1

Mikrobiológia

Mikroorganizmusok anyagcsere folyamatai

Dr. Maráz Annae. tanár

Budapesti Corvinus EgyetemMikrobiológia és Biotechnológia Tanszék

2010

Anyagcsere (metabolizmus):

a sejt valamennyi összerendezett

biokémiai reakciója

2

Katabolizmus - Anabolizmus

KATABOLIZMUS

Metabolizmus (Anyagcsere)Anabolizmus (felépítő) – sejt építőanyagainak szintézise

Katabolizmus (lebontó) – energianyerés és anabolizmushoz intermedierek létrehozása

ANABOLIZMUS Intermedierek

Redukció

Anyagcsere - Energia• Katabolizmus: kémiai energia és intermedierek (köztes termékek)

nyerése tápanyagok lebontásából (exergonikus reakciók: oxidáció, H-elvonás)

• Anabolizmus: kémiai energia felhasználása sejtösszetevők szintéziséhez (endergonikus reakciók: redukció, H-felvétel)

• Minden biokémiai reakciót enzimek katalizálnak (aktivációs energia csökken)

• Reakciók sorozata köztestermékeken (intermediereken) át anyagcsere utat képez

• Anyagcsere enzimes szabályozása: anyagcsere utak összerendezése

3

MIKRÓBÁK ANYAGCSERE TÍPUSAI

AUTOTRÓF• Szénforrás: szervetlen(CO2)• A CO2 redukálásával állítják elő saját szerves anyukat

HETEROTRÓF• Szénforrás: szerves szén-vegyületek (pl. glükóz)• Szerves vegyületek átalakításával állítják elősaját szerves anyagukat

FOTOAUTOTRÓFEnergiaforrás a fényPl. fotoszintetizálóbaktériumok és algák

KEMOAUTOTRÓFEnergiaforrás szervetlen vegyületekPl. vasbaktériumok

kénbaktériumoknitrifikáló baktériumok

FOTOHETEROTRÓFEnergiaforrás a fényPl. Bíbor nem-kén

baktériumok,Zöld nem-kén

baktériumok

KEMOHETEROTRÓFEnergiaforrás szerves szénvegyületekPl. baktériumok

többsége, protozoa, gombák,állatok

Glikolízis

ATP

A legtöbb sejttípus lebontó folyamatának közös elsőszakasza. Aerob és anaerob körülmények között is lejátszódik. A piroszőlősav további lebomlása anaerob körülmények között erjesztéssel, míg aerob körülmények között légzéssel történik. Glikolízis energia nyeresége: 2 ATP + 2 NADH/glükóz molekula

4

Baktériumos erjedések főbb típusai

________________________________________Típus Szubsztrátumok és termékek Jellemző baktérium fajok_________________________________________________________________________________

Alkoholos Glükóz → Etanol, CO2 Zymomonas mobilis

Homo-laktátos Glükóz → Tejsav Lactobacillus casei

Hetero-laktátos Glükóz → Tejsav, etanol, CO2 Leuconostoc mesenteroides

Vegyes savas Glükóz → Tejsav, ecetsav, H2, CO2 Escherichia coli

Butándiolos Glükóz → Tejsav, etanol, butándiol Enterobacter aerogenes

Vajsavas Glükóz → Vajsav,ecetsav, H2,CO2 Clostridium butyricum

Aceton-butanolos Glükóz → Vajsav, aceton, butanol Clostridium acetobutylicum

Propionsavas Tejsav → Propionsav,ecetsav,H2 Propionibacterium shermanii

________________________________________________________________________________

Glikolízises erjedések

Legfontosabb baktériumos (glikolízises) erjedési folyamatok és jellemző fajok

5

A tejsavas erjesztés mikrobiológiája

A tejsavas erjesztést elsősorban a tejsavbaktériumok végzik -

aerotoleráns anaerob baktériumok (oxigén jelenlétében is erjesztenek).

Tejsavas erjesztés: Szénhidrátok lebontása anaerob úton tejsavvá.

