Idi na sadržaj

Anaerob

Nepregledano
S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Spinoloricus cinziae, metazoa koja metabolizira vodikom, bez mitohondrija i umjesto toga koristi hidrogenosome

Anaerobni organizam ili anaerob je bilo koji organizam kojem nije potreban molekularni kisik za rast. Može negativno reagovati ili čak uginuti u prisustvu slobodnog kisika. Anaerobni organizmi ne koriste kisik kao terminalni akceptor elektrona u svom procesu disanja za proizvodnju energije, već manje snažno oksidacijsko sredstvo, kao što su nitrat, željezni ion, Mn(IV), sulfatni ili bikarbonatni anioni. Nasuprot tome, aerobni organizam (aerob) je organizam kojem je potrebna dovoljno oksigenirana okolina za disanje, proizvodnju energije i napredak. Budući da je anaerobna proizvodnja energije bio prvi mehanizam koji su živi mikroorganizmi koristili u svojoj evoluciji i mnogo je manje efikasan od aerobnog puta, anaerobi su praktično, de facto, uvijek jednoćelijski organizmi (npr. bakterije i arheje (prokarioti),[1] ili protozoe (eukarioti).[2] Međutim, nedavno je otkriven minijaturni višećelijski organizam, s izuzetno rijetkim metabolizmom, koji preživljava u hiperslanom slanom bazenu u tami dna Sredozemnog mora. U međuvremenu, on ostaje naučna kuriozitet, jer se mnogo veće energetske potrebe većine višećelijskih organizama ne mogu zadovoljiti anaerobnim disanjem.[3] Većina gljiva (eukariota) su obligatni aerobi, kojima je za preživljavanje i rast potreban kisik; međutim, neke vrste, poput Chytridiomycota koje žive u buragu goveda, su obligatni anaerobi; za ove vrste se koristi anaerobno disanje jer bi kisik poremetio njihov metabolizam ili ih ubio. Duboko morsko dno i njegovi podložni sedimenti spadaju među najveća potencijalna staništa za anaerobne mikroorganizme na Zemlji. Štaviše, hemoautotrofni mikrobi također uspijevaju oko hidrotermalnih otvora, ispuštajući vruću vodu na okeansko dno blizu srednjookeanskog grebena, gdje prevladavaju anaerobni uslovi. Ovi mikrobi proizvode energiju u odsustvu sunčeve svjetlosti ili kisika putem procesa koji se naziva anaerobno disanje, pri čemu neorganski spojevi i ioni poput protona (H+
),[4] elementarni sumpor i njegovi derivati (SO2−
4
, S
2
O2−
3
), ili željezni ioni, redukuju se da bi izazvali oksidativnu fosforilaciju.

Prvo zabilježeno zapažanje

[uredi | uredi izvor]

U svom pismu od 14. juna 1680. godine upućenom Kraljevskom društvu, Antonie van Leeuwenhoek je opisao eksperiment koji je izveo tako što je dvije identične staklene cijevi napunio do pola usitnjenim prahom bibera, u koje je dodano malo čiste kišnice. Van Leeuwenhoek je zatvorio jednu od staklenih cijevi plamenom, a drugu ostavio otvorenu. Nekoliko dana kasnije, otkrio je u otvorenoj staklenoj cijevi 'mnogo vrlo malih animalkula, raznih vrsta koje imaju svoje specifično kretanje'. Ne očekujući da će vidjeti bilo kakav život u zatvorenoj staklenoj cijevi, Van Leeuwenhoek je na svoje iznenađenje ugledao 'vrstu živih animalkula koje su bile okrugle i veće od najvećih vrsta za koje sam rekao da su u drugoj vodi'. Uslovi u zatvorenoj cijevi postali su prilično anaerobni zbog potrošnje kisika od strane aerobnih mikroorganizama.[5]

Godine 1913., Martinus Beijerinck ponovio je Van Leeuwenhoekov eksperiment i identificirao Clostridium butyricum kao istaknutu anaerobnu bakteriju u tekućini iz zatvorene epruvete za infuziju papra. Beijerinck je komentirao:

Dakle, dolazimo do izvanrednog zaključka da je, bez sumnje, Van Leeuwenhoek u svom eksperimentu s potpuno zatvorenom epruvetom kultivirao i vidio prave anaerobne bakterije, što će se ponoviti tek nakon 200 godina, naime oko 1862. godine od strane Pasteura. Razumljivo je da Leeuwenhoek, stotinu godina prije otkrića kisika i sastava zraka, nije bio svjestan značenja svojih zapažanja. Ali činjenica da je u zatvorenoj epruveti uočio povećani pritisak plina uzrokovan fermentativnim bakterijama i, uz to, vidio bakterije, u svakom slučaju dokazuje da nije bio samo dobar posmatrač, već je bio i u stanju osmisliti eksperiment iz kojeg se mogao izvući zaključak.[5]

Klasifikacije

[uredi | uredi izvor]
Aerotolerantni organizmi] ne trebaju kisik jer anaerobno metaboliziraju energiju. Za razliku od obligatnih anaeroba, međutim, oni nisu otrovani kisikom. Ravnomjerno su raspoređeni po cijeloj epruveti.}}

U praktične svrhe, postoje tri kategorije anaeroba:

  • Obligatni anaerobi, kojima šteti prisustvo kisika.[6][7] Dva primjera obligatnih anaeroba su Clostridium botulinum i bakterije koje žive u blizini hidrotermalnih izvora na dubokomorskom okeanskom dnu.
  • Aerotolerantni organizmi, koji ne mogu koristiti kisik za rast, ali toleriraju njegovo prisustvo.[8]
  • Fakultativni anaerobi, koji mogu rasti bez kisika, ali koriste kisik ako je prisutan.[8]

Međutim, ova klasifikacija je dovedena u pitanje nakon što su nedavna istraživanja pokazala da se ljudski "obligatni anaerobi" (kao što su Finegoldia magna ili metanogene arheje Methanobrevibacter smithii) mogu uzgajati u aerobnoj atmosferi ako se medij za kulturu obogati antioksidansima kao što su askorbinska kiselina, glutation i mokraćna kiselina.[9][10][11][12]

Energetski metabolizam

[uredi | uredi izvor]

Neki obligatni anaerobi koriste fermentaciju, dok drugi koriste anaerobno disanje.[13] Aerotolerant organisms are strictly fermentative.[14] U prisustvu kisika, fakultativni anaerobi koriste aerobno disanje.[8] U odsustvu kisik, neki fakultativni anaerobi koriste fermentaciju, dok drugi mogu koristiti anaerobno disanje.[8]

Fermentacija

[uredi | uredi izvor]

Postoji mnogo anaerobnih fermentativnih reakcija.

Fermentativni anaerobni organizmi obično koriste put fermentacije [[mliječna kiselina|mliječne kiseline:C6H12O6 + 2 ADP + 2 fossfata → 2 mliječna kiselina + 2 ATP + 2 H2O}}

Energija oslobođena u ovoj reakciji (bez ADP-a i fosfata) iznosi približno 150 kJ po molu, koja se čuva generiranjem dva ATP-a iz ADP-a po glukozi. To je samo 5% energije po molekulu šećera koju generira tipična aerobna reakcija. Biljke i gljive (npr. kvasci) općenito koriste alkoholnu (etanolnu) fermentaciju kada kisik postane ograničen:

C6H12O6 (glukoza) + 2 ADP + 2 fosfata → 2 C2H5OH + 2 CO2↑ + 2 ATP + 2 H2O}}

Oslobođena energija je oko 180 kJ/mol, koja se sačuva kada se 2 ATP-a generiraju iz 2 ADP-a po glukozi.

Anaerobne bakterije i arheje koriste ove i mnoge druge fermentacijske puteve, npr. fermentaciju propionske kiseline,[15] fermentaciji buterne kiseline,[16] fermentacija rastvaračem, fermentacija miješanih kiselina, fermentacija butandiola, Stickland fermentacija, acetogeneza ili metanogeneza.

Hidroliza CrP-a

[uredi | uredi izvor]

Kreatin, organski spoj koji se nalazi u životinjama, omogućava korištenje ATP-a u mišićima. Fosforilacija kreatina omogućava skladištenje lako dostupnog fosfata koji se može dostaviti mišićima.[17]

Šablon:Block indent

Reakcija je također reverzibilna, što omogućava održavanje ćelijskog nivoa ATP-a tokom anoksiskih uslova.[18] This process in animals is seen to be coupled with metabolic suppression to allow certain fish, such as goldfish, to survive environmental anoxic conditions for a short period.[19]

Kultivacija anaeroba

[uredi | uredi izvor]
Primjer algoritma obrade moguće bakterijske infekcije u slučajevima bez specifično traženih ciljeva (nebakterije, mikobakterije itd.), s najčešćim situacijama i agensima koji se vide u okruženju bolnice u Novoj Engleskoj. Među kulturama na agar pločama spominju se višestruki anaerobni mediji za rast. Anaerobi se također mogu identificirati pomoću MALDI-TOF kao što je prikazano dolje desno.

Budući da se normalno mikrobno kultiviranje vrši u atmosferskom zraku, koji sadrži molekularni kisik, kultiviranje anaeroba zahtijeva posebne tehnike. Mikrobiolozi koriste nekoliko tehnika prilikom kultiviranja anaerobnih organizama, na primjer, rukovanje bakterijama u pretinclu za rukavice napunjenoj dušikom ili korištenje drugih posebno zatvorenih spremnika, ili tehnike kao što je ubrizgavanje bakterija u dicotiladonu biljku, koja je okruženje s ograničenim kisikom. Plin-pak sistem je izolirani spremnik koji postiže anaerobno okruženje reakcijom vode s tabletama natrij- borohidrida i natrij-bikarbonata, koje proizvode plinoviti vodik i ugljik-dioksid. Vodik zatim reaguje sa plinovitim kisikom na paladijskom katalizatoru kako bi proizveo više vode, čime se uklanja plinoviti kisik. Problem sa Plin-Pak metodom je što može doći do neželjene reakcije koja dovodi do smrti bakterija; stoga treba koristiti tioglikolatnu podlogu. Tioglikolat pruža podlogu koja oponaša podlogu dikotiledone,biljke čime se obezbjeđuje ne samo anaerobno okruženje već i sve hranjive tvari potrebne za razmnožavanje bakterija.[20]

Dana 6. maja 2018. godine, francuski tim je dokazao vezu između redoks reakcija i anaeroba u crijevima [21] na osnovu kliničkih studija teške akutne pothranjenosti.[22][note 1] These findings led to the development of an aerobic culture of "anaerobes" by the addition of antioxidants in the culture medium.[23]

Višećelijski oblik života

[uredi | uredi izvor]

Vrlo malo višećelijskih oblika života su anaerobni, jer samo aerobno disanje može osigurati dovoljno energije za složeni metabolizam. Izuzeci uključuju tri vrste Loricifera (veličine < 1 mm) i 10-ćelijsku Henneguya zschokkei.[24]

U 2010. godini, tri vrste anaerobnih Loricifera otkrivene su u hipersalinim anoksičnim bazenu L'Atalante na dnu Sredozemnog mora. Nedostaju im mitohondrije, koje sadrže put oksidativne fosforilacije, koji kod svih ostalih životinja kombinuje kisik sa glukozom da bi proizveo metaboličku energiju; stoga ne konzumiraju kisik. Umjesto toga, ove loricifere crpe svoju energiju iz vodika, koristeći hidrogenosome.[3][25]

Henneguya zschokkei također nema mitohondrije, mitohondrijsku DNK i oksidativne puteve. Uočeno je da mikroskopski, parazitski cnidaria sadrži organele povezane s mitohondrijama. Ove organele sadrže gen koji kodiraju metaboličke funkcije, poput onih uključenih u metabolizam aminokiselina. Međutim, ovim specijaliziranim organelama nedostaju ključne karakteristike tipičnih mitohondrija koje se nalaze u bliskoj srodnoj aerobnoj *Myxobolus squamalus. Zbog teškoće kultiviranja H. zschokkei, malo se razumije u njen anaerobni put.[26]

Simbioza

[uredi | uredi izvor]

Anaerobno disanje i njegovi krajnji produkti mogu olakšati simbiozu između anaeroba i aeroba. Ovo se dešava kod različitih taksona, često kao kompenzacija za nutritivne potrebe.[27]

