Σχ.35. Μικροφωτογραφίες βακτηρίων με διάφορες διατάξεις: (α) Περίτριχος τύπος, (β) Πολικός τύπος, και (γ) Λοφιότριχος τύπος. Στην περίπτωση της περίτρ

Transcript

1 Συσχέτιση της δομής του κυτταρικού τοιχώματος με τη χρώση Gram Στη χρώση Gram, σχηματίζεται εντός του κυττάρου σύμπλεγμα ιωδίου- κρυσταλλικού ιώδους, το οποίο στα Gram (-) βακτήρια απομακρύνεται κατά την πλύση με αλκοόλη, ενώ στα Gram (+) όχι. Τα Gram (+) βακτήρια, έχουν παχύτατα κυτταρικά τοιχώματα από πολλές στοιβάδες πεπτιδογλυκάνης, που αφυδατώνονται από την αλκοόλη, με αποτέλεσμα να κλείνουν οι πόροι και να εγκλωβίζεται το σύμπλεγμα ιωδίου-κρυσταλικού ιώδους. Στα Gram (-) βακτήρια, η αλκοόλη διαπερνά την εξωτερική λιπιδούχο στοιβάδα και τη λεπτή στοιβάδα πεπτιδογλυκάνης, με αποτέλεσμα να απομακρύνεται το σύμπλεγμα ιωδίου-κρυσταλικού ιώδους. Μετακίνηση των μικροοργανισμών Μαστίγια και κίνηση Πολλοί προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να μετακινούνται λόγω ειδικών δομών, των μαστιγίων. Τα μαστίγια είναι επιμήκεις, λεπτές προεκβολές, ελεύθερες στο ένα άκρο και ενωμένες με το κύτταρο στο άλλο. 1

2 Σχ.35. Μικροφωτογραφίες βακτηρίων με διάφορες διατάξεις: (α) Περίτριχος τύπος, (β) Πολικός τύπος, και (γ) Λοφιότριχος τύπος. Στην περίπτωση της περίτριχης μαστιγιοφορίας,, το κύτταρο φέρει μαστίγιο σε πολλές θέσεις. Στην περίπτωση της πολικής μαστιγιοφορίας,, το κύτταρο φέρει μαστίγιο σε έναν ή και στους δύο πόλους του. Αν αντί ενός μαστιγίου στον έναν πόλο του κυττάρου αναπτυχθεί μια ομάδα μαστιγίων (λοφίο), τότε έχουμε τον λοφιότριχο τύπο. 2

3 Τα μαστίγια δεν είναι ευθύγραμμα, αλλά ελικοειδή και η απόσταση μεταξύ των ελίξεων είναι σταθερή και χαρακτηριστική για δεδομένο είδος. Το νημάτιο των βακτηριακών μαστιγίων αποτελείται από υπομονάδες μιας πρωτεΐνης (μαστιγίνη μαστιγίνη). Στα αρχαία, υπάρχουν πολλές παραλαγές του μορίου της μαστιγίνης. Στη βάση του μαστιγίου υπάρχει το άγκιστρο (αποτελείται από έναν τύπο πρωτεΐνης) που συνδέει το νημάτιο με τον κινητήρα του μαστιγίου. Ο κινητήρας είναι προσδεδεμένος στην κυτταροπλασματική μεμβράνη και στο κυτταρικό τοίχωμα και αποτελείται από μια μικρή κεντρική ράβδο που διαπερνά ένα σύστημα δακτυλίων. Στα Gram (-) βακτήρια υπάρχουν 2 εξωτερικοί δακτύλιοι (ένας προσδεδεμένος στην στοιβάδα των λιποπολυσακχαριτών και ένας στην στοιβάδα της πεπτιδογλυκάνης) και ένας εσωτερικός μέσα στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Στα Gram (+) βακτήρια,, που δεν έχουν εξωτερική στοιβάδα,, υπάρχει μόνο ένας εξωτερικός (προσδεδεμένος στην πεπτιδογλυκάνη) και ένας εσωτερικός δακτύλιος. Στην κυτταροπλασματική μεμβράνη υπάρχει επίσης ένα ζεύγος πρωτεϊνών (πρωτεΐνες Mot) που θέτουν σε κίνηση τον κινητήρα δημιουργώντας ροπή. 3

4 Σχ.36. ομή προκαρυωτικού μαστιγίου και σύνδεσή του με το κυτταρικό τοίχωμα και τη μεμβράνη των Gram (-) βακτηρίων. 4

5 Μια τελευταία σειρά πρωτεϊνών (πρωτεΐνες Fli) λειτουργούν ως διακόπτες του κινητήρα, αντιστρέφοντας την περιστροφή των μαστιγίων ως απόκριση σε συγκεκριμένα ενδοκυτταρικά σήματα. Σύνθεση των μαστιγίων Για τη σύνθεση των μαστιγίων και την εκδήλωση της κίνησης απαιτείται μεγάλος αριθμός γονιδίων (τουλάχιστον 40). Τα μαστίγια δεν αναπτύσσονται από τη βάση (όπως μια ζωική τρίχα), αλλά από την κορυφή τους. Αρχικά συντίθενται ο δακτύλιος MS και στη συνέχεια συντίθενται οι προσδενόμενες πρωτεΐνες και το άγκιστρο. Μετά τη σύνθεσή τους στο κυτταρόπλασμα, τα μόρια μαστιγίνης περνούν μέσω ενός καναλιού (διαμέτρου 3nm) στο εσωτερικό του νηματίου και προστίθενται συνεχώς στο τερματικό τμήμα του. Στο άκρο του αναπτυσσόμενου μαστιγίου υπάρχει μια πρωτεϊνική «καλύπτρα», που βοηθά τα μόρια μαστιγίνης,, που έχουν διέλθει μέσω του καναλιού, να οργανωθούν στα τερματικά τμήματα του μαστιγίου. Μαστίγια που έχουν σπάσει, εξακολουθούν να περιστρέφονται και μπορούν να επιδιορθωθούν με νέα μόρια μαστιγίνης. 5

6 Σχ.37. Σύνοψη των σταδίων βιοσύνθεσης των μαστιγίων. 6

7 Κίνηση μαστιγίων Τα μαστίγια είναι άκαμπτες δομές που δεν ελίσσονται, αλλά περιστρέφονται, όπως μια προπέλα. Η περιστροφική κίνηση μεταδίδεται από τον κινητήρα και η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από την πρωτονιοκίνητη δύναμη, λόγω κίνησης πρωτονίων διαμέσου του πρωτεϊνικού συμπλέγματος Mot (κάθε περιστροφή του μαστιγίου απαιτεί τη μετακίνηση 1000 περίπου πρωτονίων). Σχ.38. Τρόπος μετακίνησης σε προκαρυώτες: (α) Με περίτριχη, και (β) πολική μαστιγιοφορία CW:clockwise, CCW: counterclockwise. 7

