Dodaj do listy

WZROST MIKROORGANIZMÓW I ANTYBIOTYKI

Wzrost mikroorganizmów definiuje się jako wzrost liczby komórek.

Podział poprzeczny

- wydłużenie komórki

- podwojenie chromosomu

- podwojenie strukturalnych elementów komórki

- bruzda podziałowa

- rozdział chromosomu i elementów strukturalnych

- rozdział makrocząsteczek, monomerów i jonów pomiędzy komórki potomne

Wzrost populacji

• szybkość wzrostu

• czas generacji

• generacja

• tempo wzrostu

Wzrost logarytmiczny (wykładniczy):

2o › 21 › 22 › 23 › 24 ........... 2n

N = N0*2n

n - liczba generacji

N - końcowa liczba komórek

N0 - początkowa liczba komórek

czas generacji g = t/n

gdzie: t - czas wzrostu logarytmicznego

Fazy wzrostu bakterii w hodowli okresowej (a batch culture)

1. Faza zastoju (lag phase)

2. Faza logarytmiczna (wykładnicza) (expotential phase)

3. Faza stacjonarna (stationary phase)

4. Faza zamierania (death phase)

Faza zastoju (od momentu zaszczepienia do chwili ustalenia maksymalnej liczby podziałów)

Czas trwania fazy zastoju zależy od:

- historii inokulatu

- warunków wzrostu

- zjawiska diauksji

Faza logarytmiczna- stały minimalny czas generacji swoisty dla danego gatunku i warunków hodowli

Faza stacjonarna- komórki nie mogą się reprodukować

g = 20 min, t = 48 h, masa pojedynczej komórki = 10-12 g

to wyprodukowana biomasa Biomasa żywa substancja organiczna, masa organizmów żywych. Biomasę podaje się w jednostkach wagowych najczęściej w odniesieniu do jednostki powierzchni (lasu, łąki) lub objętości (wody, gleby). Oblicza... Czytaj dalej Słownik biologiczny bakterii byłaby 4000 x większa od masy Ziemi (5.975 x 1024 kg)

• wzrost ukryty (cryptic growth)

• specjalne geny zapewniające przeżycie komórek w fazie stacjonarnej np. geny sur (od survival) u E. coli

Faza zamierania- liza komórek

Pomiar wzrostu bakterii

1. Bezpośrednie liczenie komórek pod mikroskopem

Ograniczenia metody: a) martwe komórki

b) maże komórki

c) dokładność

d) wymagania sprzętowe

e) odp. duża gęstość komórek

- Licznik Coultere

- Metoda membranowa

2. Liczenie żywych komórek (CFU, colony-forming units)

- metoda lanych płytek Kocha (pour plate method)

- metoda rozprowadzania na powierzchni (spread plate)

- 30 - 300 koloni na płytkę - seryjne rozcieńczenia

- (plusy i minusy metody)

3. Pomiar masy komórek (biomasa)

a) metody bezpośrednie

• mokra masa

• sucha masa (10-20% masy mokrej)

• oznaczenie zawartości całkowitego azotu lub węgla

• oznaczenie białka

b) metody pośrednie

• pomiar zmętnienia (turbidymetria)

• pomiar rozpraszania światła (nefelometria)

Wzrost bakterii w hodowlach ciągłych

Wzrost bakterii w niezmiennych warunkach, w stanie równowagi w którym liczba komórek i skład medium pozostają niezmienione. O takim układzie mówimy, że znajduje się w stanie stacjonarnym (steady state)

CHEMOSTAT: równoczesna kontrola gęstości populacji (wydajność) jak i szybkości wzrostu

Wydajność - szybkość rozcieńczania (dilution rate)

Szybkość wzrostu - stężenie limitującego czynnika pokarmowego

Kultura okresowa: czynnik pokarmowy limituje szybkość wzrostu i wydajność

Szybkość rozcieńczania (D = szybkość przepływu/objętość naczynia) reguluje szybkość wzrostu bakterii w szerokim zakresie wartości

Zbyt duże D: wymycie kultury, bo komórki nie mogą nadążyć z podziałami

zbyt małe D: komórki zagłodzone ponieważ pożywka dostarczana jest za wolno, aby sprostać wymaganiom energetycznym komórek.

Pożywka / , D = const. ›  gęstość komórek / szybkość wzrostu = const.

