Informatie

Wat is het mechanisme van zuurstofopname in E. coli?


Hoe werkt? E coli zuurstof opnemen? De meeste literatuur die ik heb gevonden, gaat over de reactie op het zuurstofniveau dat in het medium wordt geleverd, in tegenstelling tot hoeveel er daadwerkelijk naar binnen wordt getransporteerd. Kunnen ze indien nodig de zuurstofopname afsluiten? Om bijvoorbeeld schadelijke effecten van reactieve zuurstofsoorten.

Er bestaan ​​bacteriën die sterven in aanwezigheid van zuurstof (strikt anaëroob), terwijl sommige zuurstof gebruiken indien beschikbaar, maar ook kunnen overleven in afwezigheid ervan (facultatieve anaëroben, zoals E coli). Zijn er bacteriën die geen zuurstof kunnen verbruiken voor het metabolisme, maar wanneer ze worden blootgesteld aan zuurstof, sterven ze niet, maar gooien ze de zuurstof gewoon weg en voeren ze fermentatie uit? In zekere zin zijn ze strikt anaëroob (hun manier van metabolisme is anaëroob), maar ze kunnen nog steeds overleven in aanwezigheid van zuurstof in de omgeving.


Deze vraag zette me aan het denken over wat de metabole enzymen zijn die zuurstof opnemen in? E coli. Ik heb in de metacyc-database gezocht naar reacties die moleculaire zuurstof verbruiken en er zijn er maar 3 die zuurstof opnemen en één die zuurstof produceert.

Alle drie verbruikers van zuurstof in E coli zijn de oxidatie van ubiquinon door op twee plaatsen in cytochroom-bcl of door cytochroom-bo. Al deze exporteren protonen om de gradiënt te creëren die ATP-vorming door F₀F₁ ATPase in het periplasma (het gebied tussen E coli binnen- en buitenmembraan).

Aan de productiekant reduceert superoxide-dismutase superoxide tot zuurstof om oxidatieschade onder controle te houden. Blijkbaar de ingewanden van E coli zijn enigszins zuurstoftolerant.


Het plasmamembraan is behoorlijk doorlaatbaar voor zuurstof en dus komt zuurstof de cel binnen door eenvoudig door diffusie. Reactieve zuurstofsoorten kunnen enzymatisch worden gereduceerd in aerobe organismen. Verplichte anaëroben missen of produceren niet voldoende hoeveelheden van deze enzymen. Een organisme dat geen zuurstof gebruikt voor het metabolisme, maar er ook relatief weinig last van heeft, kan worden geclassificeerd als aerotolerant.

Afbeelding van: http://en.m.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_organism

Oorspronkelijke bijschrift: Aërobe en anaërobe bacteriën kunnen worden geïdentificeerd door ze te kweken in reageerbuizen met thioglycollaatbouillon: 1: Verplichte aeroben hebben zuurstof nodig omdat ze niet anaëroob kunnen fermenteren of ademen. Ze verzamelen zich bovenaan de buis waar de zuurstofconcentratie het hoogst is. 2: Obligate anaëroben worden vergiftigd door zuurstof, dus verzamelen ze zich op de bodem van de buis waar de zuurstofconcentratie het laagst is. 3: Facultatieve anaëroben kunnen met of zonder zuurstof groeien omdat ze energie aëroob of anaëroob kunnen metaboliseren. Ze verzamelen zich meestal aan de top omdat aerobe ademhaling meer ATP genereert dan fermentatie of anaerobe ademhaling. 4: Microaërofielen hebben zuurstof nodig omdat ze niet anaëroob kunnen fermenteren of ademen. Ze worden echter vergiftigd door hoge concentraties zuurstof. Ze verzamelen zich in het bovenste deel van de reageerbuis, maar niet helemaal bovenaan. 5: Aerotolerante organismen hebben geen zuurstof nodig omdat ze energie anaëroob metaboliseren. In tegenstelling tot obligate anaëroben worden ze echter niet vergiftigd door zuurstof. Ze zijn gelijkmatig verspreid over de reageerbuis te vinden.


Ik voeg een aanvulling/slotopmerking toe aan de bestaande antwoorden.

Enkele aandachtspunten:

  • Elektronentransportketen kan werken zonder zuurstof en kan andere chemische soorten gebruiken als elektronenacceptoren.
  • E coli is in staat tot aërobe ademhaling, anaërobe (anoxische) ademhaling en fermentatie (substraatniveau fosforylering).

Hoe neemt E. coli zuurstof op?

Kort antwoord zoals al vermeld door canadiner: passieve diffusie

Kunnen ze indien nodig de zuurstofopname afsluiten?

Zuurstof is de primaire elektronenacceptor en E coli zou de voorkeur geven aan zuurstof boven andere elektronenacceptoren. Alleen bij afwezigheid van zuurstof wordt de FNR-regeling ingeschakeld. Andere bacteriën kunnen negatieve aerotaxis vertonen, d.w.z. weglopen van zuurstof (ze moeten uiteraard beweeglijk zijn) [ref]. In dit artikel wordt ook opgemerkt dat positieve en negatieve aerotaxis plaatsvindt via een gemeenschappelijk mechanisme: gevoeligheid van proton-aandrijfkracht voor O₂. ROS speelt daarin echter geen rol. Het is zeer waarschijnlijk dat bij hoge zuurstofniveaus E coli zal proberen om de anti-oxidant respons op te vijzelen. Tot slot: ze kunnen de zuurstof niet reguleren opname.

Aerotolerante anaëroben: Clostridium perfringens, Clostridium intestinale.


EEN EXPERIMENTELE PROCEDURE VOOR DE KWANTIFICATIE VAN INDIVIDUELE HYPERBARISCHE FACTOREN DIE DE FYSIEKE PRESTATIES VAN DE RAT BENVLOEDEN

RESULTATEN

De zuurstofopname in rust en tijdens inspanning zijn samengevat in Tabel 2 .

TAFEL 2 . Rust en maximale zuurstofopname tijdens inspanning in 10 omgevingscondities.

RestOefening
Gassamenstellingen1 ATA3 ATA10 ATA1 ATA3 ATA10 ATA
Lucht29±1.224±2.6 (a) 20 ± 2,1 (b) 63±3.442±2.6 (c) 23 ± 2,1 (c)
20% O2 in He25±1.423±1.324±1.160±1.756±1.733 ± 2,7 (c)
1% O2 cafe2 22±1.2 (b) 48 ± 2,4 (b)
1% O2 in He 24±1.7 50 ± 3,1 (b)
2% O2 cafe2 24 ± 1,9 (a) 32 ± 4,4 (c)
2% O2 in He 20 ± 1,8 (een) 42±1.3 (c)

Waarden zijn X ± 1 S.E. voor 6 ratten in elke experimentele conditie. Het lichaamsgewicht van de ratten was 344 ± 2,4 (60 ratten) g. en varieerde van 305 tot 390 g. De zuurstofopname wordt gemeten in ml/min/kg (STPD).

(a), (b) en (c) geven P&lt0.05, P&lt0.01 en P&lt0.001 aan, vergeleken met hun respectieve inerte gasmengsels bij 1 ATA, door middel van gegroepeerde t-tests.

Zuurstofopname in rust in omgevingen met 3 en 10 ATA normoxische stikstof was respectievelijk 24% en 17% lager, terwijl dit in hyperoxische stikstof respectievelijk 17% en 31% was. De overeenkomstige veranderingen in de heliumomgeving waren veel minder dan die in stikstofomgevingen en een significante vermindering van de zuurstofopname van 20% werd waargenomen in de 10 ATA normoxische heliox-conditie.

Piek zuurstofopname tijdens inspanning in 3 en 10 ATA was hyperoxische stikstof (perslucht) respectievelijk 33% en 63% verlaagd in vergelijking met 1 ATA lucht. Onder normoxische stikstofcondities was deze afname respectievelijk 24% en 49% bij 3 en 10 ATA. Het depressieve effect op de zuurstofopname bij inspanning van hyperbaar helium was 17% en 30% bij normoxic 3 en 10 ATA en 7% en 45% bij hyperoxic 3 en 10 ATA.

Totaal effect van perslucht en gecomprimeerd helium met 20% zuurstof bij zuurstofopname is complex, omdat verhoging van ingeademde PO2, PN2 of PHij, en gasdichtheid worden allemaal verwacht gelijktijdig met de verhoging van de omgevingsdruk. Gebruikmakend van de hierboven gepresenteerde gegevens, werd de kwantificering van de individuele effecten van hydrostatische druk, gasdichtheid en hyperoxie op het vermogen om zuurstof op te nemen gemaakt door de volgende procedures:

Effect van hyperoxie werd bepaald door zuurstofopnames te vergelijken voor gevarieerde PO2 bij een gegeven omgevingsdruk, inert gas en gasdichtheid (Fig. 1).

Figuur 1 . Zuurstofopname in rust en tijdens piekbelasting in normoxische en hyperoxische stikstofomgevingen. Verticale balken geven ± 1 aan. S.E. gemiddeld (6 ratten).

In het stikstofmilieu, een toename van PO2 van 150 tot 450 mm Hg verminderde zuurstofopname met 6 eenheden in ml/min/kg lichaamsgewicht en verhoogde PO2 van 150 tot 1500 mm Hg verminderde de zuurstofopname met 9 ml/min/kg. In rust was het effect van hyperoxie klein en statistisch niet significant. Een vergelijkbare vergelijking kan worden gemaakt voor het hyperoxische effect in heliumomgevingen. Deze vergelijking was echter niet zo zuiver als we hadden gewild, omdat in het geval van helium de gasdichtheid van het hyperoxische mengsel ongeveer 2 keer zo groot was als dat van het normoxische mengsel bij deze drukken.

Effect van geïnspireerde gasdichtheid op zuurstofopname werd geanalyseerd door gebruik te maken van de gegevens verkregen onder normoxische omstandigheden, en de zuurstofopname uit te zetten als een functie van de relatieve gasdichtheid op een logschaal. De zuurstofopname nam af naarmate de gasdichtheid toenam in elke omgeving met inert gas tijdens inspanning. In rust werd echter een onbeduidend effect gezien (Fig. 2). Het effect van verhoogde gasdichtheid werd verkregen door de zuurstofopname bij dezelfde omgevingsdruk te vergelijken. Deze zogenaamde “isobare vergelijking” is nodig om de drukfactor uit te sluiten. Tijdens inspanning bij 3 ATA werd de maximale zuurstofopname verlaagd met 2 ml/min/kg met een toename van de gasdichtheid van 2,4 eenheden, waardoor een verlaging van 2/2,4 in zuurstofopname per eenheid toename van de gasdichtheid wordt gerealiseerd. Door berekening resulteerde een toename van de gasdichtheid van 2 eenheden (van 1 ATA naar 3 ATA) in een verlaging van de zuurstofopname met 1,7 eenheden. Evenzo toonden vergelijkingen van zuurstofopname bij 10 ATA aan dat een toename van de gasdichtheid van 8,3 eenheden een afname van de zuurstofopname van 10 eenheden veroorzaakte. Daarom resulteerde een toename van de gasdichtheid van 9 eenheden (van 1 ATA naar 10 ATA) in een verlaging van de zuurstofopname met 11 (=10(10 – 1)/8,3) eenheden.

