Aeroobsete ja Anaeroobsete bakterite metabolismi erinevused (0)

Tartu Ülikool

Arstiteaduskond

Tartu Ülikooli mikrobioloogia instituut

Aeroobsete ja anaeroobsete bakterite metabolismi erinevused

Referaat

Autor: Eliys Tomson

Arstiteadus II, 7. Rühm

Sõnade arv 1493

Tartu 2010

Summary

Metabolism is one of the things that can be used to classify bacteria . For example aerobic and anaerobic bacteria are differentiated on the bases of their need for oxygen in the metabolism. The following report is a brief overview of bacterial metabolism, that is mostly concentrated on the diffrence between anaerobic metabolism ja aerobic metabolism. Because of the complexity of bacterial metabolism the report is mainly about the fundamental diffrences in catabolism (enzymes used and energy and products that are gained) and the defenceses that are used against oxidative stress. To write this report different literary sources, review journals and articels have been used to describe the metabolism in anaerobes and in aerobes.

Sissejuhatus

Metabolism on kõikide rakus toimuvate protsesside ja reaktsioonide ühine nimetaja . Need protsessid võib jagada kahte rühma vastavalt lõhustumis ( katabolism ) või sünteesi protsesside (anabolism) hulka. Anabolism on lihtsamatest keemilistest ühenditest keerulisemate ühendite sünteesimine. Sünteesi protsessid on vajalikud rakkude kasvuks ja paljunemiseks. Kõik organismid vajavad energiat ja aineid selleks, et sünteesida elutegevuseks vajalike keerulisi keemilisi ühendeid. Katabolism on keerulisemate ühendite lõhustamine lihtsamateks ühenditeks, mille käigus vabaneb energia. Lõhustamise protsesside käigus tekkinud aineid ja energiat kasutatakse omakorda sünteesi protsessides. Peale keskkonnast pärit orgaaniliste molekulide lõhustamise saadakse energiat ka fotosünteesi teel (tsüanobakterid). See, et erinevad bakterid saavad energiat erineval viisil ja erinevatest allikatest, võimaldab neid klassifitseerida mitmeti. Üks võimalike klassifikatsioone on bakterite jagamine anaeroobseteks ja aeroobseteks. Aeroobseteks bakteriteks nimetatakse neid mikroorganisme , mis vajad hapniku energiat kasutavate metaboolsete protsesside toimumiseks, ning neid baktereid nimetatakse anaeroobideks, kes ei saa hapniku kasutada nendel samadel eesmärkidel.1 Sellest tulenevalt on anaeroobsete ja aeroobsete bakterite metabolism erinev. Järgnevalt keskendume bakterite metabolismi puhul just aeroobsete ja anaeroobste bakterite katabolismi erinevustele.

Metabolism ehk aine- ja energiavahetus

Metabolismi üks põhifunktsioone peale katabolismi ja anabolismi on adenosiintrifosfaadi (ATP) tootmine ja energia varumine . ATP-see salvestatud energiat kasutatakse rakus biosünteesideks ja ka füüsikaliskeemilisteks tegevusteks. Adenosiindifosfaadist (ADP) ATP saadakse fosforüülimisprotsesside tulemusena. Ühendi nagu ATP füüsikaliskeemilised omadused on need, mis võimaldavad tal energiat ülekanda energiat-vajavatele süsteemidele. Energia ülekandmine seisneb teatud keemilise ühendi (fosforüülgruppi) ülekandmises. ATP-d on võimalik genereerida kolmel viisil kasutades substraatset fosforüülimist, oksüdatiivset fosforüülimist või fotosünteesi. Substraadse fosforüülimise puhul kantakse fosforüülrühm keemiliselt ühendilt adenosiindifosfaadile ADP. Oksüdatiivsel fosforüülimisel kasutatakse ATP genereerimiseks elektrokeemilist potentsiaali (laengu ja pH erinevust rakumembraani sise ja väliskülje vahel), mida nim ka prootonpotentsiaaliks.
Prootonpotentsiaali loomiseks kantakse elektron metabolismiradade vaheühenditelt ahelas ühelt tsütokroomi liikmelt teisele ning vabanevat energiat kasutatakse selleks, et (H+) prootoneid rakust välja pumbata . Selle tulemusena tekib erinevus raku sise- ja väliskülje laengu (elektrilises potensiaali) ja pH (keemilise potensiaali) vahel. Selleks, et tsütokroomi süsteem töötaks, on vajalik terminaalse elektroni akseptori olemasolu. Metabolism võib olla aeroobne , kui viimane elektroni akseptor on hapnik, või anaeroobne, kui viimane akseptor on orgaaniline või anorgaaniline (v.a. hapnik).