Anaerobioza i simbioza se javljaju u interakcijama između cilijata i prokariota. Anaerobni cilijati interaguju s prokariotima u endosimbiotskom odnosu. Ovi odnosi su posredovani u kojima cilijata ostavlja krajnje proizvode koje njegov prokariotski simbiont koristi. Cilijate to postižu fermentativnim metabolizmom. Burag raznih životinja sadrži ovog cilijata zajedno s mnogim drugim anaerobnim bakterijama, protozoama i gljivicama.[28] Konkretno, metanogene arheje koje se nalaze u buragu djeluju kao simbiont anaerobnih cilijata.[29] Ovi anaerobi su korisni osobama s buragom zbog svoje sposobnosti da razgrađuju celulozu, čineći je bioraspoloživom kada je inače ne bi bila probavljiva za životinje.[27]

Termiti koriste anaerobne bakterije za fiksiranje i ponovno hvatanje dušika. Konkretno, stražnje crijevo termita je puno bakterija koje fiksiraju dušik, čije funkcije ovise o koncentraciji dušika u prehrani. Uočeno je da se smanjenje acetilena kod termita povećava kod termita s prehranom siromašnom dušikom, što znači da se aktivnost nitrogenaze povećava kako se sadržaj dušika u termitima smanjuje.[30] Jedna od funkcija mikrobiote termita je ponovno hvatanje dušika iz mokraćne kiseline termita. To omogućava očuvanje dušika iz prehrane koja inače ima malo dušika.[30][31] Analiziran je mikrobiom stražnjeg crijeva različitih termita, pokazujući 16 različitih anaerobnih vrsta bakterija, uključujući rod Clostridia, porodicu Enterobacteriaceae i Gram-pozitivne koke.[31]

Također pogledajte

[uredi | uredi izvor]