Wpływ czynników środowiska na wzrost bakterii

• znaczenie

• zróżnicowanie

• wpływ na:

- przeżywalność

- wzrost

- reprodukcje

Główne czynniki środowiskowe:

• temperatura

• pH

• H2O

• tlen

TEMPERATURA

Temperatury kardynalne

• T minimalna

• T optymalna

• T maksymalna

(Płynność błony a niska T)

Temperaturowy podział organizmów:

1. Psychrofile

2. Mezofile

  1. Termofilne
  2. Hipotermofilne

5. Hipertermofile

MEZOFILE: Większość bakterii glebowych i wodnych oraz żyjących na zwierzętach stałocieplnych

Typowy przedstawiciel: E. Coli

T opt. = 39°C

T max = 48°C

T min = 8°C

(szczepy i media)

PSYCHROFILE:

T opt. ż 15°C

T max < 20°C

T min ż 0°C

(Średnia temp. oceanów 5°C (1-3°C)

Przedstawiciele: Algi pod lodami obszarów podbiegunowych, w śniegach lodowców (Chlamydomonas nivalis)

Molekularne adaptacje do psychrofilności

- enzymy Enzymy białkowe biokatalizatory, zwiększające szybkość reakcji biochemicznych na drodze specyficznej aktywacji substratów. Enzymy obniżają energię aktywacji reakcji chemicznych i w efekcie zwiększają... Czytaj dalej Słownik biologiczny z niskim optimum temperaturowym działania (termo wrażliwe)

- wydajny transport przez błonę w niskich temp.

- podwyższona zawartość nienasyconych kwasów tłuszczowych w błonach komórkowych

- węglowodory nienasycone (C31:9)

Substancje krioprotekcyjne (cryoprotectants): np. glicerol, DMSO

Organizmy psychrotolerancyjne:

rosną w temp. 0°C, ale T opt 20 - 40°C

- gleby i wody w klimacie umiarkowanym

- mięso, mleko, przetwory mleczne, warzywa, owoce itp. przechowywane w +4°C

TERMOFILNE (T opt > 45°C) i HIPERTERMOFILE (T opt > 80°C)

Występowanie: (1) nasłoneczniona gleba, (2) fermentujący materiał organiczny (60-65°C), (3) zjawiska wulkaniczne

• Prokarionty >> eukarionty

• Większość należy do archebakterii

• Organizmy niefototroficzne

Molekularne adaptacje do termofilii:

1. Enzymy i białka odporne na wysoka temp.

2. Wysoka optymalna temp. działania enzymów

- brak algorytmu na termo stabilność białek:

• struktura,

• mostki solne,

• hydrofobowy rdzeń cząsteczki.

3. Odporne na temp. rybosomy i inne struktury komórkowe.

4. Błona komórkowa bogata w nasycone kw. Tłuszczowe.

Hipertermofile

Gównie przedstawiciele archebakterii: w błonie komórkowej zamiast kwasów tłuszczowych zawierają węglowodory (brak eukariontów - labilna błona organelli komórkowych)

Występowanie: gorące źródła i sztucznie nagrzewana woda

Cechy charakterystyczne:

• szybkie tempo wzrostu (<1 h)

aeroby Aeroby tlenowce, organizmy, które mogą żyć i rozwijać się tylko w obecności tlenu atmosferycznego. Ich przeciwieństwem są anaeroby, dla których tlen jest zabójczy lub ogranicza ich rozwój. Do aerobów należą... Czytaj dalej Słownik biologiczny i anaeroby

• zróżnicowanie filogenetyczne

Zastosowanie w przemyśle i biotechnologii:

polimeraza Taq - polimeraza DNA z Thermus aquaticus

ŚRODOWISKO KWAŚNE I ZASADOWE (pH)

(pH cytoplazmy 6-8)

Acidofile: • głównie grzyby Grzyby grupa organizmów w randze królestwa obejmująca około 80 000 gatunków. Grzyby są cudzożywne, występują wśród nich pasożyty, saprofity i symbionty. Komórki grzybów posiadają chitynową ścianę komórkową,... Czytaj dalej Słownik biologiczny (optimum pH < 5, niektóre pH 2)

• Thiobacillus, Sulfolobus, Thermoplasma (obligatoryjne acidofile, czynnik krytyczny - błona)