8 Κινήσεις ολίσθησης Ικανότητα κίνησης έχουν και πολλοί προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί που δεν φέρουν μαστίγια (κίνηση με ολίσθηση). Αν και κανένας μηχανισμός δεν έχει επιβεβαιωθεί ως σήμερα, υπάρχουν ενδείξεις για πάνω από 1 μηχανισμό βακτηριακής ολίσθησης. Τα κυανοβακτήρια εκκρίνουν στην εξωτερική επιφάνεια μια πολυσακχαριτική βλέννα κατά την ολίσθηση, η οποία εφάπτεται τόσο στην κυτταρική επιφάνεια, όσο και στη στερεά επιφάνεια. Καθώς η απεκκρινόμενη βλέννα προσκολλάται στην επιφάνεια, συμπαρασύρει μαζί της και το κύτταρο. Στα μη φωτοτροφικά ολισθητικά βακτήρια (π.χ. χ Flavobacterium johnsoniae) ο μηχανισμός ολίσθησης στηρίζεται στην μετατόπιση πρωτεϊνών στην κυτταρική επιφάνεια. Εδ Ειδικές κινητήριες πρωτεΐνες προσδεδεμένες δδ στην κυτταροπλασματική και στην εξωτερική μεμβράνη θεωρείται ότι προωθούν το κύτταρο, ενώ η ενέργεια προέρχεται μάλλον από πρωτονιοκίνητη δύναμη. 8

9 Σχ.39. Προτεινόμενο μοντέλο ολισθητικής κίνησης του Flavobacterium johnsoniae: : (α) Τομή Gram (-) κυττάρου, (β) Λεπτομερής απεικόνιση μέρους της εικόνας (α). 9

10 Περιβαλλοντικές αποκρίσεις: χημειοτακτισμός, φωτοτακτισμός, και άλλοι τακτισμοί Ως χημειοτακτισμός ή χημειόταξη,, ορίζεται η μετακίνηση ενός οργανισμού ως αποτέλεσμα κάποιου χημικού ερεθίσματος. Μικροοργανισμοί που πλησιάζουν προς ή απομακρύνονται από το χημικό ερέθισμα,, παρουσιάζουν το φαινόμενο του θετικού ή αρνητικού χημειοτακτισμού μ αντίστοιχα. Ως χημειοτροπισμός ορίζεται η μεταβολή στη διεύθυνση αύξησης νηματοειδών μυκήτων και φυκών που δεν έχουν τη δυνατότητα μετακίνησης. Η κίνηση μικροοργανισμών προς το φως ονομάζεται φωτοτακτισμός. Το φαινόμενο κατά το οποίο ένα φωτοτροφικό βακτήριο κινηθεί, κατά τύχη, εκτός φωτεινού πεδίου (προς το σκοτάδι) και στη συνέχεια αντιστρέψει την διεύθυνση της κίνησής του, ονομάζεται σκοτοφοβοτακτισμός. Η κίνηση προς το οξυγόνο ονομάζεται αεροτακτισμός και η κίνηση προς ή από συνθήκες υψηλής ιοντικής ισχύος ωσμοτακτισμός. 10

11 Σχ.40. Χημειοτακτισμός (α) απουσία χημειοτακτικού παράγοντα, (β) παρουσία προσελκυστικής χημικής ουσίας. 11

12 Σχ.41. Τεχνικές μέτρησης του χημειοτακτισμού: (α) Εισαγωγή τριχοειδούς σε εναιώρημα κυττάρων, (β) Το τριχοειδές περιέχει προσελκυστική ουσία, (γ) Το τριχοειδές περιέχει άλας που δεν αποτελεί χημειοτακτικό παράγοντα, (δ) Το τριχοειδές περιέχει απωθητικό παράγοντα, (ε) Καμπύλη αριθμού κυττάρων στο τριχοειδές σε σχέση με τον χρόνο. 12

13 Σχ.42. Φωτοτακτισμός ολόκληρης λ αποικίας του πορφυρού φωτοτροφικού βακτηρίου Rhodospirillium centerum. 13

14 ομές επιφανείας και έγκλειστα των προκαρυωτών Ορισμένα είδη προκαρυωτικών μικροοργανισμών παράγουν διάφορες δομές που προσκολλώνται ή προεξέχουν από την κυτταρική επιφάνεια (επιλεκτικές δομές). Κροσσοί και τριχίδια Είναι δομικώς παρόμοια με τα μαστίγια, αλλά δεν συνδέονται με μηχανισμούς κίνησης. Οι κροσσοί είναι πολύ μικρότεροι και πολύ περισσότεροι από τα μαστίγια και αποτελούνται από πρωτεΐνες. Οι λειτουργίες τους δεν είναι ακριβώς γνωστές, συμμετέχουν πιθανόν στις διαδικασίες προσκόλλησης των μικροοργανισμών σε επιφάνειες. Σχ.43. ιαιρούμενο κύτταρο Salmonella typhi που εμφανίζει μαστίγια και κροσσούς. 14

15 Τα τριχίδια ρχ έχουν παραπλήσια δομή με τους κροσσούς, αλλά είναι μακρύτερα ρ και υπάρχουν σε ελάχιστους αριθμούς (συχνά μόνο 1 ανά κύτταρο). Συμμετέχουν μάλλον σε μηχανισμούς βακτηριακής σύζευξης και σε διαδικασίες προσκόλλησης παθογόνων σε ζωικούς ιστούς. Λειτουργούν ως υποδοχείς για ορισμένους τύπους ιστών. Παρακρυσταλλικές επιφανειακές στοιβάδες (στοιβάδες S) Πολλοί προκαρυώτες έχουν μια στοιβάδα κυτταρικής επιφάνειας αποτελούμενη από πλέγμα πρωτεϊνών (στοιβάδα S). Στοιβάδες S έχουν εντοπισθεί σε πολλά είδη βακτηρίων και αρχαίων. Σε μερικά είδη αρχαίων αποτελούν το κυτταρικό τοίχωμα. Η κύρια λειτουργία τους παραμένει άγνωστη, λειτουργούν πιθανόν ως εξωτερικός φραγμός διαπερατότητας επιτρέποντας την δίοδο σε μικρά, αλλά όχι σε μεγάλα μόρια. Σε παθογόνα βακτήρια παρέχουν προστασία έναντι ορισμένων μηχανισμών ανοσοαπόκρισης. 15

16 Κάψες και βλεννοστοιβάδες Πολλοί προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί εκκρίνουν στις επιφάνειές τους βλεννώδη ή κολλώδη υλικά. Πολλές από αυτές τις δομές αποτελούνται από πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνες. Οι όροι κάψα και βλεννοστοιβάδα χρησιμοποιούνται για την περιγραφή στοιβάδων πολυσακχαριτών. Ο γλυκοκάλυκας ορίζεται ως το πολυσακχαριτικό υλικό που σχηματίζει επίστρωση στην εξωτερική πλευρά του κυττάρου (είναι γενικότερος όρος). Η σύνθεση των στοιβάδων γλυκοκάλυκα ποικίλει από είδος σε είδος, αλλά ακόμα και σε ένα συγκεκριμένο είδος μπορεί να απαντούν γλυκοκάλυκες λεπτοί ή παχείς, εύκαμπτοι ή δύσκαμπτοι, ανάλογα με τη χημική τους φύση. Στοιβάδες γλυκοκάλυκα παίζουν σημαντικό ρόλο στην προσκόλληση παθογόνων στους ξενιστές τους. Φαίνεται ότι βακτήρια με κάψες αποτελούν δυσχερέστερους στόχους αναγνώρισης για τα φαγοκύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Επειδή οι εξωτερικές στοιβάδες πολυσακχαριτών δεσμεύουν σημαντική ποσότητα νερού, μάλλον λειτουργούν και ως μέσα προστασίας έναντι της ξήρανσης. 16