Napomene

[uredi | uredi izvor]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. Levinson, W. (2010). Review of Medical Microbiology and Immunology (11th izd.). McGraw-Hill. str. 91–93. ISBN 978-0-07-174268-9.
  2. Upcroft P, Upcroft JA (januar 2001). "Drug Targets and Mechanisms of Resistance in". Clin. Microbiol. Rev. 14 (1): 150–164. doi:10.1128/CMR.14.1.150-164.2001. PMC 88967. PMID 11148007.
  3. 1 2 Danovaro R; Dell'anno A; Pusceddu A; Gambi C; et al. (april 2010). "The first metazoa living in permanently anoxic conditions". BMC Biology. 8 (1): 30. doi:10.1186/1741-7007-8-30. PMC 2907586. PMID 20370908.
  4. Sapra, Rajat; Bagramyan, Karine; Adams, Michael W. W. (24. 6. 2003). "A simple energy-conserving system: proton reduction coupled to proton translocation". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (13): 7545–7550. Bibcode:2003PNAS..100.7545S. doi:10.1073/pnas.1331436100. ISSN 0027-8424. PMC 164623. PMID 12792025.
  5. 1 2 Gest, Howard. (2004) The discovery of microorganisms by Robert Hooke and Antoni van Leeuwenhoek, Fellows of the Royal Society, in: 'The Royal Society May 2004 Volume: 58 Issue: 2: pp. 12.
  6. Prescott LM, Harley JP, Klein DA (1996). Microbiology (3rd izd.). Wm. C. Brown Publishers. str. 130–131. ISBN 978-0-697-29390-9.
  7. Brooks GF, Carroll KC, Butel JS, Morse SA (2007). Jawetz, Melnick & Adelberg's Medical Microbiology (24th izd.). McGraw Hill. str. 307–312. ISBN 978-0-07-128735-7.
  8. 1 2 3 4 Hogg, S. (2005). Essential Microbiology (1st izd.). Wiley. str. 99–100. ISBN 978-0-471-49754-7.
  9. La Scola, B.; Khelaifia, S.; Lagier, J.-C.; Raoult, D. (2014). "Aerobic culture of anaerobic bacteria using antioxidants: a preliminary report". European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases. 33 (10): 1781–1783. doi:10.1007/s10096-014-2137-4. ISSN 0934-9723. PMID 24820294. S2CID 16682688.
  10. Dione, N.; Khelaifia, S.; La Scola, B.; Lagier, J.C.; Raoult, D. (2016). "A quasi-universal medium to break the aerobic/anaerobic bacterial culture dichotomy in clinical microbiology". Clinical Microbiology and Infection. 22 (1): 53–58. doi:10.1016/j.cmi.2015.10.032. PMID 26577141.
  11. Khelaifia, S.; Lagier, J.-C.; Nkamga, V. D.; Guilhot, E.; Drancourt, M.; Raoult, D. (2016). "Aerobic culture of methanogenic archaea without an external source of hydrogen". European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases. 35 (6): 985–991. doi:10.1007/s10096-016-2627-7. ISSN 0934-9723. PMID 27010812. S2CID 17258102.
  12. Traore, S.I.; Khelaifia, S.; Armstrong, N.; Lagier, J.C.; Raoult, D. (2019). "Isolation and culture of Methanobrevibacter smithii by co-culture with hydrogen-producing bacteria on agar plates". Clinical Microbiology and Infection. 25 (12): 1561.e1–1561.e5. doi:10.1016/j.cmi.2019.04.008. PMID 30986553.
  13. Pommerville, Jeffrey (2010). Alcamo's Fundamentals of Microbiology. Jones and Bartlett Publishers. str. 177. ISBN 978-1-4496-5582-2.
  14. Slonim, Anthony; Pollack, Murray (2006). Pediatric Critical Care Medicine. Lippincott Williams & Wilkins. str. 130. ISBN 978-0-7817-9469-5.
  15. Piwowarek, Kamil; Lipińska, Edyta; Hać-Szymańczuk, Elżbieta; Kieliszek, Marek; Ścibisz, Iwona (januar 2018). "Propionibacterium spp.—source of propionic acid, vitamin B12, and other metabolites important for the industry". Applied Microbiology and Biotechnology (jezik: engleski). 102 (2): 515–538. doi:10.1007/s00253-017-8616-7. ISSN 0175-7598. PMC 5756557. PMID 29167919.
  16. Seedorf, Henning; Fricke, W. Florian; Veith, Birgit; Brüggemann, Holger; Liesegang, Heiko; Strittmatter, Axel; Miethke, Marcus; Buckel, Wolfgang; Hinderberger, Julia; Li, Fuli; Hagemeier, Christoph; Thauer, Rudolf K.; Gottschalk, Gerhard (12. 2. 2008). "The genome of Clostridium kluyveri, a strict anaerobe with unique metabolic features". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 105 (6): 2128–2133. Bibcode:2008PNAS..105.2128S. doi:10.1073/pnas.0711093105. ISSN 0027-8424. PMC 2542871. PMID 18218779.
  17. Sahlin, Kent; Harris, Roger C. (1. 5. 2011). "The creatine kinase reaction: a simple reaction with functional complexity". Amino Acids (jezik: engleski). 40 (5): 1363–1367. doi:10.1007/s00726-011-0856-8. ISSN 1438-2199. PMID 21394603. S2CID 12877062.
