ISHRANA I METABOLIZAM BAKTERIJA

• Ishrana bakterija je proces koji omogućava prijem i korišćenje svih hranljivih materija

• S obzirom na način korišćenja hranljivih materija, bakterije se dijele u dve velike grupe :AutotrofneHeterotrofne

Autotrofni - litotrofi - su bakterije koje mogu da sintetišu i najsloženija jedinjenja iz prostih neorganskih soli

- kao izvor C koriste CO2 , kao izvor N koriste elementarni azot iz vazduha ili nitrate iz zemljista

- kao izvor energije mogu da koriste sunčevo svetlo (fototrofi, koje poseduju bakterijski hlorofil), ili iz oksidacije neorganskih jedinjenja i elemenata (hemotrofi- vrse oksidaciju Fe i S)

- ove bakterije nemaju značaja za humanu medicinu - ovdje spada većina zemljišnih bakterija (bakterije tla)

Heterotrofi – organotrofi- su bakterije kojima su za rast neophodna organska jedinjenja

- kao izvor C koriste se ugljeni hidrati ili masne kiseline, kao izvor N koriste proteine ili aminokiseline

- Zahtijevaju i posebne materije koje ne mogu same da sintetišu i to su takozvani faktori rasta (vitamini, esencijalne kiseline..)

- bakterije iz ove grupe mogu da izazovu oboljenja čovijeka i životinja

Fakultativni litotrofi - su na prelazi izmedju predhodne dvije grupe bakterija

- C koriste iz organskih izvora,a N koriste iz neorganskih izvora.

Paratrofi – hipotrofi - su bakterije koje nisu u stanju da se same hrane i da se razmnožavanju samo u ćelijama domacina koristeći njihove enzimske sisteme

-sve hranljive materije uzmaju iz ćelije u kojoj parazitiraju, npr.hlamidije i rikecije (intracelularni mikoorganizmi)

Bez obzira na način ishrane, da bi mogle da koriste sve hranljive materije, moraju da razlože na prostija jedinjenja, sposobna da difunduju u bakterijsku ćeliju.

Ovo razlaganje se vrši uz pomoć bakterijskih

ENZIMA-FERMENATA

• Svaka bakterijska ćelija može da produkuje veliki broj različitih enzima, od kojih jedni razlažu belančevine, drugi ugljene hidrate, a neki cijepaju masti.

• Hranljive materije koje bakterije koriste za svoju ishranu mogu da se podijele u dvije velike grupe:Materije koje služe kao izvor energijeMaterije koje služe kao gradivni materijal ćelije

• Bakterije većinom koriste kao izvor ugljenika organska jedinjenja kao što su alkoholi, aldehidi, ketoni, ugljeni hidrati, aminokiseline.

• Pri korišćenju ovih produkata posebno je značajno prisustvo CO2, a neke vrste kao Brucellae ne mogu da rastu i da se razmnožavaju ako nema povećane koncentracije CO2

• Bakterijama kao izvor azota služe neorganska i organska jedinjenja ( nitriti, nitrati, aminokiseline…

• U ishrani bakterija potrebne su i takve materije koje ne učestvuju u stvaranju energije, niti služe kao gradivni materijal, ali bez kojih ona ne može da opstane. To su tzv. FAKTORI RASTA koje bakterijska ćelija rijetko može sama da sintetizuje već ih dobija iz spoljašnje sredine.

• Najznačajniji faktori rasta su VITAMINI ( posebno vitamini B kompleksa), AMINOKISELINE (esencijalne), PURINI itd.

MIKROBNI METABOLIZAM

METABOLIZAM –skup svih hemijskih reakcija koje se odvijaju u nekoj ćeliji

- energetski uravnotežen proces

metabolička aktivnost -2 grupe hemijskih reakcija:

1.KATABOLIČKE REAKCIJE-razgradnja složenih organskih molekula -u jednostavnije

OSLOBAĐAJU ENERGIJU(razgradnja aminokiselina, šecera, masnih kiselina,...)

