+ All Categories
Home > Documents > bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní...

bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní...

Date post: 03-Feb-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
65
Transcript
Page 1: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí
Page 2: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

• Chemoorganotrofní způsob života – bez kyslíku

• 2 možnosti: a) zůstává základní schéma

v platnosti a změna je v tom že kyslík je

nahrazen jinou molekulou

• b) používají fylogeneticky nejstarší způsob –

fermentace – kvašení

• 2 odlišné molekulární mechanismy vzniku ATP

spřažené s oxidoredukcí: v cytoplasmě a na

membráně

Page 3: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Fermentace / mléčné a alkoholové kvašení

v

Page 4: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Fermentace 1

• Fermentace je takový způsob chemoorganotrofních

oxidoredukcí, kdy organická redukovaná látka, zdroj

energie, např.: glukosa, je v průběhu katabolismu

rozštěpena na dvě látky, z nichž jedna je oxidována a

druhá redukovaná.

• Transformace glukosy na pyruvát – glykolysa – čistý

zisk z jedné molekuly glukosy : 2 ATP – alkoholové

kvašení

Page 5: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Fermentace 2 Mléčné kvašení :

Homofermetativní

Homofermetativní mléčné bakterie (rody Streptococcus,

Lactococcus a Lactobacillus) mají laktátdehydrogenasu M.

Heterofermentativní Heterofermetativní mléčné bakterie (rody Leuconostoc a Lactobacillus) nemají aldolasu a proto využívají pentosový cyklus, čímž mezi jejich produkty z hexos jsou vedle laktátu i oxid uhličitý a etanol.

Kvašení enterobakterií – mixed fermentation, smíšené

kvašení různé produkty charakteristické pro rod Escherichia

coli - produkuje hodně kyselin: octová,mléčná, mravenčí,

indol

Page 6: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Fermentace 3

Kvašení propionové

charakteristické pro rod Propionibacterium, Veillonella, Bacteroides

Laktát → acetát + CO2 + 2(2H)

2 laktát + 2(2H) → 2 propionát

3 laktát → 2 propionát + acetát + CO2

výtěžek 4 ATP na 1,5 molekuly glukosy

Page 7: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Distribution of fermentations

Page 8: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Fermentace Escherichia coli

(mixed acid fermentation)

Page 9: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Co všechno vzniká v průběhu fermentace?

• vzniká směs kyselin (mixed acid fermentation):

– kyselina octová (acetát)

– kyselina mléčná (laktát)

– kyselina jantarová (sukcinát)

– kyselina mravenčí (formát)

• vzniká ethanol

• vznikají plynné produkty:

– H2

– CO2

• poměr vznikajících látek:

– kyseliny: neutrální produkty - 4:1

– oxid uhličitý: plynný vodík - 1:1

• výtěžek fermentace: 3 moly ATP/ 1 mol glukosy

Page 10: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

kvašení enterobakterií další produkty

• E.coli - C2 - C3 kondenzace - acetoin

• Aerobacter indologenes - acetoin + 2H = 2,3-

butandiol

• acetoin - 2H = diacetyl

• Kvašení klostridií

• Clostridium - kys. máselná,kys. octová, H2,CO2,

• C.butylicum - butanol, isopropanol

• C.acetobutylicum - butanol, aceton

Page 11: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

ABE fermentace , tvorba kys. máselné

EMP dráha, tvorba C3 a C4 sloučenin

První fáze acidogenní, po poklesu pH stacionární

fáze a vstup do solvatogenní fáze. Acetyl CoA

kondenzuje na acetoacetát, který je buď

redukován na butyrát a butanol nebo je štěpen

dekarboxylací na aceton. Aceton může být dále

redukován na isopropanol.

CH3CH2CO + S.CoA + NADH + H+ → CH3CH2CH2CHO +

HSCoA + NAD+

Clostridium acetobutylicum

Page 12: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí
Page 13: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Principy anaerobní respirace

MQ menachinon

Page 14: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Donory elektronů

Formiát

3 specifické dehydrogenasy

Vodík

NADH

2 specifické dehydrogenasy

Laktát

glycerol 3.P

ethanol

Page 15: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu 1

Nitrátová respirace u bakterií je dvojího druhu :

1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit

2) spojená s redukcí nitrátu na plynný dusík

Vedle této respirační redukce NO3- existuje zcela

nezávisle asimilační redukce NO3- na NH3, která probíhá u

všech mikroorganismů schopných používat NO3- jako jediný

zdroj dusíku.

