Beztlenowce obligatoryjne
Beztlenowce obligatoryjne Definicja
Beztlenowce obligatoryjne to organizmy, które mogą żyć tylko w środowiskach pozbawionych tlenu. W przeciwieństwie do większości organizmów na świecie, te organizmy są zatrute przez tlen. Obligatoryjne beztlenowce to zazwyczaj bakterie, które żyją w różnych miejscach w przyrodzie. Wiele beztlenowców obligatoryjnych żyje w organizmie człowieka, w miejscach takich jak jama ustna i przewód pokarmowy, gdzie poziom tlenu jest bardzo niski. Czasami bakterie te mogą przypadkowo znaleźć się tam, gdzie nie powinny, powodując poważne infekcje. Niektóre z obligatoryjnych beztlenowców to bakterie powodujące gangrenę i wiele innych infekcji. Poniżej znajduje się szkiełko mikroskopowe przedstawiające bakterie z rodzaju Clostridium, odpowiedzialne za gangrenę, tężec, botulizm, zapalenie jelita grubego i inne poważne infekcje.
Dlaczego beztlenowce obojętne giną w tlenie?
W przeciwieństwie do obligatoryjnych aerobów, które wymagają tlenu do przeżycia, obligatoryjne beztlenowce są w rzeczywistości przez niego zatrute. W przeciwieństwie do wielu organizmów, które rozwijają się w środowisku natlenionym, beztlenowce obligatoryjne nie posiadają kilku kluczowych enzymów potrzebnych do detoksykacji tlenu w komórce. Sam tlen, w obecności wody, wytwarza kilka produktów ubocznych, w tym nadtlenek wodoru (H2O2). Nadtlenek wodoru jest słabym kwasem i wpływa na szereg enzymów w komórkach beztlenowych. W przypadku wysokiego poziomu tlenu, komórka staje się tak kwaśna, że nie może już funkcjonować.
Dlatego też beztlenowce obligatoryjne zazwyczaj występują tylko w obszarach o małej ilości tlenu lub jego braku. Na tym poziomie, ich enzymy metaboliczne nie są wystarczająco utrudnione przez zmiany, które powoduje tlen. Bakterie tlenowe i eukariota posiadają szereg mechanizmów obronnych przeciwko tlenowi. Obejmują one enzymy dysmutazę ponadtlenkową, katalazę i peroksydazę, które pomagają radzić sobie z produktami ubocznymi tlenu, zatrzymując je jako gaz tlenowy lub przekształcając je w nieszkodliwe cząsteczki wody.
Ewolucyjne znaczenie beztlenowców obligatoryjnych
Istnienie beztlenowców obligatoryjnych jest istotną wskazówką w teorii powstania życia na Ziemi. Podczas gdy nasza atmosfera ma znaczną ilość tlenu teraz, to może nie zawsze tak było. Obecność dziś obligatoryjnych beztlenowców sugeruje, że atmosfera miała kiedyś znacznie mniej tlenu, co pozwalało bakteriom przetrwać bez enzymów ułatwiających dostęp tlenu. Teoria sugeruje, że wraz z pojawieniem się organizmów fotosyntetyzujących nastąpił również wzrost poziomu tlenu w środowisku.
Gdzie występują beztlenowce obligatoryjne
Dzisiaj beztlenowce obligatoryjne występują w wielu środowiskach, z których wszystkie mają cechę definiującą w postaci niskiego poziomu tlenu. Wiele beztlenowców obligatoryjnych występuje w glebie, z dala od górnych warstw, które są bardzo narażone na działanie tlenu. Inne obligatoryjne beztlenowce można znaleźć w jelitach, jamie ustnej i drogach rodnych zwierząt. W tych miejscach jest mało tlenu lub nie ma go wcale, ponieważ nie są one narażone na działanie naczyń krwionośnych.
Czasami ciężkie zakażenie może być spowodowane, gdy bakterie te uzyskają dostęp do sterylnych wewnętrznych obszarów ciała. Dzieje się tak zazwyczaj, gdy organizm zostaje zraniony, umożliwiając bakteriom dostęp do normalnie zamkniętych obszarów. Jeśli rana zostanie zamknięta szybko i w sposób sterylny, bakterie obumrą w obecności natlenionej krwi, która dostanie się do tego obszaru. Jeśli rana nie ma przepływu krwi i jest wystawiona na działanie obligatoryjnych beztlenowców, daje im to miejsce do rozmnażania się i wzrostu. Wiele z tych obligatoryjnych beztlenowców wydziela toksyny, które niszczą prawidłową tkankę. Powoduje to pogorszenie infekcji i pozwala bakteriom rozprzestrzeniać się. Wiele infekcji wywołanych przez beztlenowce obligatoryjne może być śmiertelnych, jeśli pozostawi się je bez leczenia.
