Indriis Muinieks VISPRG BIOLOIJA ORGANISMU DAUDZVEIDBA MONERA PROKARIOTU

Indriķis Muižnieks VISPĀRĪGĀ BIOLOĢIJA ORGANISMU DAUDZVEIDĪBA MONERA PROKARIOTU VALSTS

PROKARIOTU VALSTS MIKROBIOLOĢIJAS PAMATI PROKARIOTU AUGŠANA UN VIELMAIŅAS ĪPATNĪBAS

PROKARIOTU AUGŠANA

BAKTĒRIJAS VAIROJAS DALOTIES Binārā dalīšanās: no vienas šūnas veidojas divas līdzīga izmēra šūnas Filamentu (pavedienu) veidošanās: pēc dalīšanās šūnas paliek kopā

BAKTĒRIJAS VAIROJAS DALOTIES Dalīšanās nav saistīta ar dzimumprocesu, baktērijas vairojas veģetatīvi. Baktēriju koloniju veido vienas šūnas kloni. Koloniju veido 108 - 109 šūnu

Augšana uz virsmām: KOLONIJU MORFOLOĢIJAS ĪPATNĪBAS

KOLONIJU MORFOLOĢIJAS ĪPATNĪBAS

KOLONIJU MORFOLOĢIJAS ĪPATNĪBAS Proteus un Bacillus kolonijas pusšķidrā agara barotnē

KOLONIJU MORFOLOĢIJAS ĪPATNĪBAS Salmonella kolonijas nabadzīgā barotnē

KOLONIJU MORFOLOĢIJAS ĪPATNĪBAS Gļotbaktēriju Stigmatella kolonija Transpozonu darbības rezultātā E. coli kolonijā uzkrājas šūnas, kas neizmanto laktozi: notiek klonu diferenciācija

AUGŠANA ŠĶIDRAJĀ BAROTNĒ Pieaug barotnes turbiditāte (samazinās gaismas caurlaidība), mainās krāsa

AUGŠANA ŠĶIDRAJĀ BAROTNĒ Ideofāze

AUGŠANA ŠĶIDRAJĀ BAROTNĒ Hemostata shēma un laboratorijas iekārta mikroorganismu nepārtrauktai kultivēšanai

ATTIEKSME PRET SKĀBEKLI

ANAEROBO MIKROORGANISMU AUDZĒŠANA Anaerobās kultivēšanas bokss un anaerostats

PROKARIOTU AUGŠANA Baktēriju augšana atkarībā no barotnes p. H un temperatūras Acido. Psihro- Neitro. Mezo- Alkali. Termo. Ekstrēmi termo- Fīlija - (patika) optimāla augšana Tolerance - (iecietība) dzīvotspējas saglabāšana

Baktēriju augšana atkarībā no barotnes p. H un temperatūras

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

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 ATP c) veidojas reducējošā potenciāla pārnesēji, piem. , NADH+H+

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 Mr=507 g; organismā ~ 200 -250 g; aprite diennaktī ~ ķermeņa masa 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 (lineāri, cikliski-atkārtojošies) 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 VEIDOJAS ? 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