Transcript Μεταβολισμός

ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ Ι
ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑΣ
ΙΣΤΟΡΙΑ ΜΕ ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ
• G. Fracastoro (16oς μΧ αι.) Οι ασθένειες
οφείλονται σε αόρατα έμβια αντικείμενα.
• 1665 Ο R. Hooke βλέπει κύτταρα κάτω από το
μικροσκόπιό του. Εισάγει την έννοια “cell”
• 1677 Παρατήρηση «μικρών ζώων»
απόνερόλίμνης(Antony Leeuwenhoek)
• 1822-1910 L.Pasteur και R.Koch. Συσχετισμός
μικροβίων με την πρόκληση ασθενειών .
• Alex Fleming (1881-1955). Ανακάλυψη της
πενικιλλίνης.
ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ
• Συμβολή των μικροοργανισμών στη Γη
– Στον άνθρωπο: φυσική χλωρίδα, ασθένειες (άμυνα)
– Στη γεωργία: συμμετοχή στον κύκλο των θρ.
συστατικών, ασθένειες στα φυτά.
– Στα τρόφιμα: μόλυνση των τροφίμων, δημιουργία
γαλακτοκομικών, μπύρας κλπ
• Στο νερό: βιολογικός καθαρισμός
• Βιοεξυγείανση: αποικοδόμηση των ρυπαντών
• Βιοκαύσιμα
• ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
ΔΟΜΗ ΒΑΚΤΗΡΙΑΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ
• Μικροβιακό κύτταρο:
– Το μικροβιακό κύτταρο εμφανίζει δύο κύριες δομές,
την προκαρυωτική και την ευκαρυωτική.
– Εμφανίζουν παρόμοια χημική σύσταση, ίδιες
αντιδράσεις και μεταβολισμό.
– Διαφέρουν στο τοίχωμα και στην ύπαρξη κυτταρικών
οργανιδίων
– Στους προκαρυωτικούς δεν υπάρχει πυρήνας και το
DNA είναι απλά μια διπλή έλικα ελεύθερη μέσα στο
κυτταρόπλασμα .
• Στους προκαρυωτικούς το τοίχωμα έχει τον
πολυσακχαρίτη πεπτιδογλυκάνη
• Διχοτομούνται
ΔΟΜΗ
• A. ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ
– ΜΕΓΕΘΟΣ: Μικροσκοπικό(0,1 –3 μm)
– ΣΧΗΜΑ: Τρεις θεμελιώδεις μορφές:
• Κόκκος (σφαιρικό)
• Βάκιλλος (κυλινδρικό)
• Σπειρίλλιο (ελικοειδές)
A. ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ
A. ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ
– Βλεφαρίδες : Χρησιμοποιούνται για κίνηση
– Φιμπριες : Χρησιμοποιούνται για
προσκόλληση-σύζευξη
• Γλυκοκάλυκας - Έλυτρο: Χρησιμοποιείται για
προσκόλληση, προστασία.
• Σπόροι: Ανθεκτικές μορφές μικροβίων
ΚΥΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑΤΙΚΗ
ΜΕΜΒΡΑΝΗ
– Αποτελείται από λιπίδια (20-50%), πρωτείνες
(50%)
– Εξατομικεύει το κάθε κύτταρο και επιτρέπει
την ανταλλαγή της ύλης (θρέψη,
μεταβολισμός, βιοσύνθεση)
Άλλα οργανίδια
• Μεσοσωμάτια (μεμβρανώδη σωματίδια) για
διπλασιασμό DNA και κυτταρική διαίρεση
• Έγκλειστα (αποθηκευτικά μέσα): λιπιδίων,
πολυσακχαριτών, λιπιδίων, φωσφόρου, θείου
• Ενδοσπόρια. (Δυνητικό βακτηριακό κύτταρο)
Δημιουργούνται εντός του κυττάρου, είναι
μοναδικό χαρακτηριστικό των βακτηρίων και
παραμένουν μεταβολικά ανενεργά σε δύσκολες
συνθήκες. Σε ευνοϊκές συνθήκες ακολουθούν τον
κύκλο ζωής του βακτηρίου.
