Fyziologie mikroorganismů

Fyziologie mikroorganismů Živé mikrobní buňky se vyskytují v různých stavech podle vlivu vnějších podmínek fyzikálních (teplota, tlak, pH…) chemických (kvalita a množství živin, vody, kyslíku atd.) biologických (přítomnost dalších organismů) mechanických (střižné síly, proudění vody…) prostorových (množství MO, kontakt s pevným materiálem apod.)

Fyziologická a evoluční adaptace Adaptace organismu na vnější podmínky je dvojího druhu: fyziologická – krátkodobé a rychlé změny fenotypové změny – změny vlastností bez vlivu na geny evoluční – dlouhodobé změny vlastností při dlouhodobém vystavení změněným podmínkám genotypové změny – dědičné změny předávané dalším generacím

Fyziologie mikroorganismů Vnější faktory ovlivňují fyziologii organismů, tj. vyvolávají změny a odezvy: změna rychlosti rozmnožování spuštění či vypnutí metabolických drah změny vnitrobuněčného prostředí aktivní cílený pohyb spuštění ochranných mechanismů kooperace v rámci společenstev atd.

Faktory vnějšího prostředí Každý faktor vnějšího prostředí má několik mezí: interval optima – v daném prostředí se organismu nejlépe daří interval tolerance – prostředí organismu nijak nevadí interval stresu – nepříznivé prostředí v organismu vyvolává stresové podněty interval smrti – podmínky nejsou slučitelné s přežitím a organismus umírá

Faktory vnějšího prostředí 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 2 4 6 8 10 12 14 pH optimum smrt stres stres tolerance tolerance

Negativní působení faktorů Podle působení Biocidní – způsobuje smrt organismu Biostatické – brání rozmnožování organismu Podle cílové skupiny bakteriocidní / bakteriostatické - bakterie fungicidní / fungistatické – houby mikrobicidní / mikrobistatické – univerzální působení na mikroorganismy

Vliv teploty Minimální teplota – nejnižší teplota, při které se organismus rozmnožuje Optimální teplota – max. rychlost dělení Maximální teplota – nejvyšší teplota, při které se organismus ještě rozmnožuje

Vliv teploty U MO obvykle platí: topt = tmin + 30 tmax = topt + 10 -0,05 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 -10 10 20 30 40 50 Teplota [°C] U MO obvykle platí: topt = tmin + 30 tmax = topt + 10

Vliv teploty Psychrofilní (mrazumilné) <0 <20 <30 Mezofilní Organismy minimum [°C] optimum maximum Psychrofilní (mrazumilné) <0 <20 <30 Mezofilní >5 <45 <60 Termofilní (teplomilné) 30-40 >45 60-80 Extrémně termofilní >50 90-110 120

Vysoké teploty Letální teplota = nejnižší teplota, při které je organismus během 10 minut usmrcen za definovaných podmínek mezofilní 60-70°C spóry mezofilů 120°C Letalitní křivka = závislost mezi letální teplotou a dobou působení - logaritmická

Působení vysokých teplot Denaturace bílkovin Poškození membrán  smrt a lýze buněk

Nízké teploty Většina MO přežívá teploty menší než minimální i dlouhou dobu Působení nízkých teplot závisí na rychlosti ochlazení

Chladový šok Rychlé přenesení exponenciálně rostoucí kultury do prostředí z nízkou teplotou Část populace ztratí životaschopnost Část populace se dá regenerovat, záleží na době působení Různá citlivost druhů

Pomalé chlazení Pokud se teplota pomalu sníží pod 0°C, vytvoří voda velké krystalky ledu Obvykle poškození a lýze buněk Část populace ale přežije Nevhodné pro sterilizaci

Rychlé zmražení Na hluboké teploty -90°C až -30°C Vznik malých krystalků ledu Většina populace přežije S přídavkem některých látek (glycerol) se používá jako technika pro dlouhodobé uchovávání kultur

Lyofilizace =mrazová vakuová sublimace Rychlé zmražení za současného odstranění vody sublimací do vakua Šetrná metoda pro uchovávání kultury po dlouhou dobu bez přístupu vody vydrží mnoho let skladování jen při mírně nižších teplotách, dá se i při pokojové