Alkalofile: • liczne gatunki Bacillus

• przedstawiciele grupy Archebakterie

• duże znaczenie przemysłowe

DOSTĘPNOŚĆ WODY

• halofile

• halotolerancyjne

• ekstremalne halofile

• osmofile

• kserofile

TLEN

• Tlenowce (Aeroby)

- bezwzględne

- fakultatywne

- mikroaerofile

Beztlenowce Beztlenowce anaeroby - organizmy zdolne do życia w środowisku pozbawionym tlenu lub zawierającym tlen w ilości śladowej. Uzyskują energię w procesach fermentacji lub utleniania związków organicznych. Beztlenowce... Czytaj dalej Słownik biologiczny (Anaeroby)

- tolerancyjne (aerotolarent anaerobes)

- bezwzględne (obligate anaerobes)

Czteroelektronowa reakcja redukcji O2 do wody przez kolejne przyłączanie elektronów.

O2 + e- › O2- Jon nadtlenkowy

O2 + e- + 2H+ › H2O2 Nadtlenek wodoru

H2O2 + e- + 2H+ › H2O + OH Rodnik wodorotlenowy

OH + e- + H+ › H2O Woda

Sumarycznie: O2 + 4e- + 4H+ › 2H2O

Reakcje detoksyfikacji aktywnych form tlenu:

(a) Katalaza: H2O2 + H2O2 › 2H2O + O2

(b) Peroksydaza: H2O2 + NADH + H+ › 2H2O + NAD+

(c) Dysmutaza nadtlenkowa: O2- + O2- + 2H+ › H2O2 + O2

(d) Dysmutaza nadtlenkowa + katalaza: 4O2- + 4H+ › 2H2O + 3O2

GŁÓWNE GRUPY PROKARIOTYCZNYCH TERMOFILII I HIPERTERMOFILI

Rodzaj Zakres temperatury (°C)

Bakterie

Bakterie fototropiczne

Cyanobacteria 55-70 (jeden szczep)

B. purpurowe 45-60

B. zielone 40-73

Bakterie Gram +

Bacillus 50-70

Clostridium 50-75

Actinomycetes 55-75

Inne bakterie

Thiobacillus 55-60

Krętki 54

Desulfotomaculum 37-55

Gram (-) tlenowce 50-75

Gram (-) beztlenowce 50-75

Thermotoga/Aquifex 55-95

Thermus 60-80

Archebakterie

Metanogeniczne 45-110

Zależne od siarki 60-113

Thermoplasma 37-60

ZALEŻNOŚĆ MIKROORGANIZMÓW OD TLENU

Grupa

Zależność od O2

Typ metabolizmu

Przykład

Habitat

Tlenowce

Obligatoryjny

nieodzowny

oddychanie tlenowe

Micrococcus luteus

skóra, kurz

Fakultatywny

niekonieczny, lepszy wzrost w obecności tlenu

oddychanie tlenowe i beztlenowe, fermentacja

E. coli

jelito grube ssaków

Mikroaerofile

konieczny, ale w niskim stężeniu

oddychanie tlenowe

Spirillum volutans

wody jezior

Beztlenowce

Tolerancyjne

niekonieczny, nie wpływa na wzrost

fermentacja

Streptoccocus pyogenes

górne drogi oddechowe

Obligatoryjny

szkodliwy albo zabójczy

fermentacja lub oddychanie beztlenowe

Methano-bacterium formicicum

kanały, osady denne jezior

KONTROLA WZROSTU MIKROORGANIZMÓW

Pojecie sterylizacji i sterylności, zw. bakteriobójcze i bakteriostatyczne

A) Sterylizacja cieplna

1. Kinetyka sterylizacji cieplnej: szybkość zabijania jest funkcją pierwszego stopnia i zależy tylko od stężenia bakterii.

2. Wartość Do (ang. decimal reduction time): czas niezbędny do zabicia 90% komórek.

3. Czas uśmiercenia termicznego: czas niezbędny do zabicia wszystkich komórek w danej temperaturze.

4. Wpływ medium na zabijanie:

- kwaśne pH: większa podatność na sterylizacje termiczna

- stężenie cukrów, białek i tłuszczu: obniżenie

- zasolenie: zmienny wpływ

- wilgotność a zabijanie przetrwalników

5. Autoklawowanie.

6. Pasteryzacja.

B) Sterylizacja przez naświetlenie (promienie X, g)

1. Promieniowanie jonizujące: generacja wolnych rodników OH, H, uszkodzenia DNA i białek

- absorbowana dawka promieniowania (rad)