Άλλα οργανίδια
• ΒΑΚΤΗΡΙΑΚΟΣ “ΠΥΡΗΝΑΣ”:
Είναι η περιοχή του DNA από την οποία απουσιάζει η
πυρηνική μεμβράνη
• ΠΛΑΣΜΙΔΙΑ: Εξωχρωμοσωμικά γενετικά στοιχεία
(κυκλικά και σπανιότερα ευθύγραμμα) που φέρουν μικρό
αριθμό γονιδίων.
Υπάρχουν και αντιγράφονται ανεξάρτητα από το
βακτηριακό DNA αλλά συγχρόνως με αυτό.
Έχουν μεγάλη κλινική σημασία, γιατί μεταφέρουν γονίδια
για αντίσταση σε φάρμακα και μολυσματικούς
παράγοντες και μεσολαβούν στη μεταφορά γονιδίων.
ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΤΟΙΧΩΜΑ:
• Ίσως το σημαντικότερο δομικό στοιχείο του κυττάρου.
•Απαραίτητο για αύξηση και διαίρεση.
•
Περιέχει ένα πολυμερές, την πεπτιδογλυκάνη ή μουρείνη που συναντάται μόνο
στους προκαρυωτικούς οργανισμούς.
•
Είναι αδιάλυτο, εύκαμπτο και ισχυρό.
•
Αποτελεί φράγμα για διάφορες ουσίες (χρωστικές, ένζυμα, αντιβιοτικά)
•
Οι χημικές ουσίες που συνιστούν το κυτταρικό τοίχωμα δρούν σαν αντιγόνα.
Τειχοϊκό οξύ
GRAM-ΘΕΤΙΚΑ
Πεπτιδογλυκάνη-τειχοϊκό οξύ
Κυτταροπλασματική μεμβράνη
Κυτταρόπλασμα
GRAM-ΑΡΝΗΤΙΚΑ
Πορίνη
Εξωτερική μεμβράνη
Λιποπολυσακχαρίτης
Φωσφολιπίδια
Λιποπρωτεΐνες
Πεπτιδογλυκάνη
Εσωτερική (κυτταροπλασματική) μεμβράνη
Κυτταρόπλασμα
Χρώση κατά Gram
• Βασίζεται στο διαφορετικό αποχρωματισμό που
προκαλεί η αιθανόλη μετά από χρώση με
κρυσταλλικό ιώδες και ιώδιο.
• Τα θετικά κατά Gram έχουν περισσότερη
πεπτιδογλυκάνη στο τοίχωμα (-50% του βάρους)
η οποία εγκλωβίζει το σύμπλοκο ιώδους-ιωδίου.
• Τα αρνητικά κατά Gram βακτήρια έχουν
εξωτερική μεμβράνη που καλύπτει την
πεπτιδογλυκάνη Η πεπτιδογλυκάνη αποτελεί το
5-10% του βάρους του κυττάρου
Μεταβολισμός
•
Με τον όρο μεταβολισμό χαρακτηρίζουμε το αθροιστικό σύνολο
των βιοχημικών διεργασιών που γίνονται στα βακτηριακά
κύτταρα κατά τις οποίες είτε αποθηκεύεται ενέργεια
(διαδικασία αναβολισμού), είτε απελευθερώνεται από τα βιομόρια
ενέργεια (περίπτωση καταβολισμού). Συνεπώς ο μεταβολισμός
περιλαμβάνει όλες εκείνες τις βιοχημικές διαδικασίες που
εμπλέκονται στην παραγωγή και απελευθέρωση της ενέργειας,
καθώς και στην αύξηση. Έτσι εκ του παραπάνω προσδιορισμού οι
διαδικασίες αυτές μπορεί να είναι: είτε αναβολικές (σύνθεση
ουσιών), είτε καταβολικές (διάσπαση).
