Çevre Mikrobiyolojisi (Çev 110)

Transkript

1 Çevre Mikrobiyolojisi (Çev 110) Ökaryotların anatomisi (devam), M.organizmaların metabolizması ve Enzimler Dr.Nizamettin Özdoğan 2016

2 CANLILAR ALEMİ Virüsler* Bakteria Arkea Ökarya (bakteriler) (bakteriler) (Mavi-yeşil algler) Protista Fungi Bitkiler Hayvanlar -Silliler -Küf Man -Tohumlu -Omurgasızlar -Kamçılılar -Maya -Tohumsuz -Omurgalı -Kökayaklılar -Şapkalı -İlkel omurgalı -Sporlular -Hastalık yapıcı -Cıvık Mantarl. *Virüsler bu 3 domain e dahil olmayan zorunlu parazitlerdir.

3 Cıvık Mantarlar (Anahtar cinsler: Dictyostelium, Physarum) Fenotipik olarak hem fungus hem de protozoa lara benzeyen mikrobiyal ökaryotlardır. Funguslar gibi bir yaşam döngüsüne sahip olup spor üretebilirler, ancak protozoa gibi hareketli olup hızlıca hareket edebilirler. Dökülmüş yapraklar gibi ölü bitki materyali, ağaç kütükleri üzerinde ve toprakta yaşarlar. Besinleri genel olarak fagositozla yuttukları bakteriler ve diğer mikroorganizmalardır. Filogenetik açıdan amipsi protozoalara yakındır. 2 grup a ayrılır; - Hücresel cıvık mantarlar (tek bir amip şeklinde)- örnek: Dictyostelium Vegetatif hücreler kümeler oluşturur, bir hücre kütlesi olarak hareket eder ve içinde hücrelerin farklılaştığı ve spor oluşturdukları fruktifikasyon organları üretirler. Fruktifikasyon organı vegetatif hücreleri rejenere eden ve yeni bir yaşam döngüsü başlatabilen sporlar içerir. - Hücresel olamayan cıvık mantarlar (protoplazma yıgınları halinde)- Physarum

4 Fuligo spp. Physarum spp. Dicydium spp Hemitrichia spp.

5 Funguslar (Anahtar cinsler: Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Saccharomyces, Candida) Bitki ve mavi-alglerden farklıdır çünkü fotosentetik pigmentleri YOKTUR. Çogu karasaldır, bazıları tatlı sularda yaşarken bir kaçı ise denizlerde bulunur. Toprak veya ölü bitki materyali üzerinde yaşarlar ve organik karbon un minerilizasyonunda önemli roller oynarlar. Tahıl bitkilerinde önemli ekonomik kayba sebep olan hastalıkların büyük kısmının nedeni funguslardır. MİKOTOKSİNLER (Sekonder metabolizma sonucu oluşan düşük moleküler ağırlıklı, çeşitli kimyasal yapıya sahip doğal toksinler) Funguslar hif adı verilen iplikciklerden meydana gelir. Bölmeli veya bölmesiz sık dallıdırlar. Fungusların ER, golgi ve mitokondrileri (80% protein, 20% lipid) bulunur. Fungal hücre duvarı (kitin) doku olarak bitki hücre duvarına (selüloz) benzerken kimyasal yönleriyle farklılık gösterir. Funguslar hetetroftur (hazır organik maddeleri kullanarak yaşarlar) Funguslar kemoorganotrof (Kimyasal bileşikleri enerji, organik maddeleri elektron kaynağı olarak kullanan organizma) dur. Bu yüzden bitki ve hayvan artıklarının bulunduğu yerlerde bol miktarda bulunurlar. Eşeyli yada eşeysiz ürerler. 3 büyük gruba ayrılır; Küfler, Şapkalı Mantarlar ve Mayalar

6 Mantarların genel yapısı

7 Filamentli funguslar: Küfler Anahtar cins: Aspergillus Doğada yaygın olup ekmek, peynir veya meyveler üzerinde bulunurlar. Zorunlu aerobtur. Zor şartlara dayanır ve asidik ortamlarda yaşarlar. Tek filament hif olarak adlandırılır, hif ler bir yüzey boyunca beraber büyüyerek miselyum (kompakt demet) u oluşturur. Miselyum besinlerin içeri alınmasını saglar. Miselyum dan hifsel dallar uzanıp yüzeyde hava ile temas edebilir ve bu havalı dallar üzerinde konidia adı verilen sporlar oluşur. Küfler, konidyalar sayesinde yaşamlarının erken evrelerinde eşeysiz üreme ile sporlar (oluşumları gametlerin birleşmesini kapsamaz) üretirler. Konidyalar fungusların yeni habitat lara yayılışında görev yaparlar. Ya rüzgarla yada hayvanlarla taşınabilirler. Eşeysiz üreme??? Bölünme, tomurcuklanma ve sporlaşma ile olur Eşeyli üreme??? Gamet adı verilen hücrelerin birleşmesi ve bölünme sonucu sporların meydana gelmesi (farklı 2 çekirdeğin birleşmesi).

8

9 Bir küf mantarının büyütmeli elektron mikroskobundaki görünümü

10 Filamentli funguslar: Şapkalı Mantarlar (Basidiomycetes: Agaricus, Amanita ) Basidiomycetes ler in üzerinde tanımlanmış türü olan, yenebilen büyük fruktifikasyon organları oluştururlar. Pek çogu ticari olarak üretilip yenebilen (yani kültürü yapılan) Agaricus bisporus (özel torbalarda) ve Lentinus edulus ise küçük kütükler üzerinde kültürü yapılır. Diger şapkalı mantar türü Amanita, zehirli mantarlardır Sınıfın ismi, hiflerin uçlarında farklılaşarak oluşan bazidyum yapılarından gelir. Basidiumlar genellikle bölmesizdir ve sterigma denilen küçük çıkıntılı yapı lardır. Yaşam döngülerinde, hücrelerin iki çekirdek taşıdığı bir evre görülür. Ayrıca hücre duvarları çift tabakalıdır. Agaricus Lentinus Amanita (zehirli)

11 Tek hücreli funguslar:mayalar Anahtar cinsler:saccharomyces, Candida Genellikle tek hücreli, bazı türleri ise çok hücreli ökaryot yapılı funguslardır. Maya türleri zorunlu aerobik veya istemli anaerobik (fakültatif anaerobik) fizyolojiye sahip olabilirler. Maya tomurcuklanma yoluyla eşeysiz olarak, veya askospor oluşumu yoluyla eşeyli olarak ürer Çoğu maya, yüksek şekerli çevresel nümunelerden izole edilebilir. Meyvelerde, örneğin üzüm, elma veya şeftalide bulunur. Bazı mayalar toprak ve böceklerde bulunurlar. Endüstriyel önem taşımalarındaki en büyük etken, glikoz fermantasyonunu oldukça iyi gerçekleştiriyor olmalarındandır Önemli ticari mayalar ekmek ve bira yapımında kullanılan Saccharomyces cinsi üyeleridir. Genom dizisi tamamlanan ilk ökaryotik canlı S. cerevisiae dir. Mayalar ekonomik, sağlık ve sosyal açıdan bilinen en önemli organizmalardır. Şekerin maya tarafından fermantasyonu, alkollü içeceklerin üretimi,ekmek yapımında ekmeğin kabartılması ve şarap-bira yapımı, binlerce yıldır kullanılan en eski biyoteknolojik faaliyetleridir. Ayrıca canlılara ait proteinlerin veya bazı farmasötik ajanların daha kolay ve ucuz üretilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Örn; insülin, interferon proteinleri ile aşı üretiminde gerekli hepatit B virüsünün kabuk proteinleri mayalar tarafından üretilmektedir.

12 Maya hücreleri Saccharomyces cerevisiae

13 Mayalar ve maya ürünlerinin endüstriyel kullanımı Maya hücrelerinin üretimi Ekmek mayası, ekmek yapımı için Kuru gıda mayası, gıda katkısı için Kuru yem mayası, hayvan yemleri için Maya ürünleri Maya özütü, mikrobiyal kültür ortamları için B vitaminleri, D vitamini Besin endüstrisü için enzimler, invertaz (sukraz), galaktosidaz Araştırma için biyokimyasallar, ATP, NAD+, RNA Mayalardan fermentasyon ürünleri Etanol endüstriyel alkol olarakve yakıt katkı maddesi olarak Gliserol (gliserin) İçecek alkol Bira, şarap Distile içecekler Viski, brendi, votka, rom

14 Maya hücrelerinin üretimi Ekmek pasta yapımında yada besin amaçlı kullanılacak mayalar büyük havalı fermentörlerde ana bileşen olarak MELAS içeren ortamda üretilir. Melas, karbon ve enerji kaynagı olarak yüksek şeker içerir ve ayrıca maya tarafından kullanılan mineraller, vitaminler ve amino asitleri içerir. Mayanın üreyeceği tam bir ortam hazırlamak için fosforik asit (fosfor kaynagı) ve amonyum sülfat (azot ve kükürt kaynağı) eklenir. Üreme peryodu sonucunda;maya hücreleri kültürden santrifüj edilerek elde edilir. Daha sonra hücreler, su ile sulandırılarak yıkanır ve açık renge gelene kadar tekrar santrifüj edilir. Sonuç; ekmek mayası (aktif kuru maya), pres maya kekleri (yaş maya), besin mayası (gıda kuru mayası) Glukoz 2 Etanol + 2 CO2 (maya) Glukoz 2 laktat + 2 H + (laktik asit bakterisi)

15 Önemli fungus gruplarının özellikleri Grup Yaygın ismi Tipik temsilcileri Eşeyli sporun tipi Habitatlar Yaygın hastalıklar Ascomycetes (maya) Keseli funguslar Neurospora, Saccharomyces, Morchella (göbek mantarı) askospor Toprak, çürüyen bitki materyali Flemenk karaağaç hastalığı, kestane küfü, çavdar mahmuzu, çürüme Basidiomycetes, (Şapkalı mantarlar) Kadeh fungusları, Şapkalı mantarlar Amanita (zehirli mantar), Agaricus (yenilebilir mantar) Bazidiyospor Toprak, çürüyen bitki materyali Gövde kararması bugday pası, mısır isi Zygomycetes (ekmek küfleri) Ekmek küfleri Mucor, rhizopus (ekmek küfü) Zigospor Toprak, çürüyen bitki materyali Besin bozulması Oomycetes** (su küfleri) Nem küfleri Allomyces Oospor Akuatik Nadiren parazitik hastalık Deuteromycetes Eksik funguslar Penicillium, Aspergillus, Candida Bilinmiyor Toprak, çürüyen bitki materyali, hayvanların vücut yüzeyi Bitki solgunlugu, ayak mantarı (hayvan), sistemik enfeksiyonlar (candida) **Filogenetik olarak farklı olan Oomisetler hariç fungusların diger grupları yakın akrabadır.

16 Fungusların çevre mühendisliği açısından önemi Funguslar, bakteriler ve arkea lerle birlikte birincil tüketicidirler. Ölü organik maddeleri kullanıp inorganik maddelere dönüştürür, ve bu inorganik maddeler diğer canlılar tarafından kullanılmak üzere çevreye girer. Lignoseluloz içeren yaprak ölü ağaç ve bitkilerin çürütülmesinde rol oynar. Mantarların topraktaki önemli rollerinden dolayı, organik atık ve arıtma çamurlarının bertarafında önemli rol oynarlar. Bakterilerin kullanamadığı bir çok organik (tehlikeli/siz) maddeyi ve funguslar parçalayabilmektedir. Örn; Lignin (seluloza baglanarak, bitkiye şekil ve sertlik kazandıran doğal bir organik madde) Bakterinin lignini parçalayabilmesi için peroksidaz (oksidatif) enzimi üretemez. Bakterilere kıyasla, daha yavaş, daha kuru ve asidik ortamda yaşarlar. Sadece maya anaerobik şartlara dayanıklıdır. Bu pozitif özelliklerine ragmen funguslar, atık arıtımında çok fazla kullanılmaktadır. Nedeni/leri; Yavaş olmaları ve atık arıtım potansiyellerini max. kullanmak için yollar henüz anlaşılmamıştır.

