Transcript דרישות תזונתיות של חיידקים

‫הסביבה כמקור לאבני הביניין‬
‫של תא החיידק‬
‫ההרכב הכימי של תא החיידק ‪:‬‬
‫‪ ‬מים – מהווים ‪ 90%-80%‬מהמשקל הכללי‪.‬‬
‫‪ ‬החומר היבש – מהווה ‪20%-10%‬‬
‫מהמשקל הכללי‪.‬‬
‫חומרי מזון הנדרשים‬
‫לתא החיידק‬
‫‪ ‬מקרואלמנטים (מקרונוטריאנטים)‬
‫‪macronutrients‬‬
‫‪C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, and Fe ‬‬
‫‪ ‬נדרשים בכמויות גדולות יחסית‪.‬‬
‫‪ ‬מיקרואלמנטים (מיקרונוטריאנטים‪ ,‬או אלמנטי קורט)‬
‫‪micronutrients‬‬
‫‪Mn, Zn, Co, Mo, Ni, and Cu ‬‬
‫‪ ‬נדרשים בכמויות מזעריות‬
‫‪ >95%‬מהחומר היבש של תאי‬
‫חיידקים מורכב‬
‫מ‪ 10 -‬מרכיבים עיקריים ‪:‬‬
‫‪ ‬משמשים לבניית פחמימות‪ ,‬חלבונים‪,‬‬
‫שומנים וחומצות נוקלאיות (‪: )g/l‬‬
‫‪Carbon (C) ‬‬
‫‪Oxygen (O) ‬‬
‫‪Hydrogen (H) ‬‬
‫‪Nitrogen (N) ‬‬
‫‪Sulfur (S) ‬‬
‫‪Phosphorous (P) ‬‬
‫>‪ 95%‬מהחומר היבש של תאי‬
‫חיידקים מורכב‬
‫מ‪ 10 -‬מרכיבים עיקריים ‪:‬‬
‫פעילות אינזימים‪ ,‬עמידות לחום של‬
‫נבגים‪ ,‬ציטוכרום‪ ,‬קו‪-‬פקטורים‬
‫)‪: (mg/l‬‬
‫‪Potassim (K) ‬‬
‫‪Calcium (Ca) ‬‬
‫‪Magnesium (Mg) ‬‬
‫‪Iron (fe) ‬‬
‫מרכיבים מזעריים‬
‫‪ ‬פעילות אינזימטית‪ ,‬קו‪-‬פקטורים‪ ,‬קיבוע‬
‫חנקן‪ ,‬מרכיבי וויטמינים )‪: (mg/l‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫)‪Manganese (Mn‬‬
‫)‪Zinc (Zn‬‬
‫)‪Cobalt (Co‬‬
‫)‪Molybdenum (Mo‬‬
‫)‪Nickel (Ni‬‬
‫)‪Copper (Cu‬‬
‫)… ‪Others (B, Se,‬‬
‫‪ ‬בד"כ נמצאים במים בכמות מספקת‪.‬‬
‫דרישות מיוחדות‬
‫‪ ‬ריכוזי נתרן גבוהים ‪:‬‬
‫‪ Halophiles ‬הלופילים‬
‫הסביבה כמקור לאבני הביניין של‬
‫תא החיידק‬
‫‪ ‬החיידקים נבדלים אלה מאלה באפשרויות‬
‫הניצול של תרכובות המשמשות מקור ליסודות‪.‬‬
‫‪ ‬ניצול תרכובת מסויימת מותנה בקיום מערכות‬
‫המאפשרות‪:‬‬
‫ להעביר את התרכובת הנדרשת מהסביבה אל‬‫התא‬
‫ באינזימים ייחודיים הדרושים לפירוקה של‬‫התרכובת הנקלטת‪ ,‬ולבניית התרכובת הנחוצה‪.‬‬
‫המקורות לפחמן‬
‫‪ ‬הפחמן – מרכיב בסיסי של כל התרכובות‬
‫האורגניות‪.‬‬
‫דרוש לתא בכמויות גדולות‪.‬‬
‫המקורות לפחמן ‪:‬‬
‫‪ ‬תרכובות פשוטות כמו ‪. CO2‬‬
‫‪ ‬תרכובות אורגניות בעלות מבנה כימי מסובך‪,‬‬
‫כמו רב‪-‬סוכרים‪ ,‬חלבונים‪ ,‬חומצות גרעין‪.‬‬
‫‪ ‬תרכובות כמו נפט וגזים אחרים‪.‬‬