Adaptace na teplotu Fyziologická – kolísání teploty Dlouhodobá – postupný vývoj organismu (mikroevoluce)

Adaptace membrán membrána musí být přiměřeně fluidní a přiměřeně propustná nižší teplota snižuje fluiditu membrány vyšší teplota zvyšuje propustnost ochlazení  desaturace mastných kyselin (tvorba dvojných vazeb), rozvětvování oteplení  saturace mastných kyselin, odvětvování nasycené MK lépe krystalizují

Ochrana bílkovin Zvýšení teploty vyvolává tzv. teplotní šok Produkce tzv. heat shock proteins (hsp) označení podle molekulové hmotnosti v KDa (např. hsp70 = 70 kDa) ochranné bílkoviny brání např. denaturaci bílkovin označují poškozené bílkoviny k náhradě jsou produkovány i při jiných než teplotních stresech

Evoluční adaptace bílkovin Funkční bílkoviny (enzymy) musí být přiměřeně pohyblivé a pevné vyšší teplota – denaturace nižší teplota – tuhnutí Adaptace na jinou teplotu spočívá v záměně aminokyselin (AA) vyšší teplota – méně hydrofobních AA, více disulfidických můstků zpevňujících bílkoviny nižší teplota – více hydrofobních AA

Evoluční adaptace bílkovin Adaptovaný protein má obvykle nižší aktivitu při původní teplotě Pro plnou adaptaci organismu je potřeba adaptace všech proteinů ALE Jeden neadaptovaný protein způsobí teplotní omezení pro organismus

Evoluční adaptace bílkovin Teplotní adaptace potvrzuje evoluční teorii Porovnávání různě adaptovaných organismů stejného rodu (např. Bacillus) ukázalo, že aminokyselinové záměny jsou téměř vždy způsobeny bodovou mutací jedné báze.

Vliv pH Organismus Min Opt. Max Escherichia coli 4,3 7,0 9,5 Bacillus subtilis 4,5 6,7 8,5 Clostridium botulinum 4,8 6,8 9,0 Lactobacillus 4,0 5,9 7,2 Thiobacillus thiooxidans 0,5 2,7 6,0 Saccharomyces cerevisiae 3,2 4,6 7,4 Aspergillus niger 1,2 5,5 11,0

Vliv pH Vliv na metabolismus buněk aktivita enzymů konformace bílkovin vliv na ionizaci meziproduktů metabolismu vliv na transport iontů a dalších látek při extrémním pH šoková odpověď Vliv pH na tepelnou odolnost organismů

Vodní aktivita Voda je nezbytná součást buněk Většina MO vyžaduje nízkou koncentraci rozpuštěných látek (max cca 2%) Osmotolerantní – vydrží až cca 10% rozpuštěných látek Halofilní – vyžadují přítomnost velkého množství iontů (přes 20%) Nízké množství vody zvyšuje tepelnou odolnost

Vodní aktivita aw……vodní aktivita Nw……látkové množství vody Nw……látkové množství rozpuštěných látek

Vodní aktivita Prostředí aw Adaptované mikroorganismy Čistá voda 1 Bakterie Krev ~1 G- bakterie Mořská voda ~0,99 Chléb 0,95 G+ bakterie, houby Salámy 0,85 Staphylococcus Slaná jezera 0,75 Halobacterium, Aspergillus Čokoláda, med 0,60 Saccharomyces rouxii

Vodní aktivita Většina MO má schopnost regulovat vnitřní osmotickou hladinu podle okolí mírně vyšší koncentrace než venku – tlak membrány na stěnu Akumulace tzv. kompatibilních látek – nenarušují metabolismus, ale regulují osmotickou hladinu aminokyseliny, glycerol, sacharidy, polyoly, někdy ionty (K+)

Vodní aktivita Obsah vody silně ovlivňuje fyziologii hub – růst a rozmnožování jen při jejím dostatku Mnoho parazitických plísní má schopnost využívat vzdušnou vlhkost  ochrana proti plísním je mj. sucho

Povrchové napětí Povrchově aktivní látky (tenzidy) = látky, mající v molekulách jak hydrofilní část, tak hydrofobní část anionaktivní – mýdla, běžné saponáty (Jar)… kationaktivní – amoniové soli… neionogenní – liposacharidy, Tween… Shromažďují se na rozhranní fází (každá část molekuly se orientuje k „svému“ prostředí

Povrchové napětí Ovlivňuje soudržnost buněk brání hydrofobnímu shlukování buněk za vzniku křísu či biofilmu Zvyšují propustnost cytoplazmatické membrány slabé koncentrace zlepšují příjem živin buňkou vyšší koncentrace poškozují membrány a způsobují lýzy buněk Smáčedla (zlepšují kontakt s kapalinou)

Neionogenní Horší smáčivost Malý vliv na membrány – malý biocidní účinek Používájí se pro urychlení růstu pomalurostoucích mikroorganismů

Anionaktivní Dobrá smáčedla zvyšují účinek jiných desinfekčních prostředků Ve vyšších koncentracích poškozují membrány (desinfekce) Denaturace bílkovin (biocidní účinek)

Kationaktivní Špatná smáčedla Vysoká biocidní schopnost – poškozování membrán

Záření Elektromagnetické Radioaktivní záření Infračervené (IR) Viditelné Ultrafialové (UV) Roentgenovo záření Gama záření Radioaktivní záření alfa (heliová jádra) beta (elektrony) Růst energie záření

Infračervené záření Tepelný efekt Nepůsobí obvykle letálně

Viditelné světlo Různé působení Zdroj energie pro fotosyntetizující organismy Občas inhibice dělení – neznámý princip Občas různé fyziologické odpovědi (fruktifikace plísní apod.) Empiricky je ověřeno, že bakterie rostou lépe ve tmě

Ultrafialové záření Negativní účinky Poškozuje DNA nejvíc při 260-270 nm – absorpce dusíkatých bází – germicidní lampy vznik dimerů sousedních nukleotidů – mutace, zastavení exprese genů Viditelné světlo obvykle snižuje negativní účinek UV záření – fotoreparace (fotoreaktivace)

Fotoreparace Účinnost UV je v přítomnosti viditelného světla nižší Viditelné světlo zapíná tzv. fotoreparaci, tj. expresi enzymů odstraňujících poškození DNA

Radioaktivní záření Silné biocidní účinky Silná pronikavost Způsobuje velká poškození DNA (zlomy) a dalších složek buňky Zesílení účinku v přítomnosti kyslíku a vody vznik reaktivních radikálů – superoxidový, peroxidový apod. Gama záření se používá pro sterilizaci při nízkých teplotách

Tlak Většina MO vyžaduje normální tlak Zvýšený tlak na ně působí negativně Vliv na syntézu buněčné stěny Vliv na dělení buněk (zastavení či vznik protáhlých buněk) Barofilní (tlakomilné) - vyžadují vyšší tlak v hloubkách moří Barotolerantní – přežijí zvýšený tlak, ale nevyžadují ho

Elektrický proud Střídavý – jen malé tepelné působení Stejnosměrný – elektrolýza vznik biocidních meziproduktů negativní účinek

Ultrazvuk Frekvence vyšší než 20 kHz kolem 20 kHz – kavitace (pulzování membrán) možné protržení membrány rozklad některých látek (chloridy na chlor) – biocidní působení vyšší působení na tyčinkovité buňky, koky jsou odolnější Použití při dezintegraci buněk Vysoké frekvence (1 MHz) – žádná kavitace, bez efektu na MO

Mechanické vlivy MO malé – malý vliv mechanických faktorů Intenzivní míchání – střižné síly – trhání delších buněk a mycelií hub Přídavek abraziv (jemný písek, drcené sklo apod.) zvyšuje drcení buněk Vyšší účinnost při zmražení

Chemické vlivy Dělení podle místa působení: poškození membrán a stěn poškození DNA inhibice enzymů … Dělení podle metabolismu látky: primární účinek – sama látka působí na organismus sekundární účinek – látka je metabolismem přeměněna a teprve produkt má negativní účinek

Antibiotika Skupina látek s odlišnou chemickou strukturou a negativním působením na mikroorganismy Obvykle nízkomolekulární látky Historické dělení antibiotika (biologického původu) chemoterapeutika (uměle syntetizované) Dnes rozdíl setřen