2.ANABOLIČKE REAKCIJE-sinteza jednostavnih molekula -u složenije molekule

ZAHTIJEVAJU POTROŠNJU ENERGIJE

(sinteza enzima, proteina, nukleinskih kiselina, ugljenih hidrata)

- povezivanje reakcija u kojima se ENERGIJA stvara sa onima u kojima se energija troši –uz učešćeADENOZIN-TRIFOSFATA (ATP)

- energija dobijena u kataboličkim reakcijama -oslobađa se poslije za odvijanje reakcija anabolizma

katabolizam:

ATP →ADP + P + energija (za anaboličke reakcije)

anabolizam: ADP + P + energija→ATP(iz kataboličkih reakcija)

• Bakterija dobija energiju u oksido-redukcionim procesima

- redukcioni proces je povezan sa ---primanjem elektrona od strane materije koja se redukuje (akceptor elektrona)

- oksidativni proces je povezan sa--- gubljenjem elektrona od strane materije koja se oksiduje (donor elektrona)

- Koenzim NAD+ se redukuje u NADH

Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+) je koenzim prisutan u svim živim ćelijama. Jedinjenje je dinukleotid, jer se sastoji od dva nukleotida spojena putem fosfatnih grupa. Jedan nukleotid sadrži adeninsku bazu, a drugi nikotinamid

Jedinjenja sa visokom energijom Adenozin trifosfat ATP

Adenozin sa 3 fosfatna mol.

Metabolički tipovi mikroorganizama prema izvoru energije

• Fototrofi – dobijaju energiju transformacijom svjetlosne energije

• Hemotrofi – dobijaju energiju oksidacijom hemijskih jedinjenja

- hemoorganotrofi oksiduju organska jedinjenja

- hemolitotrofi oksiduju neorganska jedinjenja

Metabolička raznovrsnost

ENZIMI

-po mestu djelovanja enzimi se dele na egzoenzime i endoenzime. - egzoenzime bakterijska ćelija izlučuje u spoljasnju sredinu i oni služe za razgradnju složenih makromolekula(Streptokoke i stafilokoke produkuju hijaluronidazu-faktor invazivnosti)

- endoenzimi se nalaze u samoj bakterijskoj ćeliji, tačnije u ribozomima, i služe za sintezu makromolekula bakterijske citoplazme

prema tome da li se stvaraju stalno ili samo u prisustvu supstrata, enzimi su podeljeni na:

-konstitutivne - koji su prisutni stalno (npr.- LAKTAZA kod crijevnih bakterija)

-inducibilne - koji zavise od prisustva supstrata (npr. penicilinaza)

Bakterijski enzimi se sastoje iz dva dijela:- apoenzima – proteinski dio i specifičan za supstrat i - koenzima - neproteinski dio sa biokatalizacijskom funkcijom

- optimalni uslovi za aktivnost enzima su 30-40˚C, pH od 6-7.5, i optimalni odnos enzim-supstrat.

APOENZIM+ КОЕNZIM =HOLOENZIM

-da bi bakterijska ćelija kontrolisala produkciju enzima i metaboličke procese moraju da postoje mehanizmi koji regulišu enzimsku aktivnost:

- regulacija represibilnim enzimima zasniva se na mehanizmu pozitivne povratne sprege

- regulacija retro-inhibicijom je sličan sa predhodnim mehanizmom, samo što se koristi kod kaskadne reakcije sa više razlicitih medju produkata

(dovoljna količina krajnjeg produkata vrši retrogradnu inhibiciju svih enzima koji učestvuju u reakciji)

- regulacija inducibilnim enzimom gdje supstrat djeluje inhibitorno na gen represor

(inaktivacijom ovog gena počinje stvaranje inducibilnog enzima)

• Vezivanje efektora može da smanji (alosterična inhibicija) ili poveća (alosterična aktivacija) afinitet za supstrat

- regulacija alosteričnim enzimom- neki enzimi posjeduju i alosterični centar. Za ovaj centar se mogu vezati takozvani efektori (molekuli koji dovode do konformacionih promena enzima). Na taj način se onemogući vezivanje supstrata za reaktivno mesto enzima ili se olabavi veza izmedju enzima i supstrata i samim tim prestaje i metabolicki proces.