Tejsavbaktériumok anyagcsere típusai

♦ Homofermentatív (homolaktikus) tejsavbaktériumok: csak tejsav keletkezik (pl. Lactococcus, Streptococcus, Pediococcusfajok)

♦ Heterofermentatív (heterolaktikus) tejsavbaktériumok: tejsav, CO2 és etanol/ecetsav keletkezik (pl. Lactobacillusbrevis, Leuconostoc fajok)

6

Tejsavas erjedés típusaiHomofermentativ- Heterofermentativ-(homolaktikus ferm.) (heterolaktikus ferm.)Glikolitikus út Foszfoketoláz út

glükóz (aldoláz enzim hiányzik)

Fruktóz -1,6-P

2 trióz-3-P

2 piruvát

2 tejsav

glükóz

xilulóz-P+CO2

trióz-3-P + acetil-P acetát

piruvát

tejsav Etanol

Tejsav:etanol/acetát: CO2=1:1:1

Glükonsav-P (GSP)

foszfoketoláz

aldoláz GSP-dehidrogenáz

Tejsav-dehidrogenáz

NAD

NADH

Tejsavasan erjesztett tejtermékek

Penészgombák:Penicillium rocquefortiiP. glaucum

Leuconostoc sp. Rokfort-típusú sajtok:Uaz, mint az előzőnél

Penészgombák:Penicillium camembertiP. candidum

Lactococcus lactisCamembert/Brie sajtok:Tejsavtermelőtejsavbaktérium és a tejsavat asszimilálópenészgomba

Élesztőgombák:•Kluyveromyces marxianus•Saccharomyces cerevisiae•Candida kefir

•Lactococcus lactis•Lactobacillus casei

Kefír: erős savtermelőtejsavbaktérium(ok) és alkoholosan erjesztőélesztőgomba(k)

•Streptococcusthermophilus

•Lactobacillus bulgaricus

Joghurt: termofil erős nyálkatermelő és mezofilerős savtermelőtejsavbaktériumumok

KíSÉRŐ MIKRÓBÁKSTARTER tejsavbaktériumok

TERMÉK

7

Penészes érlelésű sajtok

Penicillium camembertiPenicillium rocquefortii

Camembert-típusú sajt Rokfort-típusú sajt

Tejsavasan fermentált (erjesztett) húskészítmények

Fermentáció előnye:

• Tápérték nő (protein-tartalom nő)

• Biztonság nő, eltarthatósági idő nő(néhány naptól évekig)

• Tárolási hőmérséklet magasabb lehet (pl. szobahőmérséklet is).

8

Fermentált húskészítmények jellegét meghatározza

♦ Az alkalmazott hús típusa (sertés, marha, ritkán szárnyas vagy egyéb)♦ Termék előállítás technológiája (sózás, nitrit/nitrát adagolása, cukortartalom, fűszerek adagolása).

- Természetes cukortartalom alacsony ( 0,1%), ezért 1-2% cukor adagolása szükséges - pH csökkentése (~ 4,8), tejsav vízmegkötő hatású- Fűszerek antimikróbás hatást fejtenek ki.

Spontán tejsavas erjedés vagy starterkultúra alkalmazása: Lb. plantarum, Pediococcus acidilactici

Penészgombák által termelt proteázok és lipázok hatására aromaanyagokképződése. Tejsav asszimilálása → pH nő (6,0-6,2).

Domináns fajok: Penicillium camemberti, P. roquefortii

Penészes érlelésű szalámik

9

Erjesztett zöldségfélékFolyamat:

1. Zöldségfélék leszedése, begyűjtése (káposzta, uborka, paprika)

2. Tisztítás, sérült részek eltávolítása

3. Sózás – célja lé nyeréséhez a zöldség víztartalmának kivonása vagy lé adagolása

- Ozmózis útján a sejtek víztartalmának leadása

- A sejtek plazmolízisével tápanyagok kerülnek a lébe – baktériumok számára növekedési faktorok

- Az erjesztő mikrobiótát szelektálja – előnyös a tejsavbaktériumok elszaporodásához

4. Tejsavas erjesztésLactobacillus brevisLactobacillus plantarumLeuconostoc mesenteroidesPediococcus pentosaceus

5. Tárolás, csomagolás

Etanolos erjesztés

Glükóz piroszőlősav acetaldehid etanol glikolizis

Piruvát-dekarboxiláz

Alkohol-dehidrogenáz

CO2NADH2 NAD

10

Az alkoholos erjedés biokémiai folyamatai

Glükóz 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP

A glikolízis során keletkező redukált koenzim (NADH) visszaoxidálása történik, energianyeréssel nem járó folyamat.