• Εν προκειμένω όλες οι μεταβολικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται
σε διάφορα χρονικά στάδια όπου δημιουργούνται ή διασπώνται
βαθμιαία χημικές ενώσεις. Κάθε τέτοιο στάδιο της "μεταβολικής
οδού" καταλύεται από διαφορετικό κάθε φορά ένζυμο η δομή του
οποίου φέρεται να κωδικοποιείται από συγκεκριμένο γονίδιο.
Μεταβολισμός
• ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ
• Απλούστερες οργανικές ενώσεις Σύνθεση κυτταρικών πολυμερών
(πρωτεϊνες, λιποπολυσακχαρίτες,
νουκλεϊκά οξέα, πολυπεπτίδια κυτταρικού
τοιχώματος)
• Παροχή οργανικών ενώσεων υψηλής
ενεργειακής στάθμης (ATP)
Μεταβολισμός
• Καταβολισμός
• Ο καταβολισμός κάθε οργανικής ουσίας
(υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια) γίνεται με
βιολογικές οξειδώσεις και μεταφορά
ηλεκτρονίων με δέκτες οργανικές ή ανόργανες
ουσίες
• Ζύμωση= δέκτες e- οργανικές ενώσεις
• Αναπνοή= δέκτες e- ανόργανες ουσίες
Μεταβολισμός
• Αναπνοή Σύνολο μεταβολικών εξεργασιών→παροχή
ενέργειαςe-από οξειδώσεις→τελικόςδέκτηςO2 ή
οξειδωμένη ανόργανη ένωση
• Αερόβια αναπνοή Μοριακό O2 τελικός δέκτης των
ηλεκτρονίων Γλυκόζη→CO2 + H2O)
• Αναερόβια αναπνοή Κάτω από αυστηρά αναερόβιες
συνθήκες Θειϊκά, ανθρακικά, νιτρικά άλατα τελικοί
δέκτες των ηλεκτρονίων
• Με νιτρικά άλατα:δυνητικά αναερόβια, ορισμένα
αερόβια
• Με θειϊκά άλατα:αυστηρώς αναερόβια, ορισμένα
κλωστηρίδια
• Με ανθρακικά άλατα:βακτήρια που παράγουν
μεθάνιο
Αναβολισμός
• Τα μικρόβια διαθέτουν τα απαραίτητα
ενζυμικά συστήματα για τη βιοσύνθεση
απλών μορίων(αμινοξέα, λιποειδή,
σάκχαρα, βάσεις) και από αυτά
μεγαλομοριακών ενώσεων
• Βιοσύνθεση νουκλεϊνικώνοξέων
Βιοσύνθεσηπρωτεϊνών
.
ΔΙΑΤΡΟΦΗ ΤΩΝ
ΒΑΚΤΗΡΙΩΝ
Διατροφή=η παροχή των απαραίτητων θρεπτικών ουσιών για
την παραγωγή ενέργειας και τη σύνθεση κυτταρικών
πολυμερών
Πηγέςενέργειας:ηλιακήενέργεια
Οργανικές & ανόργανεςενώσεις
Ουσίεςαπαραίτητεςγιατηδιατροφή:
C, N, H, άλατα και νερό
ΠηγήC: υδατάνθρακες, CO2
ΠηγήΝ:αμινοξέα, πολυπεπτίδια και νιτρικά
Διάκριση των βακτηρίων ανάλογα με την πηγή C,
Ν και ενέργειας
1. Αυτότροφα:πηγή Ν τα ανόργανα αζωτούχα άλατα, πηγή C το CO2 της
ατμόσφαιρας
(i) Φωτοαυτότροφα:πηγή ενέργειας η ηλιακή ενέργεια
(ii) Χημειοαυτότροφα:πηγή ενέργειας ανόργανες ουσίες
2. Ετερότροφα:πηγή N και C οι οργανικές ουσίες
(i)Φωτοετερότροφα:πηγή ενέργειας η ηλιακή ενέργεια
(ii) Χημειοετερότροφα:πηγή ενέργειας οργανικές ουσίες
•Ετερότροφα σαπροφυτικά: πηγή C,νεκρές οργανικές ύλες
•Ετερότροφα παρασιτικά: πηγή C,ζωντανά κύτταρα
Διάκριση των βακτηρίων ανάλογα
με τoν τελικό δέκτη e
1.Υποχρεωτικά αερόβια(π.χ.Μυκοβακτηρίδια, Ψευδομονάδες,
Βάκιλλοι)
2.Υποχρεωτικά αναερόβια
3.Δυνητικά αναερόβια (π.χ.Εντεροβακτηριοειδή,
σταφυλόκοκκοι, εντερόκοκκοι)
4.Μικροαερόφιλα
Γαλακτοβάκιλλοι)
.
