Bakterilerin Üremesi ve Metabolizması. Doç.Dr. Abbas TANER

Transkript

1

2 Bakterilerin Üremesi ve Metabolizması Doç.Dr. Abbas TANER

3 Canlılarda meydana gelen bütün biyokimyasal olaylar, onların metabolizmaları ile ilişkilidir. Viruslar dışındaki tüm mikroorganizmalar, yüksek canlılarda olduğu gibi, metabolizmalarını enzimleri ile gerçekleştirirler.

4 Canlıların metabolizmaları, Anabolizma ve Katabolizma olaylarını kapsar. Metabolizm Anabolizma + Katabolizma (Yapım) (Yıkım)

5 Katabolizma; besin maddeleri gibi büyük kompleks moleküllerin, enzimler yardımıyla parçalanarak, hücre zarından geçebilecek kadar küçük moleküllere dönüştürülüp sitpolazmaya alınması ve sitoplazmada yapıtaşlarına ayrıştırılması olaylarının tümüdür. Karbon hidratlar Yağlar Proteinler Nüklei asitlar enzimler Katabolizma; Basit yapıtaşlarına dönüştürülür

6 Anabolizma ise; yapıtaşlarından, canlı hücrelerdeki kompleks molekül ve yapıların biyosentezidir. Özümleme, asimilasyon veya anabolizma, basit yapıdaki moleküllerin, daha karmaşık yapıdaki moleküllerin sentezinde kullanılması ve bunlara ilişkin kimyasal değişimlerdir Karbon hidratlar Yağlar Proteinler Nüklei asitlar enzimler Anabolizma Basit yapıtaşları

7 Protozoonlar (Bir hücreliler, genellikle mikroskobik, bir hücreli ve ökaryotik canlıları içeren bir protista alt alemidir). ve Viruslar dışındaki mikroorganizmaların metabolizmaları ile ilgili olaylar, dış enzimatik sindirim ile başlar.

8 Metabolizma ile ilgili tepkimeler, enzimler aracılığı ile gerçekleşir. Bakteri ve mantarların gerek hücre dışına saldıkları, gerekse hücre içinde görev yapan çok güçlü enzimleri vardır. Rickettsia ve Chlamydia`ların hücre dışı enzimleri sınırlı olmakla birlikte, metabolizmalarını kendi enzimleri ile sağlarlar.

9 Bakterilerin metabolik aktiviteleri, yüksek organizmalarınkinden çok daha fazladır, çünkü bakterilerin yüzeyi, hacmine göre oldukça geniş olup, bu geniş yüzeyden besinlerin alınması ve artıkların atılması, yüksek bir metabolizma hızı gerektirir.

10 Metabolik Reaksiyonlarda ATP nin Önemi o Canlılar ATP dışında başka bir molekülü enerji amacıyla doğrudan kullanamaz. o ATP hücrelerde depolanamaz. o ATP hücre zarından geçemez. Bu nedenle her hücrede sentezlenir. Yani her hücre aralıksız solunum yaparak kendi ATP sini sentezlemek zorundadır. Sadece virüsler ATP sentezleyemez. o ATP nin sentezi, dehidrasyondur. Su açığa çıkar. Yıkımı, hidrolizdir. Su ile parçalanır. o ATP, kimyasal reaksiyonların başlaması gerekli olan, aktivasyon enerjisini sağlar.

11 Fosfo diester bağ Yüksek enerji bağ Besinlerin oksidasyonu sonucunda açığa çıkan enerji,yüksek enerjili bağlarda depolanır Yüksek enerji bağlarda depolanan enerji serbest bırakılır.

12 1-Oksijenli Solunum Fosforilasyon Canlı sistemlerde enerjinin ATP nin yapısına aktarılması dört farklı yolla sağlanabilir: Substrat Düzeyinde Fosforilasyon ( 38ATP) 2-Oksijensiz solunum (2ATP) ATP ATP-ADP Döngüsü DeFosforilasyon * Aktivasyon Enerjisi * Aktif Taşıma * Biyosentez R. ( protein, yağ, karbonhidrat, DNA sentezi) 3-Fotosentez AYDINLIK EVRE (fotofosforilasyon) 4-Kemofosforilasyon Kemosentetik Fosforilasyon ADP+ P i *Kas kasılması * Sinirsel iletim Fotosentez (karanlık evre)