Značaj bakterijskih enzima:

- na osnovu enzimske aktivnosti može se vršiti klasifikacija bakterija na grupe , rodove, i tipove

- industrijski značaj, gdje zahvaljujući enzimskoj aktivnosti nekih bakterija i gljivica dobijaju se razni fermentovani

mliječni proizvodi i alkoholna pića

KATABOLIZAM UGLJENIH HIDRATA

-većina mikroorganizama oksiduje ugljene hidrate bi osigurala najveću količinu ćelijske energije

- u ćelijskom metabolizmu je važno cijepanje molekula ugljenih hidrata (katabolizam) radi stvaranja energije.

GLUKOZA -najviše iskorištavan IZVOR ENERGIJE u ćelijama

Energiju iz glukoze mikroorganizmi dobijaju na dva načina:1. DISANJEM (RESPIRACIJOM)

2. FERMENTACIJOM (VRENJEM)

- u oba procesa –elektroni proizvedeni oksidacijom glukoze bivaju preneseni na NAD+

- KRAJNJA SUDBINA ELEKTRONAse RAZLIKUJE

- u oba procesa -PRVI STADIJ RAZGRADNJE –ISTI

- oksidacija glukoze do pirogrožđanekiselineproces -GLIKOLIZA

1.GLIKOLIZA

Pojam glikolize doslovno znači cijepanje molekula šećera:

- GLUKOZA - šećer sa 6C-cijepa se →2 šećera sa 3C

- šećeri se zatim oksiduju i transformiraju →2 molekule PIROGROŽĐANE KISELINE

-može se odvijati i u aerobnim i u anaerobnim uvjetima

Glikoliza (Embden–Mayerhof–Parnas = EMP put) najpoznatija serija kataboličkih reakcija u kojoj se glukoza pretvara u dva molekula piruvata

-većina mikroorganizama koristi taj put razgradnje

-postoje još 2 puta razgradnje:-pentozafosfatni-Entner-Doudoroffov put

GLIKOLIZA se sastoji od 10 hemijskih reakcija katalisanih različitim enzimima

- F 1,6-BP pod dejstvom aldolaze se razlaže na dvije trioze

3-GAP i DHAP

-ove trioze su u ravnoteži preko enzima triozafosfatne izomeraze (u daljim reakcijama troši se samo3-GAP, a njegov gubitak se nadoknađuje transformacijom DHAP, tako da na kraju obje polovine F- 1,6-BP bivaju iskorišćene

- 3-GAP se oksiduje – to je jedina oksidativna reakcija u glikolizi(enzim gliceraldehid-3-fosfatna dehidrogenaza, čiji koenzim NAD prelazi pritom u NADH); oksidacija aldehida u kiselinu je praćena oslobađanjem energije koja aktivira neorganski fosfat, tako da se on vezuje makroenergetskom vezom za supstrat i dobija se 1,3-bisfosfoglicerinska kiselina

- 1,3 –bisfosfoglicerinska kiseline se oslobađa jedne fosfatne grupe, nju prima ADP i prelazi u ATP (enzim fosfogliceratna kinaza) i nastaje 3- fosfoglicerinska kiselina (3-PGA)

-3-PGA pod dejstvom fosfogliceratne mutaze daje 2-fosfoglicerinsku kiselinu

- na 2-PGA djeluje enolaza oduzimajući molekul vode i nastaje fosfoenolpirogrožđana kiselina (PEP), enzim piruvat kinaza oduzima fosfat i dobija se pirogrožđana kiselina i ATP---kraj glikolize

glukoza + 2ADP + 2Pi + 2NAD ----- 2 piruvata + 2ATP + 2NADH(na jedan molekul glukoze proizvode se 4 molekula ATP, ali se 2 troše za fosforilaciju fruktoze, pa je zato čist prinos cijelog procesa 2ATP)

-energija procesa oksidacije 3-GAP je sačuvana u redukcionom ekvivalentu NADH i u fosfatnim vezama ATP

- pošto je u ovom procesu nastajanje ATP povezano direktno sa oksidacijom supstrata proces se zove supstratna fosforilacija