17 Αποθηκευτικά πολυμερή άνθρακα Συχνά στο εσωτερικό των κυττάρων παρατηρούνται κοκκία και άλλα έγκλειστα που λειτουργούν ως αποθήκες ενέργειας ή δομικών μονάδων. Τα περισσότερα κυτταρικά έγκλειστα περιβάλλονται από μονή μεμβράνη λιπιδίων, που διαχωρίζει το έγκλειστο από το κυτταρόπλασμα. Ένας από τους συνηθέστερους τύπους έγκλειστων των προκαρυωτικών ρ μικροοργανισμών είναι αυτός που περιέχει πολυ-β-υδροξυβουτυρικό υδροξυβουτυρικό οξύ (PHB) PHB). Τα πολυμερή διαφέρουν σημαντικά σε μέγεθος, C 4 -C 18. Σχ.44.. Χημική δομή πολυ-β-υδροξυβουτυρικού υδροξυβουτυρικού οξέος. 17

18 Για τη συνολική περιγραφή της ομάδας αποθηκευτικών πολυμερών χρησιμοποιείται ο όρος πολυ-β-υδροξυαλκανοϊκά β υδροξυαλκανοϊκά (PHA) PHA). Άλλο αποθηκευτικό πολυμερές των προκαρυωτών είναι το γλυκογόνο. Πολλοί μικροοργανισμοί συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες ανόργανων φωσφορικών υπό μορφή κοκκίων πολυφωσφορικού,, ενώ άλλοι συσσωρεύουν μόρια θείου. Τα μαγνητοσώματα είναι ενδοκυτταρικά κρυσταλικά σωματίδια που περιέχουν Fe 3 O 4. ημιουργούν στο κύτταρο ένα μόνιμο μ μαγνητικό δίπολο,, που του επιτρέπει να ανταποκρίνεται σε μαγνητικό πεδίο. Τα βακτήρια που παράγουν μαγνητοσώματα προσανατολίζουν την κίνησή τους προς την κατεύθυνση των γραμμών γου γεωμαγνητικού πεδίου (μαγνητοτακτισμός). Μαγνητοσώματα έχουν παρατηρηθεί σε πολλά, υδρόβια κυρίως, βακτήρια, συχνά μικροαερόφιλα και φαίνεται ότι ρόλος τους είναι να κατευθύνουν τα υδρόβια κύτταρα προς περιβάλλοντα με χαμηλότερα επίπεδα Ο 2. Τα μαγνητοσώματα περιβάλλει μεμβράνη (μονοστοιβάδα) από φωσφολιπίδια, πρωτεΐνες και γλυκοπρωτεΐνες. 18

19 Ο ρόλος των πρωτεϊνών είναι να καταβυθίζουν τον Fe 3+, που εισέρχεται στο κύτταρο με μορφή χηλικών συμπλόκων, με τη μορφή Fe 3 O 4. Αεροκυστίδια Αρκετοί προκαρυώτες ρ που ζουν ως επιπλέοντες σε λίμνες και στη θάλασσα παράγουν αεροκυστίδια,, τα οποία προσφέρουν στα κύτταρα άνωση. Τα αεροκυστίδια είναι ατρακτοειδείς πρωτεϊνικές δομές, κοίλες και δύσκαμπτες, που ποικίλουν σε μήκος και διάμετρο. Απαντούν στο κυτταρόπλασμα, η μεμβράνη τους αποτελείται αποκλειστικά από πρωτεΐνες και είναι στεγανή στο νερό και σε διαλυμένες ουσίες, αλλά διαπερατή σε αέρια. Περιέχουν 2 μόνο τύπους πρωτεϊνών: 1. Την GvpΑ, που είναι μια μικρή, εξαιρετικά υδρόφοβη και πολύ δύσκαμπτη πρωτεΐνη (κύρια πρωτεΐνη, αποτελεί το 97% της ολικής ποσότητας πρωτεϊνών του αεροκυστιδίου), και 2. Την GvpC, που απαντά σε μικρότερες ποσότητες και λειτουργία της είναι να ενισχύει τη μεμβρανική δομή του αεροκυστιδίου. Τα αεροκυστίδια είναι δομημένα από πολλαπλά αντίτυπα της GvpA υπό μορφή παράλληλων «πλευρών», οι οποίες σχηματίζουν μια στεγανή επιφάνεια. 19

20 Οι πλευρές της GvpA ενισχύονται με την GvpC (δρα ως διασυνδέτης). Σχ.45. Μοντέλο αλληλεπίδρασης των πρωτεϊνών GvpA και GvpC κατά τον σχηματισμό του αεροκυστιδίου. Καθώς η μεμβράνη του αεροκυστιδίου είναι πλήρως διαπερατή στα αέρια, η σύνθεση και πίεση των αερίων στο εσωτερικού του αεροκυστιδίου θα είναι ίδια με τη σύνθεση και πίεση των αερίων του περιβάλλοντος. Η πυκνότητα του αεροκυστιδίου ισοδυναμεί με το 5-20% της πυκνότητας του κυττάρου, αυξάνοντας την άνωση. 20

21 Ενδοσπόρια Ορισμένα Gram (+) βακτήρια παράγουν ειδικές ενδοκυτταρικές δομές, τα ενδοσπόρια. Τα ενδοσπόρια είναι διαφοροποιημένα κύτταρα,, με ιδιαίτερη αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες και ανθεκτικότητα έναντι πολλών ισχυρών χημικών αντιδραστηρίων που καταστρέφουν τα συνήθη κύτταρα. Είναι, επίσης, ανθεκτικά σε σειρά επιβλαβών παραγόντων, όπως ξήρανση, ακτινοβόληση, οξέα, χημικά απολυμαντικά, ενώ μπορούν να επιβιώνουν σε λανθάνουσα φάση για εξαιρετικά μεγάλα χρονικά διαστήματα. Βακτήρια που σχηματίζουν ενδοσπόρια απαντούν πολύ συχνά στο έδαφος. Σπόρια σχηματίζουν και άλλοι μικροοργανισμοί, το βακτηριακό ενδοσπόριο όμως, παρουσιάζει μοναδική θερμοαντοχή. Το σπόριο είναι δομικά πολυπλοκότερο, καθώς διαθέτει πολλές στοιβάδες που απουσιάζουν από το βλαστικό κύτταρο. Η εξωτερική στοιβάδα αποτελείται από το εξωσπόριο,, που ειναι ένα λεπτό, εύθραστο, πρωτεϊνικό κάλυμα. Το εξωσπόριο περικλείει τους σποριομανδύες,, που αποτελούνται από στοιβάδες ειδικών πρωτεϊνών. 21

22 Σχ.46. Το βακτηριακό ενδοσπόριο. Κάτω από τον σποριομανδύα είναι ο φλοιός,, που αποτελείται από χαλαρά διασυνδεδεμένη πεπτιδογλυκάνη. Εσωτερικότερα βρίσκεται ο σποριοπυρήνας ή πρωτοπλάστης σπορίου,, που περιέχει το σύνηθες κυτταρικό τοίχωμα, κυτταροπλασματική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα, κλπ. 22

23 Μια χημική ουσία χαρακτηριστική των ενδοσπορίων, η οποία απουσιάζει από τα βλαστικά κύτταρα, είναι το διπικολινικό οξύ. Βρίσκεται σε όλα τα ενδοσπόρια και εντοπίζεται στον πυρήνα. Τα σπόρια περιέχουν επίσης υψηλές συγκεντρώσεις ασβεστίου,, το οποίο είναι συνδεδεμένο, κατά το μεγαλύτερο μέρος του, με το διπικολινικό οξύ. Περίπου το 10% του ξηρού βάρους του ενδοσπορίου αντιστοιχεί στο σύμπλοκο ασβεστίου-διπικολινικού οξέος. Σχ.47. ιπικολινικό οξύ (DPA): (α) ομή, (β) Τρόπος διασύνδεσης Ca 2+ και μορίων DPA για τον σχηματισμό του συμπλόκου. 23