1 Gy (ang. the gray) = 100 radów

Dawka letalna >200 Gy dla bakterii, 10 Gy dla człowieka

- D10 (ang. decimal reduction value): dawka promieniowania niezbędną do zabicia 90% komórek

2. Praktyka: materiały medyczne i jedzenie

C) Sterylizacja przez filtrowanie

1. Typy filtrów

- filtry grube (warstwy materiałów włóknistych)

- filtry membranowe (octan celulozy, nitroceluloza)

- filtry nukleoporowe (polikarbonowe, 10 mm grubości)

D) Metody chemiczne

1) Sposób działania

- Działanie bakteriostatyczne

- Działanie bakteriobójcze

- Działanie bakteriolityczne

2) Pomiar aktywności antybakteryjnej

- MIC (ang. minimum inhibitory concentration)

- czynniki wpływające na MIC

- technika seryjnych rozcieńczeń i dyfuzji w agarze

E) Dezynfekcja i antyseptyki

1. Definicja dezynfektantów: związki chemiczne zabijające mikroorganizmy na przedmiotach i materiałach nieżywych

2. Definicja antyseptyków

3. Zimna sterylizacja: (tlenek etylenu, dietyldiwęglan, woda utleniona, formaldehyd, chlor)

4. Spory i M. tuberculosis

F) Wzrost mikroorganizmów w żywności

1) Psucie się jedzenia

a) 3 kategorie środków spożywczych (zawartość wody)

b) sposoby zabezpieczania pokarmów przed psuciem

- temperatura

- pH (kiszenie)

- suszenie

- sól lub cukier

2) Konserwowanie

3) Środki chemiczne w konserwacji pokarmów

- ß-propionolaktan

- azotany

- tlenek etylenu (czynnik alkilujący)

- tlenek propylenu (czynnik alkilujący)

- antybiotyki

G) Analogi czynników wzrostowych

F) ANTYBIOTYKI: MECHANIZM DZIAŁANIA I ANTYBIOTYKOOPORNOŚĆ

Charakterystyka ogólna

1. Definicja

2. Kryteria użyteczności antybiotyków

• szerokie spektrum działania (plusy i minusy)

• aktywność bakteriobójcza vs. bakteriostatyczna

• niska toksyczność (cechy unikalne dla bakterii: Peptydoglikan, enzymy syntezy kw. foliowego, superskręcenia DNA)

• właściwości farmakologiczne

• podatność na powstanie oporności

3. Zasady podziału

4. Drobnoustroje Drobnoustroje mikroorganizmy - organizmy jednokomórkowe o różnej przynależności systematycznej - bakterie, sinice, pierwotniaki oraz niektóre glony i grzyby. Odgrywają dużą i różnorodną rolę w przyrodzie... Czytaj dalej Słownik biologiczny wytwarzające antybiotyki Antybiotyki substancje chemiczne, które hamują rozwój mikroorganizmów lub je niszczą. Antybiotyki otrzymuje się z niektórych grzybów i bakterii. Stosuje się je do zwalczania chorób zakaźnych. Przykłady antybiotyków:... Czytaj dalej Słownik biologiczny - metabolity wtórne

Mechanizm działania

1. Antybiotyki b-laktamowe

cztery Cztery Liczba cztery symbolizuje wszechświat materialny, cztery pory roku, cztery strony świata, cztery kwadry księżyca, cztery wiatry, cztery wieki ludzkości, cztery rzeki Hadesu, cztery konie Apokalipsy,... Czytaj dalej Słownik symboli literackich główne typy: (A) penicyliny; (B) cefalosporyny; (C) carbapenems; (D) monobaktamy

• reakcje alergiczne (wyjątek monobaktamy)

• inhibicja reakcji transpeptydacji (białka wiążące penicylinę)

• stymulacja endogennych enzymów (autolizyn)

• wpływ pH i osmolarności

• różnice w spektrum działania, toksyczność, stabilność, własności farmakokinetyczne

2. Glikopeptydy: inhibitory syntezy peptydoglikanu

• przykład: wankomycyna i teichoplanin

• wiązanie D-Ala-D-Ala w UDP-muramylopentapeptydzie

• inhibicja transglikozylacji i transpeptydacji

• działanie na b. gram-dodatnie

3. Aminoglikozydy

• przykład: kanamycyna, gentamycyna, streptomycyna, neomycyna

• wiążą się z podjednostką 30S rybosomu i blokują łączenie się 30S z 50S

• bakteriobójcze (zmienione 30S jest toksyczny)

