Влияние химических факторов на микроорганизмы Микроорганизмы и молекулярный

Влияние химических факторов на микроорганизмы. Микроорганизмы и молекулярный кислород. Активные формы кислорода и этапы их восстановления микробной клеткой Лекция № 6 по дисциплине «Экология микроорганизмов»

План лекции: Становление биосферы. ¨ Свойства молекулярного кислорода. ¨ Активные формы кислорода, этапы их восстановления в микробной клетке и механизмы защиты клетки. ¨ Методы измерения концентрации молекулярного кислорода. ¨ Функции кислорода в метаболизме прокариот. ¨ Классификация микроорганизмов по отношению к молекулярному кислороду. ¨ 2

Становление биосферы. Роль прокариот в становлении биосферы n 2, 7 млрд. лет назад – у прокариот возникает процесс фотосинтеза. n 1, 5 млрд. лет назад – появление крупных протистов n 600 млн. лет назад – формирование мира многоклеточных животных n 400 млн. лет назад – формирование мира наземных растений (содержание кислорода уже постоянно) 3

Свойства молекулярного кислорода n Содержание кислорода в атмосфере 21% n В клетки проникает путём диффузии через мембрану n Основная форма кислорода - триплетная n Высокореакционноспособные формы: - супероксид-радикал (О 2 -. ), - пероксид водорода (Н 2 О 2), - гидроксил-радикал (НО. ) 4

Свойства молекулярного кислорода Генерация различных активных форм из молекулярного кислорода 5

Супероксидный анион - О 2 -. О 2 + е - О 2 -. Спонтанно дисмутирует: О 2 -. + 2 Н 2 Н 2 О 2 + *О 2 (1) В присутствии фермента супероксиддисмутазы: О 2 -. + 2 Н+ Н 2 О 2 + О 2 (2) 6

Перекись водорода - Н 2 О 2 2 Н 2 О 2 каталаза Н 2 О 2 + DН 2 О 2 + 2 Н 2 О пероксидаза D + 2 Н 2 О 7

Гидроксильный радикал - ОНПути образования: О 2 -. + Н 2 О 2 +Н+ Н 2 О 2 + Fe 2+ О 2 + Н 2 О + ОН Fe 3+ + ОН- + ОН 8

Фотодинамический эффект Окисление биологически важных молекул под влиянием видимого света в присутствии молекулярного кислорода и красителя-сенсиилизатора получило название фотодинамического эффекта. ‘D + O 2 B + *O 2 D + *O 2 BO 2 Клетки могут быть защищены от фотодинамического эффекта молекулами каратиноидов или других аноксидантов. 9

Методы измерения концентрации кислорода n Оксистат с кислородным электродом n Капилляры Перфильева n Микроэлектроды Схема градиентов концентрации кислорода внутри и на поверхности колонии 10

Функции кислорода в метаболизме 1) Определяет окислительно-восстановительные условия среды Редокс-потенциал Еh – характеризует восстановленность среды и возможность осуществления окислительновосстановительных реакций. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) выражают символом r. H 2 это индекс аналогичный р. Н. Но р. Н выражает степень кислотности и щелочности, а r. H 2 –степень аэробности и анаэробности. Это отрицательный логорифм концентрации атомов водорода в среде. 2) Является субстратом для аэробных микроорганизмов Аэротаксис 11