(π.χ Βρουκέλλες, Στρεπτόκοκκοι,
Διάκριση των βακτηρίων- Φυσικοί
παράγοντες
Θερμοκρασία
1.Μεσόφιλα: 5ο –45ο C (κολοβακτηρίδιο, εντερόκοκκοι γονόκοκκος, πνευμονιόκοκκος)
2. Ψυχρόφιλα: υποχρεωτικά ψυχρόφιλα ‹ 10ο C
Προαιρετικά ψυχρόφιλα (Listeria, Yersinia)
3. Θερμόφιλα: 40o – 80o C (άριστηΤ: 55o – 60o C)
Τα υποχρεωτικά ψυχρόφιλα και θερμόφιλα δεν είναι παθογόνα για τον άνθρωπο
Ψυχρόφιλα: καταστροφή βιομηχανικών προϊόντων και συντηρημένων τροφίμων
Προϊόντα μετάγγισης(4o C) → λύση βακτηρίων→ ενδοτοξίνες → shock
Επίκτητη αντοχή
στα αντιβιοτικά -Γενετικοί
μηχανισμοί
•
•
•
Η επίκτητη αντοχή των βακτηρίων στα
αντιβιοτικά είναι αποτέλεσμα βιοχημικών
διαδικασιών, οι οποίες οφείλονται σε :
Σημειακές μεταλλαγές του
χρωμοσωματικού DNA (mutations)
Απόκτηση εξωγενούς γενετικού υλικού από
άλλα βακτήρια ( οριζόντια μεταβίβαση
γονιδίων)
Απόκτηση εξωγενούς γενετικού υλικού
– μεταβίβαση γονιδίων
 Τα γονίδια αντοχής συχνά βρίσκονται σε
εξωχρωμοσωματικά γενετικά στοιχεία ή σε τμήματα
ενσωματωμένα στο χρωμόσωμα
 Η μεταβίβαση νέων γονιδίων στο βακτήριο
μπορεί να γίνει με :
• Σύζευξη (conjugation)
• Μεταμόρφωση (transformation)
• Μεταγωγή (transduction)
1. Σύζευξη (conjugation)
• Ο κυριότερος μηχανισμός μεταβίβασης γονιδίων
αντοχής στα Gram-αρνητικά βακτήρια
• Η μεταβίβαση του γενετικού υλικού γίνεται με
πλασμίδια , τα οποία μπορεί να φέρουν ένα ή
περισσότερα γονίδια αντοχής (πλασμίδια
πολλαπλής αντοχής )
• Απαιτείται άμεση επαφή μεταξύ δύο βακτηρίων
δότη και δέκτη), η οποία εξασφαλίζεται με ειδικά
ινίδια (συζευκτικά – αυτομεταφερόμενα
πλασμίδια)
Βακτηριακή σύζευξη μεταξύ στελεχών E.coli
(φωτογραφία από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο)
2. Μεταμόρφωση (transformation)
• Η διαδικασία πρόσληψης από ορισμένα βακτήρια μορίων χρωμοσωματικού
DNA, το οποίο έχει προκύψει από τη λύση άλλων βακτηρίων και βρίσκεται
“ελεύθερο περιβάλλον.
• Το ξένο DNA εισέρχεται στο κύτταρο –δέκτη, όπου ενσωματώνεται στο
χρωμόσωμα σχηματίζοντας με ανασυνδυασμό τα “ μωσαϊκά ” γονίδια.
• Η ενσωμάτωση του DNA είναι εφικτή εφ’ όσον προέρχεται από “συγγενή ”
βακτήρια.