24 O σποριοπυρήνας του ώριμου σπορίου διαφέρει σημαντικά από το βλαστικό κύτταρο. Εκτός από το άφθονο διπικολινικό οξύ, βρίσκεται σε μερικώς αφυδατωμένη κατάσταση (περιέχει έ μόλις το 10-30% του νερού του βλαστικού κυττάρου). ) Η αφυδάτωση του σποριοπυρήνα αυξάνει σημαντικά τη θερμοανθεκτικότητα του ενδοσπορίου και του προσδίδει αντοχή έναντι χημικών παραγόντων,, όπως το Η 2Ο 2 2, ενώ απενεργοποιεί τα ένζυμα. Επιπλέον, το ph του κυτταροπλάσματος του σποριοπυρήνα είναι 1 μονάδα περίπου χαμηλότερο από το ph του βλαστικού κυττάρου και περιέχει υψηλά επίπεδα ειδικών πρωτεϊνών, γνωστών ως μικρές οξεοδιαλυτές σποριοπρωτεΐνες (SASP). Οι SASP συντίθενται κατά τη διάρκεια της σπορίωσης και έχουν 2 λειτουργίες: 1. Προσδένονται ισχυρά στο DNA του σποριοπυρήνα και το προφυλάσουν από πιθανές βλάβες οφειλόμενες σε υπεριώδη ακτινοβολία, αφυδάτωση, και ξηρή θέρμανση, και 2. Λειτουργούν ως πηγή άνθρακα και ενέργειας κατά την εκβλάστηση. 24

25 Η σπορίωση περιλαμβάνει μια πολύπλοκη σειρά συμβάντων κυτταρικής διαφοροποίησης. Βακτηριακή σπορίωση δεν μπορεί να συμβεί κατά την εκθετική φάση των κυτταρικών διαιρέσεων,, αλλά μόνο όταν η αύξηση η ανασταλεί,, λόγω της εξάντλησης ης μιας σημαντικής θρεπτικής ουσίας. Η διαδικασία μετατροπής του ενδοσπορίου σε βλαστικό κύτταρο περιλαμβάνει 3 διακριτά στάδια: 1. Ενεργοποίηση, 2. Εκβλάστηση,, και 3. Αυξητική έκρηξη. Η ενεργοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με θέρμανση των ενδοσπορίων για μερικά min σε υψηλή, αλλά μη θανατογόνο θερμοκρασία. Κατά το στάδιο της εκβλάστησης, εξαντλούνται το διπικολινικό ασβέστιο και τα συστατικά του φλοιού, αποικοδομούνται οι SASP και παρατηρείται απώλεια αντοχής έναντι θέρμανσης και χημικών αντιδραστηρίων. Το στάδιο της αυξητικής έκρηξης περιλαμβάνει την διόγκωση λόγω πρόσληψης νερού, σύνθεση RNA, πρωτεϊνών και DNA. 25

26 Σχ.48.. Στάδια σχηματισμού ενδοσπορίου. 26

27 Η φυσιολογία των βακτηρίων που σχηματίζουν ενδοσπόρια ποικίλλει: υπάρχουν αναερόβια, αερόβια, φωτοτροφικά και χημειολιθοτροφικά. Η ενδοσπορίωση δεν εμφανίζεται καθόλου στα αρχαία, γεγονός που υποδηλώνει ότι αναπτύχθηκε μετά τον διαχωρισμό των δύο κύριων εξελικτικών γραμμών των προκαρυωτών. 27

28 28

29 Θρέψη μικροοργανισμών Ο όρος μεταβολισμός ορίζεται ως το σύνολο των χημικών μετατροπών που λαμβάνουν χώρα στο κύτταρο. Ο όρος αναβολισμός ή βιοσύνθεση ορίζεται ως το σύνολο των χημικών μεταβολών που οδηγούν στη σύνθεση μακρομορίων από απλές χημικές ενώσεις. Το μέρος του μεταβολισμού που αφορά την παραγωγή ενέργειας μέσω διάσπασης χημικών ενώσεων ονομάζεται καταβολισμός. Οι μικροοργανισμοί που εξαρτώνται, όσον αφορά τις ενεργειακές τους ανάγκες, από την αερόβιο αναπνοή ονομάζονται υποχρεωτικά αερόβιοι. Οι μικροοργανισμοί που δεν χρησιμοποιούν μοριακό οξυγόνο, το οποίο είναι τοξικό αφού είτε τους θανατώνει ή παρεμποδίζει την ανάπτυξή τους, ονομάζονται υποχρεωτικά αναερόβιοι. Μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται παρουσία και απουσία μοριακού οξυγόνου ονομάζονται προαιρετικά αναερόβιοι. Η ταξινόμηση των οργανισμών στηρίζεται σε δύο παραμέτρους: 1. Στη φύση της πηγής ενέργειας: οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούν το φως ως πηγή ενέργειας ονομάζονται φωτότροφοι,, ενώ αυτοί που χρησιμοποιούν χημική ενέργεια χημειότροφοι. 29

30 2. Στην κύρια πηγή άνθρακα: οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούν το CO 2 ως πηγή άνθρακα ονομάζονται αυτότροφοι,, ενώ αυτοί που χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις ως ετερότροφοι. Συνεπώς έχουμε τις εξής 4 κατηγορίες: 1. Φωτοαυτότροφοι.. Χρησιμοποιούν φως ως πηγή ενέργειας και CO 2 ως κύρια πηγή άνθρακα. Ανήκουν ανώτερα φυτά, φύκη και πολλά βακτήρια, όπως κυανοπράσινα βακτήρια, τα πορφυρά και πράσινα βακτήρια κάτω από ορισμένες συνθήκες. 2. Φωτοετερότροφοι.. Χρησιμοποιούν φως ως πηγή ενέργειας και μια οργανική ένωση ως κύρια πηγή άνθρακα. Ανήκουν ορισμένα από τα πορφυρά ρ και πράσινα βακτήρια. 3. Χημειοαυτότροφοι.. Χρησιμοποιούν χημικές ενώσεις (ανόργανες ή οργανικές με 1 άτομο C) ως πηγή ενέργειας και CO 2 ως πηγή άνθρακα. Η ενέργεια λαμβάνεται με οξείδωση ανηγμένων κυρίως ανόργανων ενώσεων (NH 3, NO 2-, H 2, H 2 S, S, S 2 O 3- και Fe 2+ ). Επειδή μπορούν να αναπτύσσονται σε καθαρά ανόργανα θρεπτικά μέσα ονομάζονται και χημειολιθότροφοι.. Στην ομάδα αυτή ανήκουν μόνο βακτήρια. 4. Χημειοετερότροφοι.. Χρησιμοποιούν χημικές ενώσεις ως πηγή ενέργειας και οργανικά υλικά ως κύρια πηγή άνθρακα. Σε πολλές περιπτώσεις δεν ισχύει η δά διάκριση πηγής ενέργειας και άνθρακα, άθ αφού η ίδια οργανική ένωση μπορεί να δώσει την ενέργεια και τον άνθρακα που χρειάζονται. 30