Page 16: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Přenos elektronů z NADH na nitrát

Page 17: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu

Nitrátreduktasa

• Byla izolována z cytoplazmatické membrány E.coli mnoha různými procesy založenými na využití detergentů, zahřívání v přítomnosti alkálií, extrakce rozpouštědly.

• Enzym obsahuje Mo, nehemové železo a sulfidy citlivé ke kyselinám.

• Rozlišujeme tři podjednotky, označované α, β, γ. V některých případech však byla zjištěna absence γ podjednotky γ a přítomnost β´podjednotky, strukturně velmi podobné β podjednotce.

• γ podjednotka má charakter β-typu cytochromu, jehož strukturní geny jsou součástí operonu nitrátreduktasy. Zároveň ukotvuje podjednotky α a β.

• α podjednotka má zřejmě katalytickou funkci (funkce β podjednotky není známa).

• Nitrit je produkován na vnitřní straně cytoplazmatické membrány (viz. obrázek).

Nitritreduktasa

• Za anaerobních podmínek je E. coli schopna redukovat nitrit na amoniak, účinkem enzymu nitritreduktasy. Celý proces lze popsat následující reakcí:

N02- + 6e + 8H+ → NH4

+ + 2H20

Page 18: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu 2

Redukce nitrátu na nitrit - taxonomický znak těchto rodů :

Escherichia, Shigella, Salmonella, Arizona, Citrobacter, Klebsiella, Serratia, Proteus a další enterobakterie; dále rody : Staphyllococcus, Mycobacterium a jiné. Dále u některých druhů z rodů : Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Micrococcus a další.

Page 19: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu

Page 20: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu 3

NO3- + H2 NO2

- + H2O

Fysiologické donory protonů a elektronů :

NADH, sukcinát, laktát, formiát, glycerolfosfát,

vodík, cytochrom b, chinon.

Poslední dva fungují mezi příslušnou dehydrogenasou a terminální nitrátreduktasou.

Systém je uložen na cytoplasmatické membráně

bakterií. Fakultativně aerobní bakterie mají funkčně

systém propojený s aerobním elektrotransportním

systémem. Část komponent je společná,

nitrátreduktázový systém má specifický cytochrom b-556

Page 21: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace nitrátu 4 Asimilační redukce nitrátu

Výskyt : a) bakterie :

Bacillus, Clostridium, Cytophaga,

Escherichia, Micrococcus

b) plísně :

Aspergillus, Penicillium

c) kvasinky :

Candida, Hansenula, Rhodotorul

Asimilativní nitrátreduktasa redukuje nitráty na nitrily,

je rozpustná v cytoplasmě, obsahuje molybden.

Kontrola : nitrát - induktor, amoniak - represor

Obvyklá tense O2 nepůsobí represi synthesy.

Page 22: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace fumarátu Výskyt: bakterie :

Escherichia coli, Citrobacter, Shigella, Proteus

Vnější nezávislý akceptor protonů a elektronů - fumarát

Fumarátreduktasa - membránový enzym, spřažený s trans-

lokací protonů a se synthesou ATP. Výkon nižší :

HOCOCH=CHCOOH + H2 HOCOCH2CH2COOH

G0’ = -86 kJ/mol

Page 23: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace TMAO

• TMAO = Trimethylamin N-oxid – Jedná se o součást mořských ryb a bezobratlých.

– Redukován post mortem bakteriemi, včetně E.coli, na trimethylamin.

– TMAO stimuluje anaerobní růst Escherichia coli na glukose (taktéž na formátu či vodíku).

– TMAO reduktasa je enzymem lokalizovaným v periplazmatickém prostoru, je akceptorem elektronů z NADH, NADPH a formátu (přes b- a c-cytochromy), nebo přímo z redukovaných methyl viologenů.

– Jedná se o monomer (100 000 Da), obsahující Mo kofaktor v aktivním místě.

– V buňkách rostoucích anaerobně za přítomnosti TMAO je jeho redukce spřažena s translokací protonů a se vznikem protonmotivní síly.

Page 24: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace tetrathionátu

Výskyt : bakterie :

Serratia, Salmonella, Providencia,

Arizona, Proteus, Citrobacter

a další

Tetrathionátreduktasa je enzym spřažený se syntesou

ATP a výkonem srovnatelný s fumarátreduktasou

S4O62- + H2 2 S2O3

2- + 2 H+ G0´= -84,5kJ/mol

Page 25: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace dimetylsulfoxidu - DMSO

DMSO je vedlejším produktem sulfátového procesu výroby

celulózy.

