Anaeroby (z řeckého αν - negativní částice, řeckého αέρ - " vzduch " a řeckého βιοζ - "život") - organismy, které přijímají energii bez přístupu kyslíku fosforylací substrátu , mohou být oxidovány konečné produkty neúplné oxidace substrátu se získáváním více energie ve formě ATP .
Anaeroby jsou rozsáhlá skupina organismů na mikro i makro úrovni:
Kromě toho hraje anaerobní oxidace glukózy důležitou roli v práci příčně pruhovaných svalů zvířat a lidí (zejména ve stavu tkáňové hypoxie ).
Termín „anaeroby“ zavedl Louis Pasteur , který v roce 1861 objevil bakterie máselné fermentace . Anaerobní dýchání je soubor biochemických reakcí , ke kterým dochází v buňkách živých organismů, když jsou jako konečný akceptor elektronů použity jiné látky (například dusičnany ) a odkazuje na procesy energetického metabolismu ( katabolismus , disimilace ), které se vyznačují tzv. oxidace sacharidů , lipidů a aminokyselin na sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností.
K měření potenciálu média navrhl M. Clark použít hodnotu pH 2 0 - záporný logaritmus parciálního tlaku plynného vodíku . Rozsah [0-42,6] charakterizuje všechny stupně nasycení vodného roztoku vodíkem a kyslíkem. Aeroby rostou při vyšším potenciálu [14-20], fakultativní anaeroby [0-20] a obligátní při nejnižším [0-10] [2] .
Podle klasifikace stanovené v mikrobiologii existují:
Pokud je organismus schopen přejít z jedné metabolické dráhy na druhou (z anaerobního na aerobní dýchání a naopak), pak je podmíněně označován jako fakultativní anaeroby [3] .
Do roku 1991 se v mikrobiologii rozlišovala třída kapneistických anaerobů , vyžadujících nízkou koncentraci kyslíku a vysokou koncentraci oxidu uhličitého ( Brusella bovine typ - B. abortus ) [2] .
Středně striktní anaerobní organismus přežívá v prostředí s molekulárním O 2 , ale nereprodukuje se. Mikroaerofilové jsou schopni přežít a množit se v prostředí s nízkým parciálním tlakem O 2 .
Pokud organismus není schopen „přepnout“ z anaerobního na aerobní dýchání, ale neumírá v přítomnosti molekulárního kyslíku , pak patří do skupiny aerotolerantních anaerobů . Například kyselina mléčná a mnohé máselné bakterie .
Obligátní anaeroby umírají v přítomnosti molekulárního kyslíku O 2 - např. zástupci rodu bakterie a archaea : Bacteroides , Fusobacterium , Butyrivibrio , Methanobacterium ). Takoví anaeroby neustále žijí v prostředí bez kyslíku. Mezi obligátní anaeroby patří některé bakterie, kvasinky, bičíkovci a nálevníci .
Prostředí bohaté na kyslík je agresivní vůči organickým formám života. Je to způsobeno tvorbou reaktivních forem kyslíku v průběhu života nebo vlivem různých forem ionizujícího záření, které jsou mnohem toxičtější než molekulární kyslík O 2 . Faktorem, který určuje životaschopnost organismu v kyslíkovém prostředí [4] , je přítomnost funkčního antioxidačního systému schopného eliminovat: superoxidový anion (O 2 − ), peroxid vodíku (H 2 O 2 ), singletový kyslík ( 1 O 2 ), a také molekulární kyslík (O 2 ) z vnitřního prostředí těla. Nejčastěji je taková ochrana poskytována jedním nebo více enzymy:
Aerobní organismy obsahují nejčastěji tři cytochromy, fakultativní anaeroby - jeden nebo dva, obligátní anaeroby cytochromy neobsahují.
Anaerobní mikroorganismy mohou aktivně ovlivňovat prostředí [2] vytvářením vhodného redoxního potenciálu prostředí (například Clostridium perfringens ). Některé naočkované kultury anaerobních mikroorganismů, než se začnou množit, sníží pH 2 0 z [20-25] na [1-5], chrání se redukční bariérou, jiné - aerotolerantní - produkují během své životně důležité činnosti peroxid vodíku, čímž zvyšují pH 2 0 [5] .
Další antioxidační ochranu lze zajistit syntézou nebo akumulací nízkomolekulárních antioxidantů: vitaminu C, A, E, citrónové a dalších kyselin.