Antibiotika Moderní chápání je odlišné Skupina látek působících negativně na MO zejména bakterie buď jejich usmrcením nebo inhibicí rozmnožování. Účinek na vyšší organismy je slabší. Známá už ve starověku – starověcí Číňané léčili infekce obklady z plesnivého mléka 1929 – Alexandr Fleming objevil penicilin

Působení antibiotik Inhibice syntézy buněčné stěny beta-laktamy, bacitracin, penicilin... Narušení cytoplazmatické membrány polyeny, polymyxiny… Inhibice syntézy DNA a RNA aminoglykosidy, chinolony Inhibice proteosyntézy tetracykliny, amfenikoly Inhibice syntézy kyseliny listové sulfonamidy …

Původ antibiotik Biologického původu Chemického původu produkované jinými bakteriemi – např. streptomycin (Streptomyces) produkované houbami – např. penicilin (Penicillium) Chemického původu zcela umělá modifikace přírodních

Rezistence k antibiotikům Velký problém současné medicíny Bakterie prochází rychlou evolucí, kterou člověk urychluje nadbytečným používáním antibiotik Vznik rezistentních mikroorganismů v rychle rostoucí mikrobní populaci se prakticky vždy objeví mutant, který je rezistentní tito mutanti přežívají a dále se rozmnožují – v přítomnosti antibiotika rychleji Lze snadno nasimulovat v laboratoři

Rezistence k antibiotikům Aktivní rezistence mnohé bakterie syntetizují enzymy rozkládající antibiotika (např. penicilinázu) často kódované na plazmidech – možný přenos i mezi různými druhy (konjugace…) Pasivní rezistence obvykle mutací získaná změna místa působení antibiotika např. tetracyklin se váže na 30S ribozomální podjednotku, vhodnou mutací je tato vazba znemožněna, ale ribozóm je nadále plně funkční

Vztah MO ke kyslíku Aerobní – vyžadují kyslík Anaerobní – nevyžadují kyslík Mikroaerofilní – potřebují jen málo kyslíku (urychluje růst) Aerotolerantní – nepotřebují kyslík, ale nevadí jim Obligátní = povinné, nemohou žít v jiném prostředí Fakultativní = volitelné, mohou žít i v jiných prostředích

Obligátní Obligátní aerobové Obligátní anaerobové nemohou žít bez kyslíku, hynou např. plísně Penicillium Obligátní anaerobové kyslík je zabijí např. bakterie Clostridium

Fakultativní Umí přepínat metabolismus mezi aerobním a anaerobním respirace ↔ kvašení přepínání mezi aerobní a anaerobní respirací (místo kyslíku např. dusičnany) Aerobní respirace je nejúčinnější pro získávání energie  v přítomnosti kyslíku většina MO přepíná na respiraci

Regulace metabolismu MO Metabolismus MO funguje velmi úsporně Regulační mechanismy umožňují rychlou adaptaci metabolismu při změně podmínek Regulace na různých úrovních inhibice a aktivace enzymů syntéza enzymů (exprese genů) – transkripce, translace odbourávání enzymů

Regulace aktivity enzymů Mnohé enzymy mají proměnlivé prostorové uspořádání  proměnlivou aktivitu alosterické enzymy (=alternativní prostorové uspořádání) Změna struktury vazbou látky mimo aktivní místo enzymu kovalentní modifikací struktury (fosforylace…) Inhibice i aktivace

Regulace aktivity enzymů U delších drah regulace jednoho klíčového enzymu obvykle na začátku dráhy Nejčastěji tzv. zpětnovazebná inhibice konečný produkt dráhy inhibuje první enzym A  B  C  D  E  F

Regulace exprese genů Nejekonomičtější = Nejčastější Čtyři typy metabolických enzymů Konstitutivní exprimují se vždy Induktivní exprese je zapínána jako reakce na vnější podnět, např. přítomnost chemické látky Represivní exprese je vypínána jako reakce na vnější podnět Induktivní podléhající represi kombinace předchozích, reakce na dva různé podněty, represe má obvykle přednost

Konstitutivní enzymy Konstituce = ustanovení Syntéza bez ohledu na vnější podmínky Enzymy základních metabolických drah (glykolýza, citrátový cyklus…)