Substraatide katabolism

Bakterid on võimelised kasutama süsiniku ja energia allikana süsivesikuid, rasvhappeid , aminohappeid, puriine, pürimidiine ja suur hulk teisi substraate. Energiat saadakse katabolismi (lõhustamis protsesside) abil. Vastavalt sellele, mis bakteriga on tegu ja mis keskkonnas bakter esineb, on võimalik eristada erinevaid kasutatavaid kataboolseid radu . Põhilised rajad on aeroobne respiratsioon (ehk hingamine ehk oksüdatsioon), anaeroobne respiratsioon ja fermentatsioon .6
Aeroobse respiratsiooni puhul on tegemist aeroobsete bakterite aeroobse metabolismiga. Aeroobsed organismid omavad tsütokroome ja tsütokroomi oksüdaase, mis osalevad oksüdatiivses fosforülatsiooni protsessis. Aeroobse metabolismi puhul saadud täielik energia hulk on 38 molekuli ATP-d, kui energia allikaks on glükoos, ning lõpp- produktideks on vesi ja süsihappegaas.2 Produktide hulka kuuluvad ka väga toksilised ühendid nagu superoksiidi anioon radikaal , vesinikperoksiid ja hüdroksüüli radikaal.
Anaeroobsed bakterid kasutavad anaeroobset respiratsiooni või fermentatsiooni . Erinevalt aeroobsest metabolismist on anaeroobse metabolismi puhul elektroni akseptoriks anorgaaniline molekul (v.a. hapnik) või orgaaniline molekul. Anaeroobne metabolism, mis kasutab anorgaanilisi molekule näiteks nitraati , sulfaati ja karbonaati terminaalsete elektroni akseptoritena, ei ole täielik ning toodab vähem ATP molekule kui aeroobne metabolism. Anaeroobne metabolism, mis kasutab orgaanilisi molekule (näiteks fumaraati) akseptoritena on veel vähem tõhus ja toodab ainult kaks ATP molekuli. Esineb transkriptsiooniline kontrolli hierarhia vastavuses potentsiaalsele energiale, mida on võimalik toota ja elektriline potentsiaal igale akseptorile.1
Süsivesikute metabolismi puhul kantakse vesinik üle vaheühenditelt metaboolses rajas vesiniku akseptor (vastuvõtvatele) molekulidele näiteks nikotiinamiid adeniindinukleotiid (NAD). NAD on redutseeritud NADH, mis annab prootoni ja elektroni tsütokroomi süsteemi. Anaeroobses keskkonnas NAD ammendub , sest kõik NAD muudetakse NADHks. Selle probleemi vältimiseks paljud bakterid on võimelised NAD regenereerima, lubades NADH-l vesiniku aatomi ülekandmist glükolüüsi raja vaheühenditele (püruvaat ja atsetüül-CoA), see protsess on tuntud kui fermentatsioon.1
Mõned organismid on võimelised ainult üht tüüpi katabolismiks aga enamus on mitmekülgsed ja võimelised valima erinevate radade vahel olenevalt sellest, mida keskkond dikteerib . Näiteks eristatakse baketerite hulgas fakultatiivseid anaeroobe, kes on võimelised oksüdatsiooni ja fermentatsiooni protsessideks. Enamik fakultatiivselt anaeroobe kasutavad anaeroobset metabolismi ainult hapniku puudumisel ja kui sobivad substraadid on olemas, sest anaeroobne metabolism ei ole nii tõhus.

Aeroobsete mikroorganismide muutumine anaeroobseteks

Fakultatiivsed mikroorganismid on võimelised muutma oma metabolismi, vastavalt keskkonna tingimustele. Üleminekul aeroobselt anaeroobsele metabolismile või vastupidi kaasnevad muudatused. Näiteks E.Coli sünteesib kahte erinevat tsütokroomi oksüdaasi. Madala hapniku tingimustes on vaja terminaalse oksüdaasi kõrgemat afiinsust hapnikule, seetõttu on indutseeritud kõrgema afiinsusega tsütokroom-d kompleks ja madalama affinsusega tsütokroom-o kompleks on represseeritud. Anaeroobsetes tingimustes toodetakse lisaks veel vähemalt viite terminaalset oksüreduktaasi (nitraadi reduktaas, DMSO/ TMAO reduktaas, TMAO reduktaas, fumaraadi reduktaas). Kui mitmed elektroni akseptorid on olemas üheaegselt, siis energeetiliselt rohkem soodustatud akseptoreid kasutatakse kõigepealt. Kogu see akseptorite süsteem on reguleeritud erinevate mehhanismide poolt.

ArcAB süsteem

ArcAB kahe-komponendiline signaali transduktsiooni süsteem kontrollib geeni ekspressiooni vastuseks kasvu respiratoorsetele tingimustele ja on kaasa arvatud bakteriaalsesse patogeneesi.3 ArcAB süsteem on kõige aktiivsem madala hapniku tingimustes ja vähem aktiivsem kõrgetes hapniku tingimustes. ArcAB süsteem koosneb arcA ja arcBst. ArcB funktsioneerib kui membraan -seoseline sensor /transmitter, mis edastab signaali ArcA vastuvõtja/regulaatorile.1 ArcB ei taju hapniku, vaid oksüdatsiooni ja reduktsiooni taset membraan-seotud kinoonide abil. Kinoonid on respiratsioonil kesksed elektron kandjad. Arc süsteem reguleerib trikarboksüülhappe tsükli kooskõlastatud sünteesi. ArcA-P on aeroobselt ekspresseeritud sihtmärk geenide repressorvalk ja anaeroobselt ekspresseeritud sihtmärk geenide aktivaator. ArcAB on ka roll raku kaitsmisel oküsdatiivse stressi eest. ArcAB roll kõikide bakterite puhul ei ole ühesugune.

Kaitse oksüdatiivse stressi eest

Enamik aeroobseid organisme on kaitstud superoksiidi ja vesinikperoksiidi toksilisuse eest ensüümide superoksiidi dismutaasi (SOD) ja katalaasi abil. Levinud arvamus oli, et obligatoorseid anaeroobid ei salli hapniku, kuna neil puudvad vastavad ensüümid nagu SOD ja katalaas selleks, et elimineerida hapniku ja ennetada toksiliste hapniku produktide tekkimist. See vaade osutus valeks juba seetõttu, et alati pole võimalik hoida keskkonda täielikult hapniku vabana ning võib esineda juhuslikku hapniku sattumist keskkonda, mis ei tähenda kõigi bakterite hävinemist sealt keskkonnast. Lisaks on leitud ka obligatoorsete anaeroobide alla kuuluvaid baktereid, kes on võimelised sünteesima superoksiidi dismutaasi ja katalaasi. Kuid need anaeroobid, kes tõesti ei sünteesi superoksiidi dismutaasi ja katalaasi, toetuvad teistele mehhanismidele. Üks meetod, mida kasutatakse nende organismide poolt, kes ei kasuta hapnikust-sõltuvat metabolismi, hõlmab unikaalset flavoproteiini NADH oksüdaas, mis katalüüsib hapniku otsest nelja elektroni reduktsiooni veeks .1 Teine meetod, mis kaitseb oksüdatiivse stressi eest on superoksiidi reduktaasi süsteem, mis esineb näiteks bakteritel Desulfovibrio vulgaris ja Pyrococcus furiosus. Ta redutseerib superoksiidi vesinikperoksiidiks ilma dismutaasita ning selle süsteemi eeliseks on superoksiidi elimineerimine ilma molekulaarse hapniku tekketa. Selle süsteemi funktsioon on koostoimes NADH peroksüdaasiga, mis redutseerib vesinikperoksiidi veeks.

