Anaerober (från grekiska αν - negativ partikel, grekiska αέρ - " luft " och grekiska βιοζ - "liv") - organismer som får energi i frånvaro av syretillgång genom substratfosforylering , slutprodukterna av ofullständig oxidation av substratet kan oxideras med att få mer energi i form av ATP .
Anaerober är en omfattande grupp av organismer, både mikro- och makronivåer:
Dessutom spelar anaerob glukosoxidation en viktig roll i arbetet med de tvärstrimmiga musklerna hos djur och människor (särskilt i ett tillstånd av vävnadshypoxi ) .
Termen "anaerober" introducerades av Louis Pasteur , som upptäckte smörsyrafermenteringsbakterier 1861 . Anaerob andning är en uppsättning biokemiska reaktioner som inträffar i cellerna hos levande organismer när andra ämnen (till exempel nitrater ) används som den slutliga elektronacceptorn , och hänvisar till energimetabolismprocesser ( katabolism , dissimilering ), som kännetecknas av oxidation av kolhydrater , lipider och aminosyror till lågmolekylära föreningar.
För att mäta mediets potential föreslog M. Clark att man skulle använda pH 2 0 -värdet - den negativa logaritmen för vätgasens partialtryck . Området [0-42,6] kännetecknar alla mättnadsgrader av en vattenlösning med väte och syre. Aerober växer med en högre potential [14-20], fakultativa anaerober [0-20] och obligatoriska vid den lägsta [0-10] [2] .
Enligt klassificeringen som etablerats inom mikrobiologi finns det:
Om en organism kan byta från en metabolisk väg till en annan (från anaerob till aerob andning och vice versa), så kallas den villkorligt för fakultativa anaerober [3] .
Fram till 1991 särskiljdes en klass av kapneistiska anaerober inom mikrobiologin , som krävde en låg koncentration av syre och en hög koncentration av koldioxid ( Brucella bovin typ - B. abortus ) [2] .
En måttligt strikt anaerob organism överlever i en miljö med molekylär O 2 men reproducerar sig inte. Mikroaerofiler kan överleva och föröka sig i en miljö med ett lågt partialtryck av O 2 .
Om en organism inte kan "växla" från anaerob till aerob andning, men inte dör i närvaro av molekylärt syre , tillhör den gruppen aerotoleranta anaerober . Till exempel mjölksyra och många smörsyrabakterier .
Obligatoriska anaerober dör i närvaro av molekylärt syre O 2 - till exempel representanter för släktet bakterier och archaea : Bacteroides , Fusobacterium , Butyrivibrio , Methanobacterium ). Sådana anaerober lever ständigt i en syrefattig miljö. Obligatoriska anaerober inkluderar vissa bakterier, jästsvampar, flagellater och ciliater .
En syrerik miljö är aggressiv mot organiska livsformer. Detta beror på bildandet av reaktiva syreämnen under livets gång eller under påverkan av olika former av joniserande strålning, som är mycket giftigare än molekylärt syre O 2 . Faktorn som bestämmer livsdugligheten hos en organism i en syremiljö [4] är närvaron av ett funktionellt antioxidantsystem som kan eliminera: superoxidanjon (O 2 − ), väteperoxid (H 2 O 2 ), singlett syre ( 1 O ). 2 ), och även molekylärt syre (O 2 ) från kroppens inre miljö. Oftast tillhandahålls sådant skydd av ett eller flera enzymer:
Aeroba organismer innehåller oftast tre cytokromer, fakultativa anaerober - en eller två, obligatoriska anaerober innehåller inte cytokromer.
Anaeroba mikroorganismer kan aktivt påverka miljön [2] genom att skapa en lämplig redoxpotential i miljön (till exempel Clostridium perfringens ). Vissa utsädda kulturer av anaeroba mikroorganismer, innan de börjar föröka sig, sänker pH 2 0 från [20-25] till [1-5], skyddar sig själva med en reduktiv barriär, andra - aerotoleranta - producerar väteperoxid under sin vitala aktivitet, vilket ökar pH 2 0 [5] .
Ytterligare antioxidantskydd kan tillhandahållas genom syntes eller ackumulering av lågmolekylära antioxidanter: vitamin C, A, E, citronsyra och andra syror.