Induktivní enzymy Indukce = vyvolání Aktivita je zapínána popř. zesilována v přítomnosti určitého faktoru (induktoru) chemické látky, záření… Např. katabolické dráhy pro rozklad neobvyklých substrátů není substrát = enzymy jsou zbytečné Př.: fotoreparace je indukována světlem

Represivní enzymy Represe = potlačení Aktivita je vypínána popř. zeslabována v přítomnosti určitého faktoru (represor) chemické látky, záření… Zejména anabolické syntetické dráhy substrát je k dispozici z prostředí = není ho třeba syntetizovat

Induktivní enzymy podléhající represi Enzym je syntetizován jen v přítomnosti induktoru a zároveň absenci represoru Umožňuje buňce postupné využívání substrátu od nejjednoduššího po nejsložitější př. laktózový operon je indukován laktózou, ale reprimován glukózou

Induktivní enzymy podléhající represi Přítomný substrát: Laktóza  bakterie konzumuje laktózu Glukóza  bakterie konzumuje glukózu Laktóza i glukóza  bakterie konzumuje glukózu

Regulace odbouráváním enzymů Méně častá Málo prozkoumaná V exponenciální kultuře obvykle malá obměna („údržba“) Větší rozklad při přechodu do jiného fyziologického stavu Sporulace Jiný substrát Přechod do jiné růstové fáze … = v enzymech je vázáno mnoho aminokyselin

Pasteurův efekt Pozorován poprvé Louisem Pasteurem Kvasinky v přítomnosti kyslíku rostou rychleji a zpomalují kvašení Vysvětlení: aerobní metabolismus glukózy uvolňuje 19x více energie než anaerobní Praktické aplikace alkoholové kvašení je prováděno za anaerobních podmínek produkce kvasnic je prováděna za aerobních podmínek

Kyslíkový efekt Zobecnění Pasteurova efektu na jiné organismy (bakterie) na jiné metabolické dráhy = Kyslík reprimuje metabolické dráhy, které jsou v jeho přítomnosti zbytečné nebo nežádoucí fermentace respirace jiných substrátů (dusičnanů…) Kyslík indukuje dráhy, kterou jsou k jeho využití potřebné citrátový cyklus dýchací řetězec … Regulace obvykle na úrovni transkripce málo prozkoumané

Crabtreeho efekt Pozorován poprvé angličanem Herbertem Crabtreem Opak Pasteurova efektu Při vysokých koncentracích glukózy fermentují kvasinky i v přítomnosti kyslíku Dosud spolehlivě nevysvětleno – hypotézy plýtvání – fermentace je biochemicky jednodušší (méně enzymů), při velkém nadbytku nevadí nižší výtěžnost energie konkurenční – vzniklý ethanol inhibuje konkurenční mikroorganismy Pravděpodobná souvislost s katabolickou represí

Glukózový efekt = represe mnohých metabolických drah glukózou (u různých MO) využívání jiných zdrojů uhlíku transportní bílkoviny pro přenos těchto substrátů do buňky citrátový cyklus dýchací řetězec dělení mitochondrií u kvasinek fotosyntéza sporulace tvorba bičíků produkce toxinů …

Glukózový efekt Mnohé nejasnosti Glukóza je nejrychleji využitelný substrát obvykle konstitutivní enzymy pro buňku je jednodušší využít glukózu než jiné substráty Represe dýchání má význam pravděpodobně v jednodušším metabolismu či ochraně proti kyslíku Nejasný smysl represe toxinů či bičíků Klíčová role glukózy je pravděpodobně dána evolucí

Glukózový vers. kyslíkový efekt Glukózový a kyslíkový efekt působí opačně co kyslík indukuje, to glukóza reprimuje a opačně V reálném prostředí jsou oba procesy v rovnováze v závislosti na vnějších podmínkách „ladění metabolismu“

Katabolická represe Zobecnění glukózového efektu na další snadno využitelné substráty represe využití dalších substrátů hierarchie využívání („horší“ a „lepší“ substráty, glukóza „nejlepší“) Represe probíhá už při transportu látky do buňky zastavení transportu „horšího“ substrátu represe syntézy bílkovin pro využití horšího substrátu

Katabolická represe Význam katabolické represe = udržování rovnováhy mezi katabolismem a anabolismem katabolismus musí produkovat tolik ATP a NADPH kolik anabolismus potřebuje ani méně ani více Analogie s elektrárnami