13 Fosforilasyon ADP ye bir fosfat bağlanarak ATP sentezlenmesine Fosforilasyon denir. ATP sentezi için enerji gereklidir. ADP+ P i + Enerji A P P + P ATP + Su A P P P i + Enerji (7.3kcal) DeFosforilasyon ATP deki P bağının koparılması ve ADP üretilmesidir. Hücrede tüm anabolik reaksiyonlarda gerçekleşir. ATP + Su ADP + P i + Enerji (7.3kcal)

14 Fosforilasyon; Bir fosfat grubunun organik molekülle birleşmesine denir. ATP nin çeşitli tepkimelerle birleşmesi buna örnektir. Fosforilasyon 4 şekilde gerçekleşir. Bunlar: 1-Oksijenli Solunum Substrat Düzeyinde Fosforilasyon 2-Oksijensiz solunum 3-Fotosentez 4-Kemofosforilasyon

15 Bakterilerin Metabolizma Aktivitelerin Sonucunda Ne Olur? Mikrobiyal Üreme Olur. The growth of bacteria Hücrelerin Sayısında Artış Olur Hücrelerin sayısında artmaya üreme denir

16 Bütün bakteri türlerinde esas üreme şekli bölünmedir. bölünme eşeysiz üreme biçimidir. Bakteriler konak hücrenin dışında çoğalabilirler. Riketsiyalar ve Klamidiyalar dışında Bakterilerin üreme hızı; Su, besin maddesi sıcaklığın uygun olduğu ortamlarda çok hızlı bölünürler. Bakterilerin çoğalmaları geometrik olarak artmaya başlarlar. Ancak bu artış sürekli değildir. Çünkü zamanla ortam sıcaklığı artar, asitler ve CO 2 birikir, besin maddeleri tükenir. Bunlar bakteriler için öldürücü doza ulaşınca geometrik artış bozulur. Bakteri populasyonları da dengelenmiş olur. Bakterilerin bölünmeleri mitoza benzer. ancak çekirdek zarı ve belli bir kromozom sayısı olmadığı için tam bir mitoz değildir. Buna Amitoz Bölünme denir.

17 Bir bakteri hücresinden iki yavru hücre meydana gelinceye kadar gereken ortalama süreye yeni nesil oluşturms süresi ya da iki katına çıkma süresi (doubling time) denir Hücrenin ikiye bölünerek üremesi Binary Fission Hücre uzanır ve DNA çoğaltılır. Hücre duvarı Plzma membranı doubling time Hücre duvarı ve plazma zarı boğumlar başlar. Her iki hücrenin duvarları ve iki DNA kopyalamaları tamamenır. Hücreler ayrılır DNA Hücre sayısı Jenerasyon sayısı Üstel değer x1 2x2 2x2x2 2x2x2x2 2x2x2x2x2 Üreme: Bakteriyel çoğalma, iki tane birbirinin aynı iki hücrenin oluştuğu koordine bir prosesdir. Çoğalmanın oluşabilmesi için, DNA sentezi ve bakteri komponentlerinin sentezi için gerekli maddelerin ortamda bulunması gerekmektedir. Kromozom replikasyonu sitoplazmik membrandan başlar Bakteri membranı, peptidoglikan sentezi ve hücre bölünmesi birbirine bağlı ve ilişkilidir. Peptidoglikan sentezinin inhibisyonu, hücre bölünmesini de inhibe edecektir.

18 Logaritmik Bakteri Sayısı Bakterilen Üreme Dönemleri a) Lag Faz; Gizli dönem Besiyerine ekildiğinde yeni çevre şartlarına adapte olmak için geçirilen zaman Antibiyotiklerin etkili oldukları dönem a e Pseudomonas 10/dk. bölünür Zaman i a) Üremenin hızlandığı dönem b) Log Fazı/ Eksponansiyal; Logaritmik üreme dönemi c) Üreme hızının azalma dönemi d) Stasyoner Faz: Çoğalmanın durma dönemi. Durağan fazı. Besiyerindeki maddeler azalmaya başlar. Çoğalan bakteri sayısı ile ölen bakteri sayısı hemen hemen birbirine eşittir. e) Bakterilerin azalma dönemi f) Ölüm Faz;Bakterilerin sayısal olarak logaritmek azalma dönemi g) Yeniden düzenleme dönemi