Ett exempel på en organism som fermenterar socker längs Entner-Doudoroff-vägen är den obligatoriska anaeroba bakterien Zymomonas mobilis. Dess studie tyder dock på att Z. mobilis är en sekundär anaerob som härrör från cytokrom-innehållande aerober. Entner-Dudoroff-vägen hittades också i vissa Clostridia, vilket återigen betonar heterogeniteten hos eubakterierna förenade i denna taxonomiska grupp [6] .
Samtidigt är glykolys endast karakteristisk för anaerober , som, beroende på de slutliga reaktionsprodukterna, är uppdelad i flera typer av fermentering :
Som ett resultat av nedbrytningen av glukos konsumeras 2 molekyler och 4 molekyler ATP syntetiseras . Sålunda är det totala ATP-utbytet 2 ATP- molekyler och 2 NAD·H2 -molekyler . Pyruvatet som erhålls under reaktionen utnyttjas av cellen på olika sätt, beroende på vilken typ av fermentering den följer.
I evolutionsprocessen bildades och konsoliderades den biologiska antagonismen hos den fermentativa och förruttnande mikrofloran:
Nedbrytningen av kolhydrater av mikroorganismer åtföljs av en signifikant minskning av mediets pH , medan nedbrytningen av proteiner och aminosyror åtföljs av en ökning (alkalisering). Anpassningen av var och en av organismerna till en viss reaktion från omgivningen spelar en viktig roll i naturen och mänskligt liv, till exempel på grund av jäsningsprocesser, ruttnande av ensilage, fermenterade grönsaker och mejeriprodukter förhindras.
Odlingen av anaeroba organismer är främst mikrobiologins uppgift.
Situationen är mer komplicerad med odling av anaeroba flercelliga organismer, eftersom deras odling ofta kräver specifik mikroflora, såväl som vissa koncentrationer av metaboliter. Det används till exempel i studien av parasiter i människokroppen.
För odling av anaerober används speciella metoder, vars essens är att avlägsna luft eller ersätta den med en specialiserad gasblandning (eller inerta gaser) i förseglade termostater - anaerostater [7] .
Ett annat sätt att odla anaerober (oftast mikroorganismer) på näringsmedia är tillsatsen av reducerande ämnen ( glukos , natriummyrsyra, kasein, natriumsulfat, tiosulfat, cystein, natriumtioglykolat, etc.), som binder peroxidföreningar som är giftiga för anaerober.
För allmänt Wilson-Blair- medium är basen agar-agar kompletterad med glukos , natriumsulfit och järnklorid. Clostridia bildar svarta kolonier på detta medium genom att reducera sulfit till sulfidanjon , som, i kombination med järn (II) -katjoner , ger svart salt. Som regel uppträder svarta koloniformationer på detta medium i djupet av agarkolonnen [8] .
Kitta -Tarozzi- mediet består av kött-peptonbuljong, 0,5 % glukos och bitar av lever eller köttfärs för att absorbera syre från mediet. Före sådd värms mediet upp i ett kokande vattenbad i 20-30 minuter för att avlägsna luft från mediet. Efter sådd fylls näringsmediet omedelbart med ett lager paraffin eller paraffinolja för att isolera det från syretillgång.
GasPak - systemet ger kemiskt en konstanthet av gasblandningen som är acceptabel för tillväxten av de flesta anaeroba mikroorganismer. I en förseglad behållare reagerar vatten med natriumborhydrid och natriumbikarbonattabletter för att bilda väte och koldioxid . Vätet reagerar sedan med syret i gasblandningen på en palladiumkatalysator för att bilda vatten, som redan reagerar med hydrolysen av borhydriden.
Denna metod föreslogs av Brewer och Olgaer 1965. Utvecklarna introducerade en engångspåse för vätegenererande, som de senare uppgraderade till koldioxidgenererande påsar innehållande en intern katalysator [9] [10] .
Zeissler-metoden används för att isolera rena kulturer av sporbildande anaerober. För att göra detta, inokulera på Kitt-Tarozzi-mediet, värm det i 20 minuter vid 80 ° C (för att förstöra den vegetativa formen), fyll mediet med vaselinolja och inkubera i 24 timmar i en termostat. Sedan utförs sådd på sockerblodagar för att erhålla rena kulturer. Efter 24-timmars odling studeras kolonierna av intresse - de subodlas på Kitt-Tarozzi-mediet (med efterföljande kontroll av renheten i den isolerade kulturen).
