitrosomonas; jon azotynowy jest uwalniany do środowiska i jest przejmowany przez inne bakterie

• w tym momencie zaczyna się II faza nitryfikacji polegająca na utlenianiu azotynów do azotanu, przez bakterie nitro np. Nitrobacter

N - NH4 → N - NO2 → N - NO3

I faza II faza

nitryfikacji nitryfikacji

Azotyny - to mutageny, związki trujące, wysoko stężone, łatwo

rozpuszczalne; powodują gromadzenie się w glebie

związków rakotwórczych i trujących; rośliny pobierają

azotyny i przetwarzają co pozwala uniknąć ich

niekorzystnych właściwości

Bakterie siarkowe utleniają różne zredukowane zw.siarkowe (np.siarkowodór) do siarczanu.

Bakterie żelazowe utleniają dwuwartościowe Fe do Fe trójwartościowego. Energie wykorzystują do redukcji CO2. Muszą dużo cząsteczek Fe utlenić żeby wbudować 1 cząsteczkę CO2 (wydajność procesu 750:1).

Bakterie wodorowe występują głównie w wodach. Utleniają H do H2O. Jest to najbardziej wydajny proces (1:1)

Chemoorganotrofy dzielą się na:

• saprotrofy - wykorzystują martwą materię organiczną,

• biotrofy - czerpią pokarm z żywych komórek

• komensale - rozwijają się w zespole z innym żywym organizmem, nie przynosząc mu ani korzyści ani szkody

CHEMORGANOTROFY

drożdże

pleśnie

liczne bakterie

BIOTROFY

symbionty(przynoszą

korzyści gospodarzowi)

pasożyty

(szkodzą gospodarzowi) fakultatywne

(względne)

obligatoryjne obligatoryjne

(bezwzględne) (bezwzględne)

fakultatywne

(względne)

Pasożyty fakultatywne mogą żyć jako saprotrofy w sprzyjających okolicznościach mogą korzystać z materii organicznej żywiciela (porażają rośliny, zwierzęta, ludzi) np.Grzyb Pleśniowy z typu Fusarium, który w korzystnych warunkach (np. przy dużej wilgotności) wnika w korzenie roślin i poraża je. Fakultatywny patogen - Aspergillus fumaigatis powoduje grzybice płuc. Pasożyty obligatoryjne - żywiciel jest jedynym środowiskiem życia. Poza żywicielem mogą przeżyć ale nie mogą się odżywiać np. Grzyb Łączniak.

Symbioty fakultatywne mogą żyć same lub mogą wchodzić w kontakt z organizmem żywym, np.bakterie brodawkowe które mogą żyć w glebie w symbiozie z rośliną asymilującą azot atmosferyczny i żywić się tym azotem. Symbioty obligatoryjne - nie są w stanie prowadzić aktywności życiowej poza organizmem żywym.

TYPY ODDECHOWE DROBNOUSTROJÓW:

Fermentacja - reakcje dostarczające energii, wymagające związków

organicznych jako akceptorów elektronów

Oddychanie beztlenowe - w którym akceptorami elektronów są

zw.nieorganiczne (inne niż tlen), również

dostarczające energii

Oddychanie tlenowe - reakcje dostarczające energii, wymagające

tlenu atmosferycznego jako końcowego

akceptora elektronów

ODDYCHANIE - utlenianie biologiczne, proces który polega na utlenianiu substratu (w procesach oddechowych są organiczne substraty) poprzez jego odwodorowanie - oderwanie 2 protonów 2 elektronów i przeniesienie ich na jakiś akceptor. Wyróżniamy 3 grupy akceptorów.

Oddychanie azotanowe (dysymilacja, redukcja azotanów)

1. Amonifikacja azotanów (częściowa redukcja azotanów do

amoniaku)

1 2 3 4

2HNO3 +4H+ -2H2O 2HNO2 +4H-H2O 2HN - OH 4H+ 2HN2OH +2H+ -2H2O 2NH3

rodnik

nitroksylowy

1)reduktaza azotanowa

2)reduktaza azotynowa

3)hydroksylamina

4)reduktaza hydroksylaminy

Akceptorem wodoru i elektronów są azotany. Proces, w którym końcowym produktem jest amoniak albo jon NH4. Azotany są redukowane do azotyn, które następnie są redukowane do amoniaku poprzez pośredni rodnik nitroksylowy.

2. Denitryfikacja (całkowita redukcja azotanów do N2, NO, N2O)

NO3 +2e + 2H+ NO2 + H2O

reduktaza azotanowa

dysymilacyjna

NO2 +e + 2H+ NO + H2O

reduktaza azotynowa

2NO +2e + 2H+ N2O + H2O

reduktaza tl.azotu

N2O +2e + 2H+ N2 + H2O

reduktaza podtlenku

azotu

Amonifikacja i denitryfikacja można nazwać redukcją dysymilacyjną azotanu.

Proces denitryfikacji jest niekorzystny w glebach mających stosunki powietrznowodne (dużo wody i powietrza). Denitryfikacja będzie natomiast korzystna tam gdzie jest przeazotowanie gleby, ponieważ w procesie denitryfikacji azot z gleby zostaje uwalniany do powietrza. Denitryfikacja jest wykorzystywana przy oczyszczaniu ścieków, gdzie przez zastosowanie mikroorganizmów następuje redukcja azotanu i uwalnianie azotu do atmosfery.

3. Denitryfikacja katalizowana przez Thiobacillus denitryficans (bakterie samożywne siarkowe, utleniają siarkę)

6KNO3 + 2CaCO3 + 5S → 3K2SO4 + 2CO2 + 3N2 + 2CaSO4

Oddychanie azotanowe czyli tzw.dysymilacyja redukcja azotanów

• końcowym akceptorem wodorów i elektronów są azotany,

• produkty: azotyny i amoniak lub azotyny, tlenki azotu, azot atmosferyczny (denitryfikacja),

• bakterie denitryfikacyjne,

• względne lub bezwzględne,

Oddychanie siarczanowe:

• końcowym akceptorem wodoru i elektronów są siarczany lub siarka,

• produkt: siarczki,

• bakterie siarczkowe: bezwzględne beztlenowce m. in. Desulfovibrio desufuricans,

Oddychanie węglanowe:

• końcowym akceptorem wodoru i elektronów są węglany i CO2,

• produkt: metan

• bakterie metanogenne: (Archea) Mathanobacterium, Methanococcus,

WYKŁAD IV

Etapy fermentacji:

• wstępny rozkład wielocukrów za pomocą zewnątrzkomórkowych enzymów hydrolitycznych,

• utlenianie heksoz do stadium pirogronianu,

• przekształcenie pirogronianu do końcowych produktów fermentacji,

Procesy oddychania to procesy kataboliczne, możemy je podzielić na 2 grupy:

• katabolizm właściwy: rozkład związków złożonych na proste (monomery) np. skrobia czy celuloza do glukozy,

• amfibolizm: gdzie mamy do czynienia z przekształceniem monomerów i ich utlenianiem; powstałe produkty mogą być wykorzystywane do produkcji energii (ATP) lub do procesów syntez komórkowych,

Szlaki prowadzące do wytworzenia pirogronianu:

• szlak Emgbdena - Meyerhofa - Parnasa (EMP), szlak glikolityczny czyli glikoliza,

• szlak heksozomonofosforanu i jego odmiany - cykl pentozowy (HMP),

• szlak Entnera - Doudoroffa (ED),

Fermentacje glikolityczne:

• Homofermentacja mlekowa

Lactobacillus Lactis, Lactococcus Lactis

• Fermentacja propionowa

Propionibacterium

• Fermentacja mlekowa

(ferm. Entnerobacteriaceae )

• Fermentacja masłowa i jej odmiany

Clostridum butyrynicum, Cl.butylicum, Cl.acetobutylicum,

• Fermentacja alkoholowa

Drożdże np. Saccharomyces cerevisiae,

Fermentacje nieglikolityczne:

• Heterofermentacja mlekowa (pierwsze etapy poprzez cykl pentozowy)

Loctobacillus plantarum, Leuconostoc mesenteroides,

• fermentacja alkoholowa (bakteryjna) - cykl pentozowy

Zymomonas mobilis,

• Fermentacja mlekowa typu Bifidobacteruim, przebiega poprzez cykl Entnera - Doudoroffa

Bifidobacterium bifidum

SZLAK ENTNERA - DOUDOROFFA

glukoza

ATP

ADP

glukozo - 6 - fosforan

NADP

NADPH2

kw.6 - fosfoglukonowy

kw.2 - keto - 3 deoksy - 6 - fosfoglukonowy

aldehyd kw.pirogronowy 3 - fosfoglicerynowy

CO2

NADH acetylo - CoA

NAD

cykl pentozowy cykl Krebsa

Bilans fermentacji:

Wydajność oddychania tlenowego i beztlenowego:

TYPY ODDYCHANIA LICZBA MOLI ATP (mol -1)

GLUKOZY

• Fermentacja - 2 (niekiedy 2,5)

poprzez glikolizę

• Fermentacja - 1

poprzez cykl pentozowy

• Fermentacja - poprzez 2

Cykl Entnera - Doudoroffa

• Oddychanie tlenowe - 38

Poprzez cykl Krebsa i cykl rybulozowy

PRZEGLĄD NAJWAŻNIEJSZYCH RODZAJÓW FERMENTACJI I ICH

PRODUKTÓW:

glukoza

ATP H

bakterie mlekowe drożdże

mleczan pirogronian aldehyd etanol

CO2 octowy [H]

bakterie grupa - coli - aerogenes klostridia

propionowe

CO2

szczawiooctan acetylo - CoA + HCOOH acetylo - CoA +

H2 + CO2

ATP H H2 CO2

ATP [H] ATP

octan etanol H2 CO2

acetoacetylo - octan

bursztynian acetonina - CoA

CO2

CO2 H ATP [H] CO2 propionian butanodiol

maślan aceton

ATP [H] [H]

2 - propanol

butanol

Niektóre drobnoustroje mogą wykorzystywać jako źródło energii tłuszcze lub białka.