  18. Wang, Y.; Richards, J. G. (1. 1. 2011), "Hypoxia | Anaerobic Metabolism in Fish", u Farrell, Anthony P. (ured.), Encyclopedia of Fish Physiology (jezik: engleski), San Diego: Academic Press, str. 1757–1763, doi:10.1016/b978-0-12-374553-8.00154-4, ISBN 978-0-08-092323-9, pristupljeno 18. 4. 2023
  19. van den Thillart, G.; van Waarde, A.; Muller, H. J.; Erkelens, C.; Addink, A.; Lugtenburg, J. (1. 4. 1989). "Fish muscle energy metabolism measured by in vivo 31P-NMR during anoxia and recovery". American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology (jezik: engleski). 256 (4): R922–R929. doi:10.1152/ajpregu.1989.256.4.R922. ISSN 0363-6119. PMID 2705580.
  20. "GasPak System" Arhivirano 28. 9. 2009. na Wayback Machine. Accessed May 3, 2008.
  21. Million, Matthieu; Raoult, Didier (decembar 2018). "Linking gut redox to human microbiome". Human Microbiome Journal. 10: 27–32. doi:10.1016/j.humic.2018.07.002.
  22. Million, Matthieu; Tidjani Alou, Maryam; Khelaifia, Saber; Bachar, Dipankar; Lagier, Jean-Christophe; Dione, Niokhor; Brah, Souleymane; Hugon, Perrine; Lombard, Vincent; Armougom, Fabrice; Fromonot, Julien (maj 2016). "Increased Gut Redox and Depletion of Anaerobic and Methanogenic Prokaryotes in Severe Acute Malnutrition". Scientific Reports. 6 (1). Bibcode:2016NatSR...626051M. doi:10.1038/srep26051. ISSN 2045-2322. PMC 4869025. PMID 27183876. Nepoznati parametar |article-number= zanemaren (pomoć)Šablon:Retracted
  23. Guilhot, Elodie; Khelaifia, Saber; La Scola, Bernard; Raoult, Didier; Dubourg, Grégory (mart 2018). "Methods for culturing anaerobes from human specimen". Future Microbiology. 13 (3): 369–381. doi:10.2217/fmb-2017-0170. ISSN 1746-0913. PMID 29446650.
  24. Scientists discovered the first animal that doesn't need oxygen to live
  25. Oxygen-Free Animals Discovered-A First, National Geographic news
  26. Yahalomi, Dayana; Atkinson, Stephen D.; Neuhof, Moran; Chang, E. Sally; Philippe, Hervé; Cartwright, Paulyn; Bartholomew, Jerri L.; Huchon, Dorothée (10. 3. 2020). "A cnidarian parasite of salmon (Myxozoa: Henneguya ) lacks a mitochondrial genome". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 117 (10): 5358–5363. Bibcode:2020PNAS..117.5358Y. doi:10.1073/pnas.1909907117. ISSN 0027-8424. PMC 7071853. PMID 32094163.
  27. 1 2 Moran, Nancy A. (24. 10. 2006). "Symbiosis". Current Biology (jezik: English). 16 (20): R866–R871. Bibcode:2006CBio...16.R866M. doi:10.1016/j.cub.2006.09.019. ISSN 0960-9822. PMID 17055966. S2CID 235311996 Provjerite vrijednost parametra |s2cid= (pomoć).CS1 održavanje: nepoznati jezik (link)
  28. Flint, Harry J. (septembar 1994). "Molecular genetics of obligate anaerobes from the rumen". FEMS Microbiology Letters. 121 (3): 259–267. doi:10.1111/j.1574-6968.1994.tb07110.x. ISSN 0378-1097. PMID 7926679. S2CID 24273083.
  29. Rotterová, Johana; Edgcomb, Virginia P.; Čepička, Ivan; Beinart, Roxanne (septembar 2022). "Anaerobic ciliates as a model group for studying symbioses in oxygen-depleted environments". Journal of Eukaryotic Microbiology (jezik: engleski). 69 (5). doi:10.1111/jeu.12912. ISSN 1066-5234. PMID 35325496 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć). S2CID 247677842 Provjerite vrijednost parametra |s2cid= (pomoć). Nepoznati parametar |article-number= zanemaren (pomoć)
  30. 1 2 Breznak, John A.; Brill, Winston J.; Mertins, James W.; Coppel, Harry C. (august 1973). "Nitrogen Fixation in Termites". Nature (jezik: engleski). 244 (5418): 577–580. Bibcode:1973Natur.244..577B. doi:10.1038/244577a0. ISSN 1476-4687. PMID 4582514. S2CID 4223979.
  31. 1 2 Thong-On, Arunee; Suzuki, Katsuyuki; Noda, Satoko; Inoue, Jun-ichi; Kajiwara, Susumu; Ohkuma, Moriya (2012). "Isolation and Characterization of Anaerobic Bacteria for Symbiotic Recycling of Uric Acid Nitrogen in the Gut of Various Termites". Microbes and Environments. 27 (2): 186–192. doi:10.1264/jsme2.ME11325. PMC 4036019. PMID 22791052.
  1. This study was later retracted over ethical oversight concerns.
Greška kod citiranja: <ref> oznake postoje za grupu pod imenom "note", ali nije pronađena pripadajuća <references group="note"/> oznaka, ili zatvarajući </ref> nedostaje