Znajdowanie beztlenowców obligatoryjnych
Zakażenia beztlenowcami obligatoryjnymi można znaleźć tylko w środowiskach o niskim poziomie tlenu. W świecie nasyconym tlenem może się wydawać, że beztlenowce obligatoryjne są trudne do znalezienia. Ale w rzeczywistości jest zupełnie odwrotnie. Obligatoryjne beztlenowce można znaleźć w prawie każdym środowisku, ukryte przed dostępem tlenu. Aby znaleźć beztlenowce obligatoryjne w dowolnej próbce, można przeprowadzić prosty eksperyment, taki jak ten poniżej.
Pięć obrazów pokazanych powyżej przedstawia miejsca, w których można znaleźć różne typy bakterii w próbce hodowanej w luźno zakręconej probówce. Luźne zamknięcie pozwala na nasycenie tlenem górnej warstwy roztworu wzrostowego w probówce. Tak więc, obraz 1 przedstawia obligatoryjne tlenowce, lub organizmy, które potrzebują tlenu. Obligatoryjne beztlenowce, widoczne na obrazku 2, znajdują się po zupełnie innej stronie probówki.
Na tym końcu probówki stężenie tlenu jest najniższe. Po pierwsze, musi on dyfundować przez całą kolumnę wody, aby dotrzeć do dna probówki. Bez zakłóceń lub napowietrzania w jakikolwiek sposób, poziom tlenu będzie naturalnie najniższy tutaj. Co więcej, organizmy w probówce, które zużywają tlen, będą miały tendencję do gromadzenia się na górze. Organizmy te będą miały tendencję do wyczerpywania tlenu w probówce na wszystkich poziomach. Pomaga to w napędzaniu gradientu tlenowego w kierunku górnej części probówki. Dlatego naukowcy poszukujący beztlenowców obligatoryjnych muszą po prostu szukać w najbardziej pozbawionej tlenu części każdej próbki. Pozostałe obrazki (3-5) przedstawiają inne rodzaje bakterii, takie jak beztlenowce fakultatywne, które mogą przetrwać w różnych warunkach i mogą lub nie potrzebować lub używać tlenu.
Pytanie
1. Poniżej znajduje się lista bakterii i ich główne funkcje metaboliczne. Które z nich są obligatoryjnymi beztlenowcami?
- Bakteria, która wykorzystuje tlen do ułatwienia metabolizmu glukozy
- Bakteria, która toleruje tlen, ale nie wykorzystuje go w metabolizmie
- Bakteria, która nie toleruje tlenu i nie wykorzystuje go w metabolizmie
A. Wszystkie z powyższych
B. 2 i 3 tylko
C. Tylko 3
2. Naukowiec pobiera próbkę z dna pobliskiego jeziora. Dzieli próbkę na trzy probówki. W pierwszej probówce dodaje pompę powietrzną. W drugiej probówce uszczelnia nakrętkę i usuwa tlen. Trzecia probówka pozostaje niezamknięta i niezakłócona. W których probówkach NIE wyrosną beztlenowce obligatoryjne?
A. Probówki 1 i 3
B. Tylko probówka 1
C. Tylko probówka 2
D. Rurka 3 tylko
3. Obligatoryjne beztlenowce często tworzą przetrwalniki, co oznacza, że w czasach stresu bakterie przechowują swoje DNA w zabezpieczonym pakiecie, który może wytrzymać warunki środowiskowe. Dlaczego ważne jest, aby obligatoryjne beztlenowce tworzyły przetrwalniki zdolne do przetrwania w warunkach wysokiej zawartości tlenu?
A. To nie jest ważne
B. Te zarodniki muszą przetrwać w natlenionych środowiskach, aby skolonizować obszary o niskiej zawartości tlenu
C. Zarodniki te mogą wykorzystywać tlen, aby pomóc w rozmnażaniu bakterii
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Bretscher, A., . . . Matsudaira, P. (2008). Molecular Cell Biology (6th ed.). New York: W.H. Freeman and Company.
- University of Comenius. (2018, October 3). Anaerobic Bacteria. Retrieved from Jfmed.uniba.sk: https://www.jfmed.uniba.sk/fileadmin/jlf/Pracoviska/ustav-mikrobiologie-a-imunologie/ANAEROBIC_BACTERIA.pdf
- Widmaier, E. P., Raff, H., & Strang, K. T. (2008). Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function (11th ed.). Boston: McGraw-Hill Higher Education.