Fig. 2 . Zuurstofopname in rust en tijdens piekbelasting als functie van de gasdichtheid. Het effect van gasdichtheid werd bepaald door de zuurstofopname onder normoxische en isobare omstandigheden te vergelijken en het effect van hydrostatische druk werd bepaald door de zuurstofopname onder normoxische en iso-dichtheidsomstandigheden te vergelijken. Gemiddelde van 6 ratten ± 1 S.E. zijn aangegeven.

Effect van omgevingsdruk op zich op zuurstofopname bij de rat wordt verkregen door het verschil in zuurstofopname bij een gegeven gasdichtheid en P . te vergelijkenO2 (normoxisch). Bijvoorbeeld, gegeven een relatieve gasdichtheid van 1,0, was het drukverschil tussen het stikstof- en het heliummengsel 3,8 ATA (Fig. 2). Bij een gasdichtheid van 1,7 was het drukverschil tussen deze twee gasmengsels 8,3 ATA. De verschillen in zuurstofopname tussen deze twee omgevingen vertegenwoordigen het effect van hydrostatische druk per se. Met een drukverschil variërend van 3,8 tot 8,3 ATA, bleek de verlaging van de zuurstofopname tussen 14 en 16 eenheden te zijn bij maximale inspanning en tussen 6 tot 7 eenheden in rust (Fig. 2).

Optelling van de effecten van verhoogde omgevingsdruk, gasdichtheid en PO2 is voldoende om het totale waargenomen effect op de zuurstofopname in rust in verschillende hyperbare stikstofomgevingen te verklaren, evenals de opname bij 3 ATA in de lucht. Zoals experimenteel gemeten, werd een statistisch onbeduidende onderschatting van het totale effect gezien in 10 ATA-lucht (Fig. 3). Sommatie van de effecten van deze drie factoren kan niet worden gemaakt voor hyperoxische heliox-aandoeningen vanwege moeilijkheden bij het schatten van PO2 effect (zie hierboven).

Afb. 3 . Vergelijking van de gemeten totale effecten van lucht onder hyperbare omstandigheden (T) met de geschatte individuele effecten van hyperoxie (PO2), dichtheid (D) en hydrostatische druk (P). Lijnen aangegeven door normoxische, isobare en iso-dichtheid vertegenwoordigen stapsgewijze verwijdering van de effecten van respectievelijk hyperoxie, hydrostatische druk en gasdichtheid.


Escherichia Coli

Hoewel de meeste soorten van E coli bacteriën zijn onschadelijk en leven in de darmen van gezonde mensen en dieren, verschillende stammen kunnen krachtige gifstoffen produceren en ernstige ziekten bij de mens veroorzaken. Deze veelzijdige ziekteverwekker is vooral bekend omdat hij op mensen wordt overgedragen via besmet voedsel - zoals onvoldoende verhit vlees en ongepasteuriseerd vruchtensap - en trekt veel aandacht wanneer zich ernstige uitbraken voordoen.

E coli kan een breed scala aan ziekten veroorzaken - van urineweginfecties tot meningitis. Er is onlangs een aanzienlijke hoeveelheid media-aandacht besteed aan een bepaalde stam van E coli, verantwoordelijk voor naar schatting 73.000 gevallen van infectie en 61 sterfgevallen in de Verenigde Staten per jaar. Meer weten over de biologie, de evolutie en de genetische basis van deze ziekteverwekker is cruciaal voor toekomstige preventie van infectie en ziekte.

Ziekmakend E coli is een unieke, uitgebreide analyse van de biologie en moleculaire mechanismen die ervoor zorgen dat dit alomtegenwoordige organisme kan gedijen. Vooraanstaande onderzoekers in het veld bespreken de moleculaire basis van E coli pathogenese gevolgd door hoofdstukken over genomica en evolutie. Gedetailleerde beschrijvingen van verschillende stammen onthullen de moleculaire pathogenese van elk en de oorzaken van intestinale en extra-intestinale infecties bij mensen. Ziekmakend E coli wordt afgesloten met een presentatie van virulentiefactoren die twee of meer pathotypen gemeen hebben. Deze unieke collectie biedt actuele en essentiële informatie over het begrijpen van de innerlijke werking van E coli, dat belangrijke inzichten zal verschaffen in onderzoek naar ziektepreventie.

Hoewel de meeste soorten van E coli bacteriën zijn onschadelijk en leven in de darmen van gezonde mensen en dieren, verschillende stammen kunnen krachtige gifstoffen produceren en ernstige ziekten veroorzaken bij mensen. Deze veelzijdige ziekteverwekker is vooral bekend omdat hij op mensen wordt overgedragen via besmet voedsel - zoals onvoldoende verhit vlees en ongepasteuriseerd vruchtensap - en trekt veel aandacht wanneer zich ernstige uitbraken voordoen.

E coli kan een breed scala aan ziekten veroorzaken - van urineweginfecties tot meningitis. Er is onlangs een aanzienlijke hoeveelheid media-aandacht besteed aan een bepaalde stam van E coli, verantwoordelijk voor naar schatting 73.000 gevallen van infectie en 61 sterfgevallen in de Verenigde Staten per jaar. Meer weten over de biologie, de evolutie en de genetische basis van deze ziekteverwekker is cruciaal voor toekomstige preventie van infectie en ziekte.

Ziekmakend E coli is een unieke, uitgebreide analyse van de biologie en moleculaire mechanismen die ervoor zorgen dat dit alomtegenwoordige organisme kan gedijen. Vooraanstaande onderzoekers in het veld bespreken de moleculaire basis van E coli pathogenese gevolgd door hoofdstukken over genomica en evolutie. Gedetailleerde beschrijvingen van verschillende stammen onthullen de moleculaire pathogenese van elk en de oorzaken van intestinale en extra-intestinale infecties bij mensen. Ziekmakend E coli wordt afgesloten met een presentatie van virulentiefactoren die twee of meer pathotypen gemeen hebben. Deze unieke collectie biedt actuele en essentiële informatie over het begrijpen van de innerlijke werking van E coli, dat belangrijke inzichten zal verschaffen in onderzoek naar ziektepreventie.


Systeembiologische benadering onthult dat overloopmetabolisme van acetaat in Escherichia coli wordt veroorzaakt door koolstofkatabolietrepressie van acetyl-CoA-synthetase

Achtergrond: De biotechnologie-industrie heeft Escherichia coli uitgebreid gebruikt voor het produceren van recombinante eiwitten, biobrandstoffen enz. Aerobe E. coli-teelten met een hoge groeisnelheid gaan echter gepaard met acetaatuitscheiding, dwz overloopmetabolisme, dat schadelijk is omdat het de groei remt, waardevolle koolstof uit de biomassavorming wegleidt en schadelijk voor de synthese van het doelproduct. Hoewel het overloopmetabolisme al tientallen jaren wordt bestudeerd, zijn de regulatiemechanismen ervan nog steeds onduidelijk.

Resultaten: In het huidige werk werd het groeisnelheidsafhankelijke acetaatoverloopmetabolisme van E. coli continu gevolgd met behulp van geavanceerde continue kweekmethoden (A-stat en D-stat). De eerste stap in de overloopschakelaar van acetaat (bij μ = 0,27 ± 0,02 h (-1)) is de onderdrukking van de activiteit van acetyl-CoA-synthetase (Acs) die wordt veroorzaakt door de onderdrukking van koolstofkatabolieten, wat resulteert in een verminderde assimilatie van acetaat geproduceerd door fosfotransacetylase (Pta), en verstoring van het PTA-ACS-knooppunt. Dit werd aangegeven door acetaatsyntheseroutes PTA-ACKA en POXB-componentexpressie-down-regulatie vóór de overloopschakelaar bij μ = 0, 27 ± 0, 02 h (-1) met gelijktijdige 5-voudig sterkere onderdrukking van acetaat-consumerende Acs. Dit suggereert op zijn beurt onvoldoende Acs-activiteit voor het consumeren van al het door Pta geproduceerde acetaat, wat leidt tot verstoring van het acetaatcyclusproces in het PTA-ACS-knooppunt waar constante acetylfosfaat- of acetaatregeneratie essentieel is voor E. coli-chemotaxis, proteolyse, pathogenese enz. regulering . Bovendien toonden twee-substraat A-stat- en D-stat-experimenten aan dat het acetaatconsumptievermogen van E. coli drastisch afnam, net als Acs-expressie, vóór het begin van het overloopmetabolisme. De tweede stap in overloopschakelaar is de scherpe daling in cAMP-productie bij μ = 0.45 h(-1) wat leidt tot totale remming van Acs en snelle accumulatie van acetaat.

Conclusie: Deze studie is een voorbeeld van hoe een systeembiologische benadering het mogelijk maakte om een ​​nieuw regulatiemechanisme voor te stellen voor het overloopmetabolisme in E. coli, aangetoond door proteomische, transcriptomische en metabolomische niveaus gekoppeld aan tweefasige acetaataccumulatie: acetaatoverloopmetabolisme in E. coli wordt geactiveerd door neerwaartse regulatie van Acs resulterend in verminderde assimilatie van azijnzuur geproduceerd door Pta en verstoring van de PTA-ACS-knoop.


Slotopmerkingen

Concluderend, mechanismen die de barrière-eigenschappen van de OM-lipidedubbellaag zelf of de expressie en/of functie van de algemene diffusieporinekanalen in het OM beïnvloeden, hebben een impact op de gevoeligheid van Gram-negatieve bacteriën voor veel verschillende soorten antibiotica. Het is duidelijk dat elke verzwakking van de LPS-dubbellaag door zich te richten op LPS-synthetiserende enzymen bacteriën gevoelig zal maken voor hydrofobe en sommige hydrofiele antibiotica, wat leidt tot de mogelijkheid van combinatorische medicamenteuze therapie. Een beter begrip van de functie van algemene diffusieporines, en in het bijzonder van de parameters die kunnen leiden tot het sluiten of inactiveren van porines, zal een herbeoordeling mogelijk maken van de efficiëntie van de penetratie van de antibiotica die deze route gebruiken in verschillende omstandigheden. Het is te hopen dat, naarmate we op moleculair niveau de structuur en functie van deze OM-macromoleculen en van degenen die ze reguleren, beter begrijpen, wetenschappers in staat zullen zijn om de huidige medicamenteuze therapieën te verfijnen of nieuwe soorten antibiotica te ontwerpen die zich richten op deze aan het oppervlak blootgestelde entiteiten. .


