Metabolizmy

Chemické procesy přeměny látek, kdy bakterie přijímá potravu, aby mohla získávat energii a růst, jsou souhrnně nazývány metabolismus. Vzhledem k tomu, že bakterie obývají nepřeberné množství stanovišť s nejrůznějšími podmínkami, jsou také jejich metabolizmy velmi různorodé. V následujících kapitolách probereme pouze obecné principy některých metabolizmů.

Příjem potravy

Organizmy přijímají potravu ze dvou důvodů. Prvním důvodem je výroba energie, která je posléze skladována především v molekulách ATP. Druhý důvod je růst. Organizmy potřebují přijímat uhlík z okolního prostředí pro výstavbu molekul svého těla. Vzhledem k tomu, že jsou bakterie na světě mnohem déle než živočichové, rostliny či houby, jsou také jejich způsoby získávání energie a uhlíku nesmírně různorodé.

Když se řekne příjem potravy, představíte si například, jak kráva na pastvině spásá trávu. Na buněčné úrovni si asi vybavíte měňavku, jak fagocytuje bakterie. Jakým způsobem však přijímá potravu bakterie? Fagocytóza u bakterií nepřipadá v úvahu. Za prvé jim to znemožňuje pevná peptidoglykanová buněčná stěna a za druhé jim schází aparát umožňující fagocytózu, jakou známe u eukaryot. Bakterie tedy nedokáže pohltit nic většího než molekuly.

Pokud se bakterie dostane do prostředí, kde se vyskytuje živina, začne do okolí vypouštět trávicí enzymy. V těsném okolí buněk dojde k natrávení potravy na molekuly, které mohou difundovat buněčnou stěnou a přes cytoplazmatickou membránu jsou tyto molekuly transportovány pomocí různých bílkovinných přenašečů. U gram negativních bakterií řada těchto procesů probíhá v periplazmatickém prostoru.

Typy metabolizmů

Jak jsme napsali výše, každý organizmus potřebuje ke svému životu dva zdroje. Za prvé to je zdroj energie a za druhé zdroj uhlíku. Procesy zahrnující přeměny látek nutných k růstu označujeme jako látkový metabolismus, pochody nutné k zásobování energií jako energetický metabolismus .

V přírodě není nic zadarmo. Organizmy většinou ke všem životním pochodům potřebují energii, nejčastěji ve formě ATP. Na výrobu ATP ale potřebuji energii z vnějšího prostředí, kterou někde musí získat. Získávají-li organizmy energii ze slunečního záření, označujeme je jako organizmy fototrofní. Ty organizmy, které získávají energii z chemických vazeb organických molekul (třeba z rohlíku s máslem) nazýváme organizmy chemotrofní. Mezi bakteriemi existuje ještě třetí skupina – litotrofní. Tyto organizmy získávající energii z vazeb anorganických molekul.

Za druhé organizmy potřebují přísun uhlíku k výstavbě svých těl. Zde existují dva přístupy. Prvním přístupem je zabudovávání (fixace) anorganického uhlíku z CO2 do organických molekul. Tento mechanizmus se nazývá autotrofní. Pokud organizmus využívá již hotových organických molekul (cukry, tuky…), říkáme mu heterotrofní. 

Když se člověk podívá z okna, spatří výhradně rostliny a živočichy. Lidé běžně o rostlinách mluví jako o organizmech autotrofních a o živočiších jako heterotrofních. Není to však úplně přesné. Správně bychom měli říkat, že rostliny jsou fotoautotrofní a živočichové chemoheterotrofní. Ve světě bakterií můžeme najít jakoukoli kombinaci z těchto dvojic termínů. Kromě fotoautotrofů nalezneme také fotoheterotrofy a vedle chemoheterotrofů existují i chemoautotrofové atp.. 

Energetický metabolizmus

Jak vlastně vypadá výroba ATP? Zodpovědět tuto otázku není úplně snadné. Kdybychom ale měli najít společné rysy a podstatu těchto dějů, situace se trochu zjednoduší. Ať už se jedná o jakýkoli výživový typ jde buňkám především o to, vytvořit na membráně protonový gradient. Nejznámějšími procesy, které vedou k vytvoření gradientu a tvorbě ATP je klasický dýchací řetězec s citrátovým cyklem a oxidativní fosforylací. Tento metabolizmus je typický pro eukaryotní mitochondrie, nalezneme ho však i u mnoha bakterií.