19 Bakteri Üremesi için Gerekli Maddeler Mikroorganizmaların beslenme ve üremesi için gerekli maddeler; * Hidrojen alıcı ve verici maddeler: Tüm mikroorganizmalar H verici niteliğindeki enerji kaynağı maddeleri gereksinirler. Bunlar okside olabilen maddeler olup oksidasyon esnasında hidrojen ve dolayısıyla enerji verirler. H alıcı maddeler enerji oluşturan oksidoredüksiyon reaksiyonları için gereklidir. Bu enerji oluşturan reaksiyonlar esnasında okside redüksiyonla H verici maddelerden H alıcı maddelere aktarılan hidrojen, en son olarak bir H alıcı maddeye bağlanarak atılır. Bu hidrojen alıcı madde aeroplar için O 2 anaeroplar için çeşitli inorganik yada organik bileşiklerdir. * Karbon kaynağı: Sitoplazmanın esas maddeleri olan polisakkarit, lipid ve proteinlerin yapısındaki karbonun sağlanması için bütün mikroorganizmaların bir veya çeşitli karbon kaynaklarına gereksinimi vardır. Ototrof mikroorganizmalar karbon gereksinimlerini CO 2 veya karbonatlardan, hetotroflar ise çeşitli organik kaynaklardan sağlarlar. Bununla beraber bu mikroplar çok az miktarlarda CO 2 'yi de gereksinirler. * Azot kaynağı: Özellikle ototrof ve bir kısım hetetrotrof mikroorganizmalar tek azot kaynağı olarak amonyum tuzlarından yararlanabilmek yeteneğindedirler. Buna karşın birçok heterotrof mikroplar yalnızca amonyum tuları ile yetinmeyin Nitrit, nitrat hatta Aminoasit bileşiğindeki azotu gereksinirler. Pek az bakteri doğrudan doğruya atmosfer azotunu kullanabilirler ki bunların madde değişimindeki önemleri büyüktür. Azot, mikroorganizmaların proteinlerinin yapısına girdiği gibi özellikle nükleik asitlerin buna bağlı pürin ve primidinlerin, çeşitli enzimlerin yapısına girer.

20 * Mineraller: Miroorganizmalar çeşitli yapı maddeleri ve enzimlerinin yapılarına göre çeşitli mineralleri gereksinirler. Bunlardan kükürt birçok organik madde ve enzimlerin yapısına girer. Organik kükürt ve sülfat şeklinde alınır. Fosfor, nükleik asitlerin, ATP'nin ve bazı koenzimlerle flavinlerin yapısına girer. Hücre içerisine çoğu kez inorganik fosfat şeklinde alır. Bunlardan başka çeşitli enzimlerin ativasyonunda rol oynayan Mg++, Ca++, Fe++, K+, Mn++, Co++, Al++, Ba++, Cd++, Cl-İ-, Zn++, Ni++, Cu++ gibi iyonlar ve daha başka eser miktarda mineraller mikroorganizların beslenmesinde yer almaktadır. * Gelişme faktörleri ve vitaminler: Gelişme için küçük miktarlarda mutlak gerekli, ancak mikroplar tarafından sentez edilemeyen ve hazır alınması gereken organik maddelerdir. Örnek olarak, Biotin, riboflavin, nikotinik asit, pantoeik asit, B12, Yağ asidi. *H 2 O: Bakterilerinhücre yapısında %70-90 oranında su bulunur. Hücre dışında bulunan su, suda erimiş olan maddelerin hücreye taşınmasında rol oynamaktadır. * O 2 : Bakterilerin bir grubu üremeleri için mutlak oksijen varlığına ihtiyaç duyarken, bir kısmı için ortamda hiç oksijen bulunmaması gereklidir. Bazı bakteriler ise ortamda oksijen bulunsun veya bulunmasın rahatlıkla üreyebilirler. Bir grup bakteri ise düşük miktardaki oksijen varlığında üreyebilir. * CO 2 : Ototrof ve heterotrof bakteriler için karbondioksit hayati önem taşır. Bazı tıbbi önemi olan bakterilerin % 5-10 CO2'li ortamda üremeleri daha kolay olur.