HOMOFERMENTACJA MLEKOWA

C6H12O6 CH3 - CHOH - COOH

Lactococcus lactis

Lactobacillus lactis (pałeczka)

W homofermentacji mlekowej glukoza jest przekształcana w kwas mlekowy przy udziale dehydrogenazy.

CH3 CH3

| NADH+ +H+ |

CO CH - OH

| |

COOH COOH

HETEROFERMENTACJA

C6H12O6 CH3 - CHOH - COOH + CH3 - CH2OH + CO2

(lub CH3 - COOH)

Leuconostoc mesenteroides

Lactobacillus brecis

Często heterofermentacja mlekowa zachodzi w środowisku roślinnym.

Związki lotne (aromaty) wytwarzane przez bakterie mlekowe:

• diacetyl (związek aromatyzujący np. masło) wykorzystywany w3 mleczarstwie

• aldehyd octowy

• alkohol etylowy

• kw. propionowy

• kw. mrówkowy

• lotne kw.tłuszczowe

• aceton, estry i inne

Zastosowanie bakterii mlekowych idzie w 2 kierunkach:

1)Działanie prozdrowotne

2)Produkcja żywności:

• produkty mleczne, fermentowane napoje mleczne, twargi, sery twarde

• wyrób wędlihn (np. salami)

• czysty kw. mlekowy (wykorzystywany jako dodatek do zakwaszania)

• produkcja kiszonki spożywczych: p[aszowych

PROBIOTYKI

pro - do

biosis - życie

Probiotyki to pojedyncze lub mieszane kultury żywych mikroorganizmów, które podawane człowiekowi lub zwierzętom wywierają na ich organizm korzystny wpływ. ¾ znanych dziś probiotyków to bakterie mlekowe. Zasiedlają one przewód pokarmowy ludzi i zwierząt (bakterie jelitowe). Mikroorganizmy wchodzące w skład probiotyków stosowanych u ludzi to m.in.: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus lactis, Bifidobacterium bifidum.

Oddziaływanie Probiotyków na organizm człowieka:

• pośrednie na mikroflorę przewodu pokarmowego,

• beposrednie na organizm konsumenta,

Bakterie mlekowe wykorzystują proste substraty węglowe: cukry proste (heksozy, pentozy) lub dwucukry (sacharoza).

Wpływ pośredni: antagonizm w stosunku do patogenów

• wytwarzanie metabolitów (kw.mlekowy, octowy, H2O2 i inne)

• wytwarzanie bakteriocyn (związki antybakteryjne o wąskim spektrum działania np. laktacyna), efekt zajętego miejsca.

Bakterie mlekowe poprzez wytwarzanie metabolitów wpływają na wstrzymane rozwoju organizmów szkodliwych np. Salmonella, pałeczki czerwonki.

Bakteriocyny - niskocząsteczkowe pektyny albo białka wytwarzane przez bakterie mlekowe; najstarsza bakteriocyna - nizyna. Bakteriocyny powodują zmiany w przepuszczalności błony komórkowej bakterii szkodliwych (zaburzenia w utrzymaniu wody). Powstają pory w błonie komórkowej przez które mogą przeciekać składniki pokarmowe co prowadzi do zabicia szkodliwych bakterii.

Efekt zajętego miejsca - bakterie mlekowe szybciej zasiedlają jelito niż szkodliwe bakterie jelitowe. Skutecznie się przytwierdzają blokując miejsce dla bakterii szkodliwych.

Wpływ bezpośredni:

• zapobiegają próchnicy zębów (bakterie mlekowe zapobiegają rozwojowi mutagenów w jamie ustnej)

• mają działanie antycholesterolowe,

• wykazują działanie antynowotworowe (rozkładają metabolity o aktywności rakotwórczej),

• stymulują odporność i inne,

Z nie strawionych resztek pokarmu mogą powstawać aminy. W reakcji z nitrosami powstają nitrosoaminy - kwasy rakotwórcze. Niektóre bakterie mlekowe mają zdolność do rozkładania nitrosoamin.

Formulacja - w dietetyce ludzi kultury probiotyczne stosowane są jako:

• farmaceutyki: tabletki, kapsułki np. lakcid - czyli zniofilizowane (wysuszone) bakterie mlekowe; branie lakcidu jest zalecane w czasie choroby,

• wraz z żywnością fermentowaną jako kultury starterowe (fermentowane produkty mleczne, fermentowane przetwory warzywne i mięsne) np. jogurty, kefiry, maślanki,

Produkty takie jak jogurty, kefiry to produkty I generacji. Do ich produkcji wykorzystuje się np.: L.bulgaricus, S.thernophilus. Do produktów II generacji (np. biojogurty) dodawane są bakterie probiotyczne.

FERMENTACJA PROPIONOWA

Propionibacter, P.schermani

• substraty: glukoza, sacharoza, laktoza, kw.mlekowy, gliceryna,

• produkty: kw.propionowy, kw.octowy, CO2

3CH3CHOH - COOH 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O

kw.mlekowy kw.propionowy kw.octowy

Bakterie propionowe (bakterie kw.propioowego):

• wykorzystują proste substraty węglowe

• Gram +, nieruchliwe, nieprzetrwalnikujące,

• występowanie: najliczniej w żwaczu i jelitach przeżuwaczy, biorą udział w wytwarzaniu kw.tłuszczowych; nie występują w mleku, glebie i wodzie,

Wykorzystanie przemysłowe:

• wytwarzają kw.propionowy (propionion Ca i Na) wykorzystywany do utrwalania żywności,

• syntetyzują witaminę B12 (do wzbogacania chleba, różnych serów twardych, fermentowanych napojów mleczarskich tj. kefiry, jogurty),

• utrwalenie mokrego ziarna zbóż przeznaczonych na paszę ( zamiast suszenia),

• biorą udział w dojrzewaniu serów podpuszczkowych twardych m. In. Powodują tworzenie oczek w serze ( przez wydzielanie CO2),

FERMENTACJA MRÓWKOWA (Enterobakteriaceae)

Escherichia coli, Salmonella, shigiella (bakterie czerwonki), Enterobacter (bakterie środowisk naturalnych), Erwinia, Proteus (bakterie jelitowe), Yersinia

substraty: cukry

produkty: kw.mlekowy, kw.octowy, kw.bursztynowy, kw.mrówkowy,

etanol, CO2, H2, acetoina, 2,3 - butanodiol

Niektóre produkty heterofermentacji mlekowej i mrówkowej:

L.diacehlactis - kultura starterowa do produkcji masła

CH3 CH3 - C=O CH3

| | |

C=O CH3 - CH HC - OH

| | |

CH3 OH HC - OH

dwuacetyl acetoina |

(acetyl - metyl CH3

- korbinol) glikol butelynowy

FERMENTACJA MASŁOWA

Closridium: Cl.butyfikum, Cl.anyldyficum, Cl.acetobutylicum,

Cl.pasteurianum

Substraty: cukry, alkohole, skrobia, pektyny, hemiceluloza, białka,

tłuszcze, złożone zw.organiczne, nie wykorzystują chityny

i ligniny

Bakterie wszędobylskie: występują w środowiskach naturalnych, w

glebie, ściekach, na powierzchni roślin, w

przewodzie pokarmowym

Bezwzględne beztlenowce

Produkty: kw.masłowy, alkohol butylowy, aceton, kw. mrówkowy

(CO2, H2)

C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2

• wytwarzają się duże ilości gazu

• substratem są różne związki proste i złożone

Niektóre produkty fermentacji masłowej:

CH3 CH3 CH3 CH3

| | | |

HC - OH CO CH2 CH2

| | | |

CH3 CH3 CH2 CH2

alkohol aceton | |

izopropylowy CH2OH COOH

alkohol kw.masłowy

butylowy

Bakterie masłowe mają zdolność do autoregulacji metabolizmu. Produkowany kw.masłowy obniża pH, więc np. jeżeli pH spada poniżej 4,2 to następuje przerwanie produkcji bakterii masłowych i bakterie zaczynają produkować związki obojętne. Bakterie masłowe nie są szkodnikami. Spełniają ważną rolę w fermentacji metanowej (końcowy produkt: gaz palny - metan wytwarzany z resztek odpadów). Bakterie fermentacji masłowej rozkładają złożone związki organiczne np. celuloza, hemiceluloza. Usuwają różne substancje organiczne ze środowiska w warunkach beztlenowych. Dawniej były wykorzystywane do produkcji rozpuszczalników.

WYKŁAD V

FERMENTACJA ALKOHOLOWA (wywołana przez drożdże)

glukoza

2ADP NAD

2ATP NADH2

2kw.pirogronowy

2CO2

aldehyd octowy

NADH2

NAD

2 etanol

Fermentacje alkoholową prowadzą głównie drożdże z rodzaju Sacharomyces. Drożdże występują głównie na powierzchni owoców i roślin. Można je też spotkać w środowisku glebowym i wodnym. Drożdże fermentacji alkoholowej są głównie związane z owocami. Fermentacja alkoholowa opiera się na procesie glikolizy (jest fermentacją glikolityczną). Kwas propionowy ulega najpierw dekarboksylacji, powstaje aldehyd octowy, który jest redukowany przy udziale dehydrogenazy etanolowej do etanolu. Bakteryjna fermentacja etanolowa przebiega w inny sposób.