Katabolická represe Mechanismus není zcela znám Regulační úloha cyklického AMP (cAMP) cAMP je potřeba pro indukci mnohých genů lépe využitelný substrát reprimuje tvorbu cAMP při transportu do buňky univerzální působení i u vyšších organismů

Souhrn efektů Pasteurův – indukce dýchání, represe fermentace kyslíkem Crabtree – indukce fermentace, represe dýchání glukózou Kyslíkový – indukce dýchání, represe alternativních způsobů získání energie kyslíkem Glukózový – represe využití „horších“ substrátů glukózou, represe fyziologických procesů Katabolická represe – represe využití „horších“ substrátů lepšími

Souhrn efektů Efekt Efektor Indukce Represe Pasteurův Kyslík Dýchání Fermentace Crabtree Glukóza Kyslíkový Aerobní metabolismus Anaerobní metabolismus Glukózový Využití „horších“ substrátů Fyziologické procesy Katabolická represe Snadněji využitelné substráty

Diauxie Postupné využívání substrátů z prostředí Od nejjednoduššího po nejsložitější Po vyčerpání jednoho substrátu nastupuje druhá lag-fáze a nová růstová křivka

Diauxie

Operon = soubor genů se společnou regulací a expresí Operony U bakterií a archeí Geny pro enzymy jedné metabolické dráhy jsou v DNA uloženy za sebou Společná regulace Společná transkripce do jedné mRNA Společná exprese Operon = soubor genů se společnou regulací a expresí

Pozitivní a negativní regulace Regulační mechanismus na molekulární úrovni transkripce může být dvojího typu: negativní – bránění transkripce pozitivní – zvyšování pravděpodobnosti iniciace transkripce Regulační bílkoviny !!! negativní a pozitivní mechanismus souvisí jen s ději na úrovni transkripce, indukce i represe mohou být pozitivní i negativní!!!

Regulační bílkoviny Bílkoviny se schopností vazby na DNA, RNA polymerázu, ribozómy apod. Vazba induktoru resp. represoru změna prostorového uspořádání (konformace) změna funkce fyziologická odpověď

Negativní indukce DNA

Negativní indukce Bez induktoru – transkripce neprobíhá regulační bílkovina brání transkripci Regulační bílkovina

Negativní indukce Bez induktoru – transkripce neprobíhá regulační bílkovina brání transkripci RNA polymeráza Regulační bílkovina

Negativní indukce Bez induktoru – transkripce neprobíhá regulační bílkovina brání transkripci RNA polymeráza Regulační bílkovina

S induktorem – transkripce probíhá Negativní indukce S induktorem – transkripce probíhá RNA polymeráza Regulační bílkovina

S induktorem – transkripce probíhá Negativní indukce S induktorem – transkripce probíhá RNA polymeráza bílkovina Regulační

S induktorem – transkripce probíhá Negativní indukce S induktorem – transkripce probíhá RNA polymeráza bílkovina Regulační

S induktorem – transkripce probíhá Negativní indukce S induktorem – transkripce probíhá RNA polymeráza

S induktorem – transkripce probíhá Negativní indukce S induktorem – transkripce probíhá RNA polymeráza

Pozitivní indukce

Bez induktoru – iniciace transkripce probíhá s malou frekvencí Pozitivní indukce Bez induktoru – iniciace transkripce probíhá s malou frekvencí Slabý promotor RNA polymeráza

S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Pozitivní indukce S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Regulační bílkovina pomáhá iniciaci transkripce bílkovina Regulační

S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Pozitivní indukce S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Regulační bílkovina pomáhá iniciaci transkripce Regulační bílkovina

S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Pozitivní indukce S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Regulační bílkovina pomáhá iniciaci transkripce Regulační bílkovina

S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Pozitivní indukce S induktorem – iniciace transkripce probíhá s vysokou frekvencí Regulační bílkovina pomáhá iniciaci transkripce RNA polymeráza Regulační bílkovina

Negativní a pozitivní indukce Negativní – dva stavy exprese probíhá / neprobíhá Pozitivní – různá intenzita exprese genů exprese vysoká / nízká