31 Στους χημειοετερότροφους ανήκουν όλα τα ανώτερα ζώα, τα πρωτόζωα, οι μύκητες και τα περισσότερα βακτήρια. Τα σημαντικότερα στοιχεία από ποσοτικής πλευράς για το κύτταρο είναι άνθρακας, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, θείο και φώσφορος. Για να προμηθευτεί τα παραπάνω στοιχεία το κύτταρο, χημικές ενώσεις (δηλ. τα θρεπτικά συστατικά) εισέρχονται μέσα στο κύτταρο. Υπάρχουν όμως πολυμερή μεγαλομόρια που δεν μπορούν να εισέλθουν στο κύτταρο και γι αυτό το λόγο ορισμένοι μύκητες και βακτήρια εκκρίνουν εξωκυττάρια ένζυμα για τη διάσπασή τους. Τα ένζυμα αυτά είναι επαγώγιμα,, δηλαδή συνθέτονται μόνο παρουσία υποστρώματος. Πηγές άνθρακα Ο άνθρακας είναι η βασική δομική μονάδα όλων των οργανικών ενώσεων. Είναι απαραίτητος σε μεγάλες ποσότητες. Οι αυτότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν το CO 2 ως πηγή άνθρακα, ενώ οι χημειοετερότροφοι ρ οργανικές ουσίες. 31

32 Οι χημειοετερότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν απλά σάκχαρα (η γλυκόζη είναι το εύκολα αφομοιώσιμο σάκχαρο), δισακχαρίτες, πολυσακχαρίτες, μονοκαρβοξυλικά οξέα, αμινοξέα, λιποειδή, πρωτεΐνες, αλκοόλες και διάφορα πολυμερή. Πολλοί οργανισμοί διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα με τα οποία μπορούν να συνθέσουν τις ενώσεις που χρειάζονται από μια απλή ένωση, μέσω κατάλληλων καταβολικών και αναβολικών μονοπατιών. Άλλοι, όμως δεν διαθέτουν τα κατάλληλα ένζυμα και συνεπώς η ανάπτυξή τους εξαρτάται από την ύπαρξη συγκεκριμένων ουσιών στο θρεπτικό υγρό ανάπτυξης. Πηγές αζώτου Το άζωτο είναι συστατικό των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων. Οι βασικές μονάδες του μεταβολισμού του αζώτου είναι τα αμινοξέα, που είτε προσλαμβάνονται από το περιβάλλον, ή βιοσυντίθενται από ανόργανο άζωτο. Ορισμένα βακτήρια έχουν τη δυνατότητα δέσμευσης του αζώτου (καθήλωση αζώτου), μετατρέποντας έτσι το άζωτο της ατμόσφαιρας σε οργανικές ενώσεις του αζώτου. Πολλοί μύκητες, φύκη, βακτήρια και ορισμένα πρωτόζωα χρησιμοποιούν αμμωνιακά άλατα. Τα νιτρικά είναι λιγότερο εύχρηστα. 32

33 Τα νιτρώδη χρησιμοποιούνται από πολύ λίγους μικροοργανισμούς, αφού είναι τοξικά. Τα περισσότερα πρωτόζωα και μερικά βακτήρια χρειάζονται περισσότερο σύνθετες πηγές αζώτου (π.χ. μίγμα διαφορετικών αμινοξέων). Άλλα στοιχεία ιακρίνονται σε μακροστοιχεία (φώσφορος, φ ρ κάλιο,, θείο,, μαγνήσιο,, ασβέστιο,, σίδηρος, νάτριο) που απαιτούνται σε υψηλά επίπεδα ( Μ) και σε μικροστοιχεία ή ιχνοστοιχεία (μαγγάνιο, χαλκός, κοβάλτιο, ψευδάργυρος, μολυβδαίνιο) που απαιτούνται σε ελάχιστες ποσότητες ( Μ). Τα μακροστοιχεία ενσωματώνονται σε ενώσεις μεγάλης σημασίας για το κύτταρο ή διαδραματίζουν σπουδαίο φυσιολογικό ρόλο όπως στη ρύθμιση της ωσμωτικής πίεσης. Τα μικροστοιχεία αποτελούν συνήθως προσθετικές ομάδες των ενζύμων. Ο σίδηρος παίζει σημαντικό ρόλο στην κυτταρική αναπνοή ως ουσιώδες συστατικό των κυτοχρωμάτων και των σιδηροθειούχων πρωτεϊνών που συμμετέχουν στη μεταφορά ηλεκτρονίων. Υπό αναερόβιες αερόβ ες συνθήκες ο σίδηρος βρίσκεται με αριθμό οξείδωσης +2 και είναι ευδιάλυτος. 33

34 Παρουσία οξυγόνου βρίσκεται με αριθμό οξείδωσης +3 και σχηματίζει αδιάλυτες ανόργανες ενώσεις. Για να μπορέσουν τα κύτταρα να ανακτήσουν τον σίδηρο από ανόργανες αδιάλυτες ενώσεις, βιοσυνθέτουν δεσμευτικούς παράγοντες (σιδηροφορείς)) που μεταφέρουν τον σίδηρο εντός του κυττάρου. Μια σημαντική ομάδα σιδηροφορέων αποτελείται λί από παράγωγα του υδροξαμικού οξέος. Σχ.49. Ο σίδηρος προσδένεται υπό μορφή Fe 3 + και απελευθερώνεται μέσα στο κύτταρο υπό μορφή Fe

35 Από τη στιγμή που το σύμπλεγμα σιδήρου-υδροξαμικού υδροξαμικού οξέος εισέλθει στο κύτταρο, ο σίδηρος ελευθερώνεται και το υδροξαμικό οξύ μπορεί να βγει από το κύτταρο και να ξαναχρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά σιδήρου. Ορισμένα βακτήρια (Escherichia coli, Salmonella typhimurium) παράγουν σύνθετους από δομική άποψη φαινολικούς σιδηροφορείς (εντεροβακτίνες) εντεροβακτίνες). Αυτοί οι σιδηροφορείς είναι παράγωγα αρωματικών ενώσεων της κατεχόλης και έχουν υψηλή συγγένεια με τον σίδηρο. Σχ.50. Εντεροβακτίνη σιδήρου της Escherichia coli. 35

36 Στο θαλάσσιο νερό ο σίδηρος βρίσκεται σε απειροελάχιστες συγκεντρώσεις (πρακτικά μη ανιχνεύσιμος). Ορισμένα βακτήρια παράγουν δομικά πολύπλοκους σιδηροφορείς ικανούς να απομονώσουν τις ελάχιστες ποσότητες σιδήρου. Αυτοί οι σιδηροφορείς αποτελούνται από μια πεπτιδική κεφαλή που δημιουργεί σύμπλοκα με τον Fe 3+ και μια λιπιδική ουρά, η οποία συσχετίζεται με την κυτταρική μεμβράνη. Μερικοί προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί (Lactobacillus plantarum) αναπτύσσονται απουσία σιδήρου. Tο ο Μn 2+ αντικαθιστά τον σίδηρο ως συστατικό των ενζύμων. Σχ.51. Ο πεπτιδικός σιδηροφορέας υδατοχηλίνη. 36

