Proč anaeroby umírají v přítomnosti kyslíku?

V odborné literatuře se stále častěji objevují články o mikroorganismech a jejich využití v lékařství, průmyslu a zemědělství. Slova „aerobní“ a „anaerobní“ se však stále méně často vyskytují v odstavcích s charakteristikami a klasifikací mikrobiálních kultur. Proč se tohle děje? Je to celé o nejednoznačnosti tzv. tradiční jména.

Anaeroby (z řečtiny αν – záporná částice, řeckého αέρ – “vzduch” a řeckého βιοζ – “život”) – obecný souhrnný název pro organismy schopné žít v podmínkách částečného nebo úplného nedostatek kyslíku. Řada z nich získává energii nikoli redoxní reakcí s kyslíkem, ale specifickou oxidací některého substrátu (anorganické sloučeniny, organické látky, minerály). Existují tedy sirné bakterie, azotobakterie a železité bakterie, které k dýchání využívají oxidaci sloučenin síry, dusíku a železa.

Pozadí

Jak se pojem „anaerobní“ stal široce používaným?

Jde o to, že jej poprvé zavedl do vědeckého použití otec mikrobiologie Louis Pasteur. V roce 1861 studoval fermentaci, izoloval za ni odpovědné mikroorganismy a zjistil, že bakterie fermentace kyseliny máselné (takzvané „kadaverické“ bakterie, například Clostridium) ve zkumavce s koncentrátem kapalného média na dně to, zatímco jiné volně plavou ve formě suspenze, se usazují na stěnách nebo se soustřeďují blízko hladiny. Následné experimenty Pasteura a jeho studentů vedly k vytvoření klasifikace mikroorganismů na základě tolerance kyslíku.

Moderní klasifikace vypadá takto:

• Fakultativní anaeroby: Aerobní nebo anaerobní růst v přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku.
• Mikroaerofilní anaeroby.
• Povinné anaeroby: není schopen aerobního metabolismu, ale v různé míře tolerantní ke kyslíku.

Obligátní anaeroby jsou organismy, které umírají v přítomnosti molekulárního kyslíku (volného O2). Striktních anaerobů je málo – jedná se o některé bakterie, určité druhy kvasinek, některé bičíkovce, několik druhů nálevníků a archaea. Většina anaerobní bioty zemřela před mnoha miliony let, kdy se volný kyslík objevil na planetě ve velkém množství. Nyní mnoho z nich žije hluboko v půdě, na dně nádrží a uvnitř jiných organismů (parazitické a infekční bakterie). Mnohé z nich jsou součástí normální flóry na sliznicích lidí a zvířat, včetně symbiontních bakterií gastrointestinálního traktu.

Na druhé straně se obligátní anaeroby dělí na:

• Přísní anaeroby: může odolat pouze ≤ 0,5 % kyslíku
• Střední anaeroby: vydrží 2 až 8 % kyslíku
• Aerotolerantní Anaeroby: tolerují po omezenou dobu koncentrace atmosférického kyslíku.

Kapneistické anaeroby a mikroaerofily – „třída“ organismů, která se často vyskytuje ve vědeckých pracích o mikrobiologii před rokem 1991. Předpokládá se, že kapneistické mikroorganismy a mikroaerofily vyžadují snížená koncentrace kyslíku a zvýšená koncentrace oxidu uhličitého: Vyžadují nízkou koncentraci kyslíku (obvykle 2–10 %) a pro mnohé vysokou koncentraci oxidu uhličitého (např. 10 %) a rostou za anaerobních podmínek, ale velmi špatně.

Nyní se tento termín v biologii prakticky nepoužívá, od té doby by lidé museli být klasifikováni jako kapneistické organismy – živočišné tkáně kultivované odděleně od organismu (in vitro), vyžadují také snížení obsahu O2 a zvýšení CO2, jinak horní vrstva buněk oxiduje a odumírá. Zvířata před podobným osudem zachraňuje kůže. V lékařství se však stále používá k označení některých typů infekční flóry.

Aerotolerantní anaeroby – organismy schopné přežívají určité množství kyslíku v prostředí, ale nevyužívají ho pro své potřeby. V tomto případě organismus v přítomnosti O2 neumírá, pokračuje v reprodukci a růstu. Do této skupiny patří téměř každý mikroorganismy mléčného kvašení, mnoho bakterií kyseliny máselné a kvasinek.

Středně přísní anaeroby – organismy, které může přežít při nízkých koncentracích molekulárního kyslíku, ale nereprodukovat a nepoužívejte to. Zemřou při koncentracích kyslíku přesahujících 2–8 %.

Fakultativní anaeroby – organismy schopné života v závislosti na podmínkách prostředí a stupni jejich vývoje jak v podmínkách kyslíku, tak v podmínkách bez kyslíku. Navíc, v přítomnosti kyslíku, oni využít jej v metabolických procesech, což je odlišuje od ostatních skupin. Kromě velmi velké skupiny eubakterií mohou být fakultativními anaeroby řasy, rostliny a dokonce i některá zvířata. Například mnoho parazitických červů v larválním stádiu jsou volně žijící živočichové, kteří k dýchání využívají O2 rozpuštěný ve vodě. Když se však dostanou do těla hostitele, ztratí nejen své dýchací orgány, ale také „zbytečné“ cykly biochemických reakcí, které využívají pouze zdroje hostitele a oxidaci substrátu.

Minuta zajímavých faktů

Na začátku minulého století byla populární teorie evolučních stádií anaerobů. Věřilo se, že anaerobní organismy byly starší, že anaerobní prokaryota vznikla v dobách před objevením se zemské kyslíkové atmosféry. Později, s měnícími se podmínkami na planetě, se některé z nich vyvinuly v aerobní. Aerobní reakce jsou rychlejší, pro tělo „levnější“ s vyšší energetickou produktivitou: při fermentaci je celkový výdej ATP 4 molekuly ATP a 2 molekuly NAD*H2, zatímco při dýchání je celkový výdej 30 molekul ATP. Aeroby tak získaly evoluční výhodu.

S objevem anaerobních eukaryot, včetně anaerobních mnohobuněčných organismů, však tato teorie částečně ztratila své postavení. Genetická analýza vyvolala ještě další otázky. Ukázalo se, že mnoho obligátních anaerobů spolu nijak nesouvisí. Navíc nemají společného předka. Další zajímavostí je, že bylo objeveno několik sekundárních anaerobních organismů (nezaměňovat se sekundárními anaeroby během fermentace) – během adaptačního procesu částečně nebo úplně ztratily schopnost oxidace kyslíkem. Například Zymomonas mobilis, stejně jako klostridie, pocházejí z organismů obsahujících cytochrom (tj. pravděpodobně aerobní).

Základy procesu

Lidé a vlastně savci obecně, stejně jako ryby, ptáci, plazi a obojživelníci, dokonce i mnoho červů, hub a rostlin jsou aerobní organismy – kyslík potřebujeme k získávání energie.

To je důvod, proč musíme dýchat – kyslík vstupující do plic je vázán hemoglobinem (u některých zvířat – hemocyaninem) a přenášen po celém těle do každé buňky těla. Dále každá buňka nezávisle provádí cyklus redoxních reakcí nazývaných buněčné (mitochondriální) dýchání.

Samotný proces dýchání má tři stupně (přípravný, bezkyslíkový a kyslíkový), mnoho kroků, vedlejších produktů a využívá i látek dříve získaných jinými reakcemi (acetyl-CoA, ubichinon, NAD a další). To vše je dodáváno do mitochondriální membrány a podílí se na oxidativní fosforylaci – přímo buněčném dýchání. Říká se tomu také kompletní oxidace – po bezkyslíkaté fázi neúplné anaerobní oxidace (glykolýza) následuje další.

Obecný zjednodušený vzorec pro tento proces vypadá takto:

Celý cyklus je schematicky znázorněn na obrázku.

Konečným výsledkem procesu buněčného dýchání je ATP. (adenosintrifosfát) a CO2. ATP je to, co tělo využívá téměř ve všech procesech jako univerzální zdroj energie. Ve svém jádru jsou molekuly ATP baterie a elektronový transportní řetězec v konečné fázi buněčného dýchání se „nabíjí“. Lidé a příbuzná zvířata používají kyslík k výrobě ATP. Není to však jediný způsob.

Alternativy dýchání

K syntéze ATP může docházet v lidských tkáních a bez kyslíku způsobem za zvláštních podmínek. U běžců na dlouhé tratě tak při delší svalové zátěži dochází svalům kyslík a nový kyslík se nestihne dostat do krve, stejně jako dodávka ATP z jiných zdrojů.

V tomto případě je aktivován záložní mechanismus – anaerobní syntéza ATP.

Anaerobní dráhy pro doplnění energie v lidském těle se aktivují při nadměrné únavě, hypoxii (nedostatek kyslíku pro dýchání), zánětech a poruchách metabolismu (například onemocnění krve). Tři charakteristické svaly jsou:

• Kreatinfosfatáza (fosfogenní nebo alaktátový) mechanismus – refosforylace mezi kreatinfosfátem a ADP
• myokináza – syntéza (jinak resyntéza) ATP při transfosforylační reakci 2 molekul ADP (adenylátcyklázy)
• Glykolytický – anaerobní odbourávání zásob glukózy nebo glykogenu v krvi končící tvorbou kyseliny mléčné (jinak známé jako „laktát“).

Mají různé spouštěče (startovací mechanismy), různou účinnost a různé efektivní provozní doby.

Je třeba mít na paměti, že všechny bezkyslíkové cesty buněčného dýchání u lidí jsou rezervním mechanismem, který chrání před smrtí v kritické situaci. Jsou mnohem méně účinné než kyslíková cesta (poskytují menší výdej ATP). Všechny navíc značně mění pH tkáně, což může vést k inhibici dalších funkcí a buněčné smrti.

Celkem

V moderní literatuře se termíny „aerobní“ a „anaerobní“ používají jen zřídka, zejména pro charakterizaci podmínek pro kultivaci mikroorganismů, