MIKROBIÁLIS ÉLETTANA. kén és foszfát ellátottság, valamint fém ionok jelenléte.

Átírás

1 MIKROBIÁLIS ÉLETTANA Tantárgyfelelős: Dr. Szentirmai Attila Oktató: Tanszék: Mikrobiológiai és Biotechnológiai Tanszék Megkövetelt előzmény: Képzés: Biológus, biológiatanár Periódus: 2 Óraszám: Kredit: 3 Számonkérés: Kollokvium (1) A mikroszervezet fogalma: Mikroszkopikus méretű állandóságra törekvő, de változékony önreprodukcióra, és fejlődésre (evolúcióra) képes lények. Képviselőik külső energiaforrást hasznosítva szelekciós nyomás alatt álló önszabályozott rendszerként a környezet adta lehetőséget optimálisan hasznosítva léteznek. A fizikai és kémiai jellegű reakciókra visszavezethető élet a maga teljes bonyolultságában a mikroszervezetek egy-egy sejtjében jelenik meg. Ezek a szervezetek gazdaságos életvitelt kimunkálva, a létért folytatott küzdelemben bizonyos fokú dinamikus egyensúlyra törekedve népesítik be a rendelkezésre álló élőhelyet. A fiziológia szakterületének művelője a Hogyan történik? kérdésre akar korszerű választ adni, nem pedig hipotézist gyártani a Miért és hogyan történt? kérdést feszegetve. A fiziológia az élettani történés (életjelenség) mechanizmusát korszerű fizikai-kémiai ismeretek szintjén próbálja felderíteni. Hippokrates ( ) a tapasztalatgyűjtést szorgalmazza Aristoteles ( ) az ismeretek rendszerezését tartja fontosnak Galenus ( ) a módszeres kutatás apostola Harvey ( ) Descartes ( ) a kísérletezés eredményeitől várja a döntő fordulatot, az előrelépést A XIX-ik század kutatói a biofizikai- biokémiai alapozást indítják. A XX-ik század a szabályozás mechanizmusát tárja fel. A molekuláris-biológia a genetika szintjére emeli az élővilág szakszerű leírását. A megismerés érdekében klónokat vizsgál, kiragadva őket a fizikai-kémiai környezet és az élő szervezet folytonos kölcsönhatást biztosító életteréből, Az ipari gyakorlat céljára kiválasztott egyed célfeladata szempontjából a külső tényezők legkedvezőbb kombinációja jelenti a fiziológiai optimumot. A környezetet jellemző fizikai paraméterek: halmazállapotot (gáz, folyadék, szilárd fázis) befolyásoló hőmérséklet és nyomás ozmotikus viszonyok,féligáteresztő hártyán diffúziót előidéző ozmózis nyomás ionkitevő: a koncentráció tizes alapú negatív logaritmusa; p x = log(x) elektromágneses kölcsönhatás (foton kibocsátás, elnyelés. Luciferáz, fényérzékenység) elektrolízis elektromos áramforrás hatására (fordítva áramtermelés Geobacteriaceae) oxidációs potenciál:oxidálóképesség nornmál-redoxipotenciállal jellemezve A környezet kémiai összetétele: szénforrás, nitrogénforrás, kén és foszfát ellátottság, valamint fém ionok jelenléte.

2 Az életben maradás feltétele: folytonos elektronmozgás biztosítása a donortól az akceptorig. Az energia-kvantum forrásául szolgál a sejt és környezete között jelentkező elektron-potenciál grádiens. (2) A KÖRNYEZET KIALAKULÁSA, A földtörténet során bekövetkező fizikai kémiai tulajdonságának változása A növekedésre és szaporodásra képes mikroorganizmus megjelenése a vízi illetve szárazföldi élettérben Első lépésként említhető az élő szervezet (sejt) és környezete közötti kapcsolattartás lehetőségét, de ugyanakkor attól való elhatárolódást is biztosító szerveződés (szelektíven áteresztő hártya, kétrétegű membrán) létrejötte. Prokarióta membrán szerkezete és képződése (élettani viszonyok befolyásoló szerepe) az ősbaktériumokban glicerin-bisz-o-fitanil-éter bioszintézise acetil-coa ból és glicerin foszfátból az eubaktériumokban foszfolipid szintézise, hőmérséklet függő telítetlenség megjelenése zsírsav szintézis és lebontás egymástól eltérő útja külső membrán szerkezete felépítése A membrán fehérje-komponensének képződése. Enzimek a membránban. Transzport folyamatokat elősegítő mechanizmus szerveződése A környezetből makro és mikro mennyiségben felvehető anyagok fémionok, metabolizálható szénforrás, ammónia, vitamin jellegű anyagok A gomba membrán (plazmalemma) szerkezete, képződése Szterin építőelem képződése és funkciója A növekedés feltétele: A környezetből felvehető elektronforrásként használható szubsztrátum Hidrogén Fémek Szénhidrogének Lipidek Szénhidrátok A környezetben előforduló elektronakceptorként használható vegyületek Szén-dioxid Nitrogén Kén Oxigén Szulfát Nitrát (3) A SEJTFAL RENDELTETÉSE Mechanikus károsító hatást elviselő szerveződés kialakulása A szerveződés stabilitása, fennmaradása, képződése.

3 A Gram pozitív és Gram negatív Eubaktériumokban a peptidoglükán sejtfal felépítése Képződési mechanizmusa Sejtfalszintézis élettana, szabályozása Az építőelemek bioszintézise a citoplazmában Az építőelemek átjuttatása a citoplazma membránon A peptidoglükán sejtfal végső összeszerelése a perplazmikus térben Glükozidos kötés kialakítása Peptid kötés kialakítása A sejtfal lebontása, Lizogenitás jelensége. Az Ősbaktériumokban elterjedt pseudomurein sejtfal szerkezet és felépítése Gomba sejtfal szerveződése, képződése, lebontása A fonalas gomba appikálias növekedése Sarjadzás Saccharomyces cerevisiae Hasadás Schizosaccharomyces pombe (4) REDUKÁLÓ KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT KIALAKULÓ SEJT A sejtet felépítő vegyületcsoportok: szénhidrátok képződése A citrát ciklus működése reduktív körülmények között Glükóz neogenezis Hexóz monofoszfát út (pentóz ciklus) működtetése A nukleinsav képződéshez szükséges ribóz és dezoxiribóz igény kielégítése, továbbá az aromás aminosav bioszintézis táplálása céljából. A membrán építőelemek (Alkoholok éterei) képződése, Zsírsavak, fehérjék (enzimek, hisztonok), nélkülözhetetlen vitaminok, nukleinsavak képződése. szén-dioxid felvétele, és redukciója a metanogénekben A metán képződése energia kvantumként ATP-t szolgáltat Példaként vizsgáljuk a pseudomurein sejtfalat képző hidrogént és széndioxidot hasznosító Methanococcus fajok tulajdonságait, továbbá a sejtfalnélküli Thermoplasma acidophilum életvitelét (5) OXIGÉN JELENLÉTÉBEN KIALAKULT MIKROVILÁG ÉLETTANI VISZONYAI A környezetből felvett szénhidrát glikolitikus lebontása szén dioxid és víz képződéséig Piruvát dehidrogenáz aktivitás és acetil-coa képződés Krebs ciklus működése aerob körülmények között A citoplazma redukáló állapotának megőrzése a hexózmonofoszfát út NADPH termelésével Hexóz monofoszfát út a ribózképződést biztosítja A thioredoxin szerepe a redukált állapot fenntartásában (timin szintézis) Szénhidrogén mint szénforrás, hasznosuklás Ecetsav szénforráskénti hasznosulása (lebontása) Glicerin egyedüli szénforrásként hasznosulhat, katabolikus represszív hatása Katabolizmus szabályozása a prokariótákban és a gombákban A növekedési fázisban képződő glutation primer szerepe: a fehérje szuintézis aminosav igényének kielégítése, az aminosav felvételben játszott szerepe által