Citrátový cyklus je cyklická kaskáda na sebe navazujících reakcí, přičemž důležité produkty tohoto cyklu jsou uvolněné elektrony a protony, odpadním produktem je CO2. Elektrony a protony jsou navázány na přenašeče NAD, či NADP, popřípadě FAD, které tyto elektrony a protony přenesou k dýchacímu řetězci. Energie elektronů je následně využita k transportu protonů přes membránu za pomoci elektron transportního systému dýchacího řetězce. Protony se začnou hromadit v případě mitochondrie v mezimembránovém prostoru a v případě bakterií v periplazmatickém prostoru. Říkáme, že vznikl protonový gradient.

Protony mají velkou tendenci vrátit se zpět do matrix či cytosolu. Nicméně vzhledem k tomu, že se jedná o nabité částice, membrána jim tento přesun neumožní. Existuje však místo, kterým se protony dovnitř bakterie (popřípadě mitochondrie) dostat mohou. Jedná se o velký proteinový komplex ATP-syntázu (F-ATPázu) procházející membránou. ATP-syntáza je tvořena dvěma částmi. Jedna část prochází membránou dovnitř buňky, kde se nalézá „hlava“ tvořená šesti podjednotkami. Tato část je statická a také se jí říká stator. Druhá část ATP-syntázy také prochází membránou, a právě uvnitř membrány vytváří něco jako mlýnské kolo, jehož osa míří do „hlavy“ části předešlé. Podobnost s mlýnským kolem není pouze vzhledová. Tato část se podobně jako mlýnské kolo točí, a proto se jí říká rotor. Mlýnské kolo se roztočí proudem vody, který přetéká přes lopatky. Rotor ATP-syntázy je roztočen proudem protonů, které se tlačí z vnějšího prostředí do prostředí vnitřního. Pohyb rotoru uvnitř „hlavy“ vyvolá konformační změny jejích podjednotek. Na podjednotkách jsou přítomna vazebná místa pro ADP a fosfát, popřípadě pro ATP. Nejprve je odhaleno vazebné místo pro ADP a fosfát, pootočením rotoru o 120° se změní tvar podjednotky, přičemž dojde k syntéze ATP. Pootočením o dalších 120° je ATP vyvázáno z ATP-syntázy. Pootočením o dalších 120° se podjednotky dostanou do původní konformace a celý cyklus se může navázáním ADP a fosfátu opakovat.

Uvnitř buňky elektrony končí na prvku s nejvyšším redoxním potenciálem. V případě mitochondrií a aerobních bakterií jsou tyto částice uloženy na kyslík za vzniku H2O. Vzhledem k tomu, že je ADP fosforylováno na ATP za přítomnosti kyslíku, říká se tomuto ději oxidativní fosforylace.

Ve skutečnosti organizmy nepotřebují kyslík, ale potřebují finální akceptor elektronů. Ideálním akceptorem těchto elektronů je kyslík (spojením elektronů, protonů a kyslíku vznikne voda, dokonalá sloučenina, která buňce nepřekáží). Protože je na souši kyslíku dostatek, setkáváme se zde především s aerobními mikroorganizmy. Ve vodném prostředí však kyslíku rychle ubývá (přecházíme plynule do anaerobní prostředí), a proto se zde potkáváme s jinými akceptory elektronů. Může to být: NO3- u denitrifikačních bakterií (podle typu metabolizmu se přemění na NO2-, N2O, N2, nebo NH4+), Fe(III) u železitých bakterií (přemění se na Fe(II)), SO42- u sirných bakterií (přemění se na H2S) či CO2 u metanogenních bakterií (vznikne CH4).

Pro bakterie je životně důležité udržet na membráně protonový gradient, protože bez něj by se zastavily ATP-syntázy a buňka by s největší pravděpodobností zahynula.