A keletkező etanol azonban még energia nyeréssel (pl. légzés során) lebontható. Ezt az élesztőgombák levegőztetéssel (aerob) úton végzik.

Élesztőgombák - egysejtű szervezetek- sejt alakja: kerekded, tégla, megnyúlt (álhifa),

fonalas - anyagcsere: légzés, többségüknél alkoholos

erjesztés is- rendszertani helyük:

Ascomycetes, Bazidiomycetes tagozat

Saccharomyces cerevisiae

11

Erjedésiparban jelentős élesztőgomba fajok

_____________________________________________________________________

Saccharomyces fajok termék________________________________________________________________

S. cerevisiae sör, bor, pezsgő, etanol

S. bayanus bor, pezsgő

S. pastorianus sör

________________________________________________________________

A sörgyártás folyamataÁrpamaláta Csiráztatás Szárítás Őrlés Cefrézés

Sörléfőzés

Erjesztés

Ászokolás

Fejtés

Kiszerelés

Beoltás élesztővel

(Saccharomyces pastorianus)

12

A borkészítés folyamata

szőlő zúzás, préselés must

must beoltása

erjesztésbor lefejtése, kezelése

érleléspalackozás

Sacch. cerevisiae/bayanus

Aerob légzés

13

Aerob légzés

Eukarióta élőlényeknél az aerob légzés a mitokondriumhoz kötött

Prokariótáknál az aerob légzés a citoplazmához (citrát-kör) és a citoplazma membránhoz (terminális oxidáció, ATP képzés) kötötten zajlik

14

Aerob légzés: citromsav-kör

Acetil-koenzimA az oxálacetáttal citromsavvá egyesül, majd az oxálacetátintermediereken keresztül visszaalakul. Az acetil csoport 2 C-atomja 2 CO2 molekulaként kilép a körből. A reakció során energia szabadul fel redukált koenzimek (NADH, NADPH, FADH) és GTP formájában.

Elektron transzport, oxidatív foszforilezésA redukált koenzimekből származó elektronok a citokrómokon keresztülhaladva membránpotenciált alakítanak ki. A protonok (H+)a mitokondrium membrán külső felszínén halmozódnak fel, amelyekkel a membrán ellentétes oldalán felsorakozó a negatív töltésű ionok (OH-) tartanak egyensúlyt.

A protonok az ATP-áz molekulán keresztülhaladva semlegesítik a hidroxil ionokat, amely energia felszabadulással jár. Ezt az energitát az ADP foszforilezése konzerválja ATP formájában.

15

Elektrontranszport-lánc

A redukált koenzimekről a hidrogén protonja a membránon belül marad, az elektronok pedig a citokrómokon futnak keresztül. Az elektronok redukálják a citokrómokat, amelyeket a soron következő citokróm oxidál vissza (ez veszi át az elektront). Az utolsó citokrómot(citokróm oxidázt) pedig a levegő oxigénje oxidálja vissza.

Az ATPáz működése

• A membrán a protonokkal (H+) szemben átjárhatatlan• A mitokondrium/légzési membrán belső felszínén halmozódnak fel, ezért az + töltésű lesz• A külső felszínen ezzel a OH- ionok tartanak egyensúlyt membrán potenciál kialakulása• A protonok az ATP-áz molekulán keresztül haladva energiát termelnek: ADP + Pi ATP

OH-OH- OH-

16

Anyagcsereutak kapcsolódása

1 molekula glükóz anaerob körülmények közötti lebomlása (pl. alkoholos erjesztés, tejsavas erjesztés 2 molekula ATP nyereséggel jár, míg aerob légzéssel további 34 ATP keletkezik.