37 Βιταμίνες και αυξητικοί παράγοντες Αυξητικοί παράγοντες είναι οργανικές ενώσεις που χρειάζονται για την αύξηση και αναπαραγωγή των οργανισμών (βιταμίνες, αμινοξέα, πουρίνες, πυριμιδίνες, κλπ). Βιταμίνες είναι σύνθετες οργανικές ενώσεις που χρειάζονται στους οργανισμούς για τις φυσιολογικές τους λειτουργίες σε ελάχιστες ποσότητες. Αποτελούν συστατικά ή πρόδρομες ενώσεις συνενζύμων. Πολλοί μικροοργανισμοί είναι σε θέση να συνθέτουν μόνοι τους τις βιταμίνες, άλλοι όμως απαιτούν την ύπαρξή τους στο θρεπτικό μέσο. Πολλές άλλες ενώσεις, όπως αμινοξέα, πεπτίδια, πρωτεΐνες, κλπ, είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη διάφορων μικροοργανισμών. Θρεπτικά μέσα καλλιέργειας Θρεπτικά μέσα καλλιέργειας είναι τα θρεπτικά διαλύματα που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών στο εργαστήριο. ιακρίνονται σε 2 κατηγορίες: Α. Στα χημικώς καθορισμένα, και Β. Στα χημικώς μη καθορισμένα (σύνθετα). 37

38 Σχ.52. Serratia marcesens σε MacConkey agar. Eπειδή οι μικροοργανισμοί βρίσκονται παντού, τα θρεπτικά μέσα πρέπει να αποστειρώνονται πριν την χρήση τους και ο εμβολιασμός τους πρέπει να λαμβάνει χώρα υπό άσηπτες συνθήκες. 38

39 Σχ.53. Τεχικές ασηπτικής μεταφοράς. 39

40 Βιοενεργετική Ως ενέργεια ορίζεται η ικανότητα εκτέλεσης έργου (ως μονάδα μέτρησης χρησιμοποιείται συνήθως το kj). Ως ελεύθερη ενέργεια G ορίζεται η εκλυόμενη ενέργεια διαθέσιμη ενέργεια για την εκτέλεση ωφέλιμου έργου. Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας μιας αντίδρασης υπό κανονικές συνθήκες (ph: 7.0, 25 o C, αρχική συγκέντρωση αντιδραστηρίων 1Μ) συμβολίζεται με Go.. Αν στην αντίδραση Α + Β C + D (1) το Go είναι αρνητικό η αντίδραση συνοδεύεται από έκλυση ενέργειας (εξώθερμη αντίδραση), ενώ αν είναι θετικό έχουμε απορρόφηση ενέργειας (ενδόθερμη αντίδραση). ) Ως ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού ορίζεται η ενέργεια που παράγεται ή καταναλώνεται για τον σχηματισμό μ ενός συγκεκριμένου ρμ μορίου από τα συνιστώμενα στοιχεία του. Κατά σύμβαση, η ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού των στοιχείων G o f θεωρείται 0. Για τον υπολογισμό της ελεύθερης ενέργειας μια αντίδρασης πρέπει να γνωρίζουμε την ελεύθερη ενέργεια των αντιδρώντων και προϊόντων. 40

41 Για μια αντίδραση, ο υπολογισμός του Go γίνεται αν αφαιρέσουμε το άθροισμα των ελεύθερων ενεργειών σχηματισμού των αντιδρώντων ουσιών (Α και Β) από το αντίστοιχο των προϊόντων (C και D), δηλαδή Kατάλυση και ένζυμα Go = G o f [C + D] G o f [A + B] Πληθώρα χημικών αντιδράσεων δεν εκτελούνται αυθόρμητα, έστω και αν απευλεθερώνεται ενέργεια, γιατί τα αντιδρώντα πρέπει να «υπερπηδήσουν» το φράγμα ενεργοποίησης. Σχ.54. Η έννοια της ενέργειας ενεργοποίησης στις χημικές αντιδράσεις. 41

42 Οι καταλύτες είναι ουσίες που μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας χημικής αντίδρασης. Οι καταλύτες δεν καταναλώνονται, ούτε μετασχηματίζονται κατά τις χημικές αντιδράσεις. Οι καταλύτες επιδρούν μόνο στην ταχύτητα των αντιδράσεων και όχι στην κατάσταση ισορροπίας. Οι καταλύτες των βιολογικών αντιδράσεων ονομάζονται ένζυμα και είναι συνήθως πρωτεϊνικής φύσεως. Τα ένζυμα αυξάνουν την ταχύτητα των ενζυμικών αντιδράσεων έως και φορές. Πολλά ένζυμα απαιτούν την ύπαρξη μικρών μη πρωτεϊνικών μορίων, τα οποία συμμετέχουν στη διεργασία κατάλυσης. ιακρίνονται σε: 1. Προσθετικές ομάδες,, που συνδέονται πολύ στενά με τα ένζυμα, συνήθως μόνιμα (π.χ. η προσθετική ομάδα της αίμης που απαντά στα κυτοχρώματα), και σε 2. Συνένζυμα,, που συνδέονται μάλλον «χαλαρά» με τα ένζυμα και ένα μόριo συνενζύμου μπορεί να συνδεθεί με πολλά διαφορετικά μόρια ενζύμου. Οξειδοαναγωγή Ως οξείδωση ξίδ ορίζεται η απομάκρυνση ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων από ένα μόριο. 42

43 Ως αναγωγή ορίζεται η πρόσληψη ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων από ένα μόριο. Σχ.55. Παράδειγμα οξειδοαναγωγικής αντίδρασης. Οι χημικές ενώσεις διαφέρουν μεταξύ τους ως προς την τάση τους για οξείδωση ή αναγωγή. Η τάση αυτή εκφράζεται ως δυναμικό οξειδοαναγωγής Εο (σε ο κανονικές συνθήκες). 43

44 Αυτό το δυναμικό μετριέται σε volt (V) ως προς μια χημική ουσία αναφοράς (το Η 2 ). Κατά σύμβαση, τα δυναμικά οξειδοαναγωγής αναφέρονται σε αναγωγικές ημιαντιδράσεις, δηλαδή της μορφής: οξειδωμένη μορφή + e- ανηγμένη μορφή (2) Τα περισσότερα μόρια μπορεί, υπό διαφορετικές συνθήκες, να είναι είτε δότες, είτε δέκτες ηλεκτρονίων, ανάλογα με τα μόρια που αντιδρούν. Όταν αναπαρίσταται γραπτά ένα οξειδοαναγωγικό ζεύγος, η οξειδωμένη μορφή γράφεται πάντα αριστερά, π.χ. 2Η + /Η 2. Σε μια οξειδοαναγωγική αντίδραση, η ανηγμένη ένωση του οξειδοαναγωγικού ζεύγους με το αρνητικότερο δυναμικό οξειδοαναγωγής παραχωρεί ηλεκτρόνια στην οξειδωμένη ένωση του οξειδοαναγωγικού ζεύγους με το θετικότερο οξειδοαναγωγικό δυναμικό. Άν φανταστούμε έναν κατακόρυφο πύργο που αντιπροσωπεύει το δυναμικό οξειδοαναγωγής των οξειδοαναγωγικών ζευγών από τα πλέον αρνητικά στην κορυφή προς τα θετικά στη βάση, η ανηγμένη ένωση του οξειδοαναγωγικού ζεύγους ση στην κορυφή του πύργου εμφανίζει την ισχυρότερη τάση προσφοράς ηλεκτρονίων,, ενώ η οξειδωμένη ένωση την ισχυρότερη τάση πρόσληψης ηλεκτρονίων. 44

