ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 1 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 1 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ I. Γενικότητες Αναλόγως των τροφικών τους απαιτήσεων τα µικρόβια διαιρούνται σε κατηγορίες: - αυτότροφα που χρησιµοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 )σαν πηγή άνθρακος. - ετερότροφα που λαµβάνουν τον άνθρακα από οργανικές ουσίες. Τα µικρόβια όµως για το µεταβολισµό τους έχουν ανάγκη ενέργειας, γι αυτό ανάλογα µε τον τρόπο λήψης της ενέργειας αυτής ονοµάζονται - φωτότροφα (ή φωτοσυνθετικά), όταν λαµβάνουν την ενέργεια τους από το φως - χηµειότροφα (ή χηµειοσυνθετικά), όταν χρησιµοποιούν πηγές χηµικής ενέργειας ια συνδυασµού των ανωτέρων χαρακτήρων διακρίνουµε 4 κατηγορίες µικροβίων: - φωτοαυτότροφα που λαµβάνουν ενέργεια από το φως και άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα CO 2. - φωτοετερότροφα που λαµβάνουν ενέργεια από το φως και άνθρακα από τις οργανικές ουσίες. - χηµειοαυτότροφα που λαµβάνουν ενέργεια από τις χηµικές ουσίες και το άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). - χηµειοετερότροφα που λαµβάνουν ενέργεια από τις χηµικές ουσίες και άνθρακα από οργανικές ουσίες. Στην τελευταία αυτή κατηγορία ανήκουν τα περισσότερα µικρόβια. Στα ετερότροφα µικρόβια περιλαµβάνονται τα παθογόνα µικρόβια για τον άνθρωπο, τα ζώα και τα φυτά. Για την ανάπτυξή τους χρειάζονται άνθρακα, που λαµβάνουν από υδατάνθρακες, και άζωτο που προέρχεται από τις πρωτεΐνες και λαµβάνονται κατόπιν ενζυµικής διάσπασης από σύνθετες ενώσεις. Από τα προϊόντα της διάσπασης συνθέτουν τις ουσίες τους. Συµπληρωµατικά χρειάζονται νάτριο, κάλιο, µαγνήσιο, ασβέστιο,

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 2 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ πυρίτιο, θείο, φώσφορο, χλώριο, βιταµίνες και άλλους παράγοντες Για την σύνθεση πολυπλοκότερων ουσιών του µικροβιακού πρωτοπλάσµατος από τις απλές ουσίες απαιτείται ενέργεια που λαµβάνεται µε τη διάσπαση οργανικών ουσιών. 2) Μεταβολισµός του άνθρακος Οι αυτότροφοι µικροοργανισµοί λαµβάνουν τον άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2,) ενώ οι ετερότοφοι µικροοργανισµοί από τους πολυσακχαρίτες (άµυλο, γλυκογόνο), από τους δισακχαρίτες (σακχαρόζη, λακτόζη), τις εξόζες (γλυκόζη, φρουκτόζη), ή τις πεντόζες (αραβινόζη, ξυλόζη) Εξαιτερικά ολίγοι µικροοργανισµοί χρησιµοποιούν ως πηγή άνθρακος τα λίπη και τα λιπαρά οξέα. Τα µυκοβακτηρίδια χρησιµοποιούν ως πηγή άνθρακος τη γλυκερίνη, ο Staphylococcus την µαννιτόλη και τέλος, η Klebsiella χρησιµοποιεί απλούστερες ουσίες ως πηγή άνθρακος. Ορισµένες φορές είναι απαραίτητη η παρουσία µικρής ποσότητας µόνον διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ). Οι µικροοργανισµοί Brucella abortus και Neisseria gonorrhea απαιτούν 5-10% CO 2 για την ανάπτυξή τους. Ο τρόπος διάσπασης των υδατανθράκων για το µεταβολισµό τους είναι γνώρισµα χρήσιµο για την ταξινόµηση των βακτηρίων. Η διάσπαση γίνεται µε δύο τρόπους: -Οξειδωτικώς: Η διάσπαση κατά αυτόν τον τρόπο απαιτεί µοριακό οξυγόνο ως δείκτη του υδρογόνου (Η 2 ) και οι υδατάνθρακες µετατρέπονται στο αντίστοιχο οξύ χωρίς διάσπαση της αλυσίδας του άνθρακα. (π.χ. Η γλυκόζη µετατρέπεται σε γλυκονικό οξύ που είναι ένα ασθενές οξύ). -Ζυµωτικώς Στη ζύµωση χρησιµοποιείται άλλη ουσία ως δείκτης του υδρογόνου (Η 2 ). Η ζύµωση πραγµατοποιείται αναεροβίως µε διάσπαση της αλυσίδας του άνθρακα (π.χ Η γλυκόζη µετατρέπεται σε 2 µόρια γαλακτικού οξέος ή 2 µόρια πυροσταφυλικού οξέος, που είναι ισχυρά οξέα.