Inhoud

Type en morfologie Bewerken

E coli is een Gram-negatieve, facultatief anaërobe (die ATP maakt door aerobe ademhaling als zuurstof aanwezig is, maar in staat is om over te schakelen naar fermentatie of anaerobe ademhaling als zuurstof afwezig is) en niet-sporulerende bacterie. [17] Cellen zijn typisch staafvormig en zijn ongeveer 2,0 m lang en 0,25–1,0 m in diameter, met een celvolume van 0,6–0,7 m 3 . [18] [19] [20]

E coli kleurt Gram-negatief omdat de celwand is samengesteld uit een dunne peptidoglycaanlaag en een buitenmembraan. Tijdens het kleuringsproces, E coli pikt de kleur van de tegenkleuring safranine op en kleurt roze. Het buitenmembraan dat de celwand omgeeft, vormt een barrière voor bepaalde antibiotica, zodat: E coli wordt niet beschadigd door penicilline. [15]

Stammen die flagella bezitten, zijn beweeglijk. De flagella hebben een peritrichous arrangement. [21] Het hecht zich ook aan de microvilli van de darmen en verwijdert ze via een adhesiemolecuul dat bekend staat als intimine. [22]

Metabolisme Bewerken

e.coli kan leven op een breed scala aan substraten en maakt gebruik van gemengde zuurfermentatie in anaërobe omstandigheden, waarbij lactaat, succinaat, ethanol, acetaat en koolstofdioxide worden geproduceerd. Aangezien veel routes in gemengde zuurfermentatie waterstofgas produceren, vereisen deze routes dat de waterstofniveaus laag zijn, zoals het geval is wanneer E coli leeft samen met waterstofverbruikende organismen, zoals methanogenen of sulfaatreducerende bacteriën. [23]

In aanvulling, E coli's metabolisme kan opnieuw worden bedraad om uitsluitend CO . te gebruiken2 als koolstofbron voor de productie van biomassa. Met andere woorden, het metabolisme van deze obligate heterotroof kan worden gewijzigd om autotrofe vermogens te vertonen door heteroloog koolstoffixatiegenen tot expressie te brengen, evenals formiaatdehydrogenase en laboratoriumevolutie-experimenten uit te voeren. Dit kan worden gedaan door formaat te gebruiken om elektronendragers te verminderen en de ATP te leveren die nodig is in anabole routes binnen deze synthetische autotrofen. [24]

E coli hebben drie natieve glycolytische routes: EMPP, EDP en OPPP. De EMPP maakt gebruik van tien enzymatische stappen om twee pyruvaten, twee ATP en twee NADH per glucosemolecuul op te leveren, terwijl OPPP dient als een oxidatieroute voor NADPH-synthese. Hoewel de EDP de thermodynamisch gunstigste is van de drie routes, E coli gebruik de EDP niet voor het glucosemetabolisme en vertrouw voornamelijk op de EMPP en de OPPP. De EDP blijft voornamelijk inactief, behalve tijdens de groei met gluconaat. [25]

Katabolietrepressie Bewerken

Wanneer ze groeien in de aanwezigheid van een mengsel van suikers, zullen bacteriën de suikers vaak achtereenvolgens consumeren via een proces dat bekend staat als katabolietrepressie. Door de expressie van de genen die betrokken zijn bij het metaboliseren van de minder geprefereerde suikers te onderdrukken, zullen cellen gewoonlijk eerst de suiker consumeren die de hoogste groeisnelheid oplevert, gevolgd door de suiker die de volgende hoogste groeisnelheid oplevert, enzovoort. Daarbij zorgen de cellen ervoor dat hun beperkte stofwisselingsbronnen worden gebruikt om de groeisnelheid te maximaliseren. Het veelgebruikte voorbeeld hiervan met E coli omvat de groei van de bacterie op glucose en lactose, waarbij E coli zal eerder glucose consumeren dan lactose. Onderdrukking van katabolieten is ook waargenomen bij E coli in aanwezigheid van andere niet-glucosesuikers, zoals arabinose en xylose, sorbitol, rhamnose en ribose. In E coliOnderdrukking van glucosekatabolieten wordt gereguleerd door het fosfotransferasesysteem, een multi-eiwitfosforylatiecascade die glucoseopname en metabolisme koppelt. [26]

Cultuurgroei Bewerken

Optimale groei van E coli komt voor bij 37 ° C (98,6 ° F), maar sommige laboratoriumstammen kunnen zich vermenigvuldigen bij temperaturen tot 49 ° C (120 ° F). [27] E coli groeit in een verscheidenheid aan gedefinieerde laboratoriummedia, zoals lysogeniebouillon, of elk medium dat glucose, monobasisch ammoniumfosfaat, natriumchloride, magnesiumsulfaat, dibasisch kaliumfosfaat en water bevat. Groei kan worden aangedreven door aërobe of anaërobe ademhaling, met behulp van een grote verscheidenheid aan redoxparen, waaronder de oxidatie van pyrodruivenzuur, mierenzuur, waterstof en aminozuren, en de reductie van substraten zoals zuurstof, nitraat, fumaraat, dimethylsulfoxide, en trimethylamine N-oxide. [28] E coli is geclassificeerd als een facultatief anaëroob. Het gebruikt zuurstof wanneer het aanwezig en beschikbaar is. Het kan echter blijven groeien in afwezigheid van zuurstof door middel van fermentatie of anaërobe ademhaling. Het vermogen om te blijven groeien in afwezigheid van zuurstof is een voordeel voor bacteriën omdat hun overlevingskansen worden vergroot in omgevingen waar water de boventoon voert. [15]

Celcyclus Bewerken

De bacteriële celcyclus is verdeeld in drie fasen. De B-periode vindt plaats tussen de voltooiing van de celdeling en het begin van de DNA-replicatie. De C-periode omvat de tijd die nodig is om het chromosomale DNA te repliceren. De D-periode verwijst naar het stadium tussen de conclusie van DNA-replicatie en het einde van de celdeling. [29] De verdubbeling van E coli hoger is als er meer voedingsstoffen beschikbaar zijn. De lengte van de C- en D-perioden verandert echter niet, zelfs niet wanneer de verdubbelingstijd kleiner wordt dan de som van de C- en D-perioden. Bij de snelste groeisnelheid begint de replicatie voordat de vorige replicatieronde is voltooid, wat resulteert in meerdere replicatievorken langs het DNA en overlappende celcycli. [30]

Het aantal replicatievorken groeit snel E coli volgt typisch 2n (n = 1, 2 of 3). Dit gebeurt alleen als replicatie gelijktijdig wordt gestart vanuit alle oorsprongen van replicaties, en wordt synchrone replicatie genoemd. Niet alle cellen in een cultuur repliceren echter synchroon. In dit geval hebben cellen geen veelvouden van twee replicatievorken. Replicatie-initiatie wordt dan asynchroon genoemd. [31] Asynchronie kan echter worden veroorzaakt door mutaties in bijvoorbeeld DnaA [31] of DnaA-initiator-associatief eiwit DiaA. [32]

Genetische aanpassing

E coli en verwante bacteriën bezitten het vermogen om DNA over te dragen via bacteriële conjugatie of transductie, waardoor genetisch materiaal zich horizontaal door een bestaande populatie kan verspreiden. Het proces van transductie, waarbij gebruik wordt gemaakt van het bacteriële virus dat een bacteriofaag wordt genoemd, [33] is waar de verspreiding van het gen dat codeert voor het Shiga-toxine uit de Shigella bacteriën om E coli hielp produceren E coli O157:H7, de Shiga-toxine producerende stam van E coli.

E coli omvat een enorme populatie bacteriën die een zeer hoge mate van zowel genetische als fenotypische diversiteit vertonen. Genoomsequencing van veel isolaten van E coli en verwante bacteriën blijkt dat een taxonomische herclassificatie wenselijk zou zijn. Dit is echter niet gedaan, grotendeels vanwege het medische belang ervan, [34] en E coli blijft een van de meest diverse bacteriesoorten: slechts 20% van de genen in een typische E coli genoom wordt gedeeld door alle stammen. [35]

In feite, vanuit het meer constructieve oogpunt, de leden van genus Shigella (S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydi, en S. sonnei) moet worden geclassificeerd als: E coli stammen, een fenomeen dat vermomde taxa wordt genoemd. [36] Evenzo zijn andere stammen van E coli (bijv. de K-12-stam die gewoonlijk wordt gebruikt in recombinant DNA-werk) zijn voldoende verschillend dat ze herclassificatie verdienen.

Een stam is een subgroep binnen de soort die unieke kenmerken heeft die hem onderscheiden van andere stammen. Deze verschillen zijn vaak alleen op moleculair niveau waarneembaar, maar ze kunnen leiden tot veranderingen in de fysiologie of levenscyclus van de bacterie. Een stam kan bijvoorbeeld pathogene capaciteit krijgen, het vermogen om een ​​unieke koolstofbron te gebruiken, het vermogen om een ​​bepaalde ecologische niche aan te nemen, of het vermogen om antimicrobiële middelen te weerstaan. Verschillende soorten E coli zijn vaak gastheerspecifiek, waardoor het mogelijk is om de bron van fecale besmetting in omgevingsmonsters te bepalen. [12] [13] Bijvoorbeeld weten welke E coli stammen aanwezig zijn in een watermonster kunnen onderzoekers aannames doen over de vraag of de besmetting afkomstig is van een mens, een ander zoogdier of een vogel.

Serotypen Bewerken

Een gemeenschappelijk onderverdelingssysteem van E coli, maar niet gebaseerd op evolutionaire verwantschap, is op serotype, dat is gebaseerd op belangrijke oppervlakteantigenen (O-antigeen: deel van lipopolysaccharidelaag H: flagelline K-antigeen: capsule), b.v. O157:H7). [37] Het is echter gebruikelijk om alleen de serogroep te noemen, d.w.z. het O-antigeen. Op dit moment zijn ongeveer 190 serogroepen bekend. [38] De gangbare laboratoriumstam heeft een mutatie die de vorming van een O-antigeen voorkomt en is dus niet typeerbaar.

Genoomplasticiteit en evolutie

Zoals alle levensvormen, nieuwe soorten van E coli evolueren door de natuurlijke biologische processen van mutatie, genduplicatie en met name horizontale genoverdracht, 18% van het genoom van de laboratoriumstam MG1655 werd horizontaal verkregen sinds de afwijking van Salmonella. [39] E coli K-12 en E coli B-stammen zijn de meest gebruikte variëteiten voor laboratoriumdoeleinden. Sommige stammen ontwikkelen eigenschappen die schadelijk kunnen zijn voor een gastdier. Deze virulente stammen veroorzaken doorgaans een aanval van diarree die vaak vanzelf overgaat bij gezonde volwassenen, maar vaak dodelijk is voor kinderen in ontwikkelingslanden. [40] Meer virulente stammen, zoals O157:H7, veroorzaken ernstige ziekte of overlijden bij ouderen, zeer jonge mensen of immuungecompromitteerden. [40] [41]

de geslachten Escherichia en Salmonella ongeveer 102 miljoen jaar geleden uiteenliepen (geloofwaardigheidsinterval: 57-176 mya), wat samenvalt met de divergentie van hun gastheren: de eerste wordt gevonden bij zoogdieren en de laatste bij vogels en reptielen. [42] Dit werd gevolgd door een splitsing van an Escherichia voorouder in vijf soorten (E. albertii, E coli, E. fergusonii, E. hermannii, en E. kwetsbaarheid). De laatste E coli voorouder verdeeld tussen 20 en 30 miljoen jaar geleden. [43]

De langetermijnevolutie-experimenten met behulp van E coli, begonnen door Richard Lenski in 1988, hebben directe observatie van genoomevolutie over meer dan 65.000 generaties in het laboratorium mogelijk gemaakt. [44] Bijvoorbeeld, E coli hebben doorgaans niet het vermogen om aëroob te groeien met citraat als koolstofbron, dat wordt gebruikt als een diagnostisch criterium om te differentiëren E coli van andere, nauw verwante bacteriën zoals Salmonella. In dit experiment, een populatie van E coli evolueerde onverwacht het vermogen om citraat aëroob te metaboliseren, een belangrijke evolutionaire verschuiving met enkele kenmerken van microbiële soortvorming.