45 Σχ.56. Ο πύργος των ηλεκτρονίων. 45

46 Η διαφορά δυναμικού μεταξύ 2 ενώσεων εκφράζεται ως Εο. Όσο μεγαλύτερη απόσταση διανύσουν τα ηλεκτρόνια του δότη πριν δεσμευθούν από κάποιον δέκτη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται, δηλαδή η Go είναι ανάλογη της Εο. Για παράδειγμα, το ζεύγος 2Η + /Η 2 έχει δυναμικό οξειδοαναγωγής -0.42V και το ζεύγος φουμαρικού-ηλεκτρικού +0.02V. Συνεπώς, η οξείδωση του υδρογόνου (δότη ηλεκτρονίων) μπορεί να συζευχθεί με την αναγωγή του φουμαρικού (δέκτη ηλεκτρονίων): Η 2 + φουμαρικό -2 Ηλεκτρικό -2 (3) ηλαδή, σε αναερόβιες συνθήκες αλλά παρουσία Η 2, το φουμαρικό μπορεί να είναι δέκτης ηλεκτρονίων. Στον καταβολισμό, ο δότης ηλεκτρονίων αναφέρεται συχνά ως πηγή ενέργειας. Όμως, η χημική αντίδραση οξείδωσης του δότη ηλεκτρονίων είναι αυτή που παράγει ενέργεια. Στο κύτταρο, κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε μια οξειδοαναγωγική αντίδραση συνήθως χρησιμοποιούνται μία ή περισσότερες ενδιάμεσες ενώσεις (φορείς). 46

47 Οι φορείς ηλεκτρονίων υποδιαιρούνται σε 2 γενικές κατηγορίες: 1. Σε εκείνους που διαχέονται ελεύθερα (NAD +, NADP + ), και 2. Σε αυτούς που προσδένονται ισχυρά σε ένζυμα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. H χημική ενέργεια που εκλύεται στις οξειδοαναγωγικές γ αντιδράσεις δεσμεύεται συνήθως υπό τη μορφή φωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας. Παρόλ αυτά, δεν είναι όλοι οι φωσφορικοί δεσμοί, δεσμοί υψηλής ενέργειας. Η πιο σημαντική φωσφορική ένωση υψηλής ενέργειας στους ζωντανούς οργανισμούς είναι το ATP. Eκτός από τις φωσφορικές ενώσεις, στο κύτταρο παράγονται και άλλες ενώσεις υψηλής ενέργειας, όπως παράγωγα του συνενζύμου Α. Για την αποθήκευση ενέργειας διάφοροι μικροοργανισμοί παράγουν πολυμερή (άμυλο, λ γλυκογόνο, πολυ-β-υδροξυβουτυρικό, β υδροξυβουτυρικό, στοιχειακό S, κλπ), ) που μπορούν αργότερα να οξειδωθούν για την παραγωγή ΑΤΡ. 47

48 Σχ.57.. εσμοί υψηλής ενέργειας. 48

49 Κύριες καταβολικοί οδοί, μεταφορά ηλεκτρονίων και η πρωτονιοκίνητη δύναμη ύο μηχανισμοί είναι γνωστοί για τους χημειοετερότροφους οργανισμούς: 1. Η ζύμωση (αναερόβια διεργασία), και 2. Η αναπνοή (αερόβια διεργασία). Το τελικό αποτέλεσμα και στις δυο διεργασίες είναι η σύνθεση ΑΤΡ, διαφέρουν, όμως, ως προς τον μηχανισμό σύνθεσής ύθ του. Στη ζύμωση, η σύνθεση του ΑΤΡ γίνεται μέσω φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος,, ενώ στην αναπνοή μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. φ Σχ.58. Σύνθεση ΑΤΡ μέσω (α) φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος, και (β) μέσω οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. 49

50 Στους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, η σύνθεση του ΑΤΡ γίνεται μέσω της φωτοφωσφορυλίωσης. Η γλυκόλυση (οδός Embden-Meyerhof) Σχ.59. H γλυκόλυση. 50

51 Μεταφορείς ηλεκτρονίων Τα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρονίων αποτελούνται από μεμβρανικούς φορείς ηλεκτρονίων και έχουν 2 βασικές λειτουργίες: 1. Προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια από έναν δότη ηλεκτρονίων και τα μεταφέρουν σε έναν δέκτη ηλεκτρονίων, και 2. ιατηρούν μρς μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη μεταφορά των ηλεκτρονίων για τη σύνθεση του ΑΤΡ. Στη μεταφορά ηλεκτρονίων συμμετέχουν διάφοροι τύποι οξειδοαναγωγικών ενζύμων: 1. Αφυδρογονάσες NADH, οι οποίες μεταφέρουν άτομα Η, 2. Φλαβοπρωτεΐνες (περιέχουν FMN ή FAD), 3. Σιδηροθειούχες πρωτεΐνες,, και 4. Κυτοχρώματα. Οι αφυδρογονάσες NADH είναι πρωτεΐνες οι οποίες προσδένονται στην εσωτερική πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης. Προσλαμβάνουν άτομα Η από το ΝΑDH και τα μεταβιβάζουν στις φλαβοπρωτεΐνες. 51

52 Οι φλαβοπρωτεΐνες είναι πρωτεΐνες που περιέχουν ένα παράγωγο της ριβοφλαβίνης. Σχ.60. Το φλαβινομονονουκλεοτίδιο (FMN). 52

53 Tα κυτοχρώματα είναι πρωτεΐνες στις οποίες έχουν προσδεθεί σιδηροπορφυρινικοί δακτύλιοι (αίμη) ως προσθετικές ομάδες. Υφίστανται οξειδοαναγωγή αποβάλλοντας ή προσλαμβάνοντας ένα και μόνο ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο σιδήρου στο κέντρο του κυτοχρώματος. Κυτόχρωμα-Fe 2+ Kυτόχρωμα-Fe 3+ + e- (4) Είναι γνωστές πολλές κατηγορίες κυτοχρωμάτων, τα οποία διαφέρουν ως προς το αναγωγικό τους δυναμικό. Πολλές φορές, τα κυτοχρώματα δημιουργούν στενά συνδεδεμένα σύμπλοκα με άλλα κυτοχρώματα ή με σιδηροθειούχες πρωτεΐνες. Στη μεταφορά ηλεκτρονίων συμμετέχουν και μη αιμικές σιδηροθειούχες πρωτεΐνες,, όπου απαντούν διάφορες διατάξεις σιδήρου-θείου (συνηθέστερες είναι οι Fe 2 S 2 και Fe 4 S 4 ). Τα δυναμικά αναγωγής των σιδηροθειούχων πρωτεϊνών ποικίλλουν σημαντικά, ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων σιδήρου και θείου στο μόριο και ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των κέντρων σιδήρου με την πρωτεΐνη. 53

54 Σχ.61. Το κυτόχρωμα και η δομή του: (α) ομή πυρρολικού δακτυλίου, (β) ακτύλιος πορφυρίνης, (γ) Σε κάποια κυτοχρώματα, ο πορφυρινικός δακτύλιος είναι ομοιοπολικά δεσμευμένος με κυστεϊνικά κατάλοιπα μορίων πρωτεΐνης μέσω δισουλφιδικών δεσμών. 54

55 Σχ.62. ιάταξη κέντρων σιδήρου-θείου μη αιμικών σιδηροθειούχων πρωτεϊνών: (α) Κέντρο Fe 2 S 2, και (β) Κέντρο Fe 4 S 4. 55

56 Οι μη αιμικές σιδηροθειούχες πρωτεΐνες, όπως και τα κυτοχρώματα, μεταφέρουν μόνο ηλεκτρόνια και όχι άτομα Η. Οι κινόνες είναι ιδιαιτέρως υδρόφοβα μη πρωτεϊνικά μόρια που συμμετέχουν στην μεταφορά ηλεκτρονίων. Σχ.63. ομή της οξειδωμένης και ανηγμένης μορφής του συνενζύμου Q, μιας κινόνης. 56

57 ιατήρηση της ενέργειας από την πρωτονιοκίνητη δύναμη Οι μεταφορείς εαφορείς ηλεκτρονίων προασανατολίζονται με τέτοιο τρόπο, ώστε κατά τη διαδικασία της μεταφοράς να πραγματοποιείται διαβάθμιση Η + στις δυο πλευρές της κυτταροπλασματική μεμβράνης [στα Gram (-) βακτήρια τα πρωτόνια ωθούνται στον περιπλασματικό χώρο]. ] Σχ.64. Αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων. 57

58 Τελικό αποτέλεσμα είναι η δημιουργία μιας διαβάθμισης του ph και ηλεκτροχημικού δυναμικού στις δυο πλευρές της μεμβράνης. Το μέρος μρς του κυτταροπλάσματος έχει αρνητικά φορτία και αλκαλικό ph, ενώ το εξωτερικό της μεμβράνης είναι φορτισμένο θετικά και όξινο. Σχ.65. Πρωτονιοκίνητη δύναμη κατά την αερόβιο αναπνοή. 58

59 Η σύνθεση του ΑΤΡ πραγματοποιείται από ένα μεγάλο ενζυμικό σύμπλοκο της μεμβράνης, την συνθάση ΑΤΡ ή ΑΤΡάση. Σχ.66. ομή της συνθάσης ΑΤΡ. 59

60 Ο κύκλος του κιτρικού οξέος Το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε ακέτυλο- συνένζυμο Α και εισέρχεται στο κύκλο του κιτρικού οξέος (ή κύκλος των τρικαρβοξυλικών οξέων ή κύκλος του Krebs) στους αερόβιους οργανισμούς. Μέσω του κύκλου ύλ του Krebs δημιουργούνται σημαντικοί ενδιάμεσοι μεταβολίτες, ενώ σχηματίζονται 3 μόρια ΝADH ADH, 1 μόριο FADH 2 και 1 μόριο GTP/μόριο πυροσταφυλικού οξέος. Σχ.67. Ο κύκλος του κιτρικού οξέος. 60

61 Εναλλακτικές καταβολικές οδοί Αναερόβια αναπνοή Ένας εναλλακτικός τρόπος παραγωγής ενέργειας είναι μια παραλλαγή της αναπνοής κατά την οποία χρησιμοποιούνται δέκτες ηλεκτρονίων διαφορετικοί από το οξυγόνο (αναερόβια αναπνοή), συνήθως NO 3-, SO 2-4, S o, Fe 3+, CO 2-3, ακόμα και οργανικές ενώσεις. Όταν χρησιμοποιούνται οι παραπάνω δέκτες αντί του οξυγόνου απελευθερώνεται λιγότερη ενέργεια. Ωστόσο, η χρήση των εναλλακτικών δεκτών ηλεκτρονίων επιτρέπει στους μικροοργανισμούς να επιζούν σε περιβάλλοντα όπου το οξυγόνο απουσιάζει. Χημειολιθοτροφία Ένας άλλος τρόπος παραγωγής ενέργειας συνδέεται με τη χρήση ανόργανων ενώσεων (χημειολιθοτροφία). Ανόργανοι δότες ηλεκτρονίων είναι συνήθως Η 2 S, H 2 2, Fe 2+, και η NH 3. Στον χημειολιθοτροφικό μεταβολισμό χρησιμοποιούνται συνήθως διαδικασίες αερόβιας αναπνοής, αλλά με ανόργανη πηγή ενέργειας και CO 2 ως πηγή άνθρακα (αυτότροφοι αυτότροφοι). 61

62 Φωτοτροφία Ένας μεγάλος αριθμός μικροοργανισμών, όπως και τα πράσινα φυτά, είναι φωτότροφοι, δηλαδή χρησιμοποιούν το φως ως πηγή ενέργειας. Οι μηχανισμοί μέσω των οποίων χρησιμοποιείται το φως ως πηγή ενέργειας είναι διαφορετικοί για κάθε μικροοργανισμό, αλλά κοινό τελικό αποτέλεσμα είναι η δημιουργία πρωτονοκίνητης ης δύναμης για παραγωγή γή ΑΤΡ. Οι περισσότεροι φωτοτροφικοί μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν το CO 2 ως πηγή άνθρακα, το οποίο δεσμεύεται και οδηγείται στον βασικό ενδιάμεσο μεταβολισμό μέσω μιας σειράς αντιδράσεων (κύκλος του Calvin). Μερικοί φωτότροφοι χρησιμοποιούν οργανικές ενώσεις ως πηγή άνθρακα και φως ως πηγή ενέργειας (φωτοετερότροφοι φωτοετερότροφοι). Υπάρχουν 2 «τύποι» φωτοσύνθεσης: 1. Αυτός που συνοδεύεται από έκλυση Ο 2, και 2. Αυτός που δεν συνοδεύεται από έκλυση Ο 2 (απαντά σε ορισμένους προκαρυώτες). 62

63 Σχ.68. Ο κύκλος του Calvin. 63

64 Στα ανώτερα φυτά, στα φύκη και στα κυανοπράσινα βακτήρια η φωτοσύνθεση γίνεται αερόβια: CO 2 +H 2 O φως (CH 2 O) + O 2 (5) Η φωτοσύνθεση στα πορφυρά και στα πράσινα βακτήρια γίνεται σε αυστηρά αναερόβιες συνθήκες: CO 2 + 2H 2 S φως (CH 2 O) + H 2 O + 2S (6) Σε λίγες περιπτώσεις αντί του H 2 S μπορεί να χρησιμοποιηθεί ηλεκτρικό οξύ, το οποίο οξειδώνεται σε φουμαρικό οξύ: (7) 64

65 Βιοσυνθετικές λειτουργίες Αμινοξέα Η αμινομάδα των αμινοξέων συχνά προέρχεται από ανόργανη πηγή αζώτου (συνήθως ή ς NH 3 3), ενώ ο ανθρακικός σκελετός από πρόδρομες ρ ενώσεις (κατά κύριο λόγο από ενδιάμεσες ενώσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος και της γλυκόλυσης). Σχ.69. Ενσωμάτωση της αμμωνίας στα βακτήρια. 65

66 Σχ.70. Οικογένειες αμινοξέων. 66

67 Μονοπάτι φωσφορικών πεντοζών Εξυπηρετεί 2 σημαντικές λειτουργίες: 1. Παράγεται η 5-φωσφορική ριβόζη που είναι πρόδρομος ένωση για την παραγωγή γή νουκλεϊνικών οξέων,, και 2. Παράγεται το μεγαλύτερο μέρος του ΝΑDPH, που είναι απαραίτητο για τις βιοσυνθετικές λειτουργίες του κυττάρου. 67

68 Σχ.71. Το μονοπάτι των φωσφορικών πεντοζών. 68