Drobnoustroje fermentacji alkoholowej

• Drożdże z rodzaju Saccharomyces

• gorzelnicze - wysoka wydajność etanolu w stosunku do surowca, S.cerevisiae

• winiarskie - różne rasy drożdży S.cerevisiae var. ellipsoides zależnie od składu chemicznego moszczu i typu wina

• piwowarskie - przeważnie S.carlsbergensis (drożdże tzw.dobrej fermentacji szybko opadające na dno)

• piekarskie - S.cerevisiae o dużej aktywności wydzielania CO2 z cukrów co powoduje spulchnianie ciasta

• „Drożdże mukorowe” czyli pleśnie zdolne do wytwarzania alkoholu tj. Mucor, Rhizpopus (produkcja alkoholu w krajach wschodniej Azji)

• Zymomonas mobililis (bakteria), kraje Ameryki Południowej i Środkowej

• Drożdże dzikie: Mycoderma, Tovulipsis, Candida - „szkodniki” w przemyśle alkoholowym

Drożdże stosowane do fermentacji alkoholowej to tzw. drożdże szlachetne czyli przemysłowe szczepy, wyprowadzane z drożdży dzikich.

Drożdże są względnymi beztlenowcami. Mogą się rozwijać w warunkach beztlenowych wtedy przeprowadzają fermentację lub mogą oddychać tlenowo w cyklu Krebsa z wydzieleniem dużej ilości CO2. Drożdże wykorzystywane w gorzelnictwie to tzw. drożdże górnej fermentacji (gromadzą się w pianie na górze), natomiast drożdże piwowarskiej fermentacji należą do drożdży dolnej fermentacji (gromadzą się na dnie).

Niektóre drożdże dziko żyjące w naturalnych środowiskach po dostaniu się do fermentacji są szkodnikami. Drożdże fermentacji alkoholowej są cukrofilne czyli nie mają zdolności do rozkładu złożonych substratów. Jako substraty wykorzystują albo dwucukry albo cukry proste.

Praktyczna wydajność fermentacji alkoholowej wynosi 94%

• ze 100g glukozy - 48g etanolu

• ze 100g sacharozy - -63g etanolu

• ze 100g skrobi - 67g etanolu

FERMENTACJE „TLENOWE”

np. fermentacja octowa czyli niecałkowite utlenienie etanolu do kw.octowego

bakterie octowe: Acetobacter, Glukonobacter

Bakterie octowe to bakterie tlenowe, zazwyczaj są to pałeczki Gram- . Ich naturalne środowiska występowania: na owocach, na roślinach. Jako substrat wykorzystują alkohole I - rzędowe albo

II - rzędowe.

Utlenianie alkoholi I - rzędowych

CH3 - CH2OH → CH3 - COOH

Utlenianie alkoholi II - rzędowych

CH3 - CHOH - CH3 → CH3 - CO - CH3

Produktem utleniania alkoholi I - rzędowych jest kwas octowy, natomiast produktami utleniania alkoholi II - rzędowych są octany. Bakterie octowe, które utleniają alkohole II - rzędowe to bakterie ketogenne.

bakterie peroksydaus - wytwarzają kwas octowy

bakterie suboxydaus - nadoctowe; występuje nadoksydacja i mogą

utlenić kwas octowy do CO2 i H2O; jeżeli

dostaną się do kadzi gdzie jest prowadzona

fermentacja octowa są szkodnikami

FERMANTACJE PLEŚNIOWE

Są prowadzone przez różne gatunki pleśni. Do fermentacji pleśniowych należy m. in.:

• fermentacja mlekowa - zakłócenie cyklu Krebsa

• fermentacja glukonowa

podczas fermentacji pleśniowych mikroorganizm rośnie wewnątrz podłoża.

ROZKŁAD ZŁOŻONYCH SUBSTANCJI ORGANICZNYCH (substancji wielkocząsteczkowych)

Procesy degradacji złożonych związków organicznych prowadzą te mikroorganizmy, które dysponują enzymami hydrolitycznymi (rozszczepiające jakieś izomery przy udziale wody), liazami (które rozszczepiają izomery bez udziału wody) lub oksydoreduktazami.

Rozkład skrobi przez drobnoustroje

Skrobia - polimer zbudowany z amylozy i amylopektyny. Drobnoustroje amylolityczne: grzyby pleśniowe, laseczki tlenowe i beztlenowe.

Mechanizm rozkładu przez enzymy amylolityczne

SKROBIA

• alfa - amylazy(endoamylazy) - enzymy upłynniające; rozkład wiązań alfa -1,4 (oligocukry, maltoza)

• beta - amylazy odszczepiają maltozę

• amylo -1,6 -glukozydaza (dekstanaza) - hydroliza rozgałęzień

• glukoamylaza -(enzym scukrzający) odszczepianie glukozy

DEKSTRYNY, MALTOTRIZA

MALTOZA, GLUKOZA

Mikroorganizmy mogą prowadzić rozkład skrobi w warunkach tlenowych (bakterie z rodzaju Bacillus - laseczki przetrwalnikujące; w pH zasadowym lub neutralnym) lub beztlenowych (bakterie z rodzaju Clostridium)

Drobnoustroje amylolityczne

• Bakterie:

Bacillus polymyxa

B.subtilis

Clostridium stearothemophilus

• Pleśnie:

Aspergillus niger

A.oryzae

Wykorzystanie drobnoustrojów amylolitycznych: przemysł spożywczy

Zastosowanie enzymów amylolitycznych pochodzenia mikrobiologicznego:

• Przemysł spożywczy:

• produkcja syropów glukozowych, fruktozowych, maltozowych, maltodekstrynowych (środki słodzące)

• klarowanie syropów w produkcji napojów (naturalne soki są mętne a ich klarowanie polega na rozkładzie skrobi, która jest odpowiedzialna za zmętninie soków)

• Przemysł fermentacyjny:

• produkcja alkoholu etylowego (browarnictwo, gorzelnicwto, winiarstwo); wykorzystywane są tu amylazy pochodzenia mikrobiologicznego

transglikozydazy - produkowane przez niektóre grzyby; są wykorzystywane do produkcji cyklodekstryn, które uzyskuje się przez połączenia reszt glukozowych; cyklodekstryny są stosowane w przemyśle spożywczym jako stabilizatory aromatów

Skrobia jest materiałem zapasowym roślin. Drobnoustroje występujące w naturze, które mają enzymy amylolityczne mogą przyczyniać się do psucia roślin. Laseczki beztlenowe - clostridia sacharolityczne mogą powodować różne zmiany w żywności np. rozkład skrobi w konserwach warzywnych.

Z punktu widzenia ekologicznego drobnoustroje zawie4rające enzymy amylolityczne spełniają ważną funkcję w ochronie środowiska. Są destruentami - mineralizują substraty skrobiowe i przywracają węgiel do obiegu.

Podział związków pektynowych:

• propektyna nierozpuszczalna w wodzie - występuje w roślinach w postaci zespołów powstałych p0rzez połączenie łańcuchów pektynowych z jonami wapnia, magnezu za pośrednictwem wolnych niezestryfikowanych grup karboksylowych -COOH,

• pektyna rozpuszcalna w wodzie - powstaje przez działanie na propektynę rozcieńczonymi kwasami lub enzymem zwanym propektynazą,

• kwas pektonowy - stanowi poliner zbudowany z elementów kwasu galakturonowego, połączonych ze sobą wiązaniem 1,4 - glikozydowym; grupy COOH kwasu galakturonowego są wolne i wskutek tego mogą się łączyć,

...

Drobnoustroje pektynolityczne

• bakterie

Bacillus mocerans

Erwinia carotovora

Clostridium pectinovorum

• pleśnie

Aspergillus (m.in. A. Niger )

Penicillium

Fusarium

Drobnoustroje pektynolityczne są wykorzystywane w przemyśle do produkcji enzymów pektynolitycznych. Część z tych drobnoustrojów należy do fitopatogenów - które są szkodliwe dla roślin, ponieważ ich uzdolnienia pektynolityczne umożliwiają im penetracje głębszych części roślin (podziemnych i nadziemnych). Z punktu widzenia ekologicznego ich działanie jest pozytywne ponieważ mineralizują pektynę.

Enzymy pektynolityczne:

• Enzymy deestryfikujące, do których zalicza się pektynometyloesterazę (PME)

• Enzymy depolimeryzujące pektyny, które katalizują rozkład wiązań alfa - 1,4 - glikozydowych w łańcuchach galakturonianów:

• hydrolazy (działają przy udziale wody), zwane poligalakturonozami (PG)

• liazy, które powodują rozkład wiążań beta - 1,4 - glikozydowych na zasadzie beta - eliminacji,

Pektyny są rozkładane do kwasu glutaranowego.

Enzymy deestryfikujące- rozszczepiają wiązania metyloestrowe uwalniając metan. Substraty, które są atakowane przez te enzymy mają grupy metylowe.

Zastosowanie enzymów pektynolitycznych

• Przemysł rolno - spożywczy

• przetwórstwo owoców (maceracja miazgi i tłoczenie soków, klarowanie soków w produkcji napojów),

• produkcja kawy,

• Przemysł fermentacyjny

• winiarstwo (wina owocowe, gronowe),

• produkcja wódek i likierów

• Przemysł lniarski

• obróbka łodyg lnianych

Pektyny są wykorzystywane do produkcji galaretek, dżemów, koncentratów (mają właściwości żelujące).

Mechanizm rozkładu celulozy przez drobnoustroje

CELULOZA NATURALNA (natywna)

endo - beta - glukanazy (rozkład

wewnętrznych wiązań

beta - 1,4 - glikozydowych w

przypadkowych miejscach) CELULOZA AKTYWNA

(zhydrolizowana)

egzo - beta - glukanaza

(celobiohydrolaza) odszczepia

celobiozę lub glukozę od końca

łańcucha

CELOBIOZA

(i inne rozpuszczalne

produkty hydrolizy)

celobiaza

(beta - 1,4 - glukozydaza)

GLUKOZA

Ligninoceluloza - w jej skład wchodzi m. in.: celuloza, hemiceluloza i

Lignina

Natywna celuloza - występująca w roślinach; w przyrodzie ma

odcinki krystaliczne i amorficzne

(bezpostaciowe); mikrobiologiczny rozkład

celulozy natywnej zaczyna się właśnie od tych

amorficznych odcinków

W procesie mikrobiologicznego rozkładu celulozy najpierw atakowane są wiązania wewnętrzne beta - 1,4 - glikozydowe. Celuloza rozkładana jest do postaci częściowo zhydrolizowanej (do celulozy aktywnej). Następnie odczepiane są 2-węglowe jednostki i powstaje celobioza. Związki przejściowe to np. celotetroza, celotrioza. Rozkład celulozy do celobiozy to celuloliza (rozkład do glukozy nie jest już zaliczany do procesu celulolizy).

Drobnoustroje celulolityczne:

• Bakterie celulolityczne

• tlenowe: Cytophaga, Cellulomonas, Straptomyces, Cellulose,

• beztlenowe przetrwalnikujące: Clostridium,

• beztlenowe nieprzetrwalnikujące: Ruminobacter (bakterie żwaczowe, występują w żołądkach przeżuwaczy i rozkładają tam celulozę), Butyrivibrio

• Grzyby celulolityczne

• mikrogrzyby: Chaetomium, Trichoderma, Fusarium,

• makrogrzyby: podstawczaki

Grzyby celulolityczne rozkładają celulozę w warunkach tlenowych i często w kwaśnych.

WYKŁAD VI

Hemicelulozy - homo lub heteropolimery:

D - ksylozy

L - arabinozy

D - mannozy

L - galaktozy

kwas D - galakturonowy

Pełnią funkcje podporową lub jako materiał zapasowy roślin.

Celulolityczna działalność mikroorganizmów:

Drobnoustroje są czynnikami powodującymi psucie i rozkład hemiceluloz. Są patogenami roślin. Drobnoustroje celulolityczne często biorą udział w rozkładzie celulozy i ligniny.

Hemicelulozy wchodzą w kompleksy z celulozą lub ligninocelulozą. Hemicelulozy występują w zdrewniałych częściach roślin np. w drewnie gdzie jest też ok.30% Ligniny Hemic.

Drobnoustroje aktywne w rozkładzie hemicelulozy:

• hemicelulozy w tkankach roślinnych są rozkładane przez bakterie celulolityczne: Sporocytophaga, Cytophaga

• podstawczaki, mikrogrzyby

Mikrobiologiczny rozkład hemicelulozy

KSYLANY (drewno roślin liściastych) MANNANY

↓ enzymy ksylolityczne ↓enzymy monnolityczne

OLIGOMERY (zewnątrzkomórkowe)

KSYLOBIOZA OLIGOMERY

KSYLOZA MANNOBIOZA

MANNOZA

Zastosowanie:

• Przemysł spożywczy - do produkcji ksylitolu (substrat sacharozy)

• Przemysł farmaceutyczny - produkcja ksylitolu

• Przemysł drzewno - papierniczy (bielenie pulpy drzewnej)

Wykorzystanie przemysłowe (ksylon i ksylanaza)

Ksylitol - naturalny składnik w żywności, dodatek do dżemów,

czekolad, deserów dla diabetyków; produkcja past do

zębów i innych.

TŁUSZCZE - estry wyższych kwasów tłuszczowych i glicerolu

Nasycone Nienasycone

- palmitynowy - linolowy

- stearynowy - linolenowy

DROBNOUSTROJE LIPOLTYCZNE

Są powszechne w mikro świecie. Mają zdolność do rozkładania tłuszczów.

• Bakterie: Bacillus, Pseudomonas

• Drożdże: Candida (C.clindracea - skala przemysłowa)

• Pleśnie: Penicillum (P.cyclopium), Aspergillus, Rhizopus

(R.arrhizus - skala przemysłowa), Mucor

Cechą charakterystyczną enzymów lipolitycznych jest działanie na substraty nie rozpuszczalne w wodzie. U drobnoustrojów enzymy te katalizują jednocześnie syntezę tłuszczów. Mają dwukierunkowe działanie.

Enzymy lipolityczne:

• lipazy - hydrolazy estrów glicerolowych

• esterazy - enzymy hydrolizujące estry innych niż gliceroli

alkoholi

Drobnoustroje lipolityczne odpowiedzialne są za proces jełczenia, rozkład tkanek roślinnych i zwierzęcych. Wydzielają produkty pośrednie rozkładu i metabolity, co jest przyczyną zatruć. W środowisku naturalnym są to destruenci.

Zastosowanie:

• produkcja detergentów (biosurfaktanty - jako dodatek)

• przemysł garbarski (garbowanie skór - odtłuszczanie)

• przemysł mięsny - uszlachetnianie

• przemysł owocowo - warzywny i perfumeryjny

• modyfikacja tłuszczów naturalnych (produkcja margaryny, masła kakaowego, tłuszczów do pieczenia)

• synteza estrów kwasów karboksylowych i alkoholi alifatycznych

Struktura ligniny - trójwymiarowy polimer jednostek fenylo -

propanowych połączonych wiązaniami typu C - C,

C - O - C

alkohol alkohol alkohol

koniferylowy synopilowy h - hydroksy cymomylowy

Są to 3 alkohole aromatyczne

• alkohol h - hydroksy cymomylowy - występuje w dużej ilości w ligninie traw i roślin zielnych

• alkohol synopilowy - występuje w drewnie drzew liściastych

• alkohol koniferylowy - w największej ilości występuje w drewnie roślin liściastych

ligniny mają budowę trójwymiarowe - bardzo zróżnicowane pod względem strukturalnym, jest więc związkiem bardzo trwałym; jest to najbardziej odporny polimer na związki mikrobiologiczne

Lignina = Drzewnik

Organizmy ligninolityczne (bardzo wąska wyspecjalizowana grupa):

• Grzyby białej zgnilizny drzewa - głównie podstawczaki m.in. Trametes versicolor, Phlebia raoliata, rozkład całkowity do H2O i CO2, grzyby te rozkładają najpierw ligninę (brązowy kolor)

• Grzyby brunatnej zgnilizny drzewa - podstawczaki, rozkładają najpierw celulozę potem hemicelulozę

• Grzyby miękkiej zgnilizny drzewa

Mikroorganizmy modyfikują cząsteczki ligniny (nie jest to biodegradacja).

Enzymy ligninolityczne (oksydoreduktazy)

• fenolooksydazy (peroksydazy i lakaza)

• dioksygenazy - rozbijają pierścienie

Rozkład enzymami z poli związków do oligo związków z jednoczesnym utlenienieniem grup fenolowych do hinonowych:

peroksydaza wymaga H2O2

lakaza wymaga O2

rozkład ligniny jest wyłącznie tlenowy

Zastosowanie organizmów i enzymów ligninolitycznych:

a) biologiczna produkcja masy celulozowej i jej wybielanie

(produkcja papieru)

b)bioremeoliacja - biotechnologiczne procesy tj. z udziałem

drobnoustrojów, usuwanie zanieczyszczeń ze środowiska; podczas

rozkładu ligniny pośrednio powstają związki aromatyczne podobne

do WWA i mające ich podstawniki; enzymy ligninolityczne są

niespecyficzne substratowo więc atakują podobne związki, stąd

ich zastosowanie w oczyszczaniu środowiska lub w oczyszczaniu

gleb skażonych pestycydami i WWA,

WWA - wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne pestycydy,

barwniki, nitrozwiązki, chlorowane związki organiczne i inne

c)polepszanie strawności pasz celulozowych

Schemat tworzenia humusu (próchnicy)

resztki roślinne lignina

(słoma, drewno C: N>30) tanina

polifenole

CO2 CH3

mono i dihydroksyfenole

fenolazy 2e

autooksydazy 2H

struktury chinoidowe

kondensacja aminokwasy

cukry

kwasy huminowe humus

C: N = 10 - 15

Mikroorganizmy ligninolityczne użyźniają glebę, wpływają na żyzność i plony. Lignina może być utleniona, mineralizowana a cząsteczki częściowo rozkładane są do cząsteczek kilku pierścieniowych i wbudowywane w kwasy humidowe. Następuje wzbogacenie w azot.

BIAŁKO - ROZKŁAD I ENZYMY PROTEOLITYCZE

białko oligopeptydy aminokwasy

endopeptydazy egzopeptydazy

Endopeptydazy (proteinazy)

• sterynowe(alkaliczne) bakterie i grzyby(dermotofity - powodują grzybicę)np. Bacillus licheniformis

• cysteinowe (obojętne - bakterie, kwaśne - grzyby)

• asparaginowe (kwaśne) grzyby np. Mucor

• cynkowe (obojętne) bakterie np. bacillus (dermatofity)

Enzymy rozkładające białko można podzielić na egzo i endo (wewnątrz i zewnątrz komórkowe). Enzymy wewnątrzkomórkowe - rozkładające, zewnątrzkomórkowe - modyfikujące i rozkładające.

Proteinazy - rozkładają wiązania wewnętrzne w białku (między aminokwasami).

Egzopeptydazy (hydrolazy aminokwasów)

- odszczepiają pojedyncze aminokwasy od końca łańcucha

• karboksypeptydazy (z wolną grupą COOH)

• aminopetydazy (z wolną grupą NH2)

Znaczenie enzymów i mikroorganizmów proteolitycznych:

• mineralizacja substancji organicznej bogatej w azot

• zdolność rozkładu białka przez dermatofity -mają zdolność wytworzenia enzymów rozkładających keratynę, powodują grzybicę

Zastosowanie enzymów proteolitycznych w przemyśle:

• mięsny - dojrzewanie i zmiękczanie mięsa, wydobywanie tłuszczu

• rybny - przyspieszenie dojrzewania śledzi

• koncentratów spożywczych - hydrolizaty białkowe

• piekarniczy - polepszenie pulchności ciasta

• fermentacyjny - stabilizacja klarowności piwa

• garbarski - depilacja skór

• paszowy - dodatek dla drobiu i bydła

• chemiczny - produkcja detergentów

• farmaceutyczny - rozkładanie nosników żelatynowych

PROTEOLIZA - dekarboksylacja aminokwasów

lizyna → kodoweryna

H2N - (CH2)4 - CHNH2 - COOH → H2N - (CH2)4 - CH2NH2 + CO2

ornityna → putrescyna

H2N - (CH2)3CHNH2COOH → H2N - (CH2)3 - CH2NH2 + CO2

orginina → agmatyna

HN HN

C - NH - (CH2)3 - CHNH2 - COOH → C - NH - (CH2)3 - CH2NH2

H2N H2N +CO2

DEAMINACJA OKSYDACYJNA - utlenienie i jednoczesna deaminacja

COOH COOH COOH

| | |

CH2 NAD(P) CH2 H2O CH2

| NAD(P)H2 | | + NH3

CH2 CH2 CH2

| | |

CH - NH2 CH = NH C=O

| | |

COOH COOH COOH

kwas kwas

glutaminowy alfa - ketoglutorowy

DEAMINACJA DESATURACYJNA

HOOC - CHNH2 - CH2 - COOH HOOC - CH = CH - COOH

kwas asparaginowy kwas fumarowy

HYDROLIZA MOCZNIKA

(jego amonifikacja, enzym: ureaza)

H2N - CO - NH2 + H2O 2NH3 + CO3

Proces hydrolizy mocznika zachodzi pod wpływem specyficznego enzymu ureazy, który może być wytwarzany jako enzym konstytucyjny (jest wytwarzany zawsze przez drobnoustroje mocznikowe) lub jako enzym adaptatywny (wymaga obecności substratu).

Wzrost drobnoustrojów, rozumiany jest jako:

• przyrost biomasy i objętości organizmu 1komórkowca (komórka drożdżowa, bakteryjna) lub wielokomórkowca (strzępki, pleśni),

• wzrost populacji tzn. zwiększenie biomasy populacji drobnoustrojów,

populacja drobnoustrojów - zbiór organizmów określonego gatunku (szczepu)

znajdujących się w danym środowisku np. hodowli

czas generacji- czas między jednym i drugim podziałem komórek bakterii, czyli czas

potrzebny do przebiegu jednego, pełnego cyklu komórkowego, czyli

czas podwojenia liczby komórek,

wzrost liczby komórek w czasie → to wzrost populacji

Wykres przedstawiający liczbę komórek jako funkcję czasu nazywamy krzywą wzrostu.

TYPOWA KRZYWA WZROSTU HODOWLI BAKTERYJNEJ

Wykres ten dotyczy układu zamkniętego, gdzie w czasie hodowli nie ma dostarczania składników pokarmowych i nie ma odprowadzania metabolitów. W trakcie wzrostu bakterie wykorzystują substraty zawarte w pożywce, a gromadzone metabolity mogą hamować wzrost bakterii.

faza zastoju (log) - w tej fazie wprowadzamy drobnoustroje do podłoża; długość tej fazy zależy od stanu drobnoustrojów w czasie ich wprowadzenia - jeżeli drobnoustroje znajdowały się w stanie głodowym w czasie wprowadzenia do podłoża bogatego w składniki pokarmowe to faza zastoju jest dłuższa gdyż drobnoustroje muszą wytworzyć enzymy niezbędne do rozkładu składników pokarmowych; w tej fazie drobnoustroje się nie dzielą

faza wzrostu wykładniczego - komórki zaczynają się dzielić; liczba komórek podwaja się zew stałą szybkością; w tej fazie występuje wzrost zbalansowany - wzrostowi komórek towarzyszy ich podział

faza stacjonarna (faza wzrostu zahamowanego) - liczba komórek nowych, które powstają odpowiada liczbie komórek obumierających (krzywa jest równoległa do osi czasu); w tej fazie wytwarzane są metabolity wtórne, np.antybiotyki

faza zamienna - przeważa obumieranie komórek w porównaniu z powstawaniem nowych; czasami może dojść do wyjałowienia

wzrost niezbalansowany - syntetyzowane są składniki chemiczne, natomiast komórki nie dzielą się (faza zastoju),

wzrost zbalansowany - liczba komórek podwaja się ze stałą szybkością

(w postępie geometrycznym) - zachodzi w fazie logarytmicznej (wzrostu wykładniczego),

FAZY WZROSTU GRZYBÓW

Metabolity pierwotne - jednakowe dla wszystkich, wytwarzane w trofofazie (faza wzrostu wegetatywnego) opowiada fazie log wzrostu. Są to m.in.białko, kwasy nukleinowe, itp.

Metabolity wtórne - specyficzne, nie są niezbędnne do wzrostu, często pełnią rolę drugorzędową, wytwarzane są w idiofazie (faza metabolizmu wtórnego, zwana fazą owocowania) pojawiającej się pod koniec fazy logarytmicznej i trwającej przez fazę stacjonarną. Są to m.in.antybiotyki i mikotoksyny.

trofofaza - faza wzrostu

idiofaza - faza produkcji (w rozumieniu metabolitów wtórnych)

Metody pomiarów wzrostu bakterii i grzyba:

• pomiar liczby komórek (organizmy 1-komórkowe) w jednostce objętości

• stężenie biomasy (drobnoustroje 1- i wielokomórkowe) jako przyrost suchej masy

• pomiar wybranych składników biomasy: białko, N - komórkowy, DNA

• szybkość oddychania komórek

• bioluminescencja - pomiar liczby komórek na podstawie wydzielanego światła (zamiana energii chemicznej - ATP - na energię świetlną)

Kryterium doboru metody hodowli jest:

1. Stosunek do tlenu

2. Cel badań

Tlenowe metody hodowli:

• Hodowle powierzchniowe - na powierzchni pożywek zestalonych lub płynnych, w warunkach statycznych

• Hodowle statyczne - w cieplarce i pokoju termostacie, cechuje je ograniczony czas życia drobnoustrojów, służą do badań morfologii, fizjologii i biochemii drobnoustrojów (podłoża stałe lub płynne)

• Hodowle wgłębne (wytrząsane) - wzrost w całej obiętości pożywki będącej w ruchu (intensywne mieszanie) na skalę przemysłową w bioreaktorach

Metody hodowli bakterii beztlenowych - hodowle w pożywkach o obniżonym Eh (potencjale oksydo - redukcyjnym) przez usunięcie tlenu na drodze:

• fizycznej, np..wypompowanie O2 (anaerostat)

• metodami chemicznymi - poprzez wprowadzenie substancji chemicznych wiążących tlen np. zestawy Gas - Pak zawierające browodorek Na lub dwuwęglan sodu

• hodowle w atmosferze beztlenowej: azot, argon, CO2

Metody hodowli drobnoustrojów:

1. Hodowle okresowe (zamknięte) - jednorazowe wprowadzenie pożywki,

zaszczepienie i prowadzenie kultury do momentu otrzymania maksimum biomasy

lub stężenia metabolitu.

zalety: prostota prowadzenia operacji, łatwość kontroli i utrzymania jałowości (nie

dochodzi do zakażeń), odnawialność inokulum

wady: niska wydajność produktu finalnego, zmienne warunki hodowli, wolniejszy

wzrost, brak możliwości regulacji stężenia substratu

2. Hodowle ciągłe (otwarte) - drobnoustroje rosną logarytmicznie

• stały regulowany dopływ świeżej pożywki

• odbiór metabolitów bez zmiany objętości pożywki

zalety: wyeliminowanie zmian warunków hodowli, jednorodności składu

fizycznego i chemicznego hodowli, większa wydajność, możliwość automatyzacji

wady: możliwość degeneracji szczepów, trudność w utrzymaniu jałowości,

tworzenie agregatów drobnoustrojów

PROCESY PARASEKSUALNE U BAKTERII

A B C

Koniugacja - (jest zależna od plazmidów) mechanizm przenoszenia materiału

genetycznego z komórki do komórki z udziałem plazmidów F; zachodzi

głównie w obrębie danej populacji

Wyróżniamy 3 typy płciowe:

• F- komórki nie posiadają plazmidu koniugacyjne4go F (czynnik F) - komórki

biorcy (żeńskie)

• F+ komórki posiadające plazmid (czynnik F) - komórki dawcy (męskie)

• Hfr plazmid F zintegrowany z chromosomem (high frequency off

recombination)

Koniugacja zależna jest od transpozonów - mobilne fragmenty DNA, które mogą przemieszczać się obrębie jednej cząsteczki DNA lub między 2 cząsteczkami DNA; występują w chromosomach i plazmidach.

Koniugacja transpozycyjna - występuje u bakterii G+

Wirusy bakteryjne można podzielić na:

• wirusy zjadliwe - zaraża komórkę, niszczy ją i opuszcza; wirus zjadliwy przyczepia się ogonkiem do określonego miejsca na powierzchni komórki bakteryjnej, a następnie wstrzykuje do jej wnętrza swój DNA, po pewnym czasie następuje replikacja kwasu nukleinowego faga i tworzone są białka kapsydu by utworzyć otoczki wokół namnożonych cząsteczek DNA, co daje funkcjonalne wiriony, które opuszczają komórkę; opisany cykl rozwojowy faga powoduje śmierć (lizę) komórki - gospodarza,

• wirusy łagodne - (lizogeniczne) po wniknięciu DNA faga do komórki gospodarza wbudowuje się w jego chromosom (w zjawisku transdukcji) i nie powoduje żadnych uszkodzeń; taki „uśpiony” DNA wirusowy jest namnażany wraz z DNA komórki przed podziałem, jego kopie trafiają zatem do komórek potomnych; łagodny wirus wbudowany w chromosom komórki nazywany jest profagiem i może on zawierać pewne geny komórki.

Etapy koniugacji:

a)pary koniugacyjne

b)przenoszenie DNA

c)rozdzielenie partnerów

Transdukcja - przenoszenie materiału genetycznego bakterii przez fagi

Wyróżniamy transdukcjie:

• ogólna - w trakcie dojrzewania faga następuje włączenie do jego główki fragmentu chromosomu bakteryjnego lub plazmidu

• specyficzna - biorą w niej udział fagi (profagi) integrujące się z chromosomem, mogą one zawierać część chromosomu bakterii i przenosić go do drugiej komórki

Wirusy są wykorzystywane jako wektory do przenoszenia pewnych cech pożytecznych dla nas.

Transformacja:

• jest to pobieranie DNA przez bakterie z otoczenia (czyli przenoszenie materiału genetycznego z jednej bakterii di drugiej przez sam DNA)

• DNA jest pobierany spontanicxznie lub po indukcji stanu kompetencji

• transformacja zachodzi głównie między szczepami tego samego gatunku lub gatunków pokrewnych

• transformowane cechy to m. in.: odporność na antybiotyki i bakteriofagi, zdolność fermentacji cukrów, rozkładu aminokwasów i syntezy witamin

Transfekcja - transformacja bakterii w wyizolowanym DNA fagowym

PROCESY PARASEKSUALNE U GRZYBÓW

U grzybów nie mających rozmnażania płciowego występuje tzw. rekombinacja mitotyczna, która zachodzi podczas cyklu paraseksualnego.

Zarys cyklu paraseksualnego u grzybów

HR - haploidalne komórki rodzicielskie, P - plazmogania, HK - heterokarion,

SM - segregacja mitotyczna, DP - diploid, DH - samorzutna haploidyzacja,

R - rekombinacja, RD - rekombinant diploidalny, RH - rekombinant haploidalny

Kolejność przebiegu procesu paraseksualnego grzybów:

• łączenie strzępek haploidalnych (HR), powstanie heterokarionu (HK),

• sporulacja heterokarium (stadium nietrwałe), w czasie której następuje segregacja jąder i powstanie (a)spor (zarodniki) tylko jednego typu, czyli 1n (SM); (b) z częstotliwością 10 -6, 10 -7, może dochodzić do kariogarium w efekcie czego część jąder zawiera 2n (są to tzw. wegetatywne diploidy czyli DP)

• wegetatywne diploidy są nietrwałe i samorzutnie (D/h) ulegają haploizydacji (2n → 1n),

• część diploidów może podlegać mitotycznemu crossig over, które zachodzi między chromosomami homologicznymi (R) i w następstwie haploizydacji tych diploidów (RD) powstają haploidalne rekombinanty (RH)

Zmiany informacji genetycznej drobnoustrojów są wywołane przez:

• rekombinacje - ogólna, homologiczna lub specyficzna

• mutacje - spontaniczne, indukowane (mutageny)

Inną przyczyną zmiany genetycznej są nagłe zmiany, czyli mutacje. Mutacje mikroorganizmów można podzielić na spontaniczne lub kierowane.

Mutacje spontaniczne zachodzą wtedy, gdy dochodzi do zmiany w konfiguracji zasad (purydynowe i pirymidynowe). Mutacje spontaniczne: tautomeria zasad, błędy replkikacji DNA.

Mutacje indukowane:

• utrata (delecja) lub dodatek (insercja lub addycja) nukleotydu

• transzycja (zastąpienie jednej puryny lub pirymidyny drugą)

• transwersja (zastąpienie puryny pirymidyną i odwrotnie)

• dimeryzacja zasad

Mutacje kierowane zachodzą pod wpływem czynników mutagennych, a spontaniczne nie wiadomo dlaczego zachodzą.

Najczęściej stosowane czynniki mutagenne:

nazwa prawdopodobny mechanizm działania

promieniowanie UV dimeryzacja pirymidyny (tymina i cytozyna) →

zakłócenie replikacji DNA; tworzenie

nadtlenków w podłożu i cytoplazmie

promieniowanie jonizujące naruszenie struktury DNA; deaminacja zasad,

(np. X i ﻻ) błęne podstawienie zasad w czasie replikacji

DNA

...

Czynniki środowiskowe warunkujące w środowiskach naturalnych żywotność:

• fizyczne - temperatura, wilgotność, ciśnienie osmotyczne, promieniowanie

• chemiczne - tlen, Eh, pH, środki dezynfekujące, antybiotyki

Temperatura jest czynnikiem determinującym:

• szybkość reakcji chemicznych (2,3 - krotny wzrost przy wzroście temperatury o 10ºC i odwrotnie)

• stan fizyko - chemiczny makrocząsteczek; obniżenie temperatury do ~0ºC zmienia strukturę wody i hamuje przebieg reakcji enzymatycznych; wzrost temperatury powyżej maksimum denaturuje białka enzymatyczne

Wpływ temperatury na szybkość wzrostu drobnoustrojów

optimum (maksymalna szybkość reakcji

enzymatycznych)

maksimum

minimum

↓ temperatura ↓

krzepnięcie membrany denaturacja białek,

cytoplazmatycznej, uszkodzenie błony

spowolnianie procesów cytoplazmatycznej

transportu prowadzące

do zahamowania wzrostu

powyżej optimum → działanie statyczne

powyżej maksimum → działanie bójcze

Zakresy temperatur rozwoju drobnoustrojów

minimalna optymalna maksymalna

psychrofile - 2.3 - 0ºC 15ºC ≤20ºC

psychrotrofy - 2.3 - 0ºC 20 - 40ºC -

mezofile 10 - 30ºC 20 - 37ºC 30 - 50ºC

termofile <40ºC >40ºC 70 - 80ºC

względne termofile >40ºC 40 - 60ºC 70 - 80ºC

bezwzględne ekstremalne - >80ºC -

(hipertermofile)

Psychrofile -(drobnoustroje zimnolubne) występują w głębokich wodach śródlądowych. Psychrofile są ważne pod względem przechowywania żywności, ponieważ mogą powodować jej psucie w warunkach chłodniczych (4ºC). Psychrofile to bakterie nieprzetrwalnikujące, często zaliczamy do nich pleśnie.

Psychrotrofy - (drobnoustroje psychrotolerancyjne) są bardziej tolerancyjne na temperaturty niż psychrofile (temperaturę optymalną mają zbliżoną do mezofili). Część z tych drobnoustrojów powoduje psucie żywności w warunkach chłodniczych (gdzie następuje zahamowanie wzrostu mezofilów), gdzie nie ma dla nich drobnoustrojów konkurencyjnych. Część z psychotrofów jest odpowiedzialna za zatrucia pokarmowe - mogą wytwarzać toksyny, które powodują zatrucia, nieżyty jelit. Yersina enterocoltica - przykład bakterii jelitowych powodujących zatrucie produktów mięsno - wieprzowych (jeżeli mięso przechowywane w warunkach chłodniczych zostanie zatrute przez te bakterie, wytwarzane przez nie toksyny mogą powodować zatrucia pokarmowe).

Czynniki odpowiedzialne za wzrost drobnoustrojów w niskich temperaturach (psychrofile):

• enzymy katalizujące reakcje metaboliczne są aktywowane w niskich temperaturach, inaktywacja: 30 - 40ºC

• aktywny transport funkcjonuje prawidłowo w niskich temperaturach

• korelacja między wysoką zawartością kwasów tłuszczowych w lipidach błony cytoplazmatycznej a wzrostem w niskich temperaturach

• hamujące działanie podwyższonej temperatury na aktywację aminokwasów i wiązanie ich z tRNA

Mezofile - należy do nich przeważająca większość drobnoustrojów. Mezofile w zależności od środowiska występowania można podzielić na steno - i eurytermiczne. Występują wśród nich zarówno bakterie przetrwalnikujące jak i nieprzetrwalnikujące oraz pleśnie. Drobnoustroje eurytermiczne - ciepłolubne, przeważająca ich część to bakterie przetrwalnikujące - laseczki, a wśród grzybów np. Aspergillus. Dla drobnoustrojów ciepłolubnych środowiska naturalne to m. in.: komposty, jelita ludzi i zwierząt, ciepłe źródła, nawozy. Drobnoustroje te mogą produkować toksyny i powodować zatrucia pokarmwe np.Listeria monocytogenes - przewód pokarmowy jest dla tej bakterii środowiskim naturalnym.

Czynniki warunkujące ciepłooporność drobnoustrojów termofilnych:

• wysoka zawartość w lipidach nasyconych kwasów tłuszczowych o rozgałęzionym łańcuchu,

• ciepłooporność białek komórkowych (m.in. związana ze sztywniejącą II i III - rzędową strukturą, obecnością większej ilości hydrofobowych aminokwasów)

Temperatury letalne:

• punkt śmierci cieplnej - największa temperatura, w której wszystkie komórki danego gatunku ulegają zabiciu w ciągu 10 minut; drobnoustroje niezarodnikujące 50 - 60ºC, zarodnikujące 100 - 120ºC (drobnoustroje niezarodnikujące - nie wytwarzają przetrwalników, wegetatywne)

• czas śmierci cieplnej - najkrótszy czas niezbędny do zabicia drobnoustrojów w określonej temperaturze

Woda - wysuszenie

Woda wywiera wpływ:

1. Bezpośredni na drobnoustroje - składnik struktur komórkowych, czynnik warunkujący

aktywność enzymatyczną.

2. Pośredni - rozpuszczanie składników pokarmowych i transport składników, wpływ na

wartość ciśnienia osmotycznego.

Jeżeli drobnoustroje rozwijają się w środowisku naturalnym to istotna jest w nim zawartość wody. Gdy środowiskiem tym jest np. gleba to optymalna ilość wody wynosi 50 - 60% całkowitej pojemności wody. Wtedy drobnoustroje mają odpowiednią ilość wody i tlenu (występuje równowaga, intensywny wzrost, mineralizacja). Jeżeli zaw3artość wody rośnie do 100% woda zaczyna wypierać tlen - zachodzą procesy fermentacji, co jest niekorzystne dla środowiska. 15 - 20% wody - graniczna ilość wody, następuje susza atmosferyczna, tylko niewielka ilość drobnoustrojów może rozwijać się w takich warunkach.

Aktywność wodna (aw) - (miernik aktywności wodnej) określa stosunek ciśnienia pary

wodnej nad danym roztworem do ciśnienia pary wodnej nad

czystą wodą

P N1

aw = — = ———

Po N1 + N2

gdzie:

P - ciśnienie pary wodnej nad roztworem

Po - ciśnienie pary czystego rozpuszczalnika

N1 - stężenie molowe wody

N2 - stężenie molowe substancji rozpuszczonej

aw czystej wody = 1

Wraz ze wzrostem stężenia związków rozpuszczonych aw spada poniżej 1.

Zakres minimalnej aktywności wody (aw) drobnoustrojów:

• bakterie 0,85 - 0,99 (optymalna aw dla większości bakterii 0,96 - 0,99; halofile aw = 0,785)

• drożdże 0,60 - 0,88 (osmofile aw = 0,60)

• grzyby strzępkowe 0,60 - 0,91 (kserofile aw = 0,60)

Grzyby są odporniejsze na przesuszenie środowiska niż bakterie, dlatego produkty przechowywane w suchych warunkach będą atakowane głównie przez grzyby.

Liofilizacja - proces wysuszenia pod próżnią ze stanu zamrożenia (wtedy woda jest w stanie

amorficznym)

Gdy wzrasta uwilgotnienie spada ciśnienie osmotyczne i odwrotnie.

halofile - są odporne na wzrost stężenia soli kuchennej (na chlorki)

osmofile - są odporne na wysokie ciśnienie osmotyczne

Jeżeli ciśnienie osmotyczne w jakimś środowisku wynosi do 2% to większość drobnoustrojów rozwija się dobrze, jeżeli natomiast ciśnienie osmotyczne (stężenie substancji osmotycznie czynnych) wzrasta powyżej 2% to wzrost drobnoustrojów jest hamowany.

Według zapotrzebowania na NaCl drobnoustroje dzieli się na:

• niehalofilne - rosnące przy niskich stężeniach NaCl

• względne halofile - rosnące dobrze przy wyższych stężeniach (średnio około 7 - 10%NaCl)

• bezwzględne halofile - minimum 12 - 20% NaCl, optimum 20 - 30%, a przy stężeniu 8 - 10% NaCl ulegają lizie, np. Halobacterium

Skrajne halofile - („czerwone halofile”) wytwarzają różowe lub czerwone barwniki z grupy karotenoidów; za czynnik warunkujący halofilność tych bakterii uważana jest budowa osłon komórkowych (sztywna 3 - warstwowa struktura o charakterze kwaśnym zawierająca fosfatydy). Przykładem czerwonego halofila jest Seratia marcescens (S.salivaria); powodują one psucie produktów o wysokim stężeniu soli (np.ryb), są to również kserofile - odporne na niską zawartość wody i wysokie stężenie osmotyczne.

Drobnoustroje są wrażliwe na wysokie ciśnienie osmotyczne ponieważ ulegają wtedy plazmolizie (tracą wodę i następuje denaturacja białek).

Podział drobnoustrojów w zależności od zapotrzebowania na tlen:

• bezwzględne beztlenowce - dla nich tlen jest toksyczny i w jego obecności nie mogą się rozwijać ani rozmnażać; Eh = 0.2V

• względne beztlenowce - mogą żyć w obecności lub przy braku tlenu, wykorzystują do procesów oddychania tlen wolny lub inny substrat energetyczny

• tlenowce - tlen jest niezbędny do ich rozwoju; Eh = + 0.2 - + 0.4V

mikroaerofile - rodzina względnych beztlenowców, mogą rozwijać się w warunkach

tlenowych ale to stężenie tlenu powinno być niskie

Bezwzględne bezxtlenowce:

• nie posiadają mechanizmów ochrony przed toksycznymi rodnikami (nadtlenek wodoru, rodnik hydroksylowy i nadtlenkowy), brak katalazy, peroksydazy i dysmutazy rozkładających toksyczne połączenia tlenu,

• występują w osadach dennych, bagnach i podmokłych glebach, przewodzie pokarmowym ssaków, wtórnie np. w wkonserwach,

Działanie promieniowania:

• aktywność biologiczna promieniowania elektromagnetycznego zależy od długości fali,

• najsilniejsze działanie posiada promieniowanie o krótkiej długości fali (silnie absorbowane przez makro molekuły i odwrotnie),

• na drobnoustroje najsilniej działają promienie jonizujące i ultrafioletowe

Mechanizm działania promieni UV i jego skutki (230 - 275):

• powstanie dimerów tyminy oraz tyminy i cytozyny między dwoma niciami DNA (działanie bakteriobójcze lub mutagenne),

• hydratacja cytozyny (działanie mutagenne)

• powstanie wolnych rodników i podtlenków w podłożu

sterylizacja radiacyjna - sterylizacja za pomocą promieni UV, stosuje się ją wtedy, gdy nie

można zastosować innych sposobów sterylizacji (np.sale

operacyjne, powietrze)

pH - jest funkcją logarytmiczną i dlatego różnica jego wartości o 1 oznacza 10x większą kwasowość lub zasadowość; ph = log10 (H+)

Wpływ pH na mikroorganizmy jest:

• bezpośredni - nadmierne stężenie H+ lub OH- hamuje przemiany metaboliczne oraz proporcje w wytwarzaniu i zużyciu ATP,

• pośredni - poprzez wpływ na rozpuszczalność a tym samym przyswajalność jonów, stopień dysocjacji: formy niezdysocjowane słabych kwasów i zasad łatwiej są przyswajane

Optymalne pH:

• dla większości drobnoustrojów pH 6.5 - 7.5

• drożdże i pleśnie pH 4.0 - 6.0

• bakterie - pH 6.5 - 7.5

Na podstawie optimum pH drobnoustroje dzieli się na:

• neutrofile - pH 6.5 - 7.5

• acidofile (kwasolubne) pH 2.0 - 5.0; acidofile występują m.in. w kiszonkach (pH przynamniej 4.2)

• alkalofile (zasadolubne) pH 8.0 - 11.0

Przykłady:

• drobnoustroje kwasolubne: drożdże i pleśnie, bakterie mlekowe, octowe Thiobaccillus (nawet pH<0.5)

• drobnoustroje zasadolubne: bakterie nitryfikacyjne, Azotobacter, bakterie mocznikowe

pH często wykorzystuje się jako czynnik konserwujący.

Dezynfekcja - zabijanie, hamowanie, eliminowanie drobnoustrojów za pomocą czynników

chemicznych.

Rodzaje związków dezynfekujących i ich skuteczność przeciwdrobnoustrojowa:

• związki chloru: podchloryn sodu, chloramina - aktywność biobójcza (bakterie, wirusy, grzyby, przetrwalniki); dezynfekcja wody wodociągowej, ścian i powierzchni chłodni i komór składowych

• jodofory: kompleksowe połączenia jodu z różnymi biopolimerami lub związkami powierzchniowo - czynnymi (niszczą komórki wegetatywne bakterii i grzybów oraz wirusy); dezynfekcja powierzchni nie mających kontaktu z żywnością

• czwartorzędowe sole amoniowe (QAC): najczęściej stosowane w krajach UE środki dezynfekujące, szczególnie skuteczne wobec G+, niektórych grzybów, G - mogą być oporne

• związki nadtlenowe m. in. nadtlenek wodoru, kwas nadoctowy;

kw. octowy: dezynfekcja linii produkcyjnych w browarach, zakładach winiarskich i innych zakładach przemysłu spożywczego

• alkohole: alkohol etylowy - antyseptyk, formy wegetatywne (+)

Przykłady innych związków używanych do dezynfekcji:

• aldehydy: dezynfekcja ścian i podłóg; bakterie G+, G -, wirusy i grzyby

• sole metali ciężkich: antyseptyki

• barwniki m.in. anilinowe i akrydynowe: antyseptyki; działają głównie na bakterie G+

• fenol i jego pochodne: właściwości przeciwbakteryjne i przeciwprątkowe (prątki - wykobakterie powodujące gruźlice płuc); fenol zabija formy wegetatywne (+) jak i przetrwalne (-)

antyseptyki - środki dezynfekujace, które można stosować bezpośrednio na skórę człowieka

lub zwierząt

Mechanizm przeciwdrobnoustrojowego działania środków dezynfekcyjnych:

• uszkodzenie funkcji błony: (uszkodzenia te powodują wyciekanie składników z komórki lub rozregulowanie pobierania składników pokarmowych) jodofory, QAC

(czwartorzędowe sole amonowe)

• denaturacja białek: związki chlorku, alkohole, związki fenolowe,

• degradacja kwasów nukleinowych: barwniki akrydynowe

• utlenianie grup SH: jodofory, związki nadtlenowe, sole metali ciężkich (blokują grupę SH poprzez tworzenie siarczków), interkalacja - hamowanie replikacji DNA, degradacja kwasów nukle4inowych, wbudowywanie cząsteczek barwnika między zasady w łańcuchu polinukleinowym DNA (tworzą się tzw.pseudozasady),

Preparaty dezynfekcyjne mogą działać albo bójczo albo statycznie.

Antybiotyki - swoiste substancje wytwarzane przez drobnoustroje i działające na inne drobnoustroje; są to substancje aktywne w minimalnych dawkach (1ppm, rozcieńczenia 1:10⁶)

Producenci antybiotyków:

• promieniowce (ok.60%)

• grzyby (ok.20%)

• bakterie właściwe (ok.10%)

Wszystkie antybiotyki zaliczamy do metabolitów wtórnych, czyli wytwarzane są one w fazie „owocowania”. Antybiotyki wykorzystuje się głównie do eliminacji bakterii chorobotwórczych. Oprócz tego działają one również przeciwgrzybowo i przeciwpierwotniaczo. Pewne antybiotyki dodaje się do pasz zwierząt hodowlanych jako czynnik konserwujący, przyśpieszający dodatkowo ich wzrost przez zmianę składu i aktywności mikroflory jelitowej. Antybiotyki wykorzystywane są także w biologicznej ochronie roślin.