‫מקורות הפחמן העיקריים‬
‫סוכרים –‬
‫‪ ‬הקסוזות (חד סוכרים בעלי ‪ 6‬אטומי פחמן) כגון גלוקוז‪,‬‬
‫פרוקטוז או גלקטוז – הינם המקורות השכיחים ביותר‬
‫לפחמן אצל חיידקים‪.‬‬
‫*סוכרים אלה משמשים בדרך כלל כמקור פחמן וכמקור‬
‫אנרגיה‪.‬‬
‫‪‬‬
‫דו‪-‬סוכרים (לקטוז‪ ,‬סוכרוז=גלוקוז‪+‬פרוקטוז) –‬
‫מנוצלים ע"י מינים רבים של חיידקים‪.‬‬
‫לחיידקים אלה‪:‬‬
‫‪ ‬מערכת מתאימה להעברת המולקולה דרך הממברנה‪,‬‬
‫‪ ‬אינזים המבקע את הקשר הגליקוזידי שבין שני‬
‫החד‪-‬סוכרים המרכיבים את מולקולת הדו‪-‬סוכר‪.‬‬
‫מקורות הפחמן העיקריים‬
‫(המשך)‬
‫‪‬‬
‫אצל חיידקים רבים – קיימת עדיפות לניצול גלוקוז‪.‬‬
‫‪‬‬
‫בהעדרו – מסוגלים החיידקים לנצל סוכרים אחרים‪,‬‬
‫אפילו רב סוכרים‪ ,‬כמקורות לפחמן ולאנרגיה‪.‬‬
‫‪ ‬פירוק רב סוכרים – נעשה ע"י הפרשת אינזימים מחוץ‬
‫לתא‪ ,‬לחד סוכרים או דו‪-‬סוכרים הנכנסים לתא‪.‬‬
‫‪‬‬
‫(עמילאז – מפרק עמילן למולקולות גלוקוז ולדו‪-‬סוכר‬
‫מלטוז‪ ,‬המורכב משתי מולקולות גלוקוז)‪.‬‬
‫‪( ‬צלולאז – מופרש ע"י חיידקים אנארוביים מחוץ לתא‬
‫ומפרק צלולוז – פולימר של גלוקוז)‪.‬‬
‫פחמימנים‬
‫‪ ‬מולקולות הבנויות פחמנים ומימנים בלבד‪.‬‬
‫‪ ‬מנוצלים ע"י חיידקים שונים‪.‬‬
‫‪ ‬תהליך הפירוק של פחמימנים הוא אווירני‬
‫(בהעדר חמצן‪ -‬פחמימנים יכולים להשתמר‬
‫במשך אלפי שנים‪ ,‬לדוג‪ .‬נפט)‪.‬‬
‫מקורות חנקן‬
‫‪ ‬חנקן אורגני‬
‫‪ ‬מתקבל מפירוק חומצות אמינו‬
‫ומפירוק תרכובות חנקניות אורגניות‬
‫אחרות‪.‬‬
‫‪ ‬חנקן אנאורגני מחומצן‬
‫‪ ‬ניטרט )‪ Nitrate (NO32-‬וניטריט‬
‫)‪nitrite (NO22-‬‬
‫‪ ‬חנקן אנאורגני מחוזר‬
‫‪Ammonium (NH4+) ‬‬
‫‪ ‬קיבוע חנקן גזי‬
‫‪(N2) ‬‬
‫חומצות אמיניות וחלבונים‬
‫‪‬‬
‫שינויים כימיים בחומצות אמיניות מאפשרים ניצולן‬
‫כמקור פחמן ואנרגיה‪.‬‬
‫‪‬‬
‫אינזימים חוץ תאיים (פרוטאזות) – מפרקים מחוץ לתא‬
‫חלבונים ‪ -‬לחומצות אמיניות‪ ,‬או לפפטידים קצרים‪,‬‬
‫שחדירתם לתא פשוטה יותר‪.‬‬
‫*חיידקים מעכלי חלבונים –‬
‫ גורמים לרקבונו של מזון עשיר בחלבונים (סוגי‬‫פסאודומונס)‬
‫ גורמים למחלות (סטרפטוקוקים וסטפילוקוקים)‬‫‪ -‬חיידקי קרקע (בצילוס)‬
‫מקורות פוספט‬
‫‪ ‬פוספט אורגני‬
‫‪ ‬פוספט אנאורגני )‪(H2PO4- and HPO42-‬‬
‫מקורות סולפט‬
‫‪ ‬סולפט אורגני‬
‫‪ ‬סולפט אנאורגני מחומצן‬
‫‪Sulfate (SO42-) ‬‬