Kemolitotróf (kemoautotróf) energianyerés

_______________________________________________________________________Csoport Elektron Elektron Termék Példa

donor akceptor(oxidálódik) (redukálódik)

_______________________________________________________________________

Hidrogén oxidálók H2 O2 H2O Alcaligenes eutrophusDenitrifikálók H2 NO3

- N2 Paracoccus denitrificansSzénmonoxid oxidálók CO O2 CO2 Oligotropha carboxydovoransAmmónia oxidálók NH3

- O2 NO2- Nitrosomonas europea

Nitrit oxidálók NO2- O2 NO3

- Nitrobacter winogradskyiKén oxidálók S, S2O3

-- O2 SO4- - Thiobacillus thiooxidans

Denitrifikálók S, S2O3-- NO3- N2 Thiobacillus denitrificansVas oxidálók Fe2+ O2 Fe3+ Thiobacillus ferrooxidansMetanogének H2 CO2 CH4 Methanobacterium fajokMetanotrófok* CH4 O2 CO2 Methylococcuscapsulatus_____________________________________________________________________* Formális értelemben nem litotrófok, hiszen szerves vegyületeket hasznosítanak

Kemolitotróf baktériumok csoportjai

Kemolitotrófia: Szervetlen vegyület redox reakciója biztosítja az energianyerést.

17

Anaerob légzés

___________________________________________________________________________Csoport Elektron Termék Anyagcsere-típus Példa

akceptor(redukálódik)

___________________________________________________________________________

Denitrifikálók NO3- NO2

-, N2 Nitrát-légzés Paracoccusdenitrificans

Szulfát redukálók SO4- - S2O3

- -, S- - Szulfát-légzés Desulfovibriovulgaris

Kénredukálók So S- -(H2S) Kén-légzés Desulfuromonasacetoxidans

Metanogének CO2 CH4 Karbonát-légzés Methanococcusjannaschii

Vasredukálók Fe3+ Fe2+ Vas-légzés Geobactermetallireducens

______________________________________________________________________

Anaerob légzést végző baktériumok csoportjai

Anaerob légzés: Anaerob körülmények közötti oxidáció megy végbe. Elektron akceptorként szervetlen vegyületet használnak fel, amelyet redukálnak.

FotofoszforilezésFényenergia átalakítása kémiai energiává

Fotoszintézis áttekintése

18

Fotofoszintetizáló mikroszervezetek 1.

Spirulina oscillatoria

Fotoszintetizáló baktériumok

Anabaena

1. Anaerob fotoszintetizáló baktériumok (pl. Zöld- és bíbor baktériumok) - fotoszintézis általában anaerob (nincs O2 fejlődés) - színanyag bakterioklorofill (membránban)

2. Cianobaktériumok (régi név: kékalgák)- aerob fotoszintézis (O2 fejlődés)

- színanyag klorofill (membránban)

Fotofoszintetizáló mikroszervezetek 2.

NostocSpirogyra

Algák

Gonyaulaxostoros egysejtűédesvíz,tengervíz

1.100DinoflagellátákPyrrhophyta

Polysiphoniaegysejtű, fonalas és levélszerű

tengervíz3.900VörösmoszatokRhodophyta

Laminariafonalas, levélszerű,

tengervíz1.500BarnamoszatokPhaephyta

Naviculaegysejtűédesvíz, tengervíz,talaj

6.000Arany-barna és Sárgás-zöld moszatok,Diatomák

Chrysophyta

Euglenaegysejtű ostorosédesvíztengervíz

700Euglena-félékEuglenophyta

ChlaydomonasSpiogyra

egysejtű,telepes

édesvíztalajtengervíz

7.500zöldalgákChlorohpyta

MagyarulLatinulKépviselőSzerveződésÉlőhelyBecsült

fajszámCsoport (Tagozat) neve

kloroplasztisz

19

Energiatermelés - összefoglalás