Indriis Muinieks BIOLOIJAS PAMATI DABASZINTU STUDENTIEM MIKROBIOLOIJA 2015

Indriķis Muižnieks BIOLOĢIJAS PAMATI DABASZINĀTŅU STUDENTIEM MIKROBIOLOĢIJA 2015. gads

MIKROORGANISMU LOMA EVOLŪCIJĀ • ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE • TEORIJAS PAR DZĪVĪBAS IZCELŠANOS • BAKTĒRIJU LOMA BIOSFĒRAS IZVEIDĒ • BAKTĒRIJU LOMA EIKARIOTU ŠŪNU EVOLŪCIJĀ • VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI • BAKTĒRIJU VIELMAIŅAS PAMATTIPI • METABOLISMA CEĻI

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1640. g. Džeimss Ušers (James Ussher, 1581. -1656. ), Īrijas arhibīskaps Zeme ir radīta 4004. g. BC, 23. oktobrī.

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1778 - Žoržs Bifons (Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon, 1707 -1788. ), franču dabas pētnieks Les époques de la nature – Zeme ir 75 000 gadus veca

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1862 - Viljams Kelvins (William Thomson, 1824. – 1907. ) Ņemot vērā izkusušu iežu atdzišanas ātrumu, Zemes vecums var būt 98 miljoni gadu (1897. g. precizēts – līdz 40 milj. gadu)

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1905. - Ernests Rezerfords (Ernest Rutherford, 1871. – 1937. ) izsaka domu, ka Zemes vecuma noteikšanai var izmantot radioaktīvo izotopu un to sabrukšanas rezultātā veidoto stabilo izotopu masas attiecības.

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1921. Amerikāņu astronoms Henrijs Rasels (Henry Russell, 1877. – 1957. ) izmantojot urāna un svina masas attiecības iežos, aprēķina, ka Zemes maksimālais vecums var būt astoņi miljardi gadu. Ņemot vērā tajā laikā zināmo vecāko pirmskembrija perioda iežu vecumu un aprēķinot vidējo no šī vecuma un iespējamā maksimālā vecuma Rasels secina: Zemes mantijas vecumam jābūt apmēram četriem miljardiem gadu. Citi vērtējumi: 3, 4 miljardi gadu (Rutherford 1929); 4. 6 miljardi gadu (Meyer 1937); 3 līdz 4 miljardi gadu (Starik 1937).

ZEMES UN BIOSFĒRAS VĒSTURE Zemes vecums 1953. – 1956. vācu fiziķis Frīdrihs Hotermans (Friedrich Georg Houtermans 1903. – 1966. ) un amerikāņu ģeoķīmiķis Klērs Patrersons (Clair Cameron Patterson 1922. – 1995. ), izmantojot urāna un svina izotopu daudzuma attiecības nogulumiežos un meteorītos, aprēķina, ka Zemes un Saules sistēmas vecums ir 4. 55 ± 0. 07 miljardi gadu. Houtermans, F. (1953) "Determination of the Age of the Earth from the Isotopic Composition of Meteoritic Lead. " Nuovo Cimento 10, 1623 -1633, Patterson C. (1956) "Age of meteorites and the Earth" Geochimica et Cosmochimica Acta 10, 230 -237

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Spontānā rašanās, “dzīvības spēks” Aristotelis, Akvīnas Toms, Īzaks Ņūtons Dzīvība rodas no organiskām un neorganiskām vielām arī mūsu dienās. Spontānās rašanās hipotēzes noraidīšana eksperimentu palīdzību: Redi (1688), Splaciani (1765), Pastērs (1862) ar

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos 1668 g. Redi eksperiments – mušas nerodas no pūstošas gaļas. http: //biology. clc. uc. edu/courses/bio 114/spontgen. htm 1860. - 1861. g. Pastēra pētījumi, kas pierāda mikroorganismu pašrašanās neiespējamību. 1865. g. - pasterizācija.