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 3 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ Ο διαχωρισµός σε οξειδωτικά και ζυµωτικά οξέα γίνεται σύµφωνα µε τη µέθοδο των Hugh και Leifson (Σχήµα) ( είκτης ph) Παραφίνη Γλυκόζη (1%) Επιφάνεια θρεπτικού υλικού Ηµίρρευστο άγαρ µε πεπτόνη (2%) Σχήµα : ιαχωρισµός οξειδωτικών και ζυµωτικών στελεχών κατά Hugh και Zeifson. Το θρεπτικό υλικό που χρησιµοποιείται είναι ηµίρευστο άγαρ µε παραφίνη (2%), στο οποίο προστίθεται γλυκόζη (1%), και ένας χαρακτηριστικός δείκτης του ph. Προετοιµάζονται 2 ταυτόσηµοι δοκιµαστικοί σωλήνες µε το ως άνω αποστειρωµένο υλικό. Ακολουθεί εµβολιασµός µε το µικροβιακό στέλεχος, και κάλυψη της επιφάνειας µε παραφίνη, του ενός δοκιµαστικού σωλήνα. Αµφότεροι, οι δοκιµαστικοί σωλήνες επωάζονται στον κλίβανο στους 37 0 C. Η αλλαγή του χρώµατος του δείκτη που υπάρχει στο θρεπτικό υλικό, υποδηλώνει αλλαγή του ph του υλικού λόγω βακτηριακής Αν υπάρξει αλλαγή του χρώµατος και στους 2 σωλήνες, τούτο συµβαίνει διότι το βακτήριο διασπά ζυµωτικώς την γλυκόζη και παράγεται οξύ, που προκαλεί αλλαγή του ph και εποµένως του χρώµατος του χαρακτηριστικού δείκτη. Η διάσπαση ονοµάζεται ζυµωτική διάσπαση. Αν υπάρξει αλλαγή χρώµατος στον ανοιχτό σωλήνα µόνο, η διάσπαση λέγεται οξειδωτική διάσπαση Ζυµωτικά στελέχη µικροβίων είναι τα ακόλουθα: Enterobacter, Escherichia, Salmonella, Proteus, Aeromonas, Vibrio.

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 4 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ Οξειδωτικά στελέχη µικροβίων είναι: Pseudomonas, Achromobacter, Mimmae-Bact. anitratum. Είναι γνωστό ότι κατά την διάσπαση των υδατανθράκων σχηµατίζονται διάφορα οξέα (τρυγικό οξύ, πυροσταφυλικό οξύ) που µεταβάλλουν το θρεπτικό υλικό σε όξινο. Σε ορισµένους µικροοργανισµούς η διάσπαση της γλυκόζης δίνει την ακετυλοµεθυλοκαρβινόλη (CH 3 COCHOHCH 3 ) ή ακετοΐνη. Η δοκιµασία αυτή ονοµάζεται αντίδραση Vosges-Proskauer. Επίσης µπορεί να υπάρξει σχηµατισµός αερίου (µίγµα CO 2 και N 2 ) κατά την διάσπαση των υδατανθράκων. Τα διάφορα µικροβιακά στελέχη δείχνουν συνήθως σταθερότητα στους υδατάνθρακες που διασπούν, κι αυτό χρησιµοποιείται σαν ιδιότητα στην τυποποίηση των βακτηρίων. Πειραµατικά, η δοκιµασία διάσπασης των σακχάρων, πραγµατοποιείται ως ακολούθως: (Σχήµα) Σωλήνας Durham είκτης Υδατάνθρακες (0,5-1%) Θρεπτικό υλικό Πεπτονούχο ύδωρ Σχήµα: οκιµασία διάσπασης σακχάρων. Το αποστειρωµένο θρεπτικό υλικό στο δοκιµαστικό σωλήνα περιέχει υδατάνθρακες (0,5-1%), πεπτονούχο ύδωρ και το χαρακτηριστικό δείκτη. Επιπλέον τοποθετείται ένα ανεστραµµένο σωληνάριο Durham για την ενδεχόµενη συλλογή του αερίου, που θα παραχθεί. Η αλλαγή του χρώµατος του δείκτη παρατηρείται λόγω παραγωγής οξέος από τη διάσπαση των σακχάρων.