21 AEROB VE ANAEROBLAR Mikroorganizma Tanımlama Örnek Zorunlu Aeroblar - Sadece aerobik solunum yapabilirler Pseudomonas, M.tuberculosis Bacillus Zorunlu Anaeroblar Fakültatif anaeroblar veya Fakütatif aeroblar Oksijene Duyulan İhtiyaca Göre Gruplandırma -Yalnızca fermentatif yolları kullanırlar - Çoğu anaeroblarda katalaz ve superoxid dismutaz enzimleri yoktur - Oksijen varlığında ölürler - Aerotoleron anaeroblar aerobik yol enzimlerine sahip değildirler ancak oksijeni tolere edebilirler Normalde oksijenli ortamda gelişme ve üremesine karşın, oksijensiz koşullarda da gelişip üreyebilen mikroorganizma. Mikroaerofilik bakteriler - Düşük seviyede oksijene ihtiyaç duyarlar.(%5 O 2 ) Aktinomyces, Bakterioides Fusobacterium Clostridium tetani Clostridium perfringes (gazlı gangren) Çoğu patojen bakteriler (streptokoklar,enterokoklar...vs.) Campylobacter, Helicobacter, Brucella abortus Aerotolerans Aslen anaerob olup, solunumunda atmosferde bulunan konsantrasyonda (%21) oksijen varlığına dayanabilen ve bu ortamda zayıf da olsa gelişebilen mikroorganizmalar. Bunlar zorunlu anaeroblardan farklı olarak atmosferik oksijene maruz kaldıklarında ölmezler. Bazı Clostridium türleri bu gruba girer.

22 Bakterilerin Üremesi Üzerinde Oksijen Konsantrasyonun Etkisi Bakterilerin O 2 e karşı durumlarını incelemek için Dik jeloz besiyerind çalkalama kültürü kullanılabilir. Gevşek kapak O 2 Yüksek O 2 Düşük Zorunlu Aeroblar Zorunlu Anaeroblar Fakültatif Anaeroblar Aerotolerans Anaeroblar Mikroaerofiller

23 Aerobik bakteriler Süperoksid dismutaz, katalaz ve peroksidaz enzimlerini sentezler. Bu enzimler aerop metabolizma sonucu açığa çıkan ve oksijenin radklallerini (toksik), süperoksid dismutaz enzimi ile su ve hidrojen perokside donuşturur. Hidrojen pperoksid, oksijen radikallerinden daha az toksik fakat hala hücreye zarar verir. Katalaz ve peroksidaz enzimleri ile hidrojen peroksid su ve oksijen molekülüte dönüştürülür. Bu yüzden bu enzime sahip canlılar oksijenli atmosferde yaşıya bilitorlar. Peroksidaz Süperoksid dismutaz Katalaz Zorunlu anaeroplarda süperoksid dismutaz ve katalaz enzimi olmadığından oksijen toksiktir.

24 Beslenme Şekillerine Göre Gruplandırma Beslenme şekillerine göre bakteriler ototrof ve heterotrof olmak üzere ikiye ayrılırlar. 1.Ototrof Bakteriler: Bu tip bakteriler kendileri için gerekli organik bileşikleri inorganik bileşiklerden sentezlerler. Kullandıkları enerji kaynağına göre iki grupta incelenirler. Fotoototrof bakteriler, fotosentez yapan bakterilerdir. Enerji kaynağı olarak güneş ışığını kullanırlar. İçerdekileri klorofil pigmenti yeşil bitkilerden farklı olarak kloroplast içinde değil, sitoplazmada bulunur. Fotoototrof bakterilere örnek olarak siyanobakteriler, bor bakteriler ve yeşil kükürt bakterileri verilebilir. Kemoototrof bakteriler, klorofil taşımadıkları için besin sentezi sırasında ışık enerjisi yerine kimyasal enerji kullanırlar. Bu kimyasal enerjide bazı inorganik bileşiklerin oksitlenmesiyle elde edilir. Kemoototrof bakterilere örnek olarak demir bakterileri, kükürt bakterileri, nitrit bakterileri ve nitrat bakterileri verilebilir. 2.Heterotrof (Organotrof)Bakteriler: Bu tip bakteriler kendileri için gerekli olan amino asit, glikoz, vitamin gibi organik bileşikleri dışarıdan almak zorundadırlar. Bakterilerin çoğu heterotrof olup parazit veya saprofit beslenirler. Parazit bakteriler, besinleri sindiren enzim sistemlerine sahip değildirler. Sindirilmiş besinleri üzerinde yaşadıkları canlılardan temin ederler. Bazı parazit bakteriler hastalıklara yol açarlar. Bunlara patojen bakteriler denir. Saprofit (çürükçül) bakteriler, ayrıştırıcılar olarak da adlandırılırlar. Bu tip bakteriler ölü bitki, hayvan dokularını ve