17 Algler (yosunlar) Anahtar cinsler: chlamydomanas, euglena, gonyaulax (toksik) Algleri inceleyen bilim dalına fikoloji denir. Tek veya çok hücreli (koloni halinde) ototrofik, fotosentetik, ökaryot protistalardır. Suda, nemli topraklarda, yüzme havuzlarında, göllerde ve akvaryumlarda yaşamlarını sürdürebilirler. Algler, bakterilerden ve mantarlardan fotosentetik pigment içermeleri ve bu sayede sahip oldukları fotosentez yetenekleri ile ayrılırlar. Organik karbon bileşiklerinin major primer üreticisidirler. Çogu alg flagella varlıgı sayesinde hareketlidir. Alglere rengini veren fotosentetik pigmentlerdir. Bunlardan bazıları 1- Klorofil: Yeşil renkli pigment maddesi 2- Karoten: Altın rengi pigment maddesi 3- Ksantofil: kahverengi pigment maddesi 4- Psikobilin: Mavi renkli pigment maddesi

18 Algler (yosunlar) Algler su ortamında primer üretici canlılardır. Yapılarındaki pigmentleri sayesinde karbondioksit ve suyu ışığın etkisiyle karbonhidratlara çevirirler, böylece su ortamındaki besin değerinin ve çözünmüş oksijen oranının artmasını sağlarlar. Algler, tüm ekosistemlerin bütünlüğünün korunmasında önemlidir. Okyanuslarda bulunan diyatomlar ve diğer yosunlar, tüm dünyanın ihtiyacı olan fotosentetik karbon ihtiyacının üçte ikisini üretirler. Üç şekilde üreme gösterirler. a) vejetatif üremedir ve koloni oluşturduktan sonra hücrelerin bölünmesi ile gerçekleşir. Bütün alglerde görülür. b) eşeysiz üreme ; yeni bir birey oluşturmak üzere ana bireyden ayrılması ve farklılaşması (sporların) ile gerçekleşir. Çeşitleri, zoospor, aplanospor, avksospor ve akinet c) eşeyli üremede ise aynı veya farklı bireylere ait ve eşey bakımından farklı iki hücrenin birleşmesi ile meydana gelir. Çeşitleri, 1- İzogami, 2- Anizogami, 3- Oogami, 4- Autogami

19 Alglerin sınıflandırılması Algler farklı klorofil tipleri bulundurabilir. Her bir klorofil tipi farklı dalga boylarında ki ışığı absorplar. Bütün algler klorofil a içerir, bazıları ilave olarak başka klorofillerde içerir ve bu özellik sınıflandırmada kullanılır. Alglerin hücre duvarlarının yapı ve kimyasında oldukça çeşitlilik gözlenir. Selüloz ana madde, pektin, ksilanlar, mannanlar, alginik asit, fukinik asit, kalsiyum karbonat birikintileri ve kitin bulunur. Bir çok alg in hareketi flagella (tek, iki yada dört polar flagella) ile olur. Karbon rezerv polimerlerinin (nişasta, ve türevleri, karbonhidratlar, kitin) türüne göre de Chlamydomonas bir Yeşil Alg türüdür. İki hücreli kamçılılardandır. Moleküler biyolojide, özellikle kamçı hareketliliği,kloroplast dinamiği, biyogenesis ve genetik araştırmalarında model organizma olarak kullanılır. Gonyaulax, dinoflagellat cinsi olup ürettigi bir norotoksin sayesinde balıklara ve ve midyeleri tüketen insanlarda zehirli etkiye sahip olmasıdır. P.piscicida toksik sporları (salgıladıkları nörotoksin sayesinde) balıkları enfekte eder ve ölümüne neden olur.