Vztah ke kyslíku

Pro nás, pro lidi je kyslík naprosto nezbytný prvek pro výrobu ATP a přes něj poměřujeme i ostatní organizmy. Atmosféru bez kyslíku si ani nedokážeme představit, nicméně velmi dlouho (dejme tomu jeden a půl miliardy let) po vzniku Země v atmosféře kyslík vůbec nebyl přítomen. Pro tehdy žijící organizmy byl dokonce kyslík prudký jed. Situace se začala dramaticky měnit s příchodem fotoautotrofních sinic, které přišly s vynálezem oxygenní fotosyntézy. Odpadním produktem tohoto typu fotosyntézy je molekulární kyslík. Kyslík je nesmírně reaktivní prvek a dokáže se navázat na cokoli. Kromě nejrůznějších hornin i na biologické molekuly, které pak ztratí svoji funkci. Postihne-li takové „okysličení“ organizmus, může i zemřít.

Když se kyslík ve větším množství objevil v atmosféře, měly organizmy tři možnosti. Za prvé mohly vymřít. Za druhé se mohly přesunout do míst, kam se kyslík dostat nemohl.  Za třetí se mohly s kyslíkem naučit zacházet. 

Podle vztahu ke kyslíku můžeme bakterie (i ostatní organizmy) zařadit do několika kategorií. Na té nejzákladnější úrovni můžeme buňky rozdělit na ty, které mohou žít s kyslíkem – aerobní a na ty, které kyslík zabije – anaerobní. Situace je však trochu složitější. Některé bakterie jsou anaerobní absolutně a těm říkáme obligátně anaerobní. Jiné bakterie dokážou svůj metabolizmus přepínat a dokážou žít v prostředí bezkyslíkatém i v přítomnosti kyslíku. Těm říkáme fakultativně anaerobní, někdy také fakultativně aerobní bakterie.

Fermentace (kvašení)

Proces, který zajistí největší výtěžek molekul ATP, je klasické buněčné dýchání s citrátovým cyklem, protonovým gradientem a oxidativní fosforylací, jenž dobře známe z pochodů v mitochondrii. Stejný mechanizmus tvorby ATP ovládá i u mnoho bakterií. Ze své podstaty se musí jednat o aerobní bakterie. Řada anaerobních bakterií si vyrábí ATP jinými pochody souhrnně nazývanými fermentace neboli kvašení. Množství vyrobeného ATP je sice mnohem menší, ale bakteriím to pro život úplně stačí. 

Představme si, jak je zpracovávána molekula glukózy. Tento šesti uhlíkatý cukr je v několika krocích rozložen na dva tří uhlíkaté pyruváty (kyselina pyrohroznová) s čistým ziskem dvou molekul ATP a za redukce dvou molekul NAD+ na dvě molekuly NADH. Tomuto procesu se říká anaerobní glykolýza. Aby glykolýza mohla nepřetržitě běžet, potřebuje stálý přísun NAD+. Jedna z možností, jak ho zpětně získat je právě fermentace (v buněčném dýchání se recykluje v citrátovém cyklu). Z pyruvátu mohou vznikat různé sloučeniny a při těchto procesech dochází k oxidaci NADH zpět na NAD+. Při vzniku etanolu hovoříme o alkoholovém kvašení, při vzniku kyseliny máselné o máselném kvašení, při vzniku kyseliny mléčné o mléčném kvašení, při vzniku octa (kyseliny octové) o octovém kvašení atd.

Fixace dusíku (diazotrofie)

Dusík je pro všechny organizmy nepostradatelný prvek. Je součástí nukleových kyselin i bílkovin. Málokterý organizmus však dokáže využít jeho nejběžnější formu, a to molekulu dusíku N2. Je to trochu překvapivé uvědomíme-li si, že je molekulárního dusíku v atmosféře 78 %. Většina organizmů získává dusík společně s potravou. Existují však i organizmy, které tento vzdušný dusík zabudovávají do organických molekul. Tomuto procesu říkáme fixace dusíku neboli diazotrofie. 

S tímto typem metabolizmu se běžně potkáme u dvou typů bakterií. Jedny jsou hlízkové bakterie a druhé sinice. Oba tyto typy buněk musely nejprve vyřešit jeden nepříjemný moment svázaný s tímto metabolizmem. Funguje pouze v nepřítomnosti kyslíku (kyslík deaktivuje klíčový enzym nitrogenázu). Obzvlášť pro sinice, které provozují oxygenní fotosyntézu, a kyslíku se jen tak nezbaví, je tento problém náročný. 

Hlízkové bakterie jsou svázány s kořenovými systémy bobovitých rostlin. Na těchto kořenech vyrůstají malé nádorky – hlízky, kde bychom se s těmito bakteriemi mohli potkat. Jak jsme si výše řekli, hlízkové bakterie potřebují bezkyslíkaté prostředí, a to jim poskytnou rostlinné buňky primární kůry kořene. V těchto buňkách je hlízkových bakterií velké množství (až tisíce jedinců na buňku) a o bezkyslíkaté prostředí se stará protein laghemoglobin (molekula strukturně i funkčně podobná hemoglobinu vychytávající volný kyslík) dodávající hlízce růžové zbarvení. Tento vztah rostlina – bakterie je oboustranně prospěšný. Bakterie dostávají energií bohaté sloučeniny a rostlina na oplátku získává různé aminokyseliny.

Sinice tento problém musely řešit trochu jinak. Sinice rodu Anabeana či Nostoc mají mezi běžnými buňkami vytvářejícími řetízky vloženy o něco větší buňky. Tak zvané heterocyty (někdy též heterocysty). V buňkách, ze kterých má vzniknout heterocyt, je odstraněn fotosystém II. Na chlorofylu z fotosystému II probíhá fotolýza vody a uvolňuje se molekulární kyslík. Odstraněním fotosystému II se sníží koncentrace kyslíku na minimum a fixace dusíku může vesele probíhat.

Autotrofie

Autotrofie je proces asimilace CO2 neboli začlenění uhlíku z anorganické molekuly do molekuly organické. Nejznámější autotrofie je autotrofie sinic (společná s rostlinami), ve kterých asimilace CO2 probíhá v Calvinově cyklu za přispění enzymu RubisCO. V bakteriálním světě to však není jediný způsob asimilace uhlíku.

Velmi zajímavý typ autotrofie vykazují fotoautotrofní zelené sirné bakterie rodu Chlorobium. Používají tak zvaný reverzní citrátový cyklus. Skutečně se jedná o citrátový cyklus známý z mitochondrií, jenže v těchto bakteriích běží naopak. Dokonce většina enzymů je stejných, nicméně v anaerobních podmínkách zvládají opačné reakce. Je tu však několik enzymů unikátních, například právě ty, které dokáží fixovat CO2. Reverzní citátový cyklus opouští acetyl-CoA, který se ještě karboxyluje na pyruvát. Z pyruvátu už v buňce může vzniknout takřka cokoli.

Shrnutí

K růstu a rozmnožování potřebují bakterie, aby v jejich tělech běžela řada chemických procesů souhrnně nazývaných metabolizmy. Podle toho, zda buňka vytváří své tělo, nebo energetické zásoby, hovoříme o látkovém anebo energetickém metabolizmu. Vzhledem k tomu, že jsou bakterie na Zemi přes tři a půl miliardy let, dokázaly se přizpůsobit nejrůznějším podmínkám. Podle příjmu uhlíku rozeznáváme autotrofy a heterotrofy. Podle typu získávání energie dělíme organizmy na fototrofy, chemotrofy a litotrofy. Organizmy, které nesnášejí kyslík, označujeme jako obligátně anaerobní organizmy, a ty které mohou žít v kyslíkatém i bezkyslíkatém prostředí označujeme jako fakultativně anaerobní organizmy. Aerobní organizmy žijí v kyslíkatém prostředí. Nakonec diazotrofní jsou organizmy schopné fixovat molekulární dusík. Pro výrobu ATP je takřka vždy vyžadován protonový gradient na cytoplazmatické membráně, který pohání ATP-syntázu.