Příkladem organismu fermentujícího cukr podél Entner-Doudoroffovy dráhy je obligátní anaerobní bakterie Zymomonas mobilis. Jeho studie však naznačuje, že Z. mobilis je sekundární anaerob odvozený z aerobů obsahujících cytochrom. Entner-Dudoroffova dráha byla nalezena také u některých Clostridií, což opět zdůrazňuje heterogenitu eubakterií sdružených v této taxonomické skupině [6] .
Glykolýza je přitom charakteristická pouze pro anaeroby , které se v závislosti na konečných reakčních produktech dělí na několik typů fermentace :
V důsledku rozkladu glukózy se spotřebují 2 molekuly a syntetizují se 4 molekuly ATP . Celkový výtěžek ATP je tedy 2 molekuly ATP a 2 molekuly NAD·H2 . Pyruvát získaný během reakce je buňkou využíván různými způsoby v závislosti na typu fermentace, která následuje.
V procesu evoluce se vytvořil a upevnil biologický antagonismus fermentační a hnilobné mikroflóry:
Rozklad sacharidů mikroorganismy je doprovázen výrazným poklesem pH média, zatímco rozklad bílkovin a aminokyselin je doprovázen zvýšením (alkalinizací). Adaptace každého z organismů na určitou reakci prostředí hraje v přírodě i v životě člověka důležitou roli, např. díky fermentačním procesům je zabráněno hnilobě siláže, kvašené zeleniny, mléčných výrobků.
Kultivace anaerobních organismů je především úkolem mikrobiologie.
U kultivace anaerobních mnohobuněčných organismů je situace složitější, protože jejich kultivace často vyžaduje specifickou mikroflóru a také určité koncentrace metabolitů. Využívá se například při studiu parazitů lidského těla.
Pro kultivaci anaerobů se používají speciální metody, jejichž podstatou je odstranění vzduchu nebo jeho nahrazení specializovanou směsí plynů (nebo inertních plynů) v uzavřených termostatech - anaerostatech [7] .
Dalším způsobem pěstování anaerobů (nejčastěji mikroorganismů) na živných půdách je přidávání redukčních látek ( glukóza , kyselina mravenčí sodná, kasein, síran sodný, thiosíran, cystein, thioglykolát sodný aj.), které vážou peroxidové sloučeniny toxické pro anaeroby.
Pro obecné Wilson-Blairovo médium je základem agar-agar doplněný glukózou , siřičitanem sodným a chloridem železnatým. Clostridia tvoří na tomto médiu černé kolonie redukcí siřičitanu na sulfidový anion , který, když je kombinován s kationty železa (II) , poskytuje černou sůl. Zpravidla se černé kolonie na tomto médiu objevují v hloubce agarového sloupce [8] .
Médium Kitta-Tarozzi se skládá z masovo-peptonového bujónu, 0,5% glukózy a kousků jater nebo mletého masa pro absorpci kyslíku z média. Před výsevem se médium zahřívá ve vroucí vodní lázni po dobu 20-30 minut, aby se z média odstranil vzduch. Po zasetí se živné médium ihned naplní vrstvou parafínu nebo parafínového oleje, aby se izolovalo od přístupu kyslíku.
GasPak - systém chemicky zajišťuje stálost směsi plynů přijatelnou pro růst většiny anaerobních mikroorganismů. V uzavřené nádobě voda reaguje s borohydridem sodným a tabletami hydrogenuhličitanu sodného za vzniku vodíku a oxidu uhličitého . Vodík poté reaguje s kyslíkem plynné směsi na palladiovém katalyzátoru za vzniku vody, která již znovu reaguje s hydrolýzou borohydridu.
Tuto metodu navrhli Brewer a Olgaer v roce 1965. Vývojáři představili jednorázový sáček generující vodík, který později upgradovali na sáčky generující oxid uhličitý obsahující vnitřní katalyzátor [9] [10] .
Zeisslerova metoda se používá k izolaci čistých kultur sporotvorných anaerobů. Za tímto účelem naočkujte médium Kitt-Tarozzi, zahřejte jej po dobu 20 minut na 80 ° C (pro zničení vegetativní formy), naplňte médium vazelínovým olejem a inkubujte 24 hodin v termostatu. Poté se naočkuje na agar s cukrovou krví, aby se získaly čisté kultury. Po 24hodinové kultivaci jsou studovány zájmové kolonie - jsou subkultivovány na Kitt-Tarozzi médiu (s následnou kontrolou čistoty izolované kultury).