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Panspermija Anaksagors (dzīvības sēklas), Bercēliuss (1834), Kelvins (1871), Arēniuss (1903 starojums kā sporu nesējs), Kriks (1960) Hoyle, Fred (1915 -2001) Wickramasinghe, N. Chandra Mikroorganismi un vīrusi atrodami kosmisko putekļu mākoņos http: //home. planet. nl/~gkorthof/pdf/korthof 47. pdf

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Šūnām līdzīgas struktūras Alana kalna meteorīta struktūrā (1984)

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos T. Hakslijs, 1868 – dzīvās šūnas no protoplazmas. L. Trolands, 1914 – dzīvība no autokatalītiskiem enzīmiem Oparina & Haldeina teorija: dzīvības rašanās no organisko vielu buljona reducējošā agrīnās Zemes atmosfērā. 20. g. s. 20. -tie gadi. Nav nepārvaramas robežas starp dzīvo un nedzīvo dabu Džons Haldeins John B. S. Haldane (1892. - 1964. ) Aleksandrs Oparins Алекса ндр Ива нович Опарин; (1894. – 1980. )

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos Millera-Uri (Stanley L. Miller & Harold C. Urey) eksperiments – organisko vielu rašanās iespēja agrīnās Zemes atmosfērā un ūdeņos Manfreds Eigens (Eigen) – dzīvība rodas autokatalītisku ciklu un hiperciklu darbības rezultātā. Iļja Prigožins (Prigogine) - fizikāli ķīmiskas sistēmās, sasniedzot kritisku robežu, veidojas pašorganizējošās, sakārtotas struktūra.

Hipotēzes par dzīvības izcelšanos W. Martin, M. J. Russell Par šūnu izcelšanos: hipotēze par evolūciju no abiotiskas ģeoķīmijas uz hemoautotrofiem prokariotiem un no prokariotiem uz šūnām ar kodolu. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (2003) 358, 59– 85

Dž. Šostaks (Jack W. Szostak, 1952. ) 2009. g. NP par hromosomu telomeru atklāšanu un to funkciju noskaidrošanu Dzīvības atkārtotas sintēzes teorētiskais pamatojums: Synthesizing life J. W. Szostak, D. P. Bartel & P. L. Luisi NATURE|VOL 409 | 18 JANUARY 2001 |387 -390 Funkcionējoša protošūna Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell S. S. Mansy et al. NATURE|VOL 454 | 4 JUNE 2008 |122 - 125

MIKROORGANISMI IZVEIDOJA VIDI PĀREJĀS DZĪVĪBAS ATTĪSTĪBAI

Zeme bez dzīvības Tikai prokarioti Prokarioti un primitīvi eikarioti Daudz veidība

Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos 1960 - to gadu beigās Lina Margulis (Margulis, 1938) izvirzīja hipotēzi par to, ka mitohondriji, kuros notiek ATP sintēze, ir simbiotisku baktēriju pēcteči. Līdzīgas idejas tika izvirzītas par hloroplastu izcelšanos.

Hipotēzes par eikariotu šūnu un to organellu izcelšanos Filips Bells (Philip Bell, postdoctoral research fellow at Macquarie University, New South Wales, Australia; founding Director of Microbiogen Pty Ltd. ) vīrusu eikarioģenēzes teorijas (2001. – 2004. ) autors. Lielie DNS vīrusi kā iespējamie šūnas kodola priekšteči evolūcijā.

PROKARIOTU VIELMAIŅAS ĪPATNĪBAS

PROKARIOTIEM RAKSTURĪGA METABOLISMA PROCESU, ENERĢIJAS IEGŪŠANAS CEĻU DAUDZVEIDĪBA

Pamatmetabolisms: • iedzimtības informācijas aprite; • enerģijas aprite; • šūnas struktūru veidojošo komponentu sintēze; • vielmaiņas atkritumu izvadīšana.

