Mikrobiologie a imunologie
6.3 Metabolismus bakterií
6.3 Metabolismus bakterií
Pro život nutnou energii získávají bakterie při tzv. energetickém (katabolickém) metabolismu. U bakterií je rozhodující metabolismus fermentativní, oxidační (respirační) a autotrofní. Glykolýza je hlavní fermentační proces využívaný bakteriemi, jeho podstatou je přeměna glukózy na pyruvát. Bakterie tím získávají energii v podobě adenosintrifosfátu – ATP. V sekundárním fermentačním procesu bakterie využívají pyruvát. Výsledkem tohoto složitého procesu je tvorba vodíku, oxidu uhličitého a metanu, jako příklad můžeme uvést mléčné a alkoholové kvašení. Během respiračního metabolismu bakteriální buňka získává energii v oxidačním procesu za přítomnosti respiračních enzymů. Oxidací bakterie získávají mnohem víc energie než fermentací. Metabolismus autotrofní využívá různé alternativní anorganické zdroje energie. Jedním ze základních procesů je fotosyntéza. Bakterie využívají energii světla pro přeměnu CO2. Anorganické látky využívají pro anaerobní respiraci. Anabolický metabolismus představuje biosyntéza. Hlavní funkcí buňky mikroorganismu je růst a zvyšování počtu všech bakteriálních buněk je pro růst charakteristické.
Výsledky metabolických pochodů v bakteriálních organizmech slouží především k identifikaci bakteriálních druhů. V popředí je hlavně závislost bakterií na kyslíku. Aerobní bakterie vyžadují kyslík pro svůj řádný růst a množení. Naproti tomu anaerobní bakterie kyslík netolerují, rostou pouze v nepřítomnosti kyslíku. Fakultativně aerobní nebo anaerobní bakterie rostou za přítomnosti i bez kyslíku. Dalším diagnostickým krokem bývá využití neboli utilizace sacharidů. Druhy bakterií můžeme určovat podle toho, jaké sacharidy využívají jako zdroj energie. Bakterie produkují také řadu enzymů. Identifikace produkovaných enzymů nám umožňuje třídit jednotlivé druhy bakterií, které mají společnou tuto vlastnost.
K základním enzymům patří tzv. oxidační nebo detoxikační enzymy – kataláza (peroxidáza) štěpí peroxid vodíku, oxidáza napomáhá při oxidačních procesech. Skupina proteolytických enzymů zahrnuje hemolyziny, které porušují membránu červených krvinek. Alfa- hemolyziny porušují membránu erytrocytů, ale nerozpouštějí ji, naproti tomu beta-hemolyziny membránu erytrocytů porušují a rozpouštějí. Proteáza štěpí bílkoviny, kolagenáza je enzym rozrušující kolagen a koaguláza vyvolává přeměnu fibrinogenu na fibrin. Neurotoxiny působí na funkci centrálního i periferního nervového systému, např. botulotoxin ovlivňuje periferní nervový systém, difterický toxin zase blokuje syntézu bílkovin (následkem je nekróza srdeční a nervové tkáně). Tetanospazmin svým účinkem na centrální nervový systém vyvolává spasmus – křeče např. stafylokokový enterotoxin působí ve střevě na nervová zakončení a vyvolává průjem a zvracení. Hlavní funkcí metabolismu je pak syntéza makromolekul. Makromolekuly jsou tvořeny z jednotek – proteiny z aminokyselin, nukleové kyseliny z nukleotidů, polysacharidy z jednoduchých cukrů, lipidy z glycerolu a jiných alkoholů a mastných kyselin. Jednoznačně k hlavním energetickým zdrojům bakterií patří adenosin trifosfát – ATP. Pořadí jednotek v makromolekule je určené dvěma způsoby:
1. DNA řídí obě nukleové kyseliny, tzn. řídí vlastní syntézu a syntézu různých typů RNA.
2. RNA řídí pouze syntézu proteinů.
Genetika bakterií
Jedním ze základních pojmů v genetice představuje genetická informace. DNA – deoxyribonukleová kyselina je tvořena chromozomy a geny. Nositelem genetické informace je chromozom, kde je uložená informace o typu bakteriální buňky.
Struktura bakteriálního chromozomu je daná jednou molekulou deoxyribonukleové kyseliny, dvoušroubovicí.
Obrázek 12 dvojšroubovice DNA
Chromozom je uzavřený útvar a má cirkulární tvar. Dalším procesem – replikací chromozomu dochází k velmi přesnému vytvoření dceřiné buňky - kopie mateřské buňky. Replikace chromozomu je řízena tak, aby docházelo ke koordinaci s buněčným dělením. Geny jsou sérií jednotek DNA, kde je zakódovaná genetická informace. Bakterie jsou vlastně haploidní organizmy (mají pouze jednu sadu chromozomů), protože chromozom kóduje pouze jednu kopii každého genu. Fenotyp je soubor všech zevních znaků a vlastností organizmu kromě genotypu. Je funkcí genu a také výsledkem vzájemného působení mezi genotypem a vnějším prostředím. Genotyp je soubor genetických faktorů v organizmu, je to genová charakteristika jedince.
Bakterie, tím že jsou haploidní (mají pouze jednu sadu chromozomů), využívají pro přenos genů různé primitivní organizmy. Vznik diploidních buněk (mají dvě sady chromozomů) zaručují všechny tyto mechanizmy. Přenos genetické informace je nejefektivnější mezi buňkami stejného druhu.
Způsoby transferu (přenosu):
1. Transformace – je proces, při kterém uvolněnou část DNA přijímá určitá buňka od buňky dárcovské a je to také metoda pro mapování genů. K transformaci dochází u bakteriálních buněk gramnegativních i grampozitivních.
2. Transdukce je proces zprostředkovaný bakteriofágy a tady dochází k pouze k přenosu určitých fragmentů chromozomů.
3. Konjugace je jednosměrný přenos genů do buňky příjemce z buňky dárcovské pomocí kontaktu mezi dvěma buňkami.
4. Extrachromozomální elementy – plazmidy umístěné v cytoplasmě bakterií jsou velmi často nositeli genů důležitých pro adaptaci, obranu (rezistenci na antibiotika) a pro tvorbu antigenů.
Heterogenita genů je způsobena dvěma hlavními pochody – mutacemi a genetickou rekombinací. Mutace je definovaná jako změna genetické informace, která vzniká nebo je vyvolaná spontánně změnou v sekvencích nukleotidů v DNA. Mutace vyvolávají změny v morfologii, v enzymatické aktivitě, v nutričních požadavcích, ve vnímavosti k antibiotikům nebo ve vnímavosti k infekcím vyvolaných bakteriofágem. K mutagenům řadíme fyzikální jevy (záření) nebo chemické látky, které způsobují změny v DNA a vedou následně k mutacím. Dalším procesem na molekulární úrovni je genetická rekombinace, při které dochází ke kombinaci DNA buňky příjemce a dárcovské buňky a vzniká nový genom obsahující genetickou informaci z obou zdrojů.
Nejnovějším trendem je genetická manipulace s bakteriemi. Geny lze nově uspořádat uvnitř bakteriální buňky pomocí nových technik. Tímto způsobem pak probíhá proces rekombinace mezi molekulami DNA z různých zdrojů. Jedná se o metody genového inženýrství. Velmi zajímavá je metoda molekulárního klonování, při které se určitý segment DNA umístí do plasmidu nebo do bakteriofágu a pomocí něho se přenese do cizorodé buňky, kvasinky, bakterie. Buňky mikroorganismů začínají produkovat klony cizí DNA. Klon je definovaný jako soubor jedinců vzniklých z jediné původní buňky.
Bakteriofágy, zkráceně fágy charakterizujeme jako speciální skupinu virů parazitujících v hostitelské bakteriální buňce a jsou využívány pro laboratorní mikrobiologickou diagnostiku. Každý známý typ bakterie slouží jako hostitel pro jednoho nebo více bakteriofágů. Hlavou a bičíkem jsou tvořené jednotlivé partikule fágů. Fágový bičík je složený ve většině případů ze tří částí. Pod hlavou je dutá dřeň, potom následuje kontraktilní pochva ukončená bazální destičkou s tzv. bičíkovými vlákny. Hlava fágu obsahuje nejčastěji nukleovou kyselinu – DNA, někdy to může být i RNA, která je obklopená kapsidou – proteinovým obalem. Pomocí fagotypizace rozlišujeme bakteriální druhy na fagotypy. Kmeny se stejným epidemiologickým vztahem patří k jednomu fagotypu. Získané informace využíváme zejména pro epidemiologické šetření, např. při epidemiologických střevních infekcích.