‫‪ ‬סולפט אנאורגני מחוזר‬
‫‪Sulfide (S2- or H2S) ‬‬
‫‪ ‬היסוד סולפט )‪(So‬‬
‫הדרישה לחנקן‪ ,‬זרחן וסולפט‬
‫‪ ‬דרושים לסינתזת מולקולות חשובות‬
‫(כגון חומצות אמיניות וחומצות‬
‫נוקלאיות)‪.‬‬
‫חומצות גרעין‬
‫‪ ‬אינזימים (נוקלאזות) המופרשים אל מחוץ‬
‫לתא – מפרקים ‪ RNA‬ו‪ DNA -‬לנוקלאוטידים‪.‬‬
‫(סטפילוקוקים וסטרפטוקוקים – מפרקים ח‪.‬‬
‫גרעין באיזורים של פצעים מוגלתיים)‪.‬‬
‫חומצות שומן‬
‫‪ ‬כדי שניתן יהיה לנצל את חומצות השומן‬
‫כמקור לפחמן‪,‬יש לבקע תחילה את הקשר‬
‫האסטרי שבינן לבין הגליצרול‪.‬‬
‫‪ ‬ביקוע זה נעשה באמצעות האינזים ליפאז –‬
‫המיוצר ע"י מספר סוגים של חיידקים‪.‬‬
‫‪ ‬החומצות המשתחררות – מתפרקות ליחידות‬
‫בנות ‪ 2‬פחמנים‪.‬‬
‫המקורות לחמצן והדרישה‬
‫לחמצן‬
‫‪ ‬מים – מקור לחמצן ומימן בתרכובות‬
‫התאיות‪.‬‬
‫‪ - “Obligate” (or “strict”) ‬תנאים נתונים נחוצים‬
‫לגדילה‪.‬‬
‫‪ - “Facultative” ‬האורגניזם יכול לגדול בתנאים‬
‫מסויימים‪ ,‬אך אינו דורש אותם באופן בלעדי‪.‬‬
‫הדרישה לחמצן ‪ -‬המשך‬
‫‪‬‬
‫חיידקים אארובים אובליגטוריים‬
‫)‪– (obligate aerobes‬‬
‫יכולים לבצע תהליך נשימה אך ורק בנוכחות חמצן‪.‬‬
‫‪‬‬
‫חיידקים אנארוביים אובליגטוריים‬
‫)‪– (obligate anaerobes‬‬
‫אנרגיה מתקבלת בתהליכים שבהם חמצן אינו מעורב‪.‬‬
‫‪‬‬
‫חיידקים אנארוביים סובלי חמצן –‬
‫חיידקים הגדלים בנוכחות חמצן‪ ,‬אך אינם משתמשים בו בריאקציות‬
‫המטבוליות של קבלת אנרגיה‪.‬‬
‫‪‬‬
‫חיידקים אנארוביים פקולטטיביים – חיידקים המסוגלים להחליף את‬
‫המסלולים המטבוליים‪ ,‬בהתאם לזמינות החמצן (לדוג‪.)E. coli .‬‬
‫‪‬‬
‫חיידקים מיקרואארופילים – דורשים ריכוזי חמצן נמוכים לגדילה – ‪(~2‬‬
‫)‪. 10%‬‬
‫גורמי גידול‬
‫‪ ‬גורמי גידול ‪- growth factors‬‬
‫אלו הן תרכובות אורגניות הנדרשות על ידי החיידקים‬
‫בכמויות קטנות והתאים אינם מסוגלים לייצרן‬
‫בעצמם‪.‬‬
‫‪ ‬גורמי הגידול העיקריים הם –‬
‫חומצות אמיניות‪ ,‬פורינים‪ ,‬פירימידינים‪ ,‬ויטמינים‪.‬‬
‫‪ ‬ויטמינים –‬
‫ תרכובות אורגניות המשתתפות במבנה של‬‫קואינזימים מסויימים‪.‬‬
‫‪ -‬החיידקים נזקקים להם בכמויות מזעריות‪.‬‬
‫גורמי גידול‬
‫‪ ‬חיידקים לא מעטים – דורשים גורמי גידול שעדיין‬
‫לא זוהו‪.‬‬
‫‪ ‬חיידקים אלה ניתן לגדל במעבדה רק במצעים‬
‫מורכבים – כמו דם‪ ,‬תמצית שמרים‪ ,‬או מרק בשר‪.‬‬
‫‪ ‬הרכבם של מצעים אלה אינו ידוע‪.‬‬
‫חומרי תשמורת‬
‫‪ ‬מגוון של חומרי תשמורת מצויים בתאי יצורים‬
‫פרוקריוטים‪.‬‬
‫‪ ‬הם נמצאים לעיתים קרובות כגרגרים בחלל‬
‫הציטופלסמטי‪.‬‬
‫‪ ‬אורגניזמים פרוקריוטים אינם אוגרים שומנים‬
‫ניטרליים‪ ,‬המשמשים באופן נרחב כחומרי תשמורת‬
‫ביצורים אאוקריוטים‪.‬‬
‫חומרי תשמורת ‪ -‬המשך‬
‫בדרך כלל‪ ,‬רק סוג אחד של חומרי תשמורת‬
‫מיוצר על ידי מין מסויים של חיידקים‪.‬‬
‫ישנם חיידקים המסוגלים לסנתז יותר מאשר‬
‫סוג אחד של חומרי תשמורת‪.‬‬
‫בשלב הגדילה – התכולה התאית של חומרי‬
‫התשמורת נמוכה יחסית‪.‬‬
‫הצטברות כמויות גדולות יחסית של חומרי‬
‫תשמורת בתאים – כאשר כמות החנקן‬
‫מוגבלת‪ ,‬אך הפחמן ומקורות האנרגיה זמינים‪.‬‬
‫סיווג חיידקים על פי‬
‫דרישותיהם התזונתיות‬
‫סיווג חיידקים על פי דרישותיהם‬
‫התזונתיות נעשה על פי‪-‬‬
‫ מקור האנרגיה‬‫‪ -‬מקור הפחמן‪.‬‬
‫סיווג חיידקים על פי‬
‫דרישותיהם התזונתיות‬
‫‪ ‬מיון על פי מקור הפחמן‪:‬‬
‫ אוטוטרופים – פחמן דו חמצני הוא מקור הפחמן‬‫היחיד‪.‬‬
‫ הטרוטרופים – מקור הפחמן הוא תרכובת אורגנית‪.‬‬‫‪ ‬מיון על פי מקור האנרגיה‪:‬‬
‫ פוטוטרופים – מנצלים אור כמקור אנרגיה‪.‬‬‫‪ -‬כמוטרופים – מפיקים אנרגיה מתרכובות כימיות‪.‬‬
‫מיון מיקרואורגניזמים על פי מקורות מזון‬
mixotrophy
•chemical energy source (inorganic)
•inorganic H/e- donor
•organic carbon source
Nutrient Requirements
Electron (Reduction potential) Source
Organotroph 
Uses reduced organic compounds as a source
for reduction potential

Lithotroph 
Uses reduced inorganic compounds as a source
for reduction potential

Nutrient Requirements
Prototrophs vs. Auxotrophs

Prototroph


A species or genetic strain of microbe capable of
growing on a minimal medium consisting a simple
carbohydrate or CO2 carbon source, with inorganic
sources of all other nutrient requirements
Auxotroph

A species or genetic strain requiring one or more
complex organic nutrients (such as amino acids,
nucleotide bases, or enzymatic cofactors) for growth
‫תנועת חיידקים‬
‫טקסיס – תנועה מכוונת של חיידקים‬
‫בתגובה לגורם מסויים‪.‬‬
‫תגובות טקטיות‪:‬‬
‫‪ ‬כמוטקסיס – תנועת חיידקים בתגובה‬
‫לכימיקלים‪.‬‬
‫‪ ‬פוטוטקסיס ‪ -‬תנועת חיידקים בתגובה לאור‪.‬‬
‫‪ ‬ארוטקסיס ‪ -‬תנועת חיידקים בתגובה לחמצן‪.‬‬
‫תנועת חיידקים‬
‫‪Figure 4.9‬‬
‫תגובות טקטיות‬
‫כמוטקסיס ‪-‬‬
‫‪ ‬חיידקים מגיבים לגרדיאנט זמני של‬
‫מולקולה ספציפית במהלך שחייתם‬
‫‪ ‬בהעדר גרדיאנט – החיידק נע באופן‬
‫אקראי‪ ,‬הוא מתקדם‪ ,‬עוצר‪ ,‬מתערבל‬
‫וממשיך לנוע באופן אקראי‬
‫‪ ‬בדרך זו‪ ,‬בעצם לא מתקדם החיידק לשום‬
‫מקום‬
‫כמוטקסיס ‪ -‬המשך‬
‫‪ ‬כאשר קיים גרדיאנט של כימיקל‬
‫אטרקטיבי – תנועת החיידק האקראית‬
‫הופכת להיות מכוונת‪.‬‬
‫‪ ‬ההתקדמות ארוכה יותר וההתערבלויות –‬
‫לעיתים רחוקות יותר‪.‬‬
‫‪ ‬כתוצאה מהתנהגות זו – האורגניזם נע‬
‫במעלה הגרדיאנט של הכימיקל גורם‬
‫המשיכה‪.‬‬
‫כמוטקסיס ‪ -‬המשך‬
‫‪ ‬במידה והאורגניזם חש בגורם דחיה – אותו‬
‫מנגנון פועל‪ ,‬אך התנועה תהיה במורד‬
‫הגרדיאנט‪.‬‬
‫‪ ‬גורמי משיכה – בדרך כלל נוטריאנטים‪.‬‬
‫‪ ‬גורמי דחיה – ברוב המקרים חומרים רעילים‪.‬‬
‫‪ ‬טווח הכימיקלים – ספציפי ואופייני לכל סוג‬
‫חיידקים‪.‬‬
‫כמוטקסיס ‪ -‬המשך‬
‫כיצד חיידקים משתמשים בשינויים זמניים של ריכוזי‬
‫כימיקלים כדי לשלוט בתנועתיות השוטון ?‬
‫‪‬‬
‫מעורבים בתהליך מורכב זה מספר תהליכי בקרה‬
‫ברמה הגנטית והביוכימית‪.‬‬
‫‪‬‬
‫במנגנון המולקולרי של הכמוטקסיס מעורבים חלבוני‬
‫חישה ממברנליים הנקראים –‬
‫כמורצפטורים )‪.)chemoreceptors‬‬
‫‪‬‬
‫רצפטורים אלה חשים בגרדיאנט הכימי ופועלים יחד‬
‫עם חלבונים ציטופלסמטיים על מנת להשפיע על כיוון‬
‫תנועת השוטון‪.‬‬
‫פוטוטקסיס‬
‫‪ ‬פוטוטקסיס ‪ -‬תהליך בו מיקרואורגניזמים‬
‫פוטוטרופיים (פוטוסינטטיים) רבים נעים לעבר‬
‫האור‪.‬‬
‫‪ ‬ייתרון הפוטוטקסיס – מאפשר ליצורים‬
‫פוטוטרופיים לכוון את עצמם לפוטוסינטזה‬
‫היעילה ביותר‪.‬‬
‫‪ ‬החיידקים ייצטברו באורך הגל בו הפיגמנטים‬
‫הפוטוסינטטיים שלהם קולטים את האור‪.‬‬
‫פוטוטקסיס ‪ -‬המשך‬
‫‪‬‬
‫מנגנון הפעולה המולקולרי – עדיין לא ידוע‪.‬‬
‫‪‬‬
‫ישנן ראיות המצביעות על כך שמספר חלקים של‬
‫מערכת הבקרה השולטים על הכמוטקסיס מעורבים‬
‫גם בפוטוטקסיס‪.‬‬
‫‪ ‬מערכת בקרה זו כוללת בעיקר חלבונים‬
‫ציטופלסמטיים המבקרים את כיוון תנועת השוטון‪.‬‬
‫אארוטקסיס‬
‫אארוטקסיס ‪– aerotaxis‬‬
‫תנועת חיידקים לכיוון החמצן‪,‬‬
‫או בריחה מחמצן‪.‬‬