PROKARIOTIEM RAKSTURĪGA METABOLISMA PROCESU, ENERĢIJAS IEGŪŠANAS CEĻU DAUDZVEIDĪBA Brock’s Microbiology, 5 -th edition

VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI Barības vielas (būvmateriāli) Atkritumi Enerģija Papildkomponenti SEKUNDĀRAIS METABOLISMS Starpprodukti Šūnas komponenti Barības vielas (kurināmais) Atkritumi PAMAT (PRIMĀRAIS) METABOLISMS

VIELMAIŅA (METABOLISMS) KOMPLEKSAS REDUCĒTAS VIELAS NO VIDES (cukurs, glikoze) KOMPLEKSAS REDUCĒTAS VIELAS ŠŪNĀ KATABOLISMS ADP ENERĢIJA VIENKĀRŠAS VIELAS (CO 2; H 2 O) NO VIDES ANABOLISMS ATP VIENKĀRŠAS (OKSIDĒTAS) VIELAS ŠŪNĀ VIENKĀRŠAS ATKRITUMI, VIENKĀRŠAS OKSIDĒ- VIELAS NO VIDES (ūdens, sāļi) TAS VIELAS VIDĒ (piem. , CO 2; H 2 O)

KATABOLISMS; PIRMAIS POSMS POLIMĒRI MONOMĒRI Proteīni Aminoskābes Nukleīnskābes Nukleotīdi Polisaharīdi Monosaharīdi (glikoze) Tauki Taukskābes Glicerīns

VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI KATABOLISMS; OTRAIS POSMS MONOMĒRI 3 un 4 C-VIELAS; NH 3 Aminoskābes Nukleotīdi Pirovīnogskābe, Dzintarskābe, Urīnviela Monosaharīdi (glikoze) Pirovīnogskābe Acetil Co. A Taukskābes Glicerīns Acetil Co. A Pirovīnogskābe

VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI KATABOLISMA REAKCIJAS a) oksidēšanas reakcijas – atbrīvojas organisko vielu reducējošais potenciāls; [-CH 2 O-]n + O 2 {CO 2 + 2 H++2 e- + 1/2 O 2} CO 2 + H 2 O cukura oksidēšana b ) veidojas reducējošā potenciāla pārnesēji, piem. , NADH+H+ c ) veidojas ATP

OTRAIS KATABOLISMA POSMS Glikozes sašķelšanas enzimātiskās reakcijas: GLIKOLĪZE Embdena. Meijerhofa. Parnasa ceļā desmit enzīmi secīgās reakcijās sašķeļ vienu glikozes molekulu divās pirovīnogskābes molekulās. Katabolisma otrais posms C 6 H 12 O 6 2 x C 3 H 4 O 3 +4 H Katabolisma trešais posms Sašķeļot vienu glikozes molekulu līdz pirovīnogskābei, patērē 2 ATP molekulas, bet iegūst 4 ATP un 2 NADH +H+

Glikozes oksidēšanas rezultātā veidojas ar enerģiju bagāts savienojums nikotīn-adenīndinukleotīda reducētā forma (NADH+H+). Reducēto NAD šūnas nevar uzkrāt, tas jāizmanto.

ATP adenozīna 5’ trifosfāts ADP adenozīna 5’ difosfāts

VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI ATP VEIDOJAS NO ADP FOSFORILĒŠANAS REZULTĀTĀ ATP SINTĒZE NO ADP KATABOLISMA REAKCIJU OTRAJĀ POSMĀ NOTIEK ENZIMĀTISKU REAKCIJU REZULTĀTĀ, IZMANTOJOT ĶĪMISKO SAIŠU PĀRKĀRTOŠANAS ENERĢIJU (SUBSTRĀTA LĪMEŅA FOSFORILĒŠANA).

Enzīms – piruvātkināze Substrāta līmeņa fosforilēšana piruvāts = pirovīnogskābe

Glikozes oksidēšanas rezultātā veidojas ar enerģiju bagāts savienojums nikotīn-adenīndinukleotīda reducētā forma (NADH+H+). Reducēto NAD šūnas nevar uzkrāt, tas jāizmanto.

KATABOLISMA REAKCIJĀS TIEK OKSIDĒTI ORGANISKIE SAVIENOJUMI UN VEIDOJAS REDUCĒTĀ NAD FORMA. NADH IR SPĒCĪGS REDUCĒTĀJS Elektronu transporta ķēdi veido MEMBRĀNĀ saistīti proteīni. Tie pakāpeniski smazina no NADH+H+ (vai cita reducējošā potenciāla avota) ņemtā elektrona enerģiju un beigās atkal apvieno to ar protonu, pievienojot gala akceptoram (elpošanā – skābeklim).

KĀ ELEKTRONU TRANSPORTĀ ATBRĪVOTĀ ENERĢIJA TIEK IZMANTOTA ATP SINTĒZEI ?

HEMIOSMOTISKĀ TEORIJA (P. Mitchell, Nobela prēmija ķīmijā 1978. gadā) e - Elektronu transporta ķēde Elektroni un protoni (no NADH+H+) H+ CITOPLAZMA H 2 O 1/2 O 2+2 H++2 e H+ ADP + Pi ATP e- H+ H+ H+H+ H HH++ ++ H + ĀRPUSŠŪNAS H TELPA + H e. Citohromi ATP sintetāze MEMBRĀNA H+

1997. g. Nobela prēmija par ATP sintetāzes darbības enzimātiskā mehānisma noskaidrošanu Paulam Boijeram un Džonam Volkeram Senior, A. E. and Weber, J. (2004) Happy motoring with ATP synthase. Nat. Struct. Mol. Biol. 11, 110– 112

VIELMAIŅAS PAMATPRINCIPI KATABOLISMS; TREŠAIS POSMS 3 un 4 C-VIELAS CO 2 UN H 2 O PIROVĪNOGSKĀBE URĪNVIELA DZINTARSKĀBE Katabolisma reakciju trešajā posmā, elpošanā, oksidējot 3 un 4 C savienojumus trikarbonskābju (Krebsa) ciklā, veidojot NADH+H+ un izmantojot tā reducējošo potenciālu elektronu transporta ķēdē, no divām pirovīnogskābes molekulām iegūst 30 ATP molekulas

KATABOLISMS; TREŠAIS POSMS 3 un 4 C-VIELAS KREBSA CIKLS NP medicīnā 1953. gadā CO 2 ; H 2 O Trkarbonskābju ciklā no vienas glikozes molekulas iegūst: 8 NADH 2 2 FADH 2 2 GTP

ANABOLISMS MONOMĒRI KREBSA CIKLS POLIMĒRI Aminoskābes Proteīni Nukleotīdi Nukleīnskābes Monosaharīdu fosfāti Polisaharīdi Taukskābes Glicerīns Tauki

SAISTĪTAS METABOLISMA REAKCIJAS VEIDO METABOLISMA CEĻUS VISAS METABOLISMA REAKCIJAS KATALIZĒ ENZĪMI

SAISTĪTAS METABOLISMA REAKCIJAS VEIDO METABOLISMA CEĻU KARTI http: //pathview. r-forge. r-project. org/

TRĪS GALVENIE METABOLISMA TIPU/TROFIJU RAKSTUROJOŠIE ELEMENTI Trofija – barošanās veids OGLEKĻA AVOTS (būvmateriāli) AUTOTROFIJA - CO 2 HETEROTROFIJA - ORGANISKĀS VIELAS

ENERĢIJAS AVOTS (siltuma ieguves process – krāsns, saules baterijas, siltuma sūknis) FOTOTROFIJA HEMOTROFIJA GAISMA - OKSIDĒŠANA (gan organisku, gan neorganisku vielu)

REDUCĒJOŠĀ POTENCIĀLA (H+, e -) AVOTS (siltuma avots – malka, ogles, gruntsūdeņi) ORGANOTROFIJA - ORGANISKĀS VIELAS LITOTROFIJA - NEORGANISKĀS VIELAS

VISI ORGANISMI Enerģijas avots Oksidēšanās reakcijas Hemotrofi Baktērijas Vienšūņi - protozoji Sēnes Dzīvnieki Gaisma Fototrofi Baktērijas Vienšūņi - aļģes Augi

Fototrofi Oglekļa avots Ogļskābā gāze, CO 2 Organiskās vielas Fotoheterotrofi e- no organiskām vielām Zaļās un sarkanās bezsēra baktērijas, halofīlās arhebaktērijas Skābekli neveidojošā (anoksigēnā) fotosintēze Fotoautotrofi e- no neorganiskām vielām no H 2 S, S 2 O 32 no ūdens un taml. Cianobaktērijas, aļģes, AUGI Zaļās un sarkanās Skābekli veidojošā sēra (oksigēnā) baktērijas fotosintēze

SKĀBEKLI NEVEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE BAKTĒRIJĀS Fotosintēze bez citohromiem, veidojot protonu un jonu gradientus ar rodopsīna palīdzību halofīlajās arhebaktērijās

SKĀBEKLI NEVEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE BAKTĒRIJĀS Hēms, hlorofīls Sarkanajās un zaļajās bezsēra baktērijās H+ un C avots ir organiskas vielas. Senākais metabolisma tips? FOTO_HETERO_ORGANO_TROFIJA Sarkanajās un zaļajās sēra baktērijās H+ avots ir neorganiskas vielas, piem. , H 2 S, bet oglekļa avots var būt gan organiskās vielas, gan CO 2. FOTO_AUTO_LITO_TROFIJA vai FOTO_HETERO_LITO_TROFIJA

SKĀBEKLI VEIDOJOŠĀ FOTOSINTĒZE CIANOBAKTĒRIJĀS, AĻĢĒS UN AUGOS FOTO_AUTO_ LITO_TROFIJA http: //plantphys. info/ plant_physiology/light rxn. shtm

Hemotrofi Oglekļa avots Organiskās vielas Hemoheterotrofi e- no organiskām vielām hemo_hetero_organo_trofi Dzīvnieki, vairums sēņu, protistu, baktēriju Ogļskābā gāze, CO 2 Hemoautotrofi e- no neorganiskām vielām hemo_auto_lito_trofi Ūdeņraža, sēra, dzelzs, nitrificējošās baktērijas, CH 4 veid. arhebaktērijas

IZLIETOTĀ REDUCĒJOŠĀ POTENCIĀLA (H+, e -) GALA SAVĀCĒJS (izdedži) e- gala akceptors neorganiskās vielas Baktērijas, sēnes (raugi) Rūgšana O 2 Dzīvnieki, sēnes, prozoji, baktērijas Elpošana citas oksidētas vielas, piem. , NO 3, CO 2, SO 4 Sulfātu, sēru, amoniju, dzelzi oksidējošās, denitrificējošās baktērijas Anaerobā elpošana

Kur likt reducējošo potenciālu, ja ELEKTRONU TRANSPORTS MEMBRĀNĀS NAV IESPĒJAMS ? RŪGŠANA

PIENSKĀBĀ RŪGŠANA NADH+H+ PIROVĪNOGSKĀBE NAD+ PIENSKĀBE LAKTĀTDEHIDROGENĀZE

SPIRTA RŪGŠANA - CO 2 PIROVĪNOGSKĀBE ACETALDEHĪDS PIRUVĀTDEKARBOKSILĀZE

SPIRTA RŪGŠANA NADH+H+ NAD+ ACETALDEHĪDS ETANOLS ALKOHOLDEHIDROGENĀZE Zymomonas, raugi

CITI RŪGŠANAS TIPI BUTANOLA - ACETONA PROPIONSKĀBES SVIESTSKĀBES METANOGĒNĀ ETIĶSKĀBĀ SKĀBJU MAISĪJUMS Clostridium butyricum Clostridium proponicum Propionobacterium Clostridium butyricum Methanotrix, Methanosarcina C. aceticum, Acetobacterium Enterobaktērijas