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 5 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ 3) Μεταβολισµός του αζώτου Τα ετερότροφα µικρόβια λαµβάνουν το άζωτο από την αµµωνία, τα αµινοξέα και τις πρωτεΐνες και κατόπιν συνθέτουν τα δικά τους αµινοξέα και πρωτεΐνες. Αναλόγως του τρόπου σύνθεσης των πρωτεϊνών διαιρούνται σε τρεις κατηγορίες: Μικρόβια που χρειάζονται απλά αµµωνιακά άλατα και συνθέτουν εκτός των απαραίτητων αµινοξέων, βιταµίνες και άλλους παράγοντες Μικρόβια που χρειάζονται προσχηµατισθέντα αµινοξέα, και συνθέτουν τους παράγοντες Μικρόβια που χρειάζονται προσχηµατισθέντα αµινοξέα και παράγοντες Κατά αυτόν τον τρόπο οι µικροοργανισµοί σχηµατίζουν τις απαραίτητες πρωτεΐνες τους για την ανάπτυξή τους και για το σχηµατισµό πρωτεϊνικής φύσης ουσιών όπως η αιµολυσίνη και η εξωτοξίνη. Η διάσπαση των πρωτεϊνών προσδιορίζεται πολύ απλά εργαστηριακά µε τη ρευστοποίηση της πηκτής, την πέψη τεµαχιδίων κρέατος ή την πέψη θρόµβου γάλακτος. (π.χ. Τα Clostridium εµφανίζουν εξαιρετική πρωτεολυτική ικανότητα). Τα αµινοξέα που παράγονται από υδρόλυση των πρωτεϊνών διασπώνται παράγοντας αµµωνία (NH 3 ), διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), υδρόθειο (H 2 S), λιπαρά οξέα και πτητικές ουσίες όπως δύσοσµες µερκαπτάνες. Τα προϊόντα αυτά είναι εξαιρετικά χρήσιµα στην ταυτοποίηση των µικροοργανισµών. Η E.coli παράγει ινδόλη από την τρυπτοφάνη ενώ η Salmonella δεν παράγει ινδόλη. Πρέπει να σηµειωθεί ότι και οι δύο αυτοί µικροοργανισµοί ανήκουν στα Enterobacteriaceae. Κοινά θρεπτικά υλικά αζωτούχα είναι οι πεπτόνες, πηγή αµινοξέων και ολιγοπεπτιδίων, και το εκχύλισµα ζυµοµυκήτων (yeast extract) που αποτελεί πηγή αµινοξέων και πρωτεϊνών.

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV 6 V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ 4) Μεταβολισµός του θείου (S) Το θείο βρίσκεται υπό τη µορφή σουλφριδικών οµάδων (-SΗ) στις πρωτεΐνες. Πηγή του θείου αποτελούν τα ανόργανα θειικά άλατα, το Η 2 S και τα θειούχα αµινοξέα. 5) Μεταβολισµός του φωσφόρου (Ρ) Ο φώσφορος ανευρίσκεται στο DNA, RNA, ATP, NAD, FAD. Πηγή φωσφόρου αποτελούν τα ανόργανα φωσφορικά άλατα. 6) Ενεργοποιητές ενζυµικών συστηµάτων: Ουσίες όπως ο σίδηρος (Fe) στα κυτοπλάσµατα και το µαγνήσιο (Mg) στη χλωροφύλλη, αποτελούν ενεργοποιητές ενζυµικών συστηµάτων. Συχνά προστίθενται στα θρεπτικά υλικά, διάφορα ανόργανα άλατα K, Mg, Ca, Fe σε συγκέντρωση περίπου 1mg/lt.

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ IV V ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ 7 ΓΕΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