Anaerobie organismi: definīcija, tipi (obligātie, fakultatīvie) un toksīni
Uzzini par anaerobiem: definīcija, obligātie un fakultatīvie tipi, mikroaerofili un aerotoleranti, kā arī bīstamie toksīni (botulīns, stingumkrampji) un riski cilvēkam.
Anaerobs organisms ir jebkura dzīva būtne, kuras augšanai nav nepieciešams skābeklis. Anaerobie organismi ir plaši izplatīti — tie sastopami augsnē, dziļos sedimentus, purvos, kanalizācijā, cilvēka un dzīvnieku zarnu traktā, kā arī infekcijās, kur skābekļa piegāde ir ierobežota (piem., abscesos vai nekrotiskos audos).
Tipi un to īpašības
- Obligāti anaerobi — neveidojami vai iet bojā, ja tiek pakļauti atmosfēras skābekļa līmenim. Šiem organismiem trūkst aizsargenzīmu pret reaktīvajiem skābekļa savienojumiem (piem., superoksīda dismutāzes, katalāzes), tāpēc skābeklis un tā radītie reaktīvie savienojumi ir toksiski.
- Fakultatīvie anaerobi — var izmantot skābekli, ja tas ir pieejams. Tie spēj elpot aerobiski, ja ir skābeklis, bet pie tā neesamības pāriet uz fermentāciju vai anaerobo elpošanu; piemēram, daudzi Enterobacteriaceae (E. coli) ir fakultatīvi anaerobi.
- Aerotoleranti — organizmi var izdzīvot skābekļa klātbūtnē, bet tie ir anaerobi, jo neizmanto skābekli kā galīgo elektronu akceptoru; parasti viņi tikai fermentē.
Mikroaerofili ir organismi, kas var izmantot skābekli, bet tikai zemā koncentrācijā (zemā mikromolāru diapazonā); to augšanu kavē normāla skābekļa koncentrācija (aptuveni 200 mikromolāru). Nanaerobi ir organismi, kas nevar augt skābekļa mikromolārās koncentrācijas klātbūtnē, bet var augt ar skābekli nanomolārās koncentrācijas klātbūtnē un gūt no tā labumu.
Metabolisms un enerģijas iegūšana
Obligātie anaerobi var izmantot fermentāciju vai anaerobo elpošanu. Fermentācijā galīgais elektronu akceptors ir organisks savienojums (piem., piruvāts), un izveidojas produkti kā pienskābe, alkoholi, acetāts, butirāts, H2 un CO2. Anaerobā elpošanā par galīgo elektronu akceptoru var kalpot nitrāti, sulfāti, Fe(III), fumarāts vai pat CO2 (metanogēzē — archaeju specialitāte).
Skābekļa klātbūtnē fakultatīvie anaerobi izmanto aerobo elpošanu; bez skābekļa daži no tiem fermentē, daži izmanto anaerobo elpošanu. Aerotolerantie organismi ir stingri fermentatīvi. Mikroaerofili veic aerobo elpošanu, un daži no tiem var veikt arī anaerobo elpošanu.
Ekoloģiskā un klīniskā nozīme
Anaerobie mikroorganismi spēlē būtisku lomu ekosistēmu vielu apritē — organisko vielu sadalē, slāpekļa un sēra savienojumu pārstrādē un metānu ražošanā. Cilvēka zarnu mikrobiomā anaerobi (piem., Bacteroides, bifidobaktērijas, daži klostrīdiji) ražo short-chain fatty acids (butirātu, acetātu, propionātu), kas ir svarīgi zarnu epitēlija uzturam un imūnsistēmas modulatoriem.
Tajā pašā laikā daži anaerobi ir patogēni vai nosacīti patogēni: tie var izraisīt abscesus, nekrotiskas infekcijas, gāzu gangrēnu, antibakteriālo terapiju seku komplikācijas (piem., Clostridioides difficile) un citas smagas saslimšanas. Dažas anaerobās baktērijas ražo toksīnus (piemēram, stingumkrampju vai botulīna toksīnus), kas ir ļoti bīstami augstākiem organismiem, tostarp cilvēkiem. Citas klostrīdiju sugas ražo toksīnus, kas izraisījuši gāzu gangrēnu vai saindēšanos ar pārtiku.
Toksīni — piemēri un ietekme
- Stingumkrampju (tetanospazmins) — nervu sistēmas toksīns, kas traucē inhibitorās sinapses un izraisa spastiskas paralīzes.
- Botulīna toksīns — viens no spēcīgākajiem zināmajiem nervu toksīniem; bloķē acetilholīna izdalīšanos sinapsēs, radot flāksu paralīzi (botulisms).
- C. difficile toksīni A un B — bojā zarnu epitēliju un izraisa smagu ūdeņainu un oftalmoloģiski bīstamu kolītu (pseudomembranous colitis).
Daži toksīni izmantojas arī medicīnā (piem., botulīna toksīna mākslīgi atdarinātas formas estētikā un neiroloģijā), tomēr tie prasa stingru kontroli un drošības pasākumus.