20 Alglerin sınıflandırılması Grup Genel adı Kloro fil (C) rezerv materyalleri Yapısı Dağılımı Cynaphyta Mavi-yeşil a Nişasta Prokaryot, flagella yok Deniz, tatlı, su, toprak Chlorophyta (chlamydomanas) Chrysophyta Euglenophyta** (euglena) Phaeophyta (laminaria) Yeşil a,b Nişasta, sukroz Sarıkahverengi (Diatom) Öglena (hareketli yeşil) 0-çok flagella Deniz, tatlı, su, toprak a, c, e Yağ 0-2 flagella, silika kaplı Deniz, tatlı, su, toprak a, b Paramilon 1,2,3 flagella Genelde tatlı su Kahverengi a,c Lamarin, manitol 2 flagella Deniz Phrrophyta Dinaflogella a,c Nişasta 2 flagella Deniz, tatlı, su Rhodophyta (polysiphonia) Kırmızı a,d Nişasta, yağ Flagella yok Deniz **Bu grup ayrıca protozoa ile birlikte ele alınmıştır

21 Ötrifikasyon Ötrifikasyon özellikle sucul ortamda fosfat girdileri ile ilgili olarak aşırı biyolojik üretimden doğan ekosistem dengesizliğidir. Atıkların kontrolsüz deşarjı (fosfatların artışı) aşırı derecede alg büyümesine/patlamasına neden olur ve algler problem haline gelir. Neden oldugu sorunlar; -İçme suyunda kötü tad ve koku -İçme suyu arıtma tesislerinde filtrelerin tıkanması -Göllerin berraklığında azalma -Göl tabanlarında çökme ve birikme -Çürüyen algler oksijen konsantrasyonunu azaltır -Dolayısıyla ekosistem için alglerin dengeli büyümesi zorunludur. Algler büyümeleri sırasında sudan inorganik maddeleri alır ve ortamda kimyasal değişimlere sebep olur (ph, alkalinite, sertlik) Sularda alg büyümesini genelde N ve P sınırlar. Nasıl??? Algler genel de nötral ph ı sever, çünkü inorganik karbon, karbonat ve bikarbonat halindedir. Alg CO2 yi kullandıkça suyun ph sı artar ve ph 8-9 olur. Bu da alg e zarar verir.

22

23 Chrysophyta

24 Dinoflagellalar ışık saçarlar

25 Phaeophyta (kahverengi algler)

26 Rhodophyta

27 Mikroorganizmarın metabolizması Anabolizma; basit moleküllerden kompleks moleküllerin sentezlendiği enerji gerektiren reaksiyonlardır. Katabolizma; besin maddelerinin enzimler yardımıyla parçalanarak, hücre zarından geçebilecek kadar küçük moleküllere dönüştürülüp sitopolazmaya alınması ve sitoplazmada yapıtaşlarına ayrıştırılması olaylarının tümüdür. 2 çeşittir; monomerleri parçalayarak enerji elde etme (solunum ;O2 ve O2 siz) polimerleri monomerlere parçalama (proteinlerin aminoasitlere, glikojenin glikoza, nişastanın glikozlara, yağların yağ asitlerine yıkılması) Metabolizma; Hücrelerde gerçekleşen yapım, yıkım ve dönüşüm olaylarının bütününe denir.

28 Enerji ve Karbon Kaynağı Yaşayan tüm varlıklar enerjiye ihtiyaç duyar Yaşayan tüm varlıklar karbona ihtiyaç duyar - Neden??? organik moleküllerin sentezlenmesi için Mikroorganizmalar enerji ve karbon ihtiyaçlarını karşılama şekilleri açısından çeşitlilik gösterirler. Mikroorganizmaların beslenme şekilleri; Kendi besinlerini kendileri hazırlayan organizmalar ototrof Hazır organik madde isteyen organizmalar hetetrof Ototroflardan ışık enerjisini kullananlara fototrof Enerjilerini inorganik maddeleri oksitleyerek (Fe ve S bakterileri) saglayan organizmalara kemotrof denir.

29 Metabolizma Hücrede meydana gelen tüm reaksiyonlar Tüm mikroorganizmalar Karbon kaynağı (inorganik CO2) OTOTROFLAR (İhtiyaçlarını CO2 ye indirerek karşılarlar) Karbon kaynağı (organik bileşikler) HETEROTROFLAR (Hazır organik molekülleri kullanarak karşılarlar) A) Enerji kaynagı=ışık FOTOOTROFLAR Örnek: Yeşil, Pembe sülfür, Siyonabakterler algler B) Enerji kaynağı= İnorganik bileşikler KEMOOTOTROFLAR Örnek: Demir, kükürt Hidrojen ve azot indirgeyen bakteriler Bazı arçabakteriler A) Enerj kaynagı=ışık FOTOHETEROTROFLAR Örnek: Pembe ve yeşil sülfür indirgemeyen bakteriler B) Enerji Kaynağı= Organik bileşikler KEMOHETEROTROFLAR Örnek: Çoğu bakteriler, Tüm protozoalar, Tüm funguslar, Tüm hayvanlar

