Mikrobiologia kt 2 (1)

Mikroorganismide muutlikkus Teadust, mis uurib elavate organismide pärilikkust ja muutlikkust nim. geneetikaks.
Geneetika püüab selgitada nelja põhiprobleemi: *kuidas geenid funktsioneerivad, *kuidas toimub geenide regulatsioon , *kuidas toimub geneetilise informatsiooni muutus, *kuidas toimub geneetilise informatsiooni ülekanne.
*Esimeseks objektiks geneetilistel uuringutel olid soolekepikesed, sest nad on hästi kultiveeritavad laboratoorsetes tingimustes. Hiljem hakati uuringutel kasutama ka teisi baktereid ja viirusi.
Genofoor koosneb ligikaudu 4x105—5x106 nukleotiidipaarist, milles sisaldub geneetiline informatsioon 3000—4000 erineva valgu sünteesiks.
*Pärilikkuse funksionaalseks ühikuks on geen, mis kujutab endast DNA molekuli või niidi osa ehk väikest lõiku.
Geen koosneb ca 1000 nukleotiidi paarist.
Geenidesse on koondunud kõik raku omadusi puudutav informatsioon.
Geenid jaotatakse: *struktuurgeenid – kannavad informatsiooni raku poolt produtseeritavate valkude kohta; *regulaatorgeenid – reguleerivad struktuurgeenide tööd; *operaatorgeenid – reguleerivad koos regulaatorgeenidega struktuurgeenide töö kiirust.
Geenid võib jaotada ka : *metsikuteks ehk looduslikku tüüpi geenideks, mis esinevad looduslikes tüvedes; *muteerunud ehk „defektseteks“ geenideks.
Genotüübi ehk genoomi moodustavad kõik raku geenid, mis kanduvad ühest põlvkonnast teise. Seega genotüüp on geenide kogum, mis määrab mikroorganismide geneetilise potensiaali.
Mikroorganismide muutlikkust seostatakse nende fenotüübi ja genotüübi muutumisega. Tulenevalt muutlikkuse iseloomust ja geneetilise info päritolust jaotatakse muutlikkus kolmeks: 1Modifikatsiooniline muutlikkus − mikroobides tekkinud muutused, mis DNA struktuuris jäävad avaldumata. Muutused leiavad aset ainult fenotüübis. Modifikatsioon kui kohastumuslik muutus keskkonnatingimustele järglastele edasi ei kandu. (Nt Staphylococcus aureus produtseerib penitsilliini lõhustavat ensüümi penitsillinaasi ainult penitsilliini olemasolu korral.) 2. Mutatsiooniline muutlikkus − on olemuselt bakteriraku DNA koodi muutumine. Väljaspoolt geneetilist informatsiooni rakku juurde ei tooda. Toimuvat protsessi nimetatakse mutageneesiks ja muutunud genotüübiga bakterit, viirust või faagi mutandiks. Tegu on reeglina juhuslike sündmustega ja nende tekkesagedus on 106 − 109. Nende sagedus siiski kasvab mutageenide (UV kiired, radiatsioon , kemikalid) toimel. Enamus mutatsioone on kahjulikud, kuid samas on nad evolutsiooni liikumapanevaks jõuks. Mutatsioonid võivad olla spontaansed või indutseeritud. Spontaansed võivad esineda kõikides rakkudes, indutseeritud aga sellistes, mis on avatud mutageensele faktorile. Spontaanseid mutatsioone kutsuvad esile DNA replikatsiooni häired, kahjustused ja ülekanduvad keemilised elemendid. 3. Kombinatiivne muutlikkus − muutused genotüübis, kus geneetiline informatsioon on pärit väljastpoolt rakku ehk teistest mikroobidest. Antud protsess leiab aset DNA lõikudega, mis võivad liikuda genoomi ühest lookusest teise nii samas genoomis kui ka erinevate genoomide vahel. *Elusorganismides esineb kaks strateegiat: vertikaalne ja horisontaalne.
Vertikaalne ülekanne − informatsiooni ülekanne leiab aset põlvkonnalt põlvkonnale. Selline ülekanne on iseloomulik bakteritele, kuna nad paljunevad mittesuguliselt geomeetrilises progressioonis.
Horisontaalne ülekanne − informatsiooni ülekanne toimub geneetiliselt sõltumatute isendite vahel. Selline ülekandeviis on seotud mõistega kombinatiivne muutlikkus. Siinjuures peab esinema kaks osapoolt:
doonor − bakter, kes väljastab geneetilist materjali DNA näol;
retsipient − bakter, kes võtab väljastatud geneetilise materjali vastu.
Bakteritel toimub horisontaalne ülekanne konjugatsiooni, transduktsiooni ja transformatsiooni kaudu.
Plasmiidid − on peamiselt prokarüootides esinevad rõngakujulised DNA molekulid, mis eksisteerivad raku genoomist eraldi.
Plasmiidid määravad ära omadused, mis avalduvad bakteriraku fenotüübis. Nende alla kuuluvad: *fertiilsus − bakteri võime konjugeeruda; *toksiinide produktsioon ; *pilide nt F(fertility)-pilid produktsioon; *ravimiresistentsus; * resistentsus keemiliste ainete suhtes; *orgaaniliste ainete lõhustamise eest vastutavate ensüümide teke.
Tuntumad plasmiidid on R- ja F-plasmiidid (R-või F-faktor). R-plasmiidid põhjustavad resistentsust mitmete medikamentide suhtes. R-faktor on levinud eelkõige G-- bakteritel. Plasmiidid võivad kodeerida resistentsust nii ühe kui ka mitme antibiootikumi suhtes.
Konjugatsioon − on geneetilise materjali ülekandumine ühelt bakterilt teisele rakkude vahetus kontaktis olles. Rakud , millised annavad geneetilist materjali, nimetatakse doonoriteks, vastuvõtvad rakud on retsipiendid.
*Protsessi toimumiseks on vajalik F-plasmiidi olemasolu (doonor-)bakterirakus. Neid nimet. F positiiveteks (F+) rakkudeks. F-plasmiidid võtavad osa F-pili moodustumise eest, mille kaudu kantakse geneetiline materjal doonorilt retsipiendile. Tekib nn tsütoplasmaatiline sild . Retsipientrakku tähistatakse F- (F-negatiivne) ja neil F-plasmiid puudub.
Konjugatsiooni tulemusena tekivad Hfr rakud (high frequency of recombination).
Bakteriofaagid jagunevad kahte rühma: *virulentsed faagid − põhjustavad bakteriraku lüüsumist (ehk raku seina lõhustumist) *mõõdukad (ehk tempereeritud ) faagid on bakteri genoomis soikeseisundis ja aktiviseeruvad hiljem (muutuvad viruletseteks).
Transduktsioon − on geneetilise informatsiooni (DNA) ülekanne doonorbakterilt retsipientbakterile bakteriofaagi (-de) osalusel. Transduktsioon toimub enamasti mõõdukate (ehk tempereeritud) faagidega. Faagide paljunemisel bakterirakus liidavad nad oma DNA koostisesse osa bakteriaalsest DNA-st (muutuvad defektseteks) ja edastavad selle retsipientbakteri genoomi.
Transduktsioon jaotatakse: * mittespetsiifiline transduktsioon; *spetsiifiline transduktsioon.
Mittespetsiifiline transduktsioon — faagi satub juhuslik bakteri DNA lõik ja defektsete faafide tekkesagedus on 10-3.
Spetsiifiline transduktsioon — toimub lüsogeense bakteriraku (bakteriofaagi DNA on bakteri genoomi teatud lookuses) aktiveerumine ja faagi genoomi haaratakse kaasa bakteriaalse DNA osakesi (moodustub defektne faag). Edasi satub bakterirakk lüütilisse tsüklisse (hukkub).
Transduktsiooni tagajärjel võivad osad bakteriliigid omada virulentseid omadusi ( Clostridium botulinum — neurotoksiini produktsioon). Transduktsioonil on osa ka stafülokokkide ravimiresistentsuse kujunemisel.
Transformatsioon − Doonorbakterist väliskeskkonda vabanenud DNA lõigukese ülekanne retsipientrakku. DNA retsipientrakku jõudmiseks peab retsipient olema vastuvõtlik. Transformatsioon on omane sellistele perekondadele nagu Neisseria, Streptococcus, Staphylococcus, Bacillus . Osadel liikidel tekivad raku pinnale nn DNA retseptorid , kuhu seotakse doonorbakterist pärit DNA lõik ja muudetakse mitmete ensüümide poolt üheahelaliseks. Järgnevalt siseneb DNA fragment retsipientraku tsütoplasmasse ning sealt edasi liitub genoomiga.
Lämmastikühendite bioloogiline tsükkel
Ammonifikatsioon − valgumolekulide järk-järguline hüdrolüüs. Olemuselt on tegu roiskumisprotsessiga, millega kaasneb märkimisväärne ammoniaagi (NH3) teke. Sellest tulenevalt nimetataksegi protsessi ammonifikatsiooniks.
Enamus aeroobsetest valgulagundajatest on sporogeenid. Nendest tähtsamad on Bacillus cereus, B. mycoides, B. mesentericus. Aeroobsetest spoore mittemoodustavatest bakteritest on esindatumad Pseudomonas fluorescens, Bacterium prodigiosum jt.
*Valkude lagundamisest võtavad osa fakultatiivsed anaeroobid (nt Proteus spp).
*Valkude lagundamise hilisematel etappidel osalevad ka coli- laadsed bakterid . Nad kasutavad peptoone ja lõhustavad neid edasi, produtseerides keskkonda indooli, H2S, NH3 jt halvasti lõhnavaid ühendeid.
*Anaeroobidest märgitakse klostriide nagu Clostridium sporogenes, Cl. perfringens jt.