Laboratorijas noteikšana un kultivēšana
Anaerobu izolēšana prasīs īpašus apstākļus: anaerobās kopienas, anaerobas kameras vai jar-with-gas-paks, reduktīvās vides (piem., tioglikolāta buljons), un bieži redukcijas līdzekļus (tiolsavienojumi). Šie paņēmieni novērš skābekļa klātbūtni kultūras vides gaisā. Mūsdienās paralēli klasiskajām audzēšanas metodēm plaši tiek lietotas molekulārās metodes (16S rRNA gēna amplifikācija/PCR), sekvenēšana un specifiski toksīna noteikšanas testi (ELISA, neitralizācijas testi, masa-spektrometrija).
Drošība un ārstēšana
Dažu anaerobo baktēriju toksīni ir ārkārtīgi potentiski; laboratorijās jāsāksta ar piemērotu bioloģiskās drošības līmeni, sterilitātes procedūrām un pacientu infekciju gadījumā — atbilstošu antibiotiku izvēli. Ārstēšanā bieži nepieciešama kombinācija: ķirurģiska drenāža/nekrotisko audu noņemšana, mērķtiecīga antibiotikoterapija un specifiska antitoksiska terapija (ja pieejama, piemēram, tetanusa imunoglobulīns vai botulīna antitoksīni).
Secinājumi
Anaerobie organismi ir daudzveidīga un ekoloģiski nozīmīga dzīvo būtņu grupa. Tie var būt gan noderīgi (piem., zarnu mikrobioma metabolīti, organisko vielu pārstrāde), gan bīstami (infekcijas, toksīni). Sapratne par viņu fizioloģiju, metabolisma ceļiem un nepieciešamajiem laboratorijas apstākļiem ir būtiska gan akadēmiskā izpētē, gan klīniskajā praksē.
Tioglikolāta buljons ir barotne, ko galvenokārt izmanto, lai noskaidrotu mikroorganismu vajadzības pēc skābekļa. 1: Obligātajiem aerobiem nepieciešams skābeklis. Tie pulcējas mēģenes augšpusē, kur tā koncentrācija ir visaugstākā. 2: Obligātie anaerobi saindējas ar skābekli, tāpēc tie pulcējas mēģenes apakšā, kur skābekļa koncentrācija ir viszemākā. 3: fakultatīvie anaerobi var augt jebkur caurulē, bet tie galvenokārt pulcējas caurules augšdaļā, jo ar skābekli tiem ir vairāk enerģijas. 4: Mikroaerofīliem nepieciešams skābeklis: tie nevar fermentēt vai elpot anaerobos apstākļos. Tomēr tie saindējas ar augstu skābekļa koncentrāciju. Tie pulcējas mēģenes augšējā daļā, bet ne pašā augšā. 5: Aerotolerantiem organismiem skābeklis nav vajadzīgs, jo tie enerģiju metabolizē anaerobos apstākļos. Taču atšķirībā no obligātajiem anaerobiem tos neatindē skābeklis. Tie ir vienmērīgi izkaisīti pa visu mēģeni.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir anaerobais organisms?
A: Anaerobs organisms ir jebkura dzīva radība, kuras augšanai nav nepieciešams skābeklis.
J: Kāda ir atšķirība starp obligātu anaerobu un fakultatīvu anaerobu?
A: Obligāti anaerobi iet bojā, ja tie ir pakļauti skābekļa koncentrācijai atmosfērā, bet fakultatīvi anaerobi var izmantot skābekli, ja tas ir pieejams.
J: Kas ir aerotolerants organisms?
A: Aerotoleranti organismi var izdzīvot skābekļa klātbūtnē, bet tie ir anaerobi, jo neizmanto skābekli kā galīgo elektronu akceptoru.
J: Kas ir mikroaerofils?
A: Mikroaerofili ir organismi, kas var izmantot skābekli, bet tikai zemā koncentrācijā (zemā mikromolāru diapazonā); to augšanu kavē normāla skābekļa koncentrācija (aptuveni 200 mikromolāru).
J: Kas ir nanaerobe?
A: Nanaerobi ir organismi, kas nevar augt skābekļa mikromolārās koncentrācijās, bet var augt ar skābekli nanomolārās koncentrācijās un izmantot to.
J: Kādi ir dažādi veidi, kā anaerobie organismi var iegūt enerģiju?
A: Obligātie anaerobi var izmantot fermentāciju vai anaerobo elpošanu. Fakultatīvie anaerobi skābekļa klātbūtnē izmanto aerobo elpošanu; bez skābekļa daži no tiem fermentē, daži izmanto anaerobo elpošanu. Aerotolerantie organismi ir stingri fermentatīvi. Mikroaerofili veic aerobo elpošanu, un daži no tiem var veikt arī anaerobo elpošanu.
Vai dažas anaerobās baktērijas ražo bīstamus toksīnus?
Jā, dažas anaerobās baktērijas ražo toksīnus (piemēram, stingumkrampju vai botulīna toksīnus), kas ir ļoti bīstami augstākiem organismiem, tostarp cilvēkiem.
Meklēt