In de microbiële wereld kan een relatie van predatie worden vastgesteld die vergelijkbaar is met die in de dierenwereld. Overwogen is gebleken dat E. coli de prooi is van meerdere generalistische roofdieren, zoals: Myxococcus xanthus. In deze roofdier-prooirelatie wordt een parallelle evolutie van beide soorten waargenomen door middel van genomische en fenotypische modificaties, in het geval van E. coli zijn de modificaties gewijzigd in twee aspecten die betrokken zijn bij hun virulentie, zoals slijmvliesproductie (overmatige productie van exoplasmazuuralginaat ) en de onderdrukking van het OmpT-gen, waardoor in toekomstige generaties een betere aanpassing van een van de soorten wordt geproduceerd die wordt tegengegaan door de evolutie van de andere, volgens een co-evolutionair model dat wordt aangetoond door de Red Queen-hypothese. [45]

Neotype-stam Bewerken

E coli is de typesoort van het geslacht (Escherichia) en op zijn beurt Escherichia is het typegeslacht van de familie Enterobacteriaceae, waar de familienaam niet van het geslacht stamt Enterobacter + "i" (sic.) + "aceae", maar van "enterobacterium" + "aceae" (enterobacterium is geen geslacht, maar een alternatieve triviale naam voor enterische bacterie). [46] [47]

Aangenomen wordt dat de oorspronkelijke stam die door Escherich is beschreven verloren is gegaan, daarom werd een nieuwe typestam (neotype) gekozen als vertegenwoordiger: de neotype-stam is U5/41 T, [48] ook bekend onder de depotnamen DSM 30083, [49] ATCC 11775, [50] en NCTC 9001, [51] die pathogeen is voor kippen en een O1:K1:H7-serotype heeft. [52] In de meeste onderzoeken werd echter ofwel O157:H7, K-12 MG1655 of K-12 W3110 gebruikt als representatieve E coli. Het genoom van het type stam is pas onlangs gesequenced. [48]

Fylogenie van E coli stammen

Veel stammen die tot deze soort behoren, zijn geïsoleerd en gekarakteriseerd. Naast serotype (zie hierboven), kunnen ze worden geclassificeerd op basis van hun fylogenie, d.w.z. de afgeleide evolutionaire geschiedenis, zoals hieronder weergegeven, waar de soort in zes groepen is verdeeld. [53] [54] Vooral het gebruik van hele genoomsequenties levert sterk ondersteunde fylogenieën op. Op basis van dergelijke gegevens zijn vijf ondersoorten van E coli werden onderscheiden. [48]

Het verband tussen fylogenetische afstand ("verwantschap") en pathologie is klein, [48] bijv. de O157:H7-serotypestammen, die een clade ("een exclusieve groep") vormen - groep E hieronder - zijn allemaal enterohemorragische stammen (EHEC), maar niet alle EHEC-stammen zijn nauw verwant. In feite zijn er vier verschillende soorten Shigella zijn genest tussen E coli stammen (zie hierboven), terwijl E. albertii en E. fergusonii vallen buiten deze groep. Inderdaad, alles Shigella soorten werden geplaatst binnen een enkele ondersoort van E coli in een fylogenomische studie die de typestam omvatte, [48] en om deze reden is een overeenkomstige herclassificatie moeilijk. Alle veelgebruikte onderzoeksstammen van E coli behoren tot groep A en zijn voornamelijk afgeleid van Clifton's K-12-stam (λ + F + O16) en in mindere mate van d'Herelle's Bacillus coli stam (B-stam)(O7).

E coli S88 (O45:K1. Extracellulair pathogeen)

E coli UMN026 (O17:K52:H18. Extracellulair pathogeen)

E coli (O19:H34. Extracellulair pathogeen)

E coli (O7:K1. Extracellulair pathogeen)

E coli GOS1 (O104:H4 EAHEC) Duitse uitbraak in 2011

E coli ATCC8739 (O146. Crook's E.coli gebruikt in faagwerk in de jaren 1950)

E coli K-12 W3110 (O16. λ − F − "wildtype" moleculaire biologiestam)

E coli K-12 DH10b (O16. hoge elektrocompetentie moleculaire biologie stam)

E coli K-12 DH1 (O16. hoge chemische competentie moleculaire biologie stam)

E coli K-12 MG1655 (O16. λ − F − "wildtype" moleculair biologische stam)

E coli BW2952 (O16. competente moleculair biologische stam)

E coli B REL606 (O7. hoge competentie moleculair biologische stam)

E coli BL21-DE3 (O7. expressie moleculaire biologie stam met T7-polymerase voor pET-systeem)

De eerste volledige DNA-sequentie van an E coli genoom (laboratoriumstam K-12-derivaat MG1655) werd gepubliceerd in 1997. Het is een circulair DNA-molecuul met een lengte van 4,6 miljoen basenparen, met 4288 geannoteerde eiwitcoderende genen (georganiseerd in 2584 operons), zeven ribosomale RNA (rRNA) operons, en 86 transfer RNA (tRNA) genen. Ondanks dat ze al zo'n 40 jaar het onderwerp zijn van intensieve genetische analyse, waren veel van deze genen voorheen onbekend. De coderingsdichtheid bleek erg hoog te zijn, met een gemiddelde afstand tussen genen van slechts 118 basenparen. Het genoom bleek een aanzienlijk aantal transponeerbare genetische elementen, herhalingselementen, cryptische profagen en bacteriofaagresten te bevatten. [55]

Meer dan driehonderd complete genomische sequenties van Escherichia en Shigella soorten zijn bekend. De genoomsequentie van het type stam van E coli werd vóór 2014 aan deze collectie toegevoegd. [48] Vergelijking van deze sequenties laat een opmerkelijke hoeveelheid diversiteit zien. Slechts ongeveer 20% van elk genoom vertegenwoordigt sequenties die aanwezig zijn in elk van de isolaten, terwijl ongeveer 80% van elk genoom kan variëren tussen isolaten. [35] Elk individueel genoom bevat tussen de 4.000 en 5.500 genen, maar het totale aantal verschillende genen van alle gesequenced E coli stammen (het pangenoom) groter is dan 16.000. Deze zeer grote verscheidenheid aan samenstellende genen is geïnterpreteerd als een aanwijzing dat tweederde van de E coli pangenome is ontstaan ​​in andere soorten en is terechtgekomen via het proces van horizontale genoverdracht. [56]

genen in E coli worden meestal genoemd door 4-letterige acroniemen die zijn afgeleid van hun functie (indien bekend) en cursief gedrukt. Bijvoorbeeld, recA is genoemd naar zijn rol in homologe recombinatie plus de letter A. Functioneel verwante genen worden genoemd recB, recC, recD enz. De eiwitten worden genoemd door acroniemen in hoofdletters, b.v. RecA, RecB, enz. Wanneer het genoom van E coli werd gesequenced, werden alle genen (min of meer) in hun volgorde op het genoom genummerd en afgekort met b-nummers, zoals b2819 (= recD). De "b" namen zijn gemaakt na Fred Blattner, die de genoomsequentie-inspanning leidde. [55] Een ander nummeringssysteem werd geïntroduceerd met de volgorde van een ander E coli stam, W3110, waarvan de sequentie werd bepaald in Japan en daarom getallen gebruikt die beginnen met JW. (Japanees W3110), b.v. JW2787 (= recD). [57] Vandaar, recD = b2819 = JW2787. Merk echter op dat de meeste databases hun eigen nummeringssysteem hebben, b.v. de EcoGene-database [58] gebruikt EG10826 voor recD. Ten slotte worden ECK-nummers specifiek gebruikt voor allelen in de MG1655-stam van E coli K-12. [58] Volledige lijsten van genen en hun synoniemen kunnen worden verkregen uit databases zoals EcoGene of Uniprot.

Proteoom bewerken

Verschillende studies hebben het proteoom van E coli. In 2006 waren 1.627 (38%) van de 4.237 open leesramen (ORF's) experimenteel geïdentificeerd. [59] De sequentie van 4.639.221 basenparen van Escherichia coli K-12 wordt gepresenteerd. Van de 4288 geannoteerde eiwitcoderende genen heeft 38 procent geen toegeschreven functie. Vergelijking met vijf andere microben waarvan de sequentie is bepaald, onthult alomtegenwoordige en nauw verspreide genfamilies, veel families van vergelijkbare genen binnen E coli zijn ook duidelijk. De grootste familie van paraloge eiwitten bevat 80 ABC-transporters. Het genoom als geheel is opvallend georganiseerd met betrekking tot de lokale richting van replicatie guanines, oligonucleotiden die mogelijk gerelateerd zijn aan replicatie en recombinatie, en de meeste genen zijn zo georiënteerd. Het genoom bevat ook elementen van de insertiesequentie (IS), faagresten en vele andere patches met een ongebruikelijke samenstelling die wijzen op plasticiteit van het genoom door horizontale overdracht. [55]

Interactoom bewerken

Het interactoom van E coli is bestudeerd door affiniteitszuivering en massaspectrometrie (AP/MS) en door de binaire interacties tussen zijn eiwitten te analyseren.

Eiwitcomplexen. Een studie uit 2006 zuiverde 4.339 eiwitten uit culturen van stam K-12 en vond interagerende partners voor 2.667 eiwitten, waarvan vele op dat moment onbekende functies hadden. [60] Een studie uit 2009 vond 5.993 interacties tussen eiwitten van hetzelfde E coli stam, hoewel deze gegevens weinig overlap vertoonden met die van de publicatie van 2006. [61]

Binaire interacties. Rajagopala et al. (2014) hebben systematische gist-twee-hybride-screens uitgevoerd met de meeste E coli eiwitten, en vond in totaal 2.234 eiwit-eiwit interacties. [62] Deze studie integreerde ook genetische interacties en eiwitstructuren en bracht 458 interacties in kaart binnen 227 eiwitcomplexen.