*Hallitusseentest osalevad valkude lõhustamisel Aspergillus spp., Penicillium spp., Mucor spp. jt.
Valkude lõhustumine toimub proteolüütiliste ensüümide toimel.
Hüdrolüüs toimub järk-järgult: valgud →polüpeptiidid→ aminohapped .
*Aminohapped desamineeritakse, mille tulemusel moodustuvad NH3 ja vastavad orgaanilised ained ( happed : sipelghape , äädikhape, propioonhape, võihape; alkoholid : propüül-, amüül- jt alkoholid).
*Aromaatse rea amiinohapete lõhustamise vahesaadusena moodustuvad fenool , skatool, indool ja teised mürgised ning ebameeldiva lõhnaga ühendid.
*Väävlit sisaldavate aminohapete lõhustumisel moodustub H2S või merkaptaanid, mis lõhnavad samuti ebameeldivalt.
*Valgulagundajad mikroobid on looduses ainete ringe seisukohalt vajalikud, kuna nad mineraliseerivad valgulisi ühendeid. Moodustub NH3, mis rikastab mulda taimedele vajaliku lämmastikuga.
*Samad mikroobid põhjustavad ka piima, liha, kala ja teiste toiduainete riknemist.
Nitrifikatsioon − protsess, mille käigus mullas moodustunud ammoniaak oksüdeeritakse nitrititeks ja nitraatideks. Osad mikroobid saavad rakuainete sünteesiks energiat NH3 oksüdatsioonil nitrititeks, teised jällegi nitritite oksüdatsioonil nitraatideks. Esimeses etapis osalevad nitrosobakterid: Nitrosomonas spp., Nitrospira spp., Nitrosovibrio spp.
Nitrifikatsiooni I faas *NH4+ +1,5O2→NO2-+2H+ +H2O
*Nitrifikatsiooni II faasis osalevad nitrobakterid nagu Nitrobacter winogradskii, Nitrobacter agilis NO2- +1,5O2→NO3-
Nitrifikatsiooni iseloomustab metabioosi nähtus, mil ühed mikroobid arenevad pärast teisi, kasutades esimeste elutegevusprodukte.
Nitrifikatsiooni toimumise eeldused: *Keskkonnas peab olema ammoniaaki. Seega nitrifikatsioon toimub intensiivselt reovees, kompostis, sõnnikus jne. *Keskkonnas peab olema piisavalt O2 ja pH ei tohi olla alla 5.
Denitrifikatsioon − protsess, mille käigus lämmastiku oksüdeerunud vormid taandatakse kuni molekulaarse õhulämmastikuni. Selle tulemusel kaotavad taimed elutegevuseks vajalikke lämmastikühendeid.
*Denitrifikatsioon võib olla otsene või kaudne. Kaudselt toimub denitrifikatsioon keemilise protsessina, mis leiab aset happelistes muldades (pH alla 5,5). Otsene denitrifikatsioon toimub mikroobide kaasabil, kus mikroobid kasutavad molekulaarse hapniku asemel nitraatide (NO3) hapnikku ja lämmastik redutseeritakse kuni molekulaarse vormini.
Peamised denitrifikaatorid on Pseudomonas spp., Micrococcus spp., jt. Denitrifikaatorid on fakultatiivsed anaeroobid ja nitraate kasutavad nad O2 puudumisel.
Gaasiline õhulämmastik – õhulämmastikku võivad siduda nii mullas vabalt elavad kui ka taimedega sümbioosis olevad mügaraid moodustavad bakterid.
*Mullas vabalt esinevate õhulämmastikku siduvate bakterite alla kuuluvad peamiselt Clostridium spp. ja Azotobacter spp. Elutegevusel võivad nad kasutada lämmastikku sisaldavaid ühendeid, kuid nende puudusel omastada ka molekulaarset lämmastikku.
Mügarbakterid – kõige aktiivsemad õhulämmastiku sidujad, kes kasvavad liblikõieliste taimede juurtel. Siia alla kuuluvad sellised taimed nagu ristikhein, mesikas, lupiin, hernes , uba jt.
*Mügarbakterid kuuluvad Rhizobium´i perekonda. Nad on aeroobsed kepikujulised gramnegatiivsed liikuvad bakterid. Spoore nad ei moodusta. Vananedes bakterid paksenevad, kaotavad liikumisvõime ja neid nimetatakse bakteroidideks.
*Üldjuhul on mügarbakterite liigid spetsiifilised , kuna ainult teatud liigid tekitavad mügaraid kindlatel liblikõieliste taimede juurtel.
*Mügaras seostunud lämmastik antakse edasi taimedele aminohapete kujul. Mügarbakterite ja peremestaime(-de) vahel on sümbiootilised suhted. Bakterid saavad taimedest vajalikke orgaanilisi ühendeid (suhkruid, happeid ) ning annavad vastu seotud lämmastikühendeid, mis on moodustunud gaasilisest lämmastikust (N2).