שיעור 12- טמפרטורה ולחץ

Transcription

שיעור 12- טמפרטורה ולחץ
‫תנאי סביבה‬
‫‪ .1‬טמפרטורה‬
‫‪ .2‬לחץ הידרוסטטי‬
‫‪pH .3‬‬
‫‪Osmotic effects .4‬‬
‫•לחיידקים יכולת אדפטציה מופלאה‬
‫•מיקרואורגניזמים מתקיימים בכל בית גידול על פני כדור הארץ‬
‫•למיקרואורגניזמים יכולת הסתגלות מדהימה לתנאי סביבה שונים‬
‫•כל סביבת חיים קיצונית ככל שתהיה נתן למצוא בה‬
‫מיקרואורגניזמים )‪(Extremophiles‬‬
‫‪Extremophiles are microbes that live in conditions that would kill others‬‬
‫‪ .1‬טמפרטורה‬
‫לכל אורגניזם ‪ 3‬טמפרטורות אופייניות‬
‫‪ .1‬טמפרטורת מינימום שמתחתיה אינו יכול לגדול‬
‫‪ .2‬טמפרטורה אופטימלית בה הגידול המהיר ביותר‬
‫‪ .3‬טמפרטורה מקסימלית שמעליה הגידול אינו אפשרי‬
‫טמפרטורת האופטימום קרובה תמיד יותר לטמפרטורה‬
‫המקסימלית‪.‬‬
‫טווח טמפרטורות הגידול )צר‪ ,‬רחב(‬
‫לרוב האורגניזמים טווח של לא יותר מ‪ -‬מעלות ‪30‬‬
‫‪Chryseobacterium oranimense 5-37°C optimum, 30-33°C‬‬
‫‪(39) 8-48 E. coli‬‬
‫התאמה לקב' אקולוגית בהתאם לטמפ' הגדילה‬
‫קור‬
‫‪ -psychrophiles 9‬טמפרטורה אופטימלית נמוכה מ‪15 -‬טמפ' מקסימלית מתחת‬
‫ל‪ 20 -‬מעלות צלסיוס‬
‫‪– psychrotroph = psychrotolerant 9‬יכול בטמפ' נמוכה )בין ‪ 0-7‬מעלות(‬
‫אך הטמפרטורה האופטימלית לגידולו היא מעל ‪ 20‬מעלות‬
‫הסתגלות‬
‫•ח‪ .‬שומן לא רוויות בממברנה‬
‫•חלבונים הידרופיליים יחסית לחיידקים מזופיליים‪) .‬מכילים אחוז גבוה יותר של ח‪ .‬אמינו פולריות‪.‬‬
‫הפולריות מסייעת לחלבונים לשמור על מצב של גמישות = מאפשרת פעילות אנזימתית בקור(‬
‫הסתגלות מולקולרית לקור‬
‫חלבונים במבנה של ‪α-helix‬‬
‫מבנה של ‪ α-helix‬גמיש‬
‫יותר ממבנה של ‪b-Sheet‬‬
‫קיפאון‬
‫מי ‪ -‬ים קופאים ב‪ -2.5 -‬מעלות צלסיוס‬
‫טמפ' הקיפאון תלויה בריכוז המומסים במים‪ .‬ככל שריכוזם‬
‫גבוה כך טמפ' הקיפאון יורדת‬
‫בתוך קרחונים קיימים כיסי מים‬
‫קיפאון מונע גדילה אך לא בהכרח הורג‬
‫הקפאת חיידקים למשל בנוכחות של ‪ 10%‬גליצרול או‬
‫‪ DMSO‬מונעת נזק לתא )ייבוש או התגבשות של קרח( ונתן‬
‫לשמר חיידקים תקופה ארוכה בנוכחות חומרים אלה‬
‫בהקפאה של עד ‪ -196‬מעלות‪.‬‬
‫‪ – Mesophilies‬טמפ' אופטימלית ממוצעת )‪( 45 - 20‬‬