Кислород – важнейший экологический фактор Реакция различных бактерий на кислород Опыт А. Р. Прево Питательную среду (мясо-пептонный агар или желатин) он наливал в пробирки, кипятил 35 мин и оставлял на воздухе двое суток. Сразу после кипячения среда даже у самой поверхности была сильно восстановленной с низким r. H 2. Через 48 ч вследствие диффузии кислорода в среду показания r. H 2 сильно изменились. С самой поверхности и до глубины 10 мм r. H 2 составлял 20 единиц (янусгрюн — зеленый). Ниже 10 мм r. H 2 был равен 14 (янусгрюн — розовый). На глубине 13 мм — 12, 5, при 16 мм. — 9, 2, а при 17 мм — 8, при 18 мм всего 7, 4. Оказалось, что строгие анаэробы могут развиваться в средах с r. H 2 не выше 14. Имеются также виды с высокой степенью анаэробности, которые начинают размножаться лишь при крайне низких значениях r. H 2, приближающихся или почти равных нулю. В области r. H 2 выше 14 находится зона развития аэробов. В промежуточной области (между аэробиозом и строгим анаэробиозом) могут развиваться микроаэрофильные формы, приспособившиеся к развитию в средах с низкими концентрациями свободного кислорода. Кислород не оказывает губительного действия на анаэробов, если ОВП среды низкий. Действительно, если к среде добавить восстанавливающие агенты, снижающие ОВП, то некоторые анаэробные микроорганизмы способны развиваться на таких средах в аэробных условиях. Изменение окислительно-восстановительного потенциала в питательной среде (МПА, желатин) при доступе воздуха 12

Кислород – важнейший экологический фактор Реакция различных бактерий на кислород Если бактерии, относящиеся к различным физиологическим типам, засеять в расплавленную и остуженную агаризованную среду, содержащую необходимые субстраты, то после соответствующей инкубации можно наблюдать в застывшем агаре рост колоний в тех зонах столбика, где концентрация кислорода адекватна потребностям данного микроорганизма. 13

Классификация Аэробы Облигатные Анаэробы Факультативные Микроаэрофильные Облигатные Аэротолерантные 14

Облигатные аэробы Micrococcus luteus (Аэробное дыхание) 15

Микроаэрофилы Rizobium Campylobacter Beggiatoa 16

Приспособительные реакции, выработанные микроаэрофилами n n n Микроаэрофилыбактерии, использующие молекулярный кислород, но способные существовать только при его низком содержании: молочно-кислые палочки- виды р. Lactobacillus, способны использовать кислород в качестве конечного акцептора электронов. Другие микроаэрофилы осуществляют дыхательный метаболизм. Это бактерии, связанные с организмом человека и животных, например Campylobacter fetus лучше растут при содержании О 2 5 -10%. Вeggiatoa развиваются в присутствии Н 2 S, который они окисляют. Среди Вeggiatoa обнаружены хемолитоавтотрофные виды, использующие в хемосинтезе энергию окисления Н 2 S, и гетеротрофные виды. Для гетеротрофов, а также для серной спириллы Thiospira Н 2 S необходим, как нейтрализатор образующихся в процессе дыхания перекисей. Леггемоглобин – белок, родственный гемоглобину, накапливается в тканях клубеньков бобовых растений в период активной фиксации молекулярного азота бактероидами. Леггемоглобин обладает высоким сродством к молекулярному кислороду и, с одной стороны способствует снабжению бактероидов кислородом, а с другой – препятствует повышению концентрации молекулярного кислорода, что могло бы привести к угнетению активности нитрогеназы. 17

Факультатиные анаэробы Lactobacillus E. coli 18

Облигатные анаэробы Clostridium Метаногены Treponema 19

Механизмы защиты - Толстая клеточная стенка - Слизистая капсула - «Дыхательная защита» - Конформационная защита - Химическая детоксикация -Глутатион, -Антиоксиданты (каротиноиды) - Ферментативная детоксикация -Каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы (СОД) - Система ответа на окислительный стресс (ген oxy R) -каталазы, пероксидазы, супероксиддисмутазы, -белки теплового шока, -ферменты репарации ДНК 20

Механизмы защиты Beggiatoa формируют клубки нитей, внутри которых содержание кислорода понижено в результате его поглощения клетками при дыхании. Beggiatoa Rizobium В тканях клубеньковых бобовых растений в период азотфиксации накапливается леггемоглобин – белок родственный гемоглобину. Azotobacter 21

Окислительная модификация ДНК 22