Metabolismus bakterií

Bakterie patří mezi prokaryotické organismy, tedy jednobuněčné organismy s velice primitivním jádrem, které by vlastně ani jádrem nemělo být nazýváno, neboť jde jen o jedinou cyklickou molekulu DNA. Bakterie jsou velice zajímavou a zkoumanou skupinou organismů. Jednak způsobují mnohá infekční onemocnění lidí i zvířat, mnohé z nich jsou však také prospěšné, bakterií lze využít i v průmyslu. Nás však bude zajímat něco trochu jiného, a to metabolismus bakterií. V případě bakterií se můžeme setkat téměř se všemi formami metabolismu, ať už jde o metabolismus autotrofní či heterotrofní, fototrofní či chemotrofní, ale i organotrofní a litotrofní. Ale pojďme vše probrat popořádku a podrobněji.

Stavba bakteriální buňky

Bakterie jsou chemoheterotrofní, chemoautotrofní nebo fotoheterotrofní jednobuněčné organismy, schopné samostatné existence. Buňka bakterií je organizována poměrně primitivně. Buněčná stěna se skládá z mukopeptidů, které v ní tvoří makromolekulární síť, a jednak z dalších sloučenin, např. polysacharidů, které zajišťují jímání vody a dodávají stěně zvýšenou bobtnatelnost. Na povrchu buněk nalézáme často slizová pouzdra a někdy i pochvy. Cytoplasmatická membrána je tvořena tradičně, tedy fosfolipidovou dvojvrstvou, doplněnou membránovými bílkovinami. Vnitřek buňky tvoří cytoplasma, ve které se nachází nukleoid a ribosomy. Dále mohou být přítomny drobné vakuoly a kuličky, obsahující zásobní látky, například glycidy (glykogen), tuky, bílkoviny a polyfosfáty (volutin). U některých druhů jsou v buňkách přítomny i barviva - zelený bakteriochlorofyl a červené karotenoidy. Někdy mohou bakterie tato barviva vylučovat do okolí, což může způsobovat např. modrání mléka či krvácení hostií.

Výživa a metabolismus bakterií

Pro růst bakterií je důležitá voda. Živiny jsou ve vodě rozpuštěné sloučeniny, z nichž bakterie získávají energii a prvky pro výstavbu buněk. Prostředí pro růst bakterií musí obsahovat zdroj uhlíku, dusíku, energie a růstové faktory. Autotrofní bakterie používají jako zdroj uhlíku oxid uhličitý, heterotrofní jej nacházejí v organických látkách.

Základní, primární metabolismus bakterií se v principu neliší od primárního metabolismu ostatních organismů. Probíhá zde rozklad bílkovin na aminokyseliny, rozklad polysacharidů na monosacharidy, rozklad lipidů a jejich degradace. Produkty těchto rozkladů se pak v různých místech napojují na citrátový cyklus, při kterém je tvořen oxid uhličitý, v následné oxidační fosforylaci a dýchacím řetězci je získávána energie ve formě ATP. Metabolismus některých bakterií však obsahuje i netradiční prvky, kterými se budu zabývat v následujícím textu.

Anaerobní respirace

Anaerobní respirace, tedy dýchání za nepřítomnosti kyslíku, probíhá za přísně anaerobních podmínek. Akceptorem elektronu může být dusičnan, síran či podobné látky.