Oksüdatiivse stressi tajumine

Oksüdatiivse stressi vastase kaitse juurde kuulub ka hapniku produktide tajumine ja selleks on vastvad sensorid rakus. “Peroksiidide tajumine on sensorites olevate redoks-aktiivsete tüsteiinide vahendatud nagu näiteks OxyR, Ohr ja Hsp33 valgud.“ 4 Bacillus subtilis puhul on selleks PerR , mis tajub peroksiide metalli-katalüseeritud oksüdatsiooni abil. Valgu oksüdatsioon, mis on katalüüsitud seotud raua iooni poolt, viib hapniku lülitamiseni histidiin 37 või 91 koosseisu. See omakorda muudab valgu struktuuri ja oksüdeeritud PerR valk kaotab võime seostuda DNAga. PerR tavaliselt surub maha selliste proteiinide sünteesi nagu näiteks katalaas ja peroksüdaas ning tema inaktiveerimine tähendab raku valmistumist potentiaalse vesinikperoksiidi stressi tasemeks. Clostridium on üks põhilisi anaeroobide esindajaid, kes ei ole võimeline hapnikuga keskkonnas funktsioneerima. Clostridium acetobutilcum genoomi skaneerides avastati PerR homoloog , mis viitab sellele et bakter on võimeline taluma oksüdatiivset stressi.“...C.acetobutylicum metsik tüüp kaotas kiirelt elujõulisust hapnikuga keskkonnas kui mutant ilma PerR-ta (nii öelda PerR null mutant) oli võimeline säilitama täieliku elujõulisust tundideks ning õigupoolest oli võimeline aeglaselt kasvama.“5

Järeldused ja kokkuvõte

Metabolism ehk ainete- ja energiavahetus on vajalik bakterite elutegevuseks. Seejuures need mehhanismid , mida energia ja ainete saamiseks kasutatakse, ei ole kõigi mikroorganismide puhul ühesugused. Bakterite poolt eelistatud mehhanismid sõltuvad paljuski sellest, millises keskkonnas bakter parajasti on. Samas määrab bakteri metabolism ära omakorda selle, millises keskkonnas ta on üldse võimeline elama. Teatud bakterid on võimelised muutma oma metabolismi, muutes valkude sünteesi, selleks, et paremini kohanduda keskkonnaga. Üldjuhul klassifitseeritakse baktereid metaboolsete protsesside põhjal, kuid alati ei pruugi konkreetne klassifikatsioon võimaldada kõikide liikide paigutamist olemasolevatesse tekitatud klassifikatsioonidesse. Näiteks eeldati, et obligatoorsed anaeroobid ei ole võimelised elama hapnikuga keskkonnas, kuna neil puudusid ensüümid selleks, et elimineerida toksilisi hapniku produkte. Nüüd on juba leitud, et teatud obligatoorsetel anaeroobidel on olemas samad geenid , mis aeroobidelgi selleks, et sünteesida vastvaid ensüüme, ning osadel on teised mehhanismid selleks, et kaitsta ennast oksüdatiivse stressi eest. Bakterite tohutu mitmekesisus ning võime kiiresti ja teatud juhtudel ettearvamatult kohanduda erinevates keskkondades muudab nad inimeste suurimaks vaenlaseks (teatud liigid on inimestele patogeensed ) ja liitlaseks (on võimalik kasutada meditsiinilistel eesmärkidel). Bakterite metabolismi erinevustest parem aru saamine võimaldab inimeste ja bakterite vahelise koosluse paremat mõistmist ning selle ära kasutamist inimeste huvides.

Kasutatud kirjandus

1. Moat, A.G. , Foster , J.W. , Spector , M.P. 2002. Microbial physiology. 4., parandatud tr. New York : Wiley-Liss inc. , 715 lk.
2. Zuckerman, M., Roitt, I.M., Mims, C.A., Goering, R.,Dockrell, H., Wakelin, D. 2004. Medical Microbiology. 3., parandatud tr.London: Mosby, 648 lk.
3. Wong, S.M., Alugupalli, K.R., Ram, S., Akerley, B.J. The ArcA regulon and oxidative stress resistance in Haemophilus influenzae. Molecular microbiology 2007 June ; 64(5): 1375– 1390 .
4.Lee, J.W., Helmann, J.D. The PerR transcription factor senses H2O2 by metal-catalysed histidine oxidation. Nature 2006 March; 440: 363-367.
5.Imlay,J.A. How obligatory is anaerobiosis? Molecular microbiology 2008 May;68(4):801-804.
6. Paustian, T. Summary of Catabolism. ( http://dwb.unl.edu/Teacher/NSF/C11/C11Links/ www.bact.wisc.edu /microtextbook/metabolism/SummaryCatab.html)
7. Todar, K. Todar's Online Textbook of Bacteriology. ( http://www.textbookofbacteriology.net/ )
9