E coli behoort tot een groep bacteriën die informeel bekend staat als coliformen die worden aangetroffen in het maagdarmkanaal van warmbloedige dieren. [63] E coli koloniseert normaal gesproken het maagdarmkanaal van een baby binnen 40 uur na de geboorte, aankomen met voedsel of water of van de personen die het kind hanteren. In de darm, E coli hecht zich aan het slijm van de dikke darm. Het is de primaire facultatieve anaërobe van het menselijke maagdarmkanaal.[64] (Facultatieve anaëroben zijn organismen die kunnen groeien in aanwezigheid of afwezigheid van zuurstof.) Zolang deze bacteriën geen genetische elementen verwerven die coderen voor virulentiefactoren, blijven ze goedaardige commensalen. [65]

Therapeutisch gebruik Bewerken

Vanwege de lage kosten en snelheid waarmee het kan worden gekweekt en aangepast in laboratoriumomgevingen, E coli is een populair expressieplatform voor de productie van recombinante eiwitten die worden gebruikt in therapieën. Een voordeel van het gebruik: E coli over een ander expressieplatform is dat: E coli exporteert van nature niet veel eiwitten naar het periplasma, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​eiwit van belang terug te winnen zonder kruisbesmetting. [66] De E coli K-12-stammen en hun derivaten (DH1, DH5α, MG1655, RV308 en W3110) zijn de stammen die het meest worden gebruikt door de biotechnologische industrie. [67] Niet-pathogeen E coli stam Nissle 1917 (EcN), (Mutaflor) en E coli O83:K24:H31 (Colinfant) [68] [69]) worden gebruikt als probiotische middelen in de geneeskunde, voornamelijk voor de behandeling van verschillende gastro-intestinale ziekten, [70] waaronder inflammatoire darmaandoeningen. [71] Er wordt gedacht dat de EcN-stam de groei van opportunistische pathogenen zou kunnen belemmeren, waaronder: Salmonella en andere coliforme enteropathogenen, door de productie van microcine-eiwitten de productie van sideroforen. [72]

Meest E coli stammen veroorzaken geen ziekte, die van nature in de darmen leeft [73] maar virulente stammen kunnen gastro-enteritis, urineweginfecties, neonatale meningitis, hemorragische colitis en de ziekte van Crohn veroorzaken. Veel voorkomende tekenen en symptomen zijn ernstige buikkrampen, diarree, hemorragische colitis, braken en soms koorts. In zeldzamere gevallen zijn virulente stammen ook verantwoordelijk voor darmnecrose (weefselsterfte) en perforatie zonder te evolueren naar hemolytisch-uremisch syndroom, peritonitis, mastitis, sepsis en gramnegatieve pneumonie. Zeer jonge kinderen zijn vatbaarder voor het ontwikkelen van een ernstige ziekte, zoals het hemolytisch-uremisch syndroom, maar gezonde personen van alle leeftijden lopen risico op de ernstige gevolgen die kunnen ontstaan ​​als gevolg van een besmetting met E coli. [64] [74] [75] [76]

Sommige soorten E coli, bijvoorbeeld O157:H7, kan Shiga-toxine produceren (geclassificeerd als een bioterrorisme-agens). Het Shiga-toxine veroorzaakt ontstekingsreacties in doelcellen van de darm, waardoor laesies achterblijven die resulteren in de bloederige diarree die een symptoom is van een Shiga-toxine-producerende E coli (STEC) infectie. Dit toxine veroorzaakt verder voortijdige vernietiging van de rode bloedcellen, die vervolgens het filtersysteem van het lichaam, de nieren, verstoppen, in enkele zeldzame gevallen (meestal bij kinderen en ouderen) waardoor het hemolytisch-uremisch syndroom (HUS) ontstaat, wat kan leiden tot nierfalen en zelfs de dood. Tekenen van hemolytisch-uremisch syndroom zijn onder meer verminderde frequentie van urineren, lethargie en bleekheid van de wangen en in de onderste oogleden. Bij 25% van de HUS-patiënten treden complicaties van het zenuwstelsel op, die op hun beurt beroertes veroorzaken. Bovendien veroorzaakt deze stam de ophoping van vocht (omdat de nieren niet werken), wat leidt tot oedeem rond de longen, benen en armen. Deze toename van vochtophoping, vooral rond de longen, belemmert de werking van het hart, waardoor de bloeddruk stijgt. [77] [22] [78] [79] [80] [75] [76]

Uropathogeen E coli (UPEC) is een van de belangrijkste oorzaken van urineweginfecties. [81] Het maakt deel uit van de normale darmflora en kan op veel manieren worden geïntroduceerd. Vooral bij vrouwen kan de richting van het afvegen na de ontlasting (van achteren naar voren vegen) leiden tot fecale besmetting van de urogenitale openingen. Anale geslachtsgemeenschap kan deze bacterie ook in de mannelijke urethra introduceren, en door over te schakelen van anale naar vaginale geslachtsgemeenschap, kan de man ook UPEC introduceren in het vrouwelijke urogenitale systeem.

Enterotoxigeen E coli (ETEC) is de meest voorkomende oorzaak van reizigersdiarree, met maar liefst 840 miljoen gevallen wereldwijd in ontwikkelingslanden per jaar. De bacteriën, die meestal worden overgedragen via besmet voedsel of drinkwater, hechten zich aan de darmwand, waar het een van de twee soorten enterotoxinen afscheidt, wat leidt tot waterige diarree. Het aantal en de ernst van infecties zijn hoger bij kinderen onder de vijf jaar, waaronder maar liefst 380.000 sterfgevallen per jaar. [82]

In mei 2011 een E coli stam, O104:H4, was het onderwerp van een bacteriële uitbraak die begon in Duitsland. bepaalde stammen van E coli zijn een belangrijke oorzaak van door voedsel overgedragen ziekten. De uitbraak begon toen verschillende mensen in Duitsland besmet waren met enterohemorrhagische E coli (EHEC) bacteriën, wat leidt tot hemolytisch-uremisch syndroom (HUS), een medisch noodgeval dat dringend moet worden behandeld. De uitbraak trof niet alleen Duitsland, maar ook 15 andere landen, waaronder regio's in Noord-Amerika. [83] Op 30 juni 2011 heeft de Duitse Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) (Federaal Instituut voor Risicobeoordeling, een federaal instituut binnen het Duitse federale ministerie van Voedsel, Landbouw en Consumentenbescherming) kondigde aan dat zaden van fenegriek uit Egypte waarschijnlijk de oorzaak waren van de EHEC-uitbraak. [84]

Sommige studies hebben een afwezigheid van E.coli in de darmflora van proefpersonen met de stofwisselingsziekte fenylketonurie. Er wordt verondersteld dat de afwezigheid van deze normale bacteriën de productie van de belangrijkste vitamines B . schaadt2 (riboflavine) en K2 (menachinon) - vitamines die betrokken zijn bij veel fysiologische rollen bij mensen, zoals het cellulaire en botmetabolisme - en zo bijdragen aan de aandoening. [85]

Incubatietijd Bewerken

De tijd tussen het innemen van de STEC-bacteriën en het ziek voelen wordt de "incubatietijd" genoemd. De incubatietijd is gewoonlijk 3-4 dagen na de blootstelling, maar kan zo kort zijn als 1 dag of zo lang als 10 dagen. De symptomen beginnen vaak langzaam met milde buikpijn of niet-bloederige diarree die over meerdere dagen verergert. HUS, als het optreedt, ontwikkelt zich gemiddeld 7 dagen na de eerste symptomen, wanneer de diarree verbetert. [86]

Diagnose Bewerken

Diagnose van infectieuze diarree en identificatie van antimicrobiële resistentie wordt uitgevoerd met behulp van een ontlastingscultuur met daaropvolgende antibioticagevoeligheidstests. Het duurt minimaal 2 dagen en maximaal enkele weken om gastro-intestinale pathogenen te kweken. De gevoeligheid (echt positief) en specificiteit (echt negatief) voor ontlastingscultuur verschillen per pathogeen, hoewel een aantal menselijke pathogenen niet kunnen worden gekweekt. Voor kweekpositieve monsters duurt het testen van antimicrobiële resistentie 12-24 uur extra.

Huidige point-of-care moleculaire diagnostische tests kunnen identificeren: E coli en antimicrobiële resistentie in de geïdentificeerde stammen veel sneller dan kweek- en gevoeligheidstesten. Op microarray gebaseerde platforms kunnen specifieke pathogene stammen van E coli en E coli-specifieke AMR-genen in twee uur of minder met hoge gevoeligheid en specificiteit, maar de grootte van het testpanel (d.w.z. totale pathogenen en antimicrobiële resistentiegenen) is beperkt. Nieuwere op metagenomica gebaseerde diagnostische platforms voor infectieziekten worden momenteel ontwikkeld om de verschillende beperkingen van cultuur en alle momenteel beschikbare moleculaire diagnostische technologieën te overwinnen.

Behandeling Bewerken

De steunpilaar van de behandeling is de beoordeling van uitdroging en vervanging van vocht en elektrolyten. Het is aangetoond dat toediening van antibiotica het ziekteverloop en de duur van de uitscheiding van enterotoxigene stoffen verkort E coli (ETEC) bij volwassenen in endemische gebieden en bij reizigersdiarree, hoewel de mate van resistentie tegen veelgebruikte antibiotica toeneemt en ze over het algemeen niet worden aanbevolen. [87] Het gebruikte antibioticum hangt af van gevoeligheidspatronen in de specifieke geografische regio. Momenteel zijn de antibiotica van keuze fluoroquinolonen of azithromycine, met een opkomende rol voor rifaximine. Oraal rifaximine, een semisynthetisch rifamycinederivaat, is een effectief en goed verdragen antibacterieel middel voor de behandeling van volwassenen met niet-invasieve reizigersdiarree. Rifaximine was significant effectiever dan placebo en niet minder effectief dan ciprofloxacine bij het verminderen van de duur van diarree. Hoewel rifaximine effectief is bij patiënten met: E coli-overheersende reizigersdiarree, het lijkt niet effectief bij patiënten die zijn geïnfecteerd met inflammatoire of invasieve enteropathogenen. [88]

Preventie Bewerken

ETEC is het type E coli waarop de meeste inspanningen voor de ontwikkeling van vaccins gericht zijn. Antilichamen tegen de LT en belangrijke CF's van ETEC bieden bescherming tegen LT-producerende, ETEC tot expressie brengende homologe CF's. Er zijn orale geïnactiveerde vaccins ontwikkeld die bestaan ​​uit toxine-antigeen en hele cellen, d.w.z. het gelicentieerde recombinante cholera B-subeenheid (rCTB)-WC-choleravaccin Dukoral. Er zijn momenteel geen goedgekeurde vaccins voor ETEC, hoewel verschillende zich in verschillende stadia van ontwikkeling bevinden. [89] In verschillende onderzoeken bood het rCTB-WC-choleravaccin een hoge (85-100%) kortetermijnbescherming. Een oraal ETEC-vaccinkandidaat bestaande uit rCTB en geïnactiveerd formaline E coli In klinische onderzoeken is aangetoond dat bacteriën die ernstige CF's tot expressie brengen veilig, immunogeen en effectief zijn tegen ernstige diarree bij Amerikaanse reizigers, maar niet tegen ETEC-diarree bij jonge kinderen in Egypte. Een gemodificeerd ETEC-vaccin bestaande uit recombinant E coli stammen die de belangrijkste CF's tot overexpressie brengen en een meer LT-achtig hybride toxoïde genaamd LCTBA, ondergaan klinische tests. [90] [91]

Andere bewezen preventiemethoden voor: E coli overdracht omvat handen wassen en verbeterde sanitaire voorzieningen en drinkwater, aangezien overdracht plaatsvindt via fecale besmetting van voedsel en watervoorraden. Bovendien zijn het grondig koken van vlees en het vermijden van consumptie van rauwe, ongepasteuriseerde dranken, zoals sappen en melk, andere beproefde methoden om E coli. Vermijd ten slotte kruisbesmetting van keukengerei en werkruimten bij het bereiden van voedsel. [92]

Vanwege de lange geschiedenis van laboratoriumcultuur en het gemak van manipulatie, E coli speelt een belangrijke rol in de moderne biologische engineering en industriële microbiologie. [93] Het werk van Stanley Norman Cohen en Herbert Boyer in E coli, met behulp van plasmiden en restrictie-enzymen om recombinant DNA te creëren, werd het een fundament van de biotechnologie. [94]