30 Enzimlerin rolü Canlı sistemlerde ki biyolojik katalizörlere ENZİM denir Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir grubu hariç bütün enzimler proteindir. Enzimler biyokimyasal tepkimeye girecek molekülleri aktifleştirerek tepkimenin düşük enerji düzeyinde gerçekleşmesini sağlarlar. enzimler canlı hücrelerde üretilen özel proteinlerdir. Proteinler de DNA da ki özel kalıtsal bilgi olan genlere göre sentezlenir. Enzimler rxn larda kullanıldıktan sonra yapısal olarak değişmez ve defalarca kullanılabilir. Enzimler aktivasyon enerjisini düşürür ve biyokimyasal rxn ların hızını arttırır. aktivasyon enerjisi; Bir kimyasal tepkimenin başlayabilmesi için gerekli en düşük enerji miktarıdır. Tüm kimyasal reaksiyonlarda aktivasyon enerjisi engelinin aşılabilmesi için katalizör kullanılır. Enzimler hücre içi veya dışı olabilir ve substrat spesifiktir. Bazı protein olmayan gruplar ve kofaktörler, enzimlerin aktif hale gelmesi için gereklidir. Kofaktörler (NAD, FAD, koenzim A) ve inorganik aktivatörler (Mg, Zn, Fe, Mn, K, Cu, Se, Mo, Ni) Örn: Fe, sitokrom oksidaz, katalaz, peroksidaz

31 Enzimler, tepkimenin serbest enerji değişimini ya da denge sabitini etkilememelerine karşın; substrata bağlanarak katalizledikleri tepkimenin aktivasyon enerjisini düşürür ve hızını artırırlar. Enzimatik tepkimelerde aktivasyon enerjisinin düşürülmesi grafiği Şekil de gösterilmiştir.

32 Enzymes-substrat ilişkisi

33 Enzymes-substrat ilişkisi Substratın, enzimin Aktif Kısım denilen özgül bir kısmına bağlanarak olusturdugu ES kompleksindeki bağlar zayıf Vander Waals ya da hidrojen bağları olup, ES kompleksi kararlı değildir. Bu etkileşim Sekil 3 de gösterilen anahtar-kilit (substratenzim) modeli ile açıklanabilir. Enzimatik tepkimelerin kinetiği, Doygunluk Kinetiği ya da Michael-Menten adıyla bilinmektedir. Substrat, enzim molekülüne bağlanarak oluşturduğu kararsız enzim-substrat (ES) kompleksi, bozunarak ürün verir. Bu işlem neticesinde enzim değişmeden açıga çıkar.

34 Enzymes Önemli kofaktörler; NAD + NADP + FAD Coenzyme A Many essential vitamins are enzymatic cofactors

35 Enzimlerin rolü Bazı enzimler inaktif olarak üretilir. Aktivatörlerle aktif hale getirilir Her enzim bir gen tarafından kontrol edilir Bir çok enzim; aktivitesini tarif eden deyim veyabir kelime ye yada substratın adına az eki getirilerek adlandırılır. Enzimler katalizledikleri tepkimelere göre sınıflandırılır. 6 gruba ayrılır; a) Oksidoredüktazlar elektronların transferi b) Transferazlar grup transfer tepkimeleri c) Hidrolazlar hidroliz tepkimeleri d) Liyazlar çift bağlara grupların ilavesi ve grupların yer değiştirmesi ile çift bağların oluşması e) İzomerazlar izomerik formları oluşturmak üzere moleküller içinde grupların transferi f) Ligazlar ATP nin ayrılmasıyla C-C, C-S, C-O ve C-N baglarının oluşması

36 Enzimatik reaksiyonları etkileyen faktörler 1) sıcaklık 2) ph 3) enzim miktarı 4) substrat miktarı 5) substrat yüzeyi 6) aktivatör ve inhibitör