Fortner-metoden - inokulering görs på en petriskål med ett förtjockat lager av mediet, delat på mitten av ett smalt spår skuret i agaren. Ena hälften är ympad med en kultur av aeroba bakterier, den andra hälften är ympad med anaeroba bakterier. Kanterna på koppen fylls med paraffin och inkuberas i en termostat. Inledningsvis observeras tillväxten av den aeroba mikrofloran, och sedan (efter absorptionen av syre) stannar tillväxten av den aeroba mikrofloran abrupt och tillväxten av den anaeroba mikrofloran börjar.
Weinbergmetoden används för att erhålla rena kulturer av obligatoriska anaerober. Kulturer odlade på Kitta-Tarozzi-medium överförs till sockerbuljong. Sedan, med en engångspasteurpipett, överförs materialet till smala rör (Vignal-rör) med sockerkött-peptonagar, varvid pipetten sänks ner i botten av röret. De inokulerade rören kyls snabbt, vilket gör det möjligt att fixera bakteriematerialet i den härdade agarens tjocklek. Rören inkuberas i en termostat och sedan studeras de uppvuxna kolonierna. När en koloni av intresse hittas görs ett snitt i dess ställe, materialet tas snabbt och inokuleras på Kitta-Tarozzi-mediet (med efterföljande kontroll av renheten i den isolerade kulturen).
Peretz-metoden - en bakteriekultur introduceras i smält och kyld sockeragar-agar och hälls under glas placerat på korkpinnar (eller fragment av tändstickor) i en petriskål . Metoden är den minst tillförlitliga av alla, men den är ganska enkel att använda.
Hiss media : Till 1% peptonvatten tillsätt en 0,5% lösning av en viss kolhydrat (glukos, laktos, maltos, mannitol, sackaros, etc.) och Andredes syra-basindikator, häll i provrör där en flottör placeras för att fånga in gasformiga produkter, bildade vid nedbrytning av kolväten.
Ressels (Russells) medium används för att studera de biokemiska egenskaperna hos enterobakterier (Shigella, Salmonella). Innehåller näringsagar -agar , laktos, glukos och indikator (bromtymolblått). Färgen på mediet är gräsgrön. Vanligtvis beredd i 5 ml tuber med fasad yta. Sådd utförs genom en injektion i kolonnens djup och ett slag längs den avfasade ytan.
Ploskirevs medium (bactoagar Zh) är ett differentialdiagnostiskt och selektivt medium, eftersom det hämmar tillväxten av många mikroorganismer och främjar tillväxten av patogena bakterier (orsakande agens av tyfus, paratyfus, dysenteri). Laktosnegativa bakterier bildar färglösa kolonier på detta medium, medan laktospositiva bakterier bildar röda kolonier. Mediet innehåller agar, laktos, briljant grönt , gallsalter, mineralsalter, indikator (neutralröd).
Vismutsulfitagar är utformad för att isolera salmonella i sin rena form från infekterat material. Innehåller tryptisk smältning, glukos, salmonella tillväxtfaktorer, briljant grönt och agar. Mediets olika egenskaper är baserade på Salmonellas förmåga att producera svavelväte , på deras motståndskraft mot närvaron av sulfid, briljant grönt och vismutcitrat. Kolonier är markerade med svart vismutsulfid (tekniken liknar Wilson-Blair- mediet ).
Metabolismen av anaeroba organismer har flera distinkta undergrupper:
Vissa vävnader hos djur och människor kännetecknas av ökad motståndskraft mot hypoxi (särskilt muskelvävnad ). Under normala förhållanden fortskrider ATP -syntesen aerobt, och under intensiv muskelaktivitet, när syretillförseln till musklerna är svår, i ett tillstånd av hypoxi, såväl som under inflammatoriska reaktioner i vävnader, dominerar anaeroba mekanismer för ATP-regenerering. I skelettmuskler har 3 typer av anaeroba och endast en aerob väg för ATP-regenerering identifierats.
Anaerob inkluderar:
Det bör noteras att en direkt följd av glykolys är en kritisk minskning av pH -acidos i vävnaden . Detta leder till en minskning av den effektiva transporten av syre genom hemoglobin och bildar en positiv återkoppling .
Varje mekanism har sin egen maximala kraftretentionstid och optimal vävnadsenergiförsörjning. Högsta effekt och kortaste hålltid:
| Mikrobiologi : Bakterier | |
|---|---|
| Patogena bakterier |
|
Mänsklig mikroflora |
|
| Substratspecificitet _ | |
| Andetag | |
| Genetik och reproduktion | |
| vilande former |
|
| se även | |