Nah a sal operony Pseudomonas Metabolismus naftalenu horní dráha: naftalen  salicylová kyselina spodní dráha: salicylová kyselina  CO2+H2O Každá dráha je kódována samostatným operonem horní dráha: nah operon spodní dráha: sal operon Pozitivní indukce salicylovou kyselinou

Bakteriální pohyb Některé bakterie mají orgány pohybu – bičíky Aktivní pohyb = taxe za živinami – chemotaxe za kyslíkem – aerotaxe podle potřeb bakterie (anaerobové od kyslíku apod.) Bičík připomíná lodní šroub Pohyb není přímočarý, ale „cik-cak“

Směřování pohybu Regulace rychlosti a směru pohybu Měření koncentrace kýžené látky Pohyb sestává ze dvou fází pohyb vpřed náhodné otočení na místě Oba pohyby se náhodně přepínají pohyb špatným směrem zvyšuje pravděpodobnost zastavení

Směřování pohybu

Směřování pohybu

Sporulace bakterií Ochranný proces v nepříznivých podmínkách Spora = klidové stádium bakterie s vysokou odolností vysoká odolnost vůči teplotě, záření, a chemickým látkám prakticky bez metabolismu – čeká na vhodné podmínky k rozmnožování Klíčení spory – ve vhodných podmínkách spora tzv. vyklíčí do původní živé formy a začne se dělit

Sporulace bakterií Clostridium Bacillus Desulfotomaculum Sporolactobacillus Sporosarcina Oscillospira

Clostridium tetani

Bacillus anthracis

Odolnost spor Teplotní – přežijí i několikahodinový var smrt až při 115-120°C 15-30 minut v kyselém prostředí menší odolnost K záření – snesou vyšší dávky UV i radioaktivního záření Chemická – nebarví se barvivy, odolné proti desinfekčním prostředkům

Složení spor Více obalových vrstev – bílkoviny, peptidoglykan, lipidy Málo vody (15%) zvyšuje odolnost k vysoké teplotě a záření Dipikolinát vápenatý ochrana DNA zásobní látka

Průběh sporulace Rozhodování o sporulaci po zdvojení genetického materiálu (v G2 fázi) normální dělení – vznik 2 buněk sporulace – vznik jedné spory Mnoho řídících genů, např. u Bacillus cca 50 5-6 hodin – pomalejší než normální buněčné dělení

Průběh sporulace Energie ze zásobní poly-b-hydroxymáselné kyseliny Aerobní MO vyžadují hodně kyslíku Potřeba iontů (Ca2+, Mn2+, NH42+, Co2+, Ni2+, HPO42-, SO42-, NO32-)

Sporulace 1. Linearizace chromozómů

Sporulace 1. Linearizace chromozómů

Sporulace 2. Vznik septa

Sporulace 2. Vznik septa

Sporulace 2. Vznik septa

Sporulace 2. Vznik septa

Sporulace 3. Vznik prespory

Sporulace 3. Vznik prespory

Sporulace 3. Vznik prespory

Sporulace 3. Tvorba kortexu – peptidoglykan

Sporulace 4. Tvorba sporové stěny - peptidoglykan

Sporulace 5. Tvorba pláště – bílkoviny hodně cysteinu – pevné a nepropustné

Sporulace 6. Tvorba exosporia – komplexní struktura jen u některých rodů

Sporulace 7. Zrání spóry vysušení syntéza dipikolinátu vápenatého

Sporulace 8. Uvolnění spory – vysušení jen u některých rodů původní buňka zanikne

Klíčení spóry 30-60 minut Aktivace Zrání Růst buňky V přítomnosti živin nebo vhodných podmínek (např. vyšší teplota) Příprava na růst Zrání Praskání buněčných obalů Uvolňování části sporových látek Příjem vody Růst buňky Syntéza buněčných komponent a růst buňky

Quorum sensing Quorum = kvóta, množství =Fyziologická odpověď bakterie na koncentraci buněk Poměrně rozšířená tvorba biofilmů luminiscenční mikroorganismy …

Princip quorum sensing Vypouštění a detekce nízkomolekulárních signálních látek, např. homoserinlaktonů Málo buněk  nízká koncentrace signálních látek  žádná odpověď Hodně buněk  vysoká koncentrace signálních látek  fyziologická odpověď