E coli is een zeer veelzijdige gastheer voor de productie van heterologe eiwitten, [95] en er zijn verschillende eiwitexpressiesystemen ontwikkeld die de productie van recombinante eiwitten in E coli. Onderzoekers kunnen genen in de microben introduceren met behulp van plasmiden die eiwitexpressie op hoog niveau mogelijk maken, en dergelijk eiwit kan in massaproductie worden geproduceerd in industriële fermentatieprocessen. Een van de eerste bruikbare toepassingen van recombinant-DNA-technologie was de manipulatie van E coli menselijke insuline te produceren. [96]

Veel eiwitten waarvan voorheen werd gedacht dat ze moeilijk of onmogelijk tot expressie konden worden gebracht E coli in gevouwen vorm zijn met succes uitgedrukt in E coli. Eiwitten met meerdere disulfidebindingen kunnen bijvoorbeeld worden geproduceerd in de periplasmatische ruimte of in het cytoplasma van mutanten die voldoende oxiderend zijn gemaakt om disulfidebindingen te laten vormen, [97], terwijl eiwitten die post-translationele modificatie vereisen, zoals glycosylering voor stabiliteit of functie, hebben uitgedrukt met behulp van het N-gebonden glycosylatiesysteem van Campylobacter jejuni gemanipuleerd in E coli. [98] [99] [100]

Gewijzigd E coli cellen zijn gebruikt bij de ontwikkeling van vaccins, bioremediatie, productie van biobrandstoffen, [101] verlichting en productie van geïmmobiliseerde enzymen. [95] [102]

Stam K-12 is een gemuteerde vorm van E coli dat het enzym alkalische fosfatase (ALP) tot overexpressie brengt. [103] De mutatie ontstaat door een defect in het gen dat constant codeert voor het enzym. Van een gen dat een product produceert zonder enige remming wordt gezegd dat het constitutieve activiteit heeft. Deze specifieke mutantvorm wordt gebruikt om het bovengenoemde enzym te isoleren en te zuiveren. [103]

Stam OP50 van Escherichia coli wordt gebruikt voor het onderhoud van Caenorhabditis elegans culturen.

Stam JM109 is een gemuteerde vorm van E coli dat is recA en endA deficiënt. De stam kan worden gebruikt voor blauw/wit screening wanneer de cellen het vruchtbaarheidsfactor episoom dragen [104] Gebrek aan recA vermindert de mogelijkheid van ongewenste restrictie van het DNA van belang en het ontbreken van endA remt de afbraak van plasmide-DNA. JM109 is dus bruikbaar voor klonerings- en expressiesystemen.

Modelorganisme Bewerken

E coli wordt vaak gebruikt als modelorganisme in microbiologische studies. Gecultiveerde soorten (bijv. E coli K12) zijn goed aangepast aan de laboratoriumomgeving en hebben, in tegenstelling tot wildtype stammen, hun vermogen om te gedijen in de darm verloren. Veel laboratoriumstammen verliezen hun vermogen om biofilms te vormen. [105] [106] Deze eigenschappen beschermen wild-type stammen tegen antilichamen en andere chemische aanvallen, maar vereisen een grote uitgave van energie en materiële middelen. E coli wordt vaak gebruikt als een representatief micro-organisme in het onderzoek naar nieuwe waterbehandelings- en sterilisatiemethoden, waaronder fotokatalyse. Met standaard plaattellingsmethoden, na opeenvolgende verdunningen en groei op agargelplaten, kan de concentratie van levensvatbare organismen of CFU's (Colony Forming Units) in een bekend volume behandeld water worden geëvalueerd, waardoor de prestatie van materialen kan worden vergeleken. [107]

In 1946 beschreven Joshua Lederberg en Edward Tatum voor het eerst het fenomeen dat bekend staat als bacteriële conjugatie met behulp van E coli als een modelbacterie [108] en het blijft het primaire model om conjugatie te bestuderen. [109] E coli was een integraal onderdeel van de eerste experimenten om faaggenetica te begrijpen [110] en vroege onderzoekers, zoals Seymour Benzer, gebruikten E coli en faag T4 om de topografie van de genstructuur te begrijpen. [111] Voorafgaand aan het onderzoek van Benzer was het niet bekend of het gen een lineaire structuur had of een vertakkingspatroon had. [112]

E coli was een van de eerste organismen waarvan het genoom het volledige genoom van E coli K12 is uitgegeven door Wetenschap in 1997 [55]

Van 2002 tot 2010 creëerde een team van de Hongaarse Academie van Wetenschappen een soort van Escherichia coli genaamd MDS42, dat nu wordt verkocht door Scarab Genomics uit Madison, WI onder de naam "Clean Genome. E.coli", [113] waar 15% van het genoom van de ouderstam (E. coli K-12 MG1655) verwijderd om te helpen bij de efficiëntie van de moleculaire biologie, het verwijderen van IS-elementen, pseudogenen en fagen, wat resulteert in een beter onderhoud van door plasmiden gecodeerde toxische genen, die vaak worden geïnactiveerd door transposons. [114] [115] [116] Biochemie en replicatiemachines werden niet gewijzigd.

Door de mogelijke combinatie van nanotechnologieën met landschapsecologie te evalueren, kunnen complexe habitatlandschappen worden gegenereerd met details op nanoschaal. [117] Op dergelijke synthetische ecosystemen, evolutionaire experimenten met E coli zijn uitgevoerd om de ruimtelijke biofysica van adaptatie in een eilandbiogeografie op de chip te bestuderen.

Er worden ook studies uitgevoerd die proberen te programmeren E coli om ingewikkelde wiskundige problemen op te lossen, zoals het Hamiltonpadprobleem. [118]

In andere onderzoeken, niet-pathogeen E coli is gebruikt als een model micro-organisme voor het begrijpen van de effecten van gesimuleerde microzwaartekracht (op aarde) op hetzelfde. [119] [120]

In 1885 ontdekte de Duits-Oostenrijkse kinderarts Theodor Escherich dit organisme in de ontlasting van gezonde personen. Hij noemde het Bacterie coli gemeente omdat het in de dikke darm wordt gevonden. Vroege classificaties van prokaryoten plaatsten deze in een handvol geslachten op basis van hun vorm en beweeglijkheid (in die tijd was Ernst Haeckel's classificatie van bacteriën in het koninkrijk Monera van kracht). [91] [121] [122]

Bacterie coli was de typesoort van het nu ongeldige geslacht? Bacterie toen werd onthuld dat de voormalige typesoort ("Bacterie triloculaire") ontbrak. [123] Na een herziening van Bacterie, het werd geherclassificeerd als Bacillus coli door Migula in 1895 [124] en later heringedeeld in het nieuw gecreëerde geslacht Escherichia, genoemd naar de oorspronkelijke ontdekker. [125]

In 1996, 's werelds ergste uitbraak van E coli voedselvergiftiging vond plaats in Wishaw, Schotland, waarbij 21 mensen omkwamen. [126] Dit dodental werd overschreden in 2011, toen de Duitse E. coli O104:H4-uitbraak in 2011, gekoppeld aan biologische fenegriekspruiten, 53 mensen doodde.


Fluxbalansanalyse is gebaseerd op beperkingen

De eerste stap in FBA is om metabolische reacties wiskundig weer te geven (Box 1). Het belangrijkste kenmerk van deze weergave is een tabel, in de vorm van een numerieke matrix, van de stoichiometrische coëfficiënten van elke reactie (Fig. 1a,b). Deze stoichiometrieën leggen beperkingen op aan de stroom van metabolieten door het netwerk. Beperkingen zoals deze vormen de kern van FBA en onderscheiden de benadering van op theorie gebaseerde modellen op basis van biofysische vergelijkingen die veel moeilijk te meten kinetische parameters vereisen 8, 9 .

Kader 1: Wiskundige weergave van metabolisme

Metabolische reacties worden weergegeven als een stoichiometrische matrix (S), van grootte m*N. Elke rij van deze matrix vertegenwoordigt één unieke verbinding (voor een systeem met m verbindingen) en elke kolom vertegenwoordigt één reactie (N reacties). De vermeldingen in elke kolom zijn de stoichiometrische coëfficiënten van de metabolieten die deelnemen aan een reactie. Er is een negatieve coëfficiënt voor elke verbruikte metaboliet en een positieve coëfficiënt voor elke geproduceerde metaboliet. Voor elke metaboliet die niet aan een bepaalde reactie deelneemt, wordt een stoichiometrische coëfficiënt van nul gebruikt. S is een schaarse matrix, aangezien bij de meeste biochemische reacties slechts een paar verschillende metabolieten betrokken zijn. De flux door alle reacties in een netwerk wordt weergegeven door de vector v, die een lengte heeft van N. De concentraties van alle metabolieten worden weergegeven door de vector x, met lengte m. Het systeem van massabalansvergelijkingen in stabiele toestand (dx/dt = 0) wordt gegeven in Fig. 1c 23 :

Ieder v die aan deze vergelijking voldoet, is naar verluidt in de nulruimte van S. In elk realistisch grootschalig metabolisch model zijn er meer reacties dan verbindingen (N > m). Met andere woorden, er zijn meer onbekende variabelen dan vergelijkingen, dus er is geen unieke oplossing voor dit stelsel vergelijkingen.

Hoewel beperkingen een reeks oplossingen definiëren, is het nog steeds mogelijk om afzonderlijke punten binnen de oplossingsruimte te identificeren en te analyseren. We kunnen bijvoorbeeld geïnteresseerd zijn in het identificeren van welk punt overeenkomt met de maximale groeisnelheid of maximale ATP-productie van een organisme, gezien de specifieke reeks beperkingen. FBA is een methode voor het identificeren van dergelijke optimale punten binnen een beperkte ruimte (Fig. 2).

De conceptuele basis van op beperkingen gebaseerde modellering en FBA. Zonder beperkingen kan de fluxverdeling van een biologisch netwerk op elk punt in een oplossingsruimte liggen. Wanneer massabalansbeperkingen opgelegd door de stoichiometrische matrix S (1) en capaciteitsbeperkingen opgelegd door de onder- en bovengrenzen (al en Bl) (2) worden toegepast op een netwerk, definieert het een toegestane oplossingsruimte. Het netwerk kan elke fluxverdeling binnen deze ruimte krijgen, maar punten buiten deze ruimte worden door de beperkingen ontkend. Door optimalisatie van een objectieve functie kan FBA een enkele optimale fluxverdeling identificeren die aan de rand van de toegestane oplossingsruimte ligt.

FBA probeert een objectieve functie te maximaliseren of te minimaliseren Z = C t v, wat elke lineaire combinatie van fluxen kan zijn, waarbij C is een vector van gewichten, die aangeeft hoeveel elke reactie (zoals de biomassareactie bij het simuleren van maximale groei) bijdraagt ​​aan de doelfunctie. In de praktijk, wanneer slechts één reactie gewenst is voor maximalisatie of minimalisatie, C is een vector van nullen met een één op de positie van de betreffende reactie (Fig. 1d).