Fermentacija -vrenje

1. Etanolna fermentacija

etanol je jedan od završnih produkata, ima velikuekonomsku važnost (supstrat: glukoza);

mikroorganizam: Saccharomyces cerevisiae i malibroj bakterija

etanolna fermentacija bitna za mikrobiologiju hrane,industriju piva, vina, alkohola, hljeba,...

produkt: piruvat pretvoren u EtOH i CO2 i ATPGlu + 2ADP+2Pa 2EtOH +2CO2 +ATP

2. Mliječno-kisela fermentacija

velika ekonomska važnost u proizvodnji namirnica(supstrat: Glu); mikroorganizam: bakterije mliječne kiseline- Streptococcus (gram-poz. koki) i Lactobacillus (gram-poz. štapići);

produkt: redukcija piruvata do laktataHomofermentativni put:Glu + 2ADP + 2Pa laktat (mlij.kis) + 2ATPHeterofermentativni put:Glu + ADP + Pa mlij.kis.+ EtOH + CO2 + ATP(bakterije: Leconostoc, Lactobacillus)

3. Propionsko-kisela fermentacija

(Supstrat: mliječna kiselina);

mikroorganizmi: bakterije – Propionibacterium (grampozitivni štapići);

produkt: propionska kiselina, sirćetna kiselina, CO2

-oslobadanjem CO2 u toku vrenja stvaraju se mjehurići gasa u polučvrstoj masi sira-švajcarski

sir

-proces u kojemu se stvara ATP oksidacijom hemijskih jedinjenja

- konačni akceptor elektrona -anorganska molekula, najčešće kiseonik

Respiracija – disanje

- Organske molekule se tokom respiracije obično potpuno oksidiraju do CO2 i H2O–prinos ATP-a znatno veći kod respiracije u odnosu na fermentacije.

- Kod većine respiracija, konačni akceptor elektrona jeMOLEKULARNI KISEONIK.

- Ovaj tip respiracije naziva se AEROBNA RESPIRACIJA.

- Neke bakterije vrše drugi tip respiracije–ANAEROBNU RESPIRACIJU

- konačni akceptor elektrona - ANORGANSKA MOLEKULA RAZLIČITA OD MOLEKULARNOG KISEONIKA ( nitrata, sulfata i karbonata–važno za kruženje N i S u prirodi.)

Anaerobna respiracija može stvoriti skoro toliko energije kao i aerobna respiracija

FAZE RESPIRACJE

- NASTAJANJE ACETIL-CoA

-AcetilCoA ulazi u KREBSOV CIKLUS, niz reakcija u kojima dolazi do otpuštanja elektrona i protona (H+).

-Elektroni otpušteni tokom: glikolize, stvaranja CoA, Krebsovog ciklusa prenose se na NAD+ ili FAD molekule. Najvažniji rezultat Krebsovogciklusa –nastanak redukovanih koenzima NADH i FADH2.

Redukovani koenzimi prenose elektrone doTRANSPORTNOG SISTEMA ELEKTRONA gdje se formira ATP.

GLAVNA KARAKTERISTIKA RESPIRATORNOG PROCESA:

1.djelovanjeTRANSPORTNOG SISTEMA ELEKTRONA

Elektroni se kreću od redukovanih koenzima do anorganske molekule (kiseonik) pri čemu se oslobađa energija koja omogućuje nastanak ATP-a. Ovaj proces se naziva OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA.

Nastajanje acetilCoA

- Pirogrožđana kiselina, nastala glikolizom se dekarboksizira- nastala acetilna grupa se zatim veže sa CoA i na taj način nastaje acetilCoA.

- ulazi u Krebsov ciklus

KREBSOV CIKLUS (ciklus limunske kiseline)

Krebsov ciklus -serija biohemijskih reakcija-velika količina potencijalne kemijske energije, pohranjene u međuproduktima nastalim od piruvata-postupno oslobađa.

-putem reakcija oksidacije i redukcije-prenosi se ta potencijalna energija, u obliku elektrona, na brojne molekule koenzima

- derivati piruvata se oksiduju dok se koenzimi redukuju.

Krebsov ciklus se može opisati kao “energetski krug ćelijskog metabolizma”

neprekidno nadomješta energiju potrebnu ćelijama

TRANSPORTNI SISTEM ELEKTRONA

završna faza aerobne respiracije

elektroni se prenose od redukovanih koenzima do anorganske molekule

oslobađa se energija-omogućuje hemiosmotski nastanak -ATP-a

proces -OKSIDATIVNA FOSFORILACIJA

sastoji se od:

NIZA PRIJENOSIOCA ELEKTRONA –koenzima imaju SPOSOBNOST OKSIDACIJE I REDUKCIJEna taj način prenose elektrone niz TSE

pomicanje elektrona niz transportni lanac-dolazi do postupnog oslobađanja energije -ATP

taj prenosni lanac je uključen u završnu fazu oksidacije organskih molekula

Respiracija organskih molekula u TSE uključuje 3 klase molekula koje prenose elektrone:

1.FLAVOPROTEINI–proteini koji sadrže flavin, koenzim izveden iz riboflavina (vitamin B2) i koji je sposobani za oksidaciju i za redukciju. Jedan važan flavin koenzim je FLAVIN MONONUKLEOTID (FMN)

2. UBIKINONI (KOENZIM Q)–neproteinski prenosilac niske molek. mase

3. Treća klasa prenosioca su CITOHROMI, proteini koji sadrže prostetičku grupu sa Fe(hem), i koji mogu postojati (alternativno) i u redukovanoj formi (Fe2+) i u oksidovanojj formi (Fe3+).Nekoliko citohroma je uključeno u transportni sistem:cytb, cytc1; cytc; cyta, cyta3–citokromoksidaza

TSE je smješten:

u eukariotskim ćelijama-u unutrašnjoj membrani mitohondrija

u prokariotskim ćelijama-u citoplazmatičnoj membrani

izvor elektrona za TSE: redukovani koenzimi

- NADH–prolaskom niz TSE - oslobađaju se 3 ATP-a

- FADH2-predaje svoje elektrone transportnom lancu na nižem nivou od NADH

transportni lanac proizvodi 1/3 manje energije za stvaranje ATP kada FADH2 donosi elektrone nego kada je uključen NADH –nastaje 2 ATP-a

- Različitim prenosom elektrona u transportnom sistemu (oksidativna fosforilacija) nastaju - 34 ATP iz svake molekule oksidovane glukoze

- u glikolizi i Krebsovomciklusu 4 ATP (fosforilacija na nivou supstrata)

TOKOM AEROBNE RESPIRACIJE – IZ 1 MOLEKULA GLUKOZE -38 ATP

ANAEROBNO DISANJE(Anaerobna respiracija)

AEROBNO DISANJE –konačni akceptor elektrona –MOLEKULARNI KISEONIK (oksidacija NADH-TSE)

ANAEROBNO DISANJE –konačni akceptor elektrona –ANORGANSKA MOLEKULA RAZLIČITA OD MOLEKULARNOG KISEONIKA

(oksidacija u anaerobnim uslovima)

1.Neke bakterije (Pseudomonas) mogu koristiti NITRATNI JON (NO3-) kao konačni akceptor.

- nitrati -česti akceptor el. u anaerobnim uslovimau tlu je -proces -DENITRIFIKACIJA

- većina bakterija koje redukuju nitrate (denitrifikatori) fakultativni anaerobi

–u odsustvu kiseonika prenose elektrone do nitrata, -u aerobnim uslovima kiseonik se javlja kao krajnjiakceptor elektrona

redukc.NO3-→NO2-→N2O →N2(gas)

2. druge bakterije koriste SULFATNI JON SO4 kao konačni akceptorelektrona – redukuju do H2S

-desulfofikacione bakterije - striktni anaerobi ne mogu rasti u prisustvu kiseonika (Desulfovibrio)

3.neke bakterije koriste CO3 i nastaje metan CH4 - metanogenebakterije -striktni anaerobi

2-

- anaerobno disanje, kod bakterija koje koriste nitrate i sulfate kao konačne akceptore–bitno za kruženje azota i sumpora u prirodi

- anaerobno disanje daje različite količine ATP zavisno od mikroorganizma i putu razgradnje

FOTOSINTEZA se razlikuje od one kod biljaka po tome što se pri njoj ne oslobađa kiseonik i bakteriohlorofil može da vrši fotosintezu i u mraku