• skutki uboczne: utrata słuchu, zaburzenia funkcji nerek

4. Tetracykliny

• wiązanie z podjednostka 30S rybosomu, zaburzają strukturę miejsca A, uniemożliwiają wiązanie aminoacylo-tRNA z odpowiednim kodonem na mRNA

• zahamowanie syntezy białka - bakteriostatyczne

• wyjątek: chelocardin - uszkodzenie bz. cytoplazmatycznej (toksyczny)

• niewielkie skutki uboczne

• powszechne stosowanie - nadmierne użycie: w karmie, trądzik, Lyme disease

5. Makrolidy

• przykład: erytromycyna

• wiązanie podjednostki 50S rybosomu, inhibicja elongacji

• bakteriostatyczne (bakteriobójcze dla niektórych gram-dodatnich)

• powszechne stosowanie (zwierzęta hodowlane) - oporność

6. Chinoloidy(antybiotyki chinolonowe) (ang. quinolones)

• przykład: kwas nalidyksowy (nalidixic acid): inhibicja replikacji DNA, zastosowanie laboratoryjne

fluoroquinolones, np. norfloksacyna (ang. norfloxacin) - silne działanie antybakteryjne i dobre właściwości farmakologiczne

• działanie: wiązanie z b-podjednostką gyrazy DNA

• słaba aktywność g. staphylococci i beztlenowców (flora komensalna)

• wnikanie do wnętrza makrofagów i PMNs

• pojedyncza mutacja gyrazy DNA - oporność

7. Rifampin(np. rifampicyna) (makrocykliczne laktony)

• hamuje bakteryjną polimerazę DNA (wiązanie do b-podjednostki)

• nawrót zainteresowania: skuteczne działanie na M. tuberculosis oporna na isoniazid

8. Trimetoprim i sulfonamidy

• inhibitory szlaku syntezy kw. tetrahydrofoliowego

• podobieństwo sulfonamidów do kw. p. aminobenzoesowego

• trimetoprim - podobieństwo strukturalne do kw. dihydrofoliowego

9. Związki aromatyczne

• pochodne benzenu (chloramfenikol = chloromycetyna)

• etery aromatyczne (nowobiocyna)

• skondensowane zw. aromatyczne (gryseofluwin)

10. Antybiotyki polipeptydowe

• duże powinowactwo do błony cytoplazmatycznej pro- i eukariontów, toksyczne

• np. gramicydyna, polimyksyna

11. Pochodne aminokwasów

• np. cykloseryna

Mechanizmy oporności bakterii.

1. Błona zewnętrzna b. gram-ujemnych

• mutacje poryn (5-10-cio krotny wzrost oporności)

• znaczenie kliniczne niewielkiego wzrostu oporności

2. Enzymatyczna inaktywacja antybiotyków

b-laktamaza

- b. gram-ujemne: sekrecja do periplazmy

- specyficzność b-laktamaz

- semisyntetyczne antybiotyki b-laktamowe oraz inhibitory b-laktamaz (clavulanic acid lub sulbactam)

- wielokrotna duplikacja Duplikacja aberracja chromosomowa strukturalna. Rodzaj mutacji chromosomowej, skutkiem której jest podwojenie fragmentu chromosomu. Gdyby wyjściowy chromosom miał zapis "GENETYKA", to duplikację można zilustrować... Czytaj dalej Słownik biologiczny genu b-laktamazy

aminoglikozydy

- enzymatyczna modyfikacja przez dodanie grup fosforylowych, adenylowych i acylowych

- b. gram-ujemne: enzymy zlokalizowane na błonie komórkowej

tetracykliny

- enzymatyczna inaktywacja wymagająca warunków tlenowych

3. Aktywny transport antybiotyków: b. pobierają aktywnie antybiotyki hamujące syntezę białka - wzrost stężenia wewnątrzkomórkowego - efekt

• aktywne wypompowywanie antybiotyków z cytoplazmy (np. zależny od ATP transport tetracykliny z wnętrza komórek)

- b. bram-ujemny: geny tetAtetG

- b. gram-dodatnie: geny tetKtetL

Staphylococcus spp.: zależne od ATP wypompowywanie makrolidów (homologiczny system do zależnych od ATP transporterów białek)