25 Mikroorganizmaların Beslenme ve Üremelerinine Etki Eden Çevresel Faktörler ph: Sıcaklık Osmotik basınç Oksidasyon redüksiyon potansiyeli

26 Üreme oranı Mikroorganizmaların Beslenme ve Üremelerinine Etki Eden Çevresel Faktörler ph ph; enzimlerin çalışması için önemli Bakterilerin çoğalmasında ideal ph nötral ph 6-8 dır Bazı bakteriler daha asidik (Maya, Küfler ve Lactobasiller) bazıları da daha bazik (vibrio cholerae) ortamlarda da üreyebilirler. Asidofilik Nötrofilik Alkalifilik ph

27 Mikroorganizmaların Beslenme ve Üremelerinine Etki Eden Çevresel Faktörler Sıcaklık Mikroorganizmalar enzimlerinin çalışması ısıya bağlıdır. Üredikleri ısı ortamına göre: Hipertermofil bakteriler: o C Pyrococcus, Pyrolobus Termofil bakteriler: o C, Methanobacterium, Thermoplasma, Thermus Mezofil bakteriler: o C İnsan vücut ısısı olan 37 o C Psikrotrofil bakteriler: 0-32 o C Yersinia enterocolitica (0-44 o C) Psikrofil bakteriler: o C Toprak ve deniz bakterileri düşük ısıda yaşamaktadırlar.

28 Mikroorganizmaların Beslenme ve Üremelerinine Etki Eden Çevresel Faktörler Osmotik basınç Bir ortamın osmotik basıncı, içinde eriyen maddelerin konsantrasyonu ile ilişkilidir. Mikroorganizmalar, içinde üredikleri sıvı besi yerinin osmotik basıncı ile kendi hücre içindeki osmotik basınç arasında bir denge kurmuşlardır. Bu denge yarı geçirici olan hücre membranları yardımı ile regule edilir ve devam ettirilir. Bakteriler peptidoglikan tabaka sayesinde osmotik şok sonucu patlamaktan korunurlar Bakterilerin bulunduğu ortam yüksek osmotik basınca sahipse su molekülleri bakteri hücresini terkederek hücrenin susuz kalmasına neden olur. Bakteri içindeki osmotik basınç, bakteri türlerine göre değişmek üzere, 5-20 atmosfer arasında bulunmaktadır. Bu basınca mikroplar hücre duvarı ile karşı koymaktadır. Bakteri içindeki bu fazla osmotik basınç, içte bulunan organik maddeler (protein, amino asit, karbonhidrat, vs.) ve inorganik tuzlar tarafından oluşturulur. Gram pozitif mikroorganizmaların iç osmotik basıncı genellikle atmosfer ve Gram negatiflerin ki ise bundan daha azdır (5-10). Yüksek osmotik basınç ortamda üreyen bakteriler: Halofil Bakteriler: Yoğun Tuzlu ortamda yaşayabilen bakteridir. (deniz bakterileri) Osmofil Bakteri: Yoğun şekerli ortamda yaşama. Clostridium botilinum

29 Mikroorganizmaların Beslenme ve Üremelerinine Etki Eden Çevresel Faktörler Oksidasyon Redüksiyon Potansiyeli (Eh) Oksidasyon-redüksiyon (O-R) elektriksel bir olaydır ve elektron transferi üzerine dayanır. Oksidasyon (elektron kaybı) ve redüksiyon (elektron kazanma) fenomenleri genellikle birlikte cereyan ederler. Mikroorganizmaların beslendikleri ortamda bulunan ve elektron aktarımına bağlı olan bir güçtür. Eh milivolt cinsinden ölçülür. Anaerop mikroorganizmalar düşük oksidoredüksiyon ortamında daha kolay ürerler. Sodium thioglycollate,sodium formaldehit, Sulfoksilat, Sistein, Klor hidra: besiyerinde ORP düşürür.