‫לדוגמא‪E. Coli :‬‬
‫טמפ' אופטימלית ‪ 39‬מעלות‬
‫טווח גידול בין ‪ 48 -8‬מעלות צלסיוס‬
‫‪– Thermophiles‬‬
‫טרמופיליים – טמפ' אופטימלית מעל ‪ 45‬מעלות )טווח ‪(45-80‬‬
‫היפרטרמופיליים – טמפ' אופטימלית מעל ‪80‬‬
‫מיני חיידקים יכולים להתקיים גם בטמפרטורות מעל ‪ 100‬מעלות )בניגוד‬
‫לאאוקריוטיים להם נרשם גבול עליון של ‪ 65‬מעלות(‪.‬‬
‫פרוקריוטיים השייכים לדומיין ארכיאה הם אלו שנמצאו בעלי יכולת גדילה‬
‫בטמפ' הגבוהות ביותר )‪ 113‬מעלות צלסיוס(‬
‫חום‬
‫טמפרטורות מעל ‪ 50‬מעלות מתקיימת‪:‬‬
‫‪ .1‬באדמה בה בצהרי היום הטמפרטורה יכולה להגיע גם ל‪70-‬‬
‫‪ .2‬מעיינות חמים‪ ,‬גייזרים‪ ,‬התפרצויות וולקניות‬
‫‪ .3‬מים חמים היוצאים מצינורות קירור במפעלים תעשייתיים )סביבה‬
‫מלאכותית(‬
‫‪ – Hydrothermal vents .4‬עד ‪ 350‬מעלות )טמפ' המתקיימות במים רק בלחץ‬
‫גבוה(‬
Microcolony of prokaryotes that
developed on a microscope slide
immersed in a boiling spring
‫נמצא קצב גידול מהיר של הכפלה כל שעה‬
‫טחבים‬
‫חום‬
‫פרוקריוטיים מסוגלים להתקיים בטמפ' גבוהות‬
‫‪.1‬‬
‫יותר מאשר אאוקריוטיים‬
‫מבין הפרוקריוטיים נמצא כי מיני ‪ Archea‬הם‬
‫‪.2‬‬
‫אלו שנמצאו בטמפרטורות גבוהות יותר‬
‫אורגניזמים שאינם פוטוטרופיים מסוגלים‬
‫‪.3‬‬
‫לגדול בטמפ' גבוהות יותר מאשר ‪phototrophs‬‬
‫• הסתגלות מולקולרית לחום‬
‫ממברנה‬
‫ח‪ .‬שומן רוויות בממברנה‬
‫ל‪ Archaea -‬ממברנה חד שכבתית )לא ח‪ .‬שומן( עם קשר אתרי לגליצרול‬
‫היציבה לחום‬
‫תזכורת‪:‬‬
‫מבנה הממברנה החד שכבתית בחלק מהחיידקים השייכים‬
‫לדומיין הארכיאה‬
‫•חלבונים – עמידות לדנטורציה‬
‫•שינוי חומצה אמינית אחת או יותר מאפשרת קיפול החלבון בצורה‬
‫שהוא יהיה עמיד יותר לחום )פחות גמיש(‬
‫•קשרים יוניים בין ח‪ .‬אמינו טעונות הופכות את החלבונים‬
‫להידרופוביים יחסית לחלבונים בחיידקים מזופיליים ועמידים יותר‬
‫לדנטורציה בחום‬
‫•נמצא )בהיפרטרמופיליים( כי סנטיזה בכמויות משמעותיות של‬
‫מומסים בתא דוגמת‪:‬‬
‫‪,di-inositol phosphate, diglycerol phosphate‬‬
‫ו‪ -manosylglycerate‬מייצבים את החלבונים בתא ושומרים עליהם‬
‫מדנטורציה בטמפרטורות גבוהות‪ .‬הסברה היא כי מומסים אלו מגינים‬