• Συνήθης σε Gram(+) κόκκους.
• Παράδειγμα : S. pneumoniae – S. viridans
3. Μεταγωγή (tranduction)
• Η μεταβίβαση γενετικού υλικού μέσω
βακτηριοφάγων ανάμεσα σε δύο “συγγενή”
βακτήρια
• Οι βακτηριοφάγοι είναι ιοί που προσβάλλουν τα
βακτήρια
• Oρόλος των φάγων στη μεταβίβαση της
αντοχής είναι περιορισμένος
Τρανσποζόνια
• Τα τρανσποζόνια αποτελούν γενετικά στοιχεία τα οποία έχουν την
δυνατότητα μεταφοράς γονιδίων από ένα σημείο του γονιδιώματος σε ένα
άλλο μέσα στο ίδιο βακτηριακό κύτταρο ή σε άλλα βακτηριακά κύτταρα, με
τη βοήθεια ενός ενζύμου (τρανσποζάση) που τα ίδια κωδικεύουν.
ΛΟΙΜΩΞΕΙΣ
Λοιμώξεις ονομάζονται τα νοσήματα που προκαλούνται
από την είσοδο, την εγκατάσταση και τον
πολλαπλασιασμό, μέσα στον οργανισμό του ανθρώπου,
παθογόνων μικροοργανισμών
Σε αρκετές περιπτώσεις δεν απαιτείται είσοδος του παθογόνου
αιτίου, αλλά αυτό υπάρχει σαν σαπρόφυτο (φυσιολογική
χλωρίδα) και καθίσταται παθογόνο, όταν θα υπάρξεουν κάποιες
συγκεκριμένες ειδικές συνθήκες
ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ
ΤΩΝ ΠΑΘΟΓΩΝΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ
• Μόλυνση :Η είσοδος ενός παθογόνου μικροοργανισμού σε έναν
οργανισμό
• Λοιμώδη νοσήματα Οι ασθένειες που προκαλούνται από
μικροοργανισμούς
ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΤΟΥ ΚΟΧ
• Ο Κοχ μελετώντας το 1882
διατύπωσε τα κριτήρια
τον τρόπο μετάδοσης της φυματίωσης
Μια ασθένεια θεωρείται λοιμώδης όταν ικανοποιεί τα κριτήρια του Κοχ
Σύμφωνα με τα οποία μια ασθένεια οφείλεται σε παθογόνο μικροοργανισμό
όταν αυτός:
1. Ανιχνεύεται στους ιστούς ή τα υγρά του ασθενή ή στον οργανισμό
ατόμων που πέθαναν από αυτή την ασθένεια
2. Μπορεί να απομονωθεί και να καλλιεργηθεί στο εργαστήριο
3. Μπορεί να προκαλέσει την ίδια ασθένεια σε πειραματόζωα αλλά και
να μπορεί να απομονωθεί εκ νέου από αυτά
ΤΡΟΠΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ
• Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί μεταδίδονται στον άνθρωπο:
Μέσω του αέρα
Με τα σταγονίδια ασθενούς ατόμου
Τη σκόνη
Από μολυσμένο νερό
Από μολυσμένα τρόφιμα
 Με την έμμεση επαφή με αντικείμενα που έχουν χρησιμοποιηθεί
από μολυσμένο άτομο
Με την άμεση επαφή με μολυσμένα άτομα
Με την επαφή με μολυσμένα ζώα
Με τη σεξουαλική επαφή
Από τη μολυσμένη μητέρα στο έμβρυο
Μέσω του αίματος ή των παραγώγων του:
π.χ. με τη μετάγγιση αίματος
π.χ. με τη χρήση μολυσμένης σύριγγας
ΠΥΛΕΣ ΕΙΣΟΔΟΥ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ
1. Συνήθως εισέρχονται στον οργανισμό:
• Από κάποια ασυνέχεια του δέρματος
•
• Από τους βλεννογόνους που είναι ένα στρώμα κυττάρων που καλύπτει
εσωτερικά τις κοιλότητες του οργανισμού:
Της στοματικής κοιλότητας
Του στομάχου
Του κόλπου