Optimalisatie van een dergelijk systeem wordt bereikt door lineaire programmering (Fig. 1e). FBA kan dus worden gedefinieerd als het gebruik van lineaire programmering om de vergelijking op te lossen Sv = 0 gegeven een reeks boven- en ondergrenzen op v en een lineaire combinatie van fluxen als objectieve functie. De output van FBA is een bepaalde fluxverdeling, v, die de doelfunctie maximaliseert of minimaliseert.

Formulering van een FBA-probleem.(een) Eerst wordt een metabolische netwerkreconstructie gebouwd, bestaande uit een lijst van stoichiometrisch uitgebalanceerde biochemische reacties. (B) Vervolgens wordt deze reconstructie omgezet in een wiskundig model door een matrix te vormen (gelabeld S) waarin elke rij staat voor een metaboliet en elke kolom staat voor een reactie. (C) In stabiele toestand wordt de flux door elke reactie gegeven door de vergelijking Sv = 0. Aangezien er meer reacties zijn dan metabolieten in grote modellen, is er meer dan één mogelijke oplossing voor deze vergelijking. (NS) Een objectieve functie wordt gedefinieerd als Z = C t v, waar C is een vector van gewichten (geeft aan hoeveel elke reactie bijdraagt ​​aan de doelfunctie). In de praktijk, wanneer slechts één reactie gewenst is voor maximalisatie of minimalisatie, C is een vector van nullen met een één op de positie van de betreffende reactie. Bij het simuleren van groei zal de doelfunctie een 1 hebben op de plaats van de biomassareactie. (e) Ten slotte kan lineaire programmering worden gebruikt om een ​​bepaalde fluxverdeling te identificeren die deze doelfunctie maximaliseert of minimaliseert, met inachtneming van de beperkingen die worden opgelegd door de massabalansvergelijkingen en reactiegrenzen.

Beperkingen worden op twee manieren weergegeven, als vergelijkingen die de input en output van reacties in evenwicht houden en als ongelijkheden die het systeem grenzen stellen. De matrix van stoichiometrieën legt flux (dat wil zeggen, massa) balansbeperkingen op aan het systeem, en zorgt ervoor dat de totale hoeveelheid van elke geproduceerde verbinding gelijk moet zijn aan de totale hoeveelheid die in stabiele toestand wordt verbruikt (Fig. 1c). Elke reactie kan ook boven- en ondergrenzen worden gegeven, die de maximaal en minimaal toegestane fluxen van de reacties definiëren. Deze balansen en grenzen bepalen de ruimte van toelaatbare fluxverdelingen van een systeem, dat wil zeggen de snelheden waarmee elke metaboliet door elke reactie wordt verbruikt of geproduceerd. Er kunnen ook andere beperkingen worden toegevoegd 10 .


Gecontroleerde reducerende omgevingen genereren in aerobe recombinant Escherichia coli fermentaties: effecten op celgroei, zuurstofopname, hitteschok-eiwitexpressie en in vivo CAT-activiteit

Center for Agricultural Biotechnology, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742Zoek naar meer artikelen van deze auteur

Centrum voor landbouwbiotechnologie, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742

Centrum voor landbouwbiotechnologie, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742

Centrum voor landbouwbiotechnologie, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742

Medical Biotechnology Center, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical and Biochemical Engineering, University of Maryland Baltimore County, Baltimore, Maryland 21228

Centrum voor landbouwbiotechnologie, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742

Center for Agricultural Biotechnology, University of Maryland Biotechnology Institute en Department of Chemical Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland 20742Zoek naar meer artikelen van deze auteur

Abstract

De onafhankelijke controle van de redoxpotentiaal van de cultuur (CRP) door de gereguleerde toevoeging van een reductiemiddel, dithiothreitol (DTT), werd aangetoond in beluchte recombinante Escherichia coli fermentaties. Matige niveaus van DTT-toevoeging resulteerden in minimale veranderingen in specifieke zuurstofopname, groeisnelheid en opgeloste zuurstof. Overmatige hoeveelheden DTT-toevoeging waren toxisch voor de cellen, wat leidde tot stopzetting van de groei. De activiteit van chlooramfenicolacetyltransferase (CAT) (nmol/μg totaal eiwit min.) nam af in batchfermentatie-experimenten met betrekking tot toenemende niveaus van DTT-toevoeging. Om de mechanismen die de CAT-activiteit beïnvloeden verder te onderzoeken, werden experimenten uitgevoerd om de expressie van heat shock-eiwit en specifieke CAT-activiteit (nmol/μg CAT min.) te testen. Expressie van dergelijke moleculaire chaperonnes als GroEL en DnaK bleek toe te nemen na toevoeging van DTT. Bovendien werd gezien dat sigmafactor 32 (σ32) en verschillende proteasen dramatisch toenamen tijdens toevoeging van DTT. Specifieke CAT-activiteit (nmol/μg CAT min.) varieerde sterk naarmate DTT werd toegevoegd, maar er werd een minimum in activiteit gevonden bij het hoogste niveau van DTT-toevoeging in E coli stammen RR1 [pBR329] en JM105 [pROEX-CAT]. In samenhang werd gevonden dat cellulaire stress een maximum bereikte bij dezelfde DTT-niveaus. Hoewel DTT-toevoeging het potentieel heeft om de intracellulaire eiwitvouwing direct te beïnvloeden, zijn de effecten die worden gevoeld door de verhoogde stress in de cel waarschijnlijk de dominante effector. Dat de effecten van DTT werden gemeten in het cytoplasma van de cel, suggereert dat het periplasmatische redoxpotentieel ook was veranderd. De veranderingen in specifieke CAT-activiteit, moleculaire chaperonnes en andere heat shock-eiwitten, in aanwezigheid van minimale veranderingen in groeisnelheid en zuurstofopname, suggereren dat de ex vivo controle van redoxpotentiaal een nieuw proces biedt voor het beïnvloeden van de opbrengst en conformatie van heterologe eiwitten in belucht E coli fermentaties. © 1998 John Wiley & Sons, Inc. Biotechnol Bioeng 59: 248–259, 1998.


5 belangrijke metabole routes in organismen| Microbiologie

De volgende punten belichten de vijf belangrijkste routes in organismen. De routes zijn: 1. Glycolyse 2. Pentosefosfaatroute 3. Entner-Doudoroff-route 4. Tricarbonzuurcyclus 5. Glyoxylaatcyclus.

Metabole route # 1. Glycolyse:

Glycolyse (glycosuiker van zoet, afbraak door lysis) is de beginfase van het metabolisme waarin het organische molecuul glucose en andere suikers gedeeltelijk worden geoxideerd tot kleinere moleculen, b.v. pyruvaat meestal met de vorming van wat ATP en verminderde co-enzymen. Micro-organismen gebruiken verschillende metabole routes om glucose en andere suikers te kataboliseren.

Er zijn drie belangrijke routes voor de omzetting van glucose naar pyruvaat, zoals de glycolyse of de Embden-Myerhof-route (BMP), de pentosefosfaat-route en de Entner-Doudroff-route. Glycolyse is het belangrijkste type mechanisme waarmee organismen energie halen uit organische verbindingen in afwezigheid van moleculaire zuurstof. Omdat het plaatsvindt in afwezigheid van zuurstof, wordt het daarom ook anaërobe fermentatie genoemd.

Omdat levende organismen ontstonden in een zuurstofarme omgeving, was anaërobe fermentatie de enige methode om energie te verkrijgen. Glycolyse of anaërobe fermentatie is echter aanwezig in zowel aerobe als anaerobe organismen.

De meeste hogere organismen hebben de glycolytische afbraakroute behouden, d.w.z. glucose tot pyrodruivenzuur, als een voorbereidende route voor een volledig aeroob katabolisme van glucose. Glycolyse dient ook als een noodmechanisme in anaërobe organismen om energie te produceren in afwezigheid van zuurstof.

(i) EMP-paden:

In het geval van aëroob katabool koolhydraatmetabolisme (aërobe ademhaling en shytion), vertonen sommige bacteriën zoals E. coli, Azotobacter spp., Bacillus eutrophus, enz. EMP-route, terwijl de ED-route (gefosforyleerd) wordt gevolgd door de soorten Alcaligenes, Rhizobium, Xanthomonas , enz. De niet-gefosforyleerde ED-route komt voor in archaea (Pyrococcus spp., Thermoplasma spp, enz.). Het is interessant op te merken dat geen enkele archeobacteriën de EMP-route gebruikt.

EMP-route in bacteriën wordt gestart door gebruik te maken van het fosfoenolpyruvaatfosfotransferasesysteem (PEP: PTS) dat glucose omzet in glucose-6-fosfaat tijdens het transport van voedingsstoffen door het celmembraan.

Het glucose-6-fosfaat wordt vervolgens geïsomeriseerd tot fructose-6-fosfaat, dat verder wordt omgezet in fructose-1,6-bifosfaat. Deze omzetting vereist ATP als energiebron en een enzym dat fosfofructokinase wordt genoemd.

Het is in wezen de omkering van glycolyse, die een vergelijkbare anaplerotische rol vervult. Het is vooral belangrijk tijdens de groei op aan pyruvaat gerelateerde C3 verbindingen en C2 eenheden. De verschillende soorten koolstofstromen uit pyruvaat zorgen voor een toevoer van hexosen. Deze zijn nodig voor de celwand en de synthese van componenten.

De volledige route van glycolyse van glucose naar pyruvaat (Fig. 12.4) werd opgehelderd door Gustav Embden (die de manier van splitsing van fructose 1, 6-difosfaat en het patroon van de daaropvolgende stappen gaf) en Otto Meyerhof (die het werk van Embden en bestudeerde de energie van glycolyse), in de late jaren 1953. Daarom wordt de sequentiereactie van glucose naar pyruvaat ook wel Embden-Meyerhof-route of glycolyse (EMP) genoemd.

De algemene balans van glycolyse wordt hieronder gegeven:

Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD + → Pyruvaat + 2ATP + 2NADH + 2H +

In anaërobe organismen wordt pyruvaat verder omgezet in lactaat of andere organische verbindingen zoals alcohol, enz., Na gebruik van NADH en H + gevormd tijdens glycolyse:

Pyruvaat + NADH + H+ ↔ Lactaat + NAD +

In aeroben wordt het pyruvaat omgezet in acetyl-CoA als voorbereidende stap voor toegang tot de tricarbonzuurcyclus, voor volledige oxidatie van glucose.

Pyruvaat + NAD + + CoA → Acetyl CoA + NADH + H + + CO2

Glycolyse wordt uitgevoerd met behulp van tien enzymen voor tien reacties van de glycolytische route. Deze enzymen zijn aanwezig in het oplosbare deel van het cytoplasma. Alle mtermediaten van de glycolytische route zijn gefosforyleerde verbindingen. De belangrijkste toepassing van fosfaatgroepen is bij de productie van ATP uit ADP en fosfaat.

De volledige reacties van de glycolytische route kunnen in twee fasen worden verdeeld. In de eerste fase wordt ATP gebruikt en wordt glucose omgezet in twee moleculen van drie koolstofverbindingen, glyceraldehyde 3-fosfaat en dihydroxyacetonfosfaat. Het glyceraldehyde 3-fosfaat wordt omgezet in pyrodruivenzuur, wat resulteert in een netto synthese van twee ATP-moleculen.