Mechanizm działania antybiotyków - interferencja z metabolizmem drobnoustrojów, a w szczególności hamowanie:

• syntezy ściany komórkowej (penicyliny, cefalosporyny, nystatyna, erytromycyna, prizeofulnina)

• zmiany przepuszczalności błony komórkowej (polimyksyna, bacytracyna)

• hamowanie syntezy białka (tetracykliny, streptomycyna, chloramfenicol, neomycyna)

• hamowanie syntezy kwasów nukleinowych (aktynomycyna, daunomycyna, rifanycyny, nitomycyna)

Podział antybiotyków w zależności od budowy chemicznej i ich aktywność biologiczna:

• antybiotyki β - laktamowe: penicyliny, cykloseryna, cefalosporyny; G+(paciorkowce, gronkowce), G -

• antybiotyki aminoglikozydowe: streptomycyna, neomycyna; działanie bakteriobójcze; G+(gronkowce, paciorkowce), G - , prątki

• antybiotyki peptydowe: bacytracyna, granicydyna (w tym cykliczne peptydy), aktynomycyna; działanie ogólne bakterio - i grzybobójcze oraz przeciwnowotworowe

• tetracykliny: oksytetracyklina, chlorotetracyklina; działają na bakterie G+, G - i riketsje

• pochodne aminokwasów: cykloseryna; działanie bójcze na bakterie G+, G - , krętki, chlamydie

• antracykliny: daunomycyna, adriamycyna; działanie przeciwnowotworowe

• antybiotyki polienowe(przeciwgrzybowe): nystatyna, amfoterycyna

WZAJEMNE ODDZIAŁYWANIE MIĘDZY DROBNOUSROJAMI ORAZ DROBNOUSROJAMI I ROŚLINAMI

Wzajemne oddziaływanie miedzy drobnoustrojami:

• bezpośrednie: (występuje rzadko) pasożytnictwo w tym mykopasożytnictwo, oddziaływanie polega na fizycznym kontakcie mikroorganizmów

• pośrednie: (bardzo rozpowszechnione) poprzez modyfikacje środowiska

Przykładem korzystnego oddziaływania bezpośredniego może być ziarno kefirowe - naturalne kolonie dwóch drobnoustrojów (bakterie mlekowe i drożdże), które żyją ze sobą w symbiozie. Bakterie mlekowe wytwarzają kwas mlekowy, co sprzyja wzrostowi drożdży, a drożdże wytwarzają witaminy z gr.B co pomaga wzrostowi bakterii mlekowych.

Pasożytnictwo - jeden mikroorganizm żuje kosztem drugiego; do pasożytnictwa zalicza się też mykopasożytnictwo - czyli pasożytnictwo grzyba na innych grzybach, oparte na działaniu mykolitycznym (wytwarzanie enzymów rozkładających ściany komórkowe grzybów).

1. Oddziaływanie antagonistyczne (ze szkodą dla jednego partnera):

• konkurencja: o pokarm, tlen, przestrzeń; wytwarzanie nieswoistych substancji hamujących tj. H2S, NH3, CO2, kwasy organiczne i inne

• antybioza: hamowanie rozwoju jednych drobnoustrojów przez inne za pomocą swoistych metabolitów zwanych antybiotykami działających wybiórczo na drobnoustroje

• mikoza: rozpuszczanie osłon komórkowych grzyba, utrata protoplazmy pod wpływem enzymów litycznych: chitynaza, laminaryna, celulaza, proteazy

2. Oddziaływanie mutualistyczne:

• protokooperacja (lub symbioza mutualistyczna - mutualizm): wzajemne korzysci ze współrzycia obu mikroorganizmów

• synergizm: swoista forma współdziałania drobnoustrojów wywołująca swoistą zmianę środowiska, której żaden z nich samodzielnie nie spowoduje

Przykładem protooperacji może być symbioza tlenowców i beztlenowców w warunkach naturalnych np. w glebie. Beztlenowce mają stworzone warunki do życia przez aktywne wykorzystanie tlenu przez tlenowce, a tlenowce korzystają z produktów przemiany materii beztlenowców (są to głównie kwasy organiczne, produkty końcowe fermentacji). Innym, przykładem protooperacji jest współdziałanie bakterii nitryfikacyjnych z grupy Nitroso z bakteriami z grupy Nitro podczas procesów denitryfikacyjnych. Bakterie z grupy Nitroso redukują azotany do azotynów (związki bardzo szkodliwe), które niemal natychmiast są wykorzystywane przez bakterie z grupy Nitro i utleniane do amoniaku.

Przykładem synergizmu jest współżycie St.auveus(gronkowiec złocisty) i Salmonelli. Jeżeli te bakterie rosną w podłożu z laktozą, to wytwarzany jest gaz i kwas co umożliwia ich wykrycie. Jeżeli natomiast rosną osobno to gronkowiec rozkłada cukier do kwasu, a Salmonella fermentuje kwas z wytworzeniem gazu.

3. Komensalizm: stymulacja rozwoju jednego mikroorganizmu przez drugi, który nie czerpie

z tego korzyści (ale nie ponosi też strat).

4. Metabioza (odmiana komensalizmu): kolejne wykorzystywanie produktów metabolizmu

(lub warunków) jednego mikroorganizmu przez drugi w określonym szeregu

drobnoustrojów.

Przykładem środowiska, w którym mamy do czynienia z metabiozą jest mleko, które ulega kwaśnieniu. W świeżym mleku pozostawionym w temperaturze pokojowej zaczynają namnażać się bakterie tlenowe, które wykorzystują tlen, w wyniku czego powstają warunki beztlenowe. W takich warunkach paciorkowce mleczne prowadzą fermentację i rozkład laktozy. Wzrastające stężenia kwasu mlekowego zaczyna hamować rozwój paciorkowców, sprzyja natomiast rozwojowi pałeczek mlekowych. Po pewnym czasie na powierzchni kwaśnego już mleka rozwija się pleśń Geotrichum, która w warunkach tlenowych utlenia kwas mlekowy do propionowego. Następną grupą mikroorganizmów działających w mleku są bakterie proteolityczne. Przykład ten przedstawia sukcesję zespołów.

Oddziaływanie drobnoustrojów i roślin wyższych:

• oddziaływanie bezpośrednie:

• stymulujące: symbioza bakterii brodawkowych (Rhizobium, Bradyrhizobium) z roślinami motylkowymi (soja, fasola, groch); mikoryza (współrzycie grzybów z korzeniami roślin)

• hamujące: drobnoustroje fitopatogenne (bakterie i grzyby pasożytujące na roślinach)

Cechy charakteryzujące symbiozę bakterie brodawkowe - motylkowate (symbioza warunkowana genetycznie):

• wirulencja: zdolność do zakażania rośliny

• specyficzność: zdolność do zakażenia homologicznej rosliny

• efektywność: zdolność wiązania azotu (atmosferycznego) w brodawkach

Rizobia i ich gospodarz roślinny

rodzaj gatunek gospodarz roślinny

Rizobium meliloti lucerna, nostrzyk

(Medicago, Melilotus)

Rizobium leguminosarum groch (Pisum)

fasola (Phaseolus)

Bradyrhizobium japonium soja (Glycine)

Genetyczne czynniki kierujące procesem wiązania azotu (rożłożone między roślinnego gospodarza i bakterie):

• geny nif: proces wiązania N2 - plazmid bakterii

• geny nod: tworzenie brodawek - plazmid bakterii

• geny inf: infekcja (wnikanie do komórek korzenia - plazmid bakterii)

• geny roślinne warunkujące syntezę lektyn (pochodne flawonowce i fenelowce) - swoiste rozpoznania włośnika

• geny roślinne warunkujące syntezę hemoglobiny - „zmiatacz” tlenu

Mechanizm wiązania tlenu atmosferycznego jest mechanizmem o charakterze redukcyjnym. Kluczowym związkiem jaki powstaje trakcie wiązania azotu jest amoniak.

Wiązanie azotu cząsteczkowego

procesy energiotwórcze Schemat działania kompleksu

(oddychanie, fotosynteza) nitrogenazy. Podczas redukcji N2

↓ē do NH3. Składniki kompleksu

ferredoksyna nitrogenazy (reduktaza nitrogenazowa

↓ē i właściwa nitrogenaza) ulegają

ATP reduktaza cyklicznej asocjacji i dysocjacji.

nitrogenazowa

(białko Fe)

ADP ↓ē

nitrogenaza

(białko Mo - Fe)

N2 2NH3

Etapy redukcji N2 do NH3

N≡N

↓ 4H→H2 wodór cząsteczkowy jest

HN═NH zawracany i wykorzystywany

↓2H do regeneracji nitrogenazy

H2N - NH2 (wodór ten wiąże hydrogenaza)

↓2H

2NH3

N2 + 8H⁺ + 8ē + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16P

Różnice między formą wegetatywną a bakteroidem bakterii brodawkowych:

forma bakteroid

wegetatywna

wolnożyjące występuje w brodawce

pałeczka forma inwolucyjna

(zamieniona)

nie wiąże N2, korzysta wiąże N2 w symbiozie

ze związków azotu z rośliną

w środowisku

Z powstałego amoniaku w wyniku symbiozy bakterii brodawkowych z roślinami motylkowymi, tworzą się aminokwasy, a następnie zachodzi biosynteza białka (białko jest końcowym produktem wtórnym).

Mikoryza - współżycie korzeni roślin lub innych organów bezzieleniowych rośliny z

grzybami glebowymi (powszechne współżycie roślin uprawnych)

myces - grzyb

rhiza - korzeń

Typy mikoryzy:

• ektomikoryza

• endomikoryzy

---