‫גם על ה‪.DNA -‬‬
‫למשל מונעים איבוד נוקליאוטידים כתוצאה מהידרוליזה‪.‬‬
‫הסתגלות מולקולרית לחום ‪ -‬המשך‬
‫•חלבונים – המשך‬
‫•‪chaperonins –heat-shock protins‬‬
‫•דוגמא‪:‬‬
‫•לארכיאה –‪ ) Pyrodictium‬טמפ' אופטימלית ‪ 105‬גדל גם ב‪(113 -‬‬
‫צ'פרונין עיקרי הקרוי ‪ thermosome‬מאפשר לחיידק לשרוד בטמפ' של‬
‫אוטוקלב משך שעה‬
‫‪DNA‬‬
‫•צ'פרונים קיימים בתאים )גם‬
‫אאוקריוטיים( המתקיימים בכל‬
‫טווחי הטמפ' ותפקידם בקיפול‬
‫חלבונים שסונטזו ובתיקון חלבונים‬
‫שהמבנה השלישוני שלהם ניזוק‪.‬‬
‫‪The action of a‬‬
‫‪molecular chaperone‬‬
‫מהו גבול הטמפ' העליון המאפשר קיום חיים?‬
‫יתכן כי מעל ‪ 130‬מעלות אך ההשערה כיום היא כי לא יתכנו חיים מעל‬
‫‪ 140-150‬מעלות צלסיוס‬
‫הרי געש במעמקי הים‪:‬‬
‫הטמפ' מגיעה עד ‪ 350‬מעלות צלסיוס‬
‫עד כה נמצא כי דגימות מ‪ 250 -‬מעלות היו סטריליות‬
‫ביוטכנולוגיה – חיפוש אורגניזמים השורדים טמפ' גבוהות במטרה‬
‫לפתח טכנולוגיות חדשות‬
‫תנאי סביבה‬
‫‪ .1‬טמפרטורה‬
‫‪ .2‬לחץ הידרוסטטי‬
‫‪pH .3‬‬
‫‪Osmotic effects .4‬‬
‫‪ .2‬לחץ הידרוסטטי גבוה‬
‫‪ 10‬מטרים של מים‬
‫= ‪ 1‬אטמוספרה‬
‫⇐ בעומק של ‪ 5,000‬מטר‬
‫הלחץ ‪ 500‬אטמוספרות‬
‫‪Barotolerant and Barophilic Bacteria‬‬
‫‪ – Barotolerant‬יכולים לחיות עד לחץ של ‪ 500‬אטמוספרות‬
‫בלחץ של ‪ 1‬אטמוספירה נמצא בחיידקים אלה מטבוליזם גבוה יותר מאשר‬
‫ב‪ 300 -‬אטמוספירות‬
‫‪Barophilic‬‬
‫אופטימום גידול ‪ 400‬אטמוספירות‪ .‬גם הם יכולים לגדול בלחץ של ‪1‬‬
‫אטמוספירה‬
‫‪.‬‬
‫‪Extreme obligate barophilic‬‬
‫זקוקים ללחץ גבוה על מנת לגדול‪ .‬בעומק ‪ 10,000‬מטר בודד חיידק שלא‬
‫צמח בלחץ נמוך מזה של ‪ 400‬אטמ'‪ .‬מת כאשר הושאר בלחץ אטמוספרי‬
‫לחץ אטמוספרי גבוה‬
‫לחץ גבוה מאט את קצב הגדילה‬
‫גורם לירידה ביכולת קישור חלבונים ואנזימים לסובסטראט לכן המבנה‬
‫השלישוני של חלבונים חייב להיות שונה‬
‫ממברנה‬
‫ח‪ .‬שומן לא רוויות בממברנה‬
‫בחיידקים גרם שליליים היכולים לגדול ב‪ 500-600 -‬אטמוספירות נמצא כי‬
‫הרכב חלבוני הממברנה החיצונית היה שונה ב לחץ אטמוספרי גבוה לעומת‬
‫‪ 1‬אטמוספירה‪ .‬נמצא כי פורין ‪ OmpH‬שהוא חלבון של הממברנה החיצונית‬
‫מסונטז רק כאשר חיידק גדל בלחץ אטמוספרי גבוה‬
‫גם לגבי חלבונים נספים נמצא כי קיימת בקרת גנים שונה בתנאי לחץ שונים‬
‫‪Deep sea‬‬
‫ƒ‪ - Photic zone‬האזור אליו יש חדירת אור‬
‫ƒ ‪ - a-photic zone‬אור לא חודר לעומק של יותר מ‪300 -‬‬
‫מטר באוקיינוסים )באיזור החופים בו יש כמות גדולה שלמרחפים במים ‪1-‬‬
‫מטר(‬
‫ƒמתחת עד לעומק של ‪ 1,000‬מטרים עדיין יש חיים‬
‫ƒלמעלה מ‪ 75% -‬ממי האוקיינוסים הם בעומק של למעלה‬
‫מ‪ 1000 -‬מטר )עד ‪(6000‬‬
‫התנאים במעמקי הים‬
‫‪ .1‬מיעוט נוטריינטים‬
‫‪ .2‬טמפרטורה נמוכה – ‪ 3 – 2‬מעלות צלזסיוס‬
‫‪ .3‬לחץ גבוה‬
(‫מה גדל במעמקי הים? )בד"כ הטמפ' נמוכה מאד‬
Psychrophilic barotolerant
Psychrophilic barophilic
In terms of prokaryotes, species of the
domain Bacteria tend to predominate in
oceanic surface waters, whereas Archaea are
more prevalent in deeper waters
‫התנאים במעמקי הים‬
‫‪ .1‬מיעוט נוטריינטים‬
‫‪ .2‬טמפרטורה נמוכה – ‪ 3 – 2‬מעלות צלזסיוס‬
‫‪ .3‬לחץ גבוה‬
‫יוצאים מן הכלל‬
‫‪ – Hydrothermal Vent‬מוצא מעיינות חמים‬
‫קיימים מס' בע"ח המשגשגים בעומק יחד עם מיקרואורגניזמים‬
‫במקומות בהם יש פריצת מעיינות חמים מתוך מעמקי האוקיינוסים‬
Map of known hydrothermal vent biogeographic
provinces and major mid-ocean ridges
‫‪Hydrothermal Vent‬‬
‫•‪– Hot vent‬‬
‫•‪black smokers‬‬
‫‪ 270–380‬מעלות צלסיוס‬
‫ענן שחור עשיר במינרלים‪.‬‬
‫קצב יציאת המים ‪ 1-2‬מטרים לשניה‪.‬‬
‫• ‪- Worm vent‬‬
‫• מעלות צלסיוס ‪6-23‬‬
‫• קצב יציאת המים עד ‪ 2‬ס"מ לשניה‬
‫עומק ‪ 2,000‬מטר‬
‫התגלו ב‪1979 -‬‬
‫‪ 8‬שנים אחרי שנל ארמסטרונג הלך על הירח‬
‫רק כ‪ 1%-‬נחקרו עד היום‬
‫קירות הארובה מלאים בחיידקים היפרטרמופיליים‬
‫אנליזה כימית של מוצא המעיינות החמים הראתה כי יש שם כמות גדולה של חומרים‬
‫אנאורגניים מחוזרים‬
Vents communities
Tube worms (2m long!!!)
sometimes tubeworms provide food for other deep-sea dwellers. Fish and •
crabs may nibble off the tubeworm’s red plume.
Tube worms Riftia pachyptila (up to 2m long!!!)
Depth 2,250,
‫ לגרם תולעת‬109*3 ‫כמות החיידקים‬

Similar documents