Redukce dusičnanů na dusitany je známa u řady fakultativně anaerobních bakterií, jako jsou rody Escherichia, Shigella, Serratia či Proteus. Donorem vodíku a elektronů je organická látka. Elektrontransportní systém je lokalizovaný na membráně a je prakticky totožný s dýchacím řetězcem, avšak probíhá přenos elektronů na kyslík vázaný v dusičnanu. Denitrifikace je proces redukce dusičnanů na molekulový dusík nebo na oxid dusný. U bakterií není tento proces tak běžný jako redukce dusičnanů na dusitany. Redukce je přitom velmi efektní a vzniklé metabolity nejsou toxické. Jako donor vodíku slouží metabolity vznikající při jiných procesech - kyselina octová, mravenčí, mléčná či jablečná. Desulfurikace je charakteristická pro dva rody bakterií - Desulfovibrio a Desulfotomaculum. Jsou to striktní anaerobové, produkující ze síranu sulfan. Z něho vznikají černé sulfany, např. černá léčivá bahna v Piešťanech. Donorem vodíku jsou opět kyselina mléčná či mravenčí, ale také třeba ethanol nebo molekulový vodík. Redukce oxidu uhličitého na methan je uskutečňována striktně anaerobními bakteriemi rodů Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina. Produkce methanu neprobíhá jen v bahně, ale i v bachoru přežvýkavců.

Anaerobní respirace je ekologicky významným procesem, neboť odstraňuje z prostředí látky, které by se tu jako metabolity hromadily.

Chemolitotrofie a anoxigenní fotosyntéza

Chemolitotrofie je získávání energie oxidací anorganických látek. Zatím je známa jen u bakterií. Pokud je bakterie schopna využívat k zisku energie i organickou látku, jedná se o chemolitotrofii fakultativní, není-li tomu tak, mluvíme o chemolitotrofii obligátní. Chemolitotrofní bakterie jsou striktně aerobní.

Nitrifikace je procesem oxidace amoniaku až na dusičnan, a to ve dvou stupních. Nejprve je oxidován amoniak na dusitan - to uskutečňují tzv. nitrační bakterie (např. Nitrosomonas), poté je oxidován dusitan na dusičnan - to je prací nitratačních bakterií (např. Nitrobacter). Nitrační bakterie jsou striktními chemolitotrofy, přítomnost i stopy organické látky jejich růst silně inhibuje, zatímco nitratační bakterie jsou fakultativními chemolitotrofy. Tyto bakterie obohacují půdu o lehce využitelný zdroj dusíku, čímž ji činí vhodnou pro rostliny. Sulfurikace je proces oxidace redukovaných sloučenin síry fyziologickou skupinou sirných bakterií. Typickým zástupcem je Thiobacillus. Tyto bakterie mohou růst v extrémně nízkém pH (až 1). Samy produkují kyselinu sírovou, čímž se stávají hlavní příčinou tzv. mikrobiální koroze betonu a železných materiálů. Oxidace sloučenin železa je uskutečňována železitými bakteriemi, jejichž přirozeným stanovištěm je voda s vysokým obsahem železa. Vzniklý červeně zbarvený hydroxid železitý spolehlivě indikuje přítomnost železitých bakterií. Železité bakterie se vyskytují především v čistých vodách, jako jsou horské potoky či jezera.

Některé bakterie jsou také schopny využívat světlo jako zdroj energie. Jsou to purpurové sirné bakterie a zelené sírné bakterie. Díváme se na ně jako na přežitky počátku evoluce fotosyntézy, neboť nevyužívají jako zdroj vodíku vodu, ale sulfan. Tato fotosyntéza tedy probíhá za nepřítomnosti kyslíku, nazýváme ji tedy anoxigenní fotosyntéza.

Význam bakterií

Bakterie mají obrovský ekologický význam. Některé bakterie jsou saprofytické, tudíž hrají roli při rozkladu odumřelých organismů. Jiné bakterie jsou parazité a tudíž původci jistých nemocí. Bakterie hrají důležitou roli v biotechnologii. Mnohé z nich jsou užívány při výrobě důležitých látek - jmenujme například výrobu octa, másla nebo sýrů. Také určité důležité proteiny mohou být vyráběny pomocí bakterií. Stačí zapracovat do sekvence DNA u bakterie gen, který kóduje požadovaný protein, a bakterie pak pracuje jako malá továrnička, produkující tento protein. Takto je vyráběn například insulin, ale i mnoho dalších peptidů a proteinů obrovského významu.