4 (6) ENERGIANYERÉS MECHANIZMUSA A MIKROSZERVEZETEKBEN Energia nyerés az elektron transzportból(dehidrogénezés), Energia raktározás: Pirofoszfát kötésben ATP Vegyesanhidrid formában acetil-foszfát Aktív észter formájában PEP, Energia hasznosítás:biszintetikus folyamatok energiaigényének kielégítése; DNS szintézis, replikáció RNS szintézis, transzkripció Fehérjeszintézis, transzláció Poszt-transzlációs folyamatok jelentősége {Külső energiaforrást használva a hőmérséklet-grádiensből nyerhető energia (hőelem), a kémiai kötésben rejlő energia mobilizálása (elektromos elem), illetve a fényelem (fémiont tartalmazó tetrapirrol származékok) jelenthet megoldást} Krebs ciklus és a terminális oxidáció (oxidativ foszforiláció) a prokariótákban Hem szerkezete, szintézise, citokromok, klorofillek Szubsztrátszintű foszforiláció Alternatív légzési út feladata és működése A mitokondrium szerveződése Neurospora crassa esetében A mitokondrium megjelenése az élesztő féléknél az anyagcsere függvényében. Az öregedés élettani vonatkozásai, plazmid szerű képletek megjelenésével (7) A KÉN BIOGEOKÉMIAI KÖRFOLYAMATA Szulfát asszimiláció aerob és anaerob körülmények között E. coli példáján Szulfátlégzés szigorúan anaerob körülmények között Desulfovibrio példáján Az elemi kén redukálása anaerob körülmények között thermofil Desulfuromonas ősbaktérumokkal Az elemi ként aerob körülmények között szulfáttá oxidáló Thioplaca, Thiothrix fajok 5-10 %- os kénsavban is képesek szaporodni. (8) FÉNYENERGIA HASZNOSÍTÁS Protonpumpaként működő bakteriorhodopszin a Halobacterium halobium-ban Anaerob elektronáramlás fenntartása Chlorobium limicola és a Chromatiom okenii példáján Oxigént termelő Cyanobacterium-ban tilakoid membránba rögzítve dolgozik a két fotorendszer, Az Oscillatoria princeps példáján bemutatva a mikroszervezet tevékenysége: a vízbontás közben felszabaduló elektront használja fel a NADP + redukciójára Karboxiszómájukban működő ribulózbiszfoszfát-karboxiláz köti a szén-dioxidot (9) A NITROGÉN CIKLUS KIEGYENSÚLYOZOTT MŰKÖDÉSE. Nitrogén körforgalom

5 Ammónia asszimiláció: Reduktív ammónia felvétel Transzamináz Glutamin szintetáz (Az adenilezett enzim szabályozó szerepe) A mitrát asszimiláció (nitráttól ammóniáig) 8 e -t igényel Nitrát légzés! Anaerob körülmények között nitráton nem növekednek. Ammonifikáció (szerves vegyületek mineralizációja) Nitrifikáció Nitrosomonas és Nitrobacter fajok egymást követő tevékenysége (az ammonia >>>>>> nitrit >>>>> nitrát képződés végül a talajvizet mérgezi) Denitrifikáció Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans példáján Anaerob körülmények között 1 mol glükóz terhére 197 kj energia és 2 mol tejsav szabadul fel, nitrát jelenlétében viszont 2386 kj energia jelenik meg. Aerob körülmények között 1 mol glükóz égése 2872 kj energiát szolgáltat. Nitrogénkötés Dinitrogén kötés Anabena cylindrica heterocisztáján bemutatva Klebsiella pneumoniae nitrogenáz rendszerének működése Rhizobium fajok szerepe a pillangós növényekben Frankia fajok szerepe (10) NITROGÉN-ANYAGCSERE A MIKROVILÁGBAN Esszenciális és nem esszenciális aminosavak szintézise A bioszintézis szabályozása enzimszinten (feed-back) A bioszintézisért felelős enzimek képződésének szabályozása (represszió) Az attenuátor régió szabályozza a bioszintézis struktúrgénjeinek átírását Aminosavak lebontása, a lebontó enzimek képződésének szabályozása A riboszómális fehérjeszintézis áttekintése, energia igénye A riboszóma kémiai szerkezete, felépítésének szabályozása Az eubaktérium és az őasbaktérium, valamint az eukarióta riboszóma szerkezetének összehasonlítása, működésének szabályozása Az mrns kémiai szerkezete, szerepe, életideje, RNáz működése A prokarióta és eukarióta szervezetben a mrns képződése, Az RNS polimeráz szerkezete, működése és szabályozása Katabolikus represszió, indukció, Nukleotídok bioszintézise, lebontása, a képződés szabályozása Nukleinsav szintézis, lebontás, DNáz működése A prokarióta és az eukarióta replikáció összehasonlítása, Szabályozása Kromoszómális és extrakromoszómális információ a mikroszervezetben. Plazmidok élettani jelentősége (11) ENDOSPÓRAKÉPZÉS ÉS A SPÓRA CSÍRÁZÁS bemutatása Bacillus subtilis Streptomycetaceae családban Maduromycetaceae családban Thermomonosporaceae csakládban Actinoplanaceae családban Sporangiumot képző Actinomycetes csoportban Micropolysporaceae családban Thermoactinomyces csoportban Konidium képzés a gombákban

6 Rhizopus nigricans aszexuális spóraképzése Neurospora crassa aszexuális spóraképzése Aspergillus nidulans konidium képzése Ivaros szaporodáashoz kötött spóraképzés a járomspórás és a tömlős gombáknál Mucor hiemalis esetén tárgyalva Neurospora crassa aszkusz képzése A csészegomba ivaros ciklusa Bazidiumos gomba életciklusai Puccinia graminis (gabonarozsda) spóraképzése Gombaspórák tulajdonságai, Tömlős-gombaspórák csírázása Asdpergillus niger esetében tárgyalva Zymomycota (Saccharomyces cerevisiae) ivaros spóraképzése Túlélést szolgáló akinéta sejtek képződése a Cyanobaktériumoknál (12) NÖVEKEDÉS ÉS SZAPORODÁS Vegetatív növekedés vizsgálata. [klón vizsgálata] Növekedési ciklus vizsgálata szinkronizáltan növekedő tenyészetben Fiziológiai összefüggések felderítése kemosztát kultúrában. Egy-egy táptalajkomponens limitációjával Foszfát limitácó! [1g száraz sejt 30 mg foszfort tartalmaz] Higítási ráta változtatásával Optimális növekedés komplett táptalajon Exponenciálisan növekedő tenyészet sejtjeinek áthelyezése minimál táptalajra A genom ismeretében a derepresszió detektálása; mrns képződés mérésével és enzimszint méréssel Konjugáció lehetősége a prokariótáknál Sexpilus képződés az eubactériumoknál, Escherichia coli F-faktor hatására Növekedési ciklus vizsgálata élesztőnél Ivaros és vegetatív szaporodás Saccharomyces cerevisiae fejlődési ciklusainak vizsgálata Az élettani körülmények szabályozó szerepe (13) EUBACTERIUM MOZGÁSSZERVEinek képződése, működése, szabályozó mechanizmusa Escherichia coli példáján bemutatva Caulobacter crescentus ostormozgató mechanizmusának ismertetése A receptor működése Foszforiláz foszfatáz rendszer szabályozó szerepe A GOMBASEJT mozgató szervének szerveződése és működése (14) MIKROBIÁLIS ELJÁRÁSOK KIDOLGOZÁSA Az ipari tevékenység céljára kiválasztott szervezetek természetes, vagy célzottan előállított öröklött genetikai állományát a bonyolult élettani összefüggések ismeretében kialakított eljárásban lehet hasznosítani.

7 A Penicillin gondos ph ellenőrzés, limitált glűkóz szint, szigorú hőmérséklettartás mellett, a termelő Penicillium chrysogenum törzs idegen mikro-organizmustól mentes, idiofázisban lévő tenyészetében képződik. Citromsav az Aspergillus niger állandó ellenőrzés mellett fenntartott törzsének, idegen mikroorganizmust nem tartalmazó, Mn mentes körülmények között, 24 C-on nőtt, intenzíven levegőztetett, idiofázisban tartott tenyészetében glükózból (melaszból) képződik. L-glutaminsav Micrococcus glutamicus biotinban hiányos minimál táptalajon 29 C-on növekedő tiszta tenyészetében glükózból, illetve melaszból képződik. L-lizin termelésre a Corynevbacterium glutamicum melaszt és szójalisztet tartalmazó táptalajon, 29 C-n növekedő lizin analógra rezisztens, Thr, Met, Ala, Leu mutánsa használható. Szitoszterinből kiindulva androszt-4-én-3,17-dion nyerésére gazdaságosan kivitelezett eljárásban a Mycobacterium phlei 9-oxigenáz hiányos mutáns törzse használható. Hőtűrő proteáz előállítására használható a 35 C-on növekedő Bacillus subtilis módosított proteáz gént tartalmazó mutánsa. A példaként felsorolt eljárások kidolgozásakor minden esetben nem a mikroorganizmus növekedése, hanem a céltermék képződése szempontjából optimális fizikai és kémiai körülmény meghatározása volt a feladat.