De volledige reactie met het respectieve enzym wordt getoond in Fig. 12.4:

Naast glucose kunnen ook andere soorten suiker (monosachariden, disachariden, polysachariden) de glycolytische route binnendringen.

(а) Polysachariden, b.v. Glycogeen:

Glucose-6-fosfaat Glucose-6-fosfaat kan binnenkomen als tussenproduct van glycolyse.

(b) Disachariden, b.v. sacharose:

De drie belangrijkste regulerende enzymen, hexokinase, fosfofructokinase en pyruvaatkinase werken onomkeerbaar en de rest van de stappen is omkeerbaar.

(c) Homosachariden: e.G. fructose:

Fructose kan de glycolyse ingaan door over te schakelen naar glyceraldehyde 3-fosfaat.

Dihydroxyacetonfosfaat kan in de glycolyse terechtkomen na enzymatische omzetting in dihydroxyacetonfosfaat.

(ii) Alternatieve EMP-route-methylglyoxal-route:

De methylglyoxalroute is een alternatief voor de EMP-route. Het werkt in aanwezigheid van een lage fosfaatconcentratie voor de bacteriën, E. coli, Clostridium spp., Pseudomonas spp. enz. In deze route wordt het aldus gevormde dihydroxyaceton omgezet in methylglyoxal, wat later aanleiding geeft tot pyruvaat.

Daarom is er volledige afwezigheid van de fosforyleringsstap waarin glyceraldehyde 3-fosfaat 1,3-bis-fosfoglyceraat vormt. De methylglyoxalroute verbruikt O2 en ATP en er wordt geen ATP gegenereerd in deze route (Fig. 12.5).

Metabole route # 2. Pentosefosfaatroute (PPP):

De pentosefosfaatroute is een alternatief voor de afbraak van glucose. Deze route, ook wel hexosemonofosfaatshunt (HMP) of fosfogluconaatroute genoemd, is niet de belangrijkste route, maar is een multifunctionele route. De belangrijkste functie is het genereren van reducerend vermogen in het extra-mitochondriale cytoplasma in de vorm van NADH. De tweede functie is om hexosen om te zetten in pentosen, die nodig zijn bij de synthese van nucleïnezuren.

De derde functie is de volledige oxidatieve afbraak van pentose. De reacties van de fosfogluconaatroute vinden plaats in het oplosbare deel van het extra-mitochondriale cytoplasma van cellen.

De bacteriën die PPP vertonen zijn Bacillus subtilis, E. coli. Streptococcus faecalis en Leuconostoc mesenteroides. Afgezien van micro-organismen zijn de prominente weefsels die PPP vertonen, de lever, de borstklier en de bijnierschors. De volledige PPP wordt gegeven in Fig 12.6.

Er zijn drie enzymen betrokken bij PPP, namelijk transketolase, transaldolase en ribulosefosfaat-3-epimerase. Ribulosefosfaat 3-epimerase katalyseert de omzetting van ribulose 5-fosfaat in het epimeer xylulose 5-fosfaat. Transketolase brengt de glycoaldehydegroep (CH, OH-CO-) over van xylulose-5-fosfaat naar ribose-5-fosfaat om sedoheptulose-7-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat op te leveren.

Transketolase katalyseert ook de overdracht van een glycoaldehydegroep van een aantal 2-ketosuikerfosfaat naar een koolstofatoom van een aantal verschillende aldosefosfaat. Transaldolase werkt op de producten van transketolase en brengt de dihydroxyacetongroep over om fructose-6-fosfaat en erythrose-4-fosfaat te vormen (Fig. 12.6).

Fig. 12.6: De pentosefosfaatroute.

De pentosefosfaatroute functioneert dus volgens de behoeften van de cel. Als de vereiste om het vermogen te verminderen groter is, gaat het verder in de richting van de vorming van NADPH, maar als pentosen vereist zijn, werkt het in de richting van de vorming van pentose. Maar als de cel onmiddellijke energie nodig heeft, stopt de PPP en gaan de glycolyse en TCA verder.

(a) Aan anabole reacties waarvoor elektronendonoren nodig zijn

(b) Naar Calvin-Benson-cyclus (donkere reacties van fotosynthese)

(c) Voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren

(d) Naar stap e van glycolyse

(e) Naar glucose-6-fosfaat dat de pentosefosfaatroute of glycolyse kan binnendringen

(f) Voor de synthese van verschillende aminozuren.

Metabole route # 3. Entner-Doudoroff-route:

Afgezien van glycolyse is de Entner-Doudoroff-route een andere route voor oxidatie van glucose tot pyrodruivenzuur. Deze route wordt gevonden in sommige Gram-negatieve bacteriën zoals Rhizobium, Agrobacterium en Pseudomonas en is afwezig in Gram-positieve bacteriën. In deze route vormt elk molecuul glucose twee moleculen NADPH en één molecuul ATP. Het volledige traject wordt getoond in Fig. 12.7.

In deze route wordt glucose-6-fosfaat geoxideerd tot 6-fosfogluconaat en vervolgens omgezet in 2-keto-3-deoxy-6-fosfoglucose (kDPG) gesplitst met behulp van een enzym om direct glyceraldehyde'8217s 3-fosfaat en pyruvaat te geven zonder vorming van ATP . Het katabolisme van glucose resulteert in de productie van slechts één ATP-molecuul, terwijl in de EMP-route twee ATP-moleculen worden geproduceerd. Dit lijkt erop dat de EMP-route efficiënter is dan die van de ED-route.

Verder is het verschil tussen ED-route en PP-route het genereren van gereduceerd NADPH uit NADP in de eerste. Het is interessant op te merken dat co-enzym NADP+ en NADPH worden gebruikt bij anabole reacties. De ED-route biedt dus een belangrijk mechanisme voor het produceren van NADPH en de 3-koolstofbouwstenen die worden gebruikt in biosynthetische reacties enz.

Gedeeltelijk niet-gefosforyleerde ED-route is betrokken bij sommige bacteriën zoals Clostridium spp. Achromobacter spp., Alcaligens spp. en Archaea (Halobacterium spp.) In dit geval is het tussenproduct gevormd vóór kDPG niet-gefosforyleerd en wordt fosfogluconaat gedehydrateerd om kDPG te geven, wat pyruvaat geeft.

In latere stappen worden de reacties van de ED-route gevolgd. Deze route wordt ook gevonden in andere bacteriën zoals Pseudomonas aeruginosa, Azotobacter en Enterococcus faecalis, en een anaërobe bacterie Zymomonas mobilis.

Metabole route # 4. Tricarbonzuurcyclus:

De tricarbonzuurcyclus werd voor het eerst gegeven door H.A. Krebs in 1937. H.A. Krebs gaf toen de naam citroenzuurcyclus. Omdat citroenzuur het eerste product van de Krebs-cyclus is, is het ook bekend als TCA-cyclus vanwege de aanwezigheid van drie carbonzuurgroepen in een molecuul citroenzuur.

De cyclus komt universeel voor in alle aërobe organismen en leidt tot volledige oxidatie van glucose tot CO2 en H2O terwijl glycolyse leidt tot onvolledige oxidatie van glucose tot pyruvaat.

Tri-carboxyhc-zuurcyclus oxideert het volledig om een ​​grote hoeveelheid energie vrij te maken in de vorm van voornamelijk NADH + H + en GTP. NADH + H + komen de ademhalingsketen binnen waar elke NADH + H + drie ATP-moleculen produceert. GTP wordt omgezet in ATP door oxidatie op substraatniveau. Een andere vorm van energie is in de vorm van substraat van FADH 2 , dat ook de ademhalingsketen binnengaat om twee ATP-moleculen te vormen.

Alle reacties van de tricarbonzuurcyclus vinden plaats in het binnenste compartiment van het mitochondrion. Sommige van deze enzymen komen voor in de matrix van het binnenste compartiment, terwijl de rest op het binnenste mitochondriale membraan voorkomt. Voor de start van de cyclus wordt het bij de glycolyse gevormde pyruvaat eerst door een voorbereidende reactie omgezet in acetyl Co-A.

Pyruvaat + NAD + + CoA → acetyl CoA + NADH + H+ + CO2

De reactie is onomkeerbaar en maakt zelf geen deel uit van de tricarbonzuurcyclus. Het wordt uitgevoerd met behulp van het enzym pyruvaatdehydrogenase. Acetyl CoA komt dan in de cyclus na combinatie met oxaalacetaat om citraat te vormen, waarna een cyclus van reacties optreedt (Fig. 12.8) die leidt tot de vorming van zes CO2, acht NADH + H + , één FADH2 en een molecuul glucose.

Er zijn enkele belangrijke stappen in de tricarbonzuurcyclus die de cyclus regelen volgens de behoefte van de cel. De eerste van deze controles is de voorbereidende reactie.De activiteit van pyruvaatdehydrogenase wordt verminderd in aanwezigheid van overmaat ATP en neemt opnieuw toe in afwezigheid van ATP.

Er zijn nog twee stappen die de cyclus kunnen regelen. Dit zijn de isocitraatdehydrogenasereactie (waarvoor ADP als positieve regulatie vereist is) en de succinaatdehydrogenasereactie (bevorderd door succinaat, fosfaat en ATP). De belangrijkste controle van de cyclus is echter de reactie die wordt uitgevoerd door citraatsynthase. Dit is de primaire controle van de cyclus.

Metabole route # 5. Glyoxylaatcyclus:

Het is een anaplerotische reactie waarbij oxaalacetaat uit de TCA-cyclus wordt gehaald om te voldoen aan de vraag naar koolstofbehoefte voor aminozuurbiosynthese. Daarom moeten deze tussenproducten worden aangevuld via een alternatieve route, de anaplerotische route, d.w.z. de glyoxylaatroute. Deze cyclus werkt voor glucoiieogenese. De glyoxylaatcyclus werd als eerste gegeven door Krebs en H.R. Kornberg.

Deze cyclus is een gemodificeerde vorm van de tricarbonzuurcyclus die wordt aangetroffen in planten en die micro-organismen die vetzuren gebruiken als energiebron in de vorm van acetyl Co A.

In deze cyclus wordt de CO2 evoluerende stappen van de tricarbonzuurcyclus werden omzeild en in plaats daarvan wordt een tweede molecuul acetyl CoA gebruikt (dat condenseert met glyoxylaat om malaat te vormen). Succinaat is een bijproduct dat wordt gebruikt voor biosynthese, met name bij gluconeogenese.

De algemene reactie van de glyoxylaatcyclus wordt hieronder gegeven:

2 Acetyl Co-A + NAD + + 2H2O → Succinaat + 2CoA + NADH + H +

De twee belangrijkste enzymen, isocitraatlyase en malaatsynthase van de glyoxylaatcyclus, zijn gelokaliseerd in cytoplasmatische organellen die glyoxysomen worden genoemd. De glyoxylaatcyclus gaat gelijktijdig met de tricarbonzuurcyclus door, terwijl tricarbonzuur voor energie zorgt. De glyoxylaatcyclus levert succinaat voor de vorming van nieuwe koolhydraten uit vetten, zoals weergegeven in figuur 12.9.


Bekijk de video: Kandungan Bakteri dari Produk Babiluck Berbahaya - NET12 (December 2021).