Fortnerova metoda - inokulace se provádí na Petriho misku se zesílenou vrstvou média, rozdělenou na polovinu úzkou drážkou vyříznutou v agaru. Jedna polovina je naočkována kulturou aerobních bakterií, druhá polovina je naočkována anaerobními bakteriemi. Okraje kelímku jsou naplněny parafínem a inkubovány v termostatu. Zpočátku je pozorován růst aerobní mikroflóry a poté (po vstřebání kyslíku) se růst aerobní mikroflóry prudce zastaví a začíná růst anaerobní mikroflóry.
Weinbergova metoda se používá k získání čistých kultur obligátních anaerobů. Kultury pěstované na médiu Kitta-Tarozzi se přenesou do cukerného bujónu. Poté se pomocí Pasteurovy pipety na jedno použití přenese materiál do úzkých zkumavek (Vignal tubes) s cukrovým masovo-peptonovým agarem, přičemž se pipeta ponoří na dno zkumavky. Naočkované zkumavky jsou rychle ochlazovány, což umožňuje fixaci bakteriálního materiálu v tloušťce vytvrzeného agaru. Zkumavky se inkubují v termostatu a poté se studují vyrostlé kolonie. Když je nalezena zájmová kolonie, provede se na jejím místě řez, materiál se rychle odebere a naočkuje na médium Kitta-Tarozzi (s následnou kontrolou čistoty izolované kultury).
Peretzova metoda - bakteriální kultura se vloží do roztaveného a vychladlého cukrového agaru a nalije se pod sklo umístěné na korkové tyčinky (nebo úlomky zápalek) v Petriho misce . Metoda je ze všech nejméně spolehlivá, ale její použití je poměrně jednoduché.
Hiss media : Do 1% peptonové vody přidejte 0,5% roztok určitého sacharidu (glukóza, laktóza, maltóza, mannitol, sacharóza atd.) a Andredeův acidobazický indikátor, nalijte do zkumavek, do kterých se umístí plovák k zachycení plynné produkty, vznikající při rozkladu uhlovodíků.
Resselovo (Russellovo) médium se používá ke studiu biochemických vlastností enterobakterií (Shigella, Salmonella). Obsahuje výživný agar-agar , laktózu, glukózu a indikátor (bromthymolovou modř). Barva média je trávově zelená. Obvykle se připravuje v 5ml zkumavkách se zkoseným povrchem. Výsev se provádí injektáží do hloubky sloupu a zdvihem po zkosené ploše.
Ploskirevovo médium (baktoagar Zh) je diferenciálně diagnostické a selektivní médium, protože inhibuje růst mnoha mikroorganismů a podporuje růst patogenních bakterií (původců tyfu, paratyfu, úplavice). Bakterie negativní na laktózu tvoří na tomto médiu bezbarvé kolonie, zatímco bakterie pozitivní na laktózu tvoří červené kolonie. Médium obsahuje agar, laktózu, brilantní zeleň , žlučové soli, minerální soli, indikátor (neutrální červená).
Bismut sulfitový agar je určen k izolaci salmonely v její čisté formě z infikovaného materiálu. Obsahuje tryptický digest, glukózu, růstové faktory salmonely, brilantní zeleň a agar. Rozdílné vlastnosti média jsou založeny na schopnosti Salmonel produkovat sirovodík , na jejich odolnosti vůči přítomnosti sulfidu, brilantní zeleně a citrátu bismutitého. Kolonie jsou označeny černým sulfidem bismutitý (technika je podobná jako u Wilson-Blairova média ).
Metabolismus anaerobních organismů má několik odlišných podskupin:
Některé tkáně zvířat a lidí se vyznačují zvýšenou odolností vůči hypoxii (zejména svalová tkáň ). Za normálních podmínek probíhá syntéza ATP aerobně a při intenzivní svalové aktivitě, kdy je přísun kyslíku do svalů obtížný, ve stavu hypoxie a také při zánětlivých reakcích ve tkáních dominují anaerobní mechanismy regenerace ATP. V kosterním svalstvu byly identifikovány 3 typy anaerobních a pouze jedna aerobní dráha regenerace ATP.
Mezi anaerobní patří:
Je třeba poznamenat, že přímým důsledkem glykolýzy je kritické snížení pH tkáně - acidóza . To vede ke snížení efektivního transportu kyslíku hemoglobinem a vytváří pozitivní zpětnou vazbu .
Každý mechanismus má svou vlastní maximální dobu udržení výkonu a optimální zásobování tkání energií. Nejvyšší výkon a nejkratší doba držení:
| Mikrobiologie : Bakterie | |
|---|---|
| Patogenní bakterie |
|
Lidská mikroflóra |
|
Specifičnost substrátu | |
| Dech | |
| Genetika a reprodukce | |
| odpočinkové formy |
|
| viz také | |