Anaerobní bakterie Wolinella succinogenes využívá dimetylsulfoxid

DMSO jako akceptor elektronů

Energetický výtěžek je cca 0,7 mol

ATP(mol/DMSO)

Page 26: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace síranu

Výskyt pouze u dvou rodů:

Desulfotomaculum Desulfovibrio

Striktně anaerobní mikroorganismy žijící v bahně (nemají

Calvinův cyklus pro autotrofní asimilaci CO2)

SO42- + 4 H2 + H+ HS- + 4 H2O

G0´= -152kJ/mol

Sulfát redukující bakterie důležité pro ekologickém prostředí (součást

koloběhu síry), umožňují existenci fototropních bakterií v anaerobním

prostředí a sirných bakterií v aerobních podmínkách, hojně přítomny

ve vodách naftových a plynných ložiscích.

Nutno odlišit od asimilativní redukce síranů

Page 27: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí
Page 28: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Růstovými substráty (zdroje C) sulfát redukujících bakterií

jsou laktát a acetát.

Redukční síla redukující bakterie takto generovaná se

stěhuje dolů do elektron transportního řetězce za

současné redukce sulfátu na H2S , sulfan (hydrogen

sulfide) a tvorby energie pomocí ATP synthasy

Page 29: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Respirace oxidu uhličitého

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O G0´ = -131 kJ/mol

Prováděna striktně anaerobně několika málo rody a druhy.

Rozklad organické hmoty : bahno, sedimenty a v zažívacím

traktu přežvýkavců (1 kráva dá cca 200 l CH4/den)

celulóza cukry mastné kyseliny alkoholy,

CO2, H2 CH4

Intenzivní při anaerobním čištění odpadních vod a

biologických odpadů (kejda) - podstatná součást

„bioplynu“ - metan.

Page 30: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

methanogeneze

• Methanogeny získávají energii využitím H2 pro redukci CO2.

• Také dekarboxylují acetát na CH4 a CO2.

• Methanogeny náleží mezi Archaea : Methanobacterium,

Methanococcus , Methanosarcina, Methanospirillum

• 4H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O

• 4HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2H2O

• 4CH3NH2Cl + 2H2O → 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl

• 2(CH3)2NHCl + 2H2O → 3 CH4 + CO2 + 2 NH4Cl

• 4(CH3)2NHCl + 6H2O → 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH4Cl

• CH3COOH → CH4 + CO2

Page 31: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Methanogenní bakterie • T od 5 do 90 oC. Vysoké teploty – geothermální

H2 a CO2.

H2 a CO2 , formiát, acetát, methanol, trimethylamin,

dimethylsulfid, methanthiol, isopropanol,

isobutanol,cyklopentanol, ethanol.

Nejextrémnější methanogeny jsou autotrofní. Většina

ale vyžaduje směsi vitaminů, aminokyseliny (thiamin,

glycin, betain).

Stopové prvky: Fe, Co, Ni, Mo, W

Methanogeny: a) acetotrofní

b) hydrogenotrofní

c) methylotrofní

Page 32: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Methanobacterium thermoautotrophicum Methanothermobacter thermautotrophicus str. Delta H

genom má 1.75 milionů bp, a obsahuje cca 1921

predikovaných genů.

M. thermoautotrophicus je anaerobní a termofilní .

Roste při pH 7.2-7.6, a tvoří methan redukcí oxidu

uhličitého.

Taxonomie: Archaea; Euryarchaeota; Methanobacteria;

Methanobacteriales; Methanobacteriaceae;

Methanothermobacter.

Sekvenování: sekvence publikovaná v srpnu 1997 Oscient

Pharmaceuticals Corporation, popsána v J Bacteriol

179:7135-55 (1997) Smith DR, Doucette-Stamm LA,

Deloughery C, Lee H, Dubois J, et al. "Complete genome

sequence of Methanobacterium thermoautotrophicum

deltaH: functional analysis and comparative genomics."

Page 33: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Struktura celulosy

• Celulosa je dlouhý řetězec glukosových molekul,

vázaných primárně β(1-4) glykosidickými vazbami, což

způsobuje, že pouze malý počet enzymů je schopen

tento polymer degradovat.

• Je nejrozšířenější obnovitelný polymer na zemi.

• Hemicelulosa je větvený polymer xylosy, arabinosy,

galaktosy, mannosy a glukosy. Hemicelulosa svazuje

svazky celulusových vláken za tvorby mikrofibril, které

posilují stabilitu buněčné stěny. Také se křížově váže s

ligninem za tvorby komplexů, které zvyšují stabilitu, ale

také umožňují mikrobiální degradaci.

Page 34: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Enzymová hydrolýza celulosy Krystalická celulosa, rozklad její struktury umožní kooperace nekatalyzujících

reakcí a uvolní monomolekulární vlákna, která lze hydrolyzovat.

Enzymová hydrolýza celulosy je pomalý a nekompletní proces.

Konsorcium enzymů v bachoru přežvýkavců hydrolyzuje za 48 hodin asi 60-

65% celulosy. Termití systém enzymů asimiluje celulosu ze dřeva z 90%.

Celulosa - dlouhé polymery β-1,4- vázaných glukosových jednotek, které

dále tvoří vláknité struktury vyššího řádu.

Hemicelulosa - heteropolysacharid tvořený řetězci xylosy (xylany) nebo

mannosy a glukosy (mannany a glukomannany) s postraními řetězci

arabinosy, galaktosy, octové a glukuronové kyseliny.

Oba polymery jsou v podstatě ve vodě nerozpustné.

Lignin má vysoký protektivní účinek. Nacházejí se artefakty ze dřeva až

1500 let staré.

Page 35: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Synergismus mezi endoglukanasami, celobiohydrolasami

a β-glukosidasami v celulasovém systému hub.

Šestiúhelníky-

glukosa

Redukující

konce

černé

Page 36: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Trichoderma reesei Celulasový systém, který má synergii 3 typů enzymů :

1) endoglukanasa nebo 1,4--D glukan-4-glukano hydrolasa

E.C.3.2.1.4

nahodile štěpí polymer celulosy a tím vytváří „nové“konce

2) exoglukanasa A nebo 1,4--D glukan-glukano hydrolasa

E.C.3.2.1.74

uvolňuje D-glukosu z -glukanu

exoglukanasa B nebo 1,4--D glukan cellobiohydrolasa

E.C.3.2.1.91

tvoří D-cellobiosu z -glukanu

3) -glukosidasy nebo -D-glukosid gluko hydrolasy

E.C.3.2.1.21

uvolňují D-glukosu z rozpustných cellodextrinů a gluko-

sidů

Enzymy rodu Trichoderma - intensivní studium 3D struktura

Page 37: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

celulasa

• 3Dmodel

Page 39: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Rozklad celulosy mikroorganismy

• Aerobní degradace Anaerobní degradace svrchní vrstvy ornice a jiných komplexní výživový systém měnící

půd – akumulace rostlinných polymerní polysacharidy na methan

zbytků a CO2 Prvním krokem je fermen-

Dřevo - pomalý rozklad, kromě tace glukosy získané aktivitou ce-

celulosy, hemicelulosa a lignin lulolytických enzymů na CO2, H2 a

Phanaerochaete chrysosporium kyseliny a alkoholy.

+ některé Actinomycetes Druhým krokem jsou tyto látky

Trichoderma reesei přeměňovány na acetát a CO2 .

Cellulomonas, Pseudomonas Přebytek redukujících látek je užit

Cellvibrio, Thermomonospora na redukci vhodných akceptorů.

Microbispora Clostridium thermocellum, Metha-

nobacterium thermoautotrophicum

Page 40: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Zvýšení genové dose u Trichoderma nezměnilo významně

množství produkovaných enzymů

Studium cis- a trans- faktorů účastných na expresi těchto genů

může překonat problémy zvyšování produkce celulas.

Induktory produkce celulasy : sophorosa (2 β-1,2 vázaná

glukosa). Tvorba tohoto cukru z cellobiosy je vyvolaná

tranglykosylační aktivitou β-glukosidasy (BGL I)

T.resei má více kopií bgl I a má proto zvýšenou aktivitu

β-glukosidasy .

Produkční kmeny - minimálně 2 β-glukosidasy

2 hlavní xylanasy nejsou koregulovány (xyn 1 , xyn 2)

Page 41: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

K rozlišení podobných proteinů z různých organismů byl zaveden

dvoupísmenový kód.

Ct-Cel5a označuje první celulasu z GHF 5 Clostridium

thermocellum.

Thermobifida fusca poskytla šest β-glukanasových genů

označených E1 - E6, které byly naklonovány. Ani jeden enzym

sám o sobě nebyl schopen hydrolyzovat krystalickou celulosu.

Zvýšení hydrolýzy - smísení několika komponent.

Celulasy se liší nejen mechanismem účinku (endo / exo) ale také

způsobem vazby na krystalický povrch substrátu. Enzym má

obvykle 2 vazebná místa - aktivní místo na katalytické doméně a

oddělené funkčně nezávislé místo na CBM

Page 42: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Rozpoznání nerozpustného substrátu: 3 představy

1) organismus produkuje konstitutivně nízkou hladinu celulasy

za všech kultivačních podmínek, i na glukose. Tato hypotéza

byla ověřena užitím protilátek, nikoli analýzou exprese.

2) signifikantní exprese celulasy je pozorovatelná po vyčerpání

glukosy, výsledky potvrzené na úrovni mRNA.

3) T. resei konidie obsahují kompletní soubor enzymů

hydrolyzujících široké spektrum polysacharidů. Celulasy vázané

na konidie mohou provádět počáteční degradaci molekul

celulosy a tak tvořit induktory. Přítomnost cellobiohydrolasy

CBHI a CBHII na povrchu konidií byla prokázaná

imunochemicky. Normální poměr sekretované CBHI a CBHII

do media je 4:1 , však nebyl zachován.

Page 43: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Mechanismy bakteriální adheze k celulose

• Celkem čtyři známé mechanismy:

• 1) velké vícesložkové komplexy, označované

jako cellulosomy

• 2) adheze pomocí fimbrií a bičíků (pili)

• 3) cukerné epitopy vrstev bakteriálního

glykokalyxu

• 4) vazebné domény enzymů

Page 44: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Cellulosom Clostridium thermocellum

• C. thermocellum 55 – 65 oC, substrát : celulosa a cello-dextriny, transportuje cellobiosu

• Genom obsahuje 2 β-glukosidasy GHR 1 a 3

• Cellulosomy tvoří polycellulosomy – 100 MDa, stejný profil na ELFO – 50 komponent

• Katalytická aktivita závisí na přítomnosti lipidů, Ca2+ ,

• 6 – 13 % glykosylovaných,

• Ruminococcus, Butyrvibrio - R.albus cellulosom srovnatelný

s C. thermocellum , cca 20 proteinů na ELFO, 8 endogluka-

nasová aktivita, 9 exogluglukanasová aktivita

Celulasy z bakterií nejsou dosud komerčně produkovány

Page 45: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Nejprozkoumanějši cellulosom - Clostridium thermocellum

minimálně 11 různých enzymů je propojeno do

nekatalyzujícího lešeňovitého proteinu (skafoldin), který

propojuje povrch buňky se substrátem.

Vazba v podpůrném proteinu stimuluje aktivitu jednotlivých

složek systému.

Glykoprotein CipA (cellulosom integrating protein) zahajuje

vazbu na substrát.

CBM “carbohydrate binding modul”

Vazba kohesin - dokerin byly intensivně studovaná, bylo zkištěno, že se jedná o

nejsilnější známou nekovalentní interakci.

Page 46: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Struktura hypotetického cellulosomu

Page 47: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Cellulosom C. thermocellum

Page 48: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Komponenty celulosomu

Page 49: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Clostridium thermocellum - cellulosom

Page 50: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

celulosom je tvořen 3 typy enzymů:

endoglukanasa

exoglukanasa

β-glukanasa

dosud popsáno více než 600 genů pro celulasy

Komplexní molekulární architektura se skládá z katalytických a

nekatalytických modulů.

Nekatalytické moduly - vazebné domény celulosy:

prolin/threonin/serin PTS box

Obecně : „carbohydrate-binding modules CBM. Další složky

jsou „fibronectin like modules“ a „surface-layer homologous

modules“ SHL.

Page 51: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Modulární struktura „lešení“, c1 kohesinový modul 1,

DocII kotvící modul typu II, GH9 skupina glykosyl hydrolas 9

(katalytický modul), x1 X-modul (hydrofilní modul 1)

A. . Acetivibrio

B. Butyrivibrio

C. Clostridium

Page 52: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí
Page 53: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí
Page 54: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Skenovací el. mikroskopický snímek ferritinem ošetřené ko-

kultury F. succinogenes BL2 a Butyrivibrio fibrisolvens,

bakterie rostly na stoncích bavlny

Page 55: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Soubor adhezních mechanismů u

mikroorganismů bachoru

Page 56: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Lignocelulosa

• Součást dřevin, degradace bakteriemi a houbami

• Termiti rozloží 74 – 99% celulosy a 65 – 87 % hemicelu-

losy – xylofagie

• Skupiny termitů: 1) nižší – různorodé populace

bičíkatých prvoků a prokaryot

2) vyšší – bakterie jsou přítomny,

kultivují a konzumují celulolytické

houby

Page 57: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Lignin

• Lignin je komplexní polymer fenylpropanových

jednotek,které jsou „cross-linked“ jedna k druhé pomocí

různých typů chemických vazeb. Tato komplexita má

tudíž velký význam pro odolnost k mikrobiální

degradaci.

Některé organismy, zvláště pak houby, mají enzymy

nezbytné ke štěpení ligninu. Počáteční reakce jsou

zprostředkovány extracellulární ligninovou a

manganovou peroxidasou, primárně produkovanou

houbami bílé hniloby (white-rot fungi). Rovněž

aktinomycety mohou rozkládat lignin, ale typicky

degradují méně než 20% celkového ligninu.

• Degradace ligninu je primárně aerobní proces, neboť

za anaerobních podmínek lignin může persistovat po

velmi dlouhá období.

Page 58: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Lignin

• Lignin je druhá nejhojnější obnovitelná sloučenina na zemi. Je to heterogenní polymer sestávající z fenyl propanoidových substruktur spojených různými kovalentními vazbami.

• White-rot fungi – houby bílé hniloby jsou jediné organismy schopné mineralizovat účinně lignin na CO2 a vodu. Tvoří lignin-modifikující enzymy, jako lignin peroxidasy (LiPs), mangan peroxidases (MnPs), glyoxal oxidase (GLOX) a lakásu (laccase) k degradaci ligninu in ve dřevu buněčných stěn.

Page 59: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Modely struktury ligninu

Veratryl alkohol je nalézán jako metabolit ligninu u Phanerochaete

.chrysosporium

Page 60: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Lignolytická aktivita

• Lignolytické aktivity čtyř celulolytických organismů byly porovnány za použití slámy jako substrátu. Pouze Aspergillus japonicus a Polyporous versicolor degrado-valy měřitelně lignin, a A. japonicus dával nejvíce proteinu.

• Při kultivaci na pevné fázi, nejvíce proteinu dával P. versicolor, následovaný A. japonicus. Předošetření slámy horkou vodou usnadnilo biodegradaci a tvorbu proteinu. Nutriční hodnota takto ošetřené slámy byla také zlepšena některými fungálními kulturami.

• Největší obsah degradovatelných polysacharidů ve slámě byl získán působením A. japonicus na tekutém mediu a Pleurotus ostreatus na pevném mediu.

Page 61: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Mikrobiální degradace ligninu

Degradace ligninu byla nejprve roce studovaná u hub. Studie o

aktivitě bakterií degradujících ligninu lignin jsou až po roce

2000.

Lignin-degradující bakterie byly nalezeny ve třech řádech:

Actinomycety, α-Proteobakterie a γ-Proteobakterie. Jedná

se o ubikvitní skupinu mikrobů široce rozšířenou v přírodních

ekosystémech po celém světě, jak suchozemských, tak vodních

prostředích. Rostou jak apikálně, tak větveně a tvoří substrátové

i vzdušné mycelium připomínající vláknité houby. Vzhledem k

tvorbě sekundárních metabolitů a extracelulárních enzymů jsou

tyto bakteriální druhy považovány za hlavní rozkladače

lignoceulosy v půdě. U prokaryot je nejčastěji z lignolytických

enzymů identifikovaná a studovaná laccasa.

Page 62: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Skenovací el. mikroskopický snímek ferritinem ošetřených

bakterií

Ruminococcus flavefaciens, bakterie rostly na stěnách alfa-

alfa

Page 63: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Skenovací el. mikroskopický snímek ferritinem ošetřené

ko-kultury F. succinogenes S85 a B.fibrisolvens D1,

bakterie rostly na stoncích bavlny

Page 64: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Skenovací el. mikroskopický snímek ferritinem ošetřených

bakterií

Fibrinobacter succigenes, bakterie rostly na stěnách alfa-

alfa

Page 65: bez kyslíku 2 možnosti: a) zůstává základní schémaold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bm/Anaerobni_respirace.pdf · 1) spojená s redukcí nitrátu na nitrit 2) spojená s redukcí

Skenovací el. mikroskopický snímek ferritinem ošetřené

ko-kultury F.succinogenes BL2, bakterie rostly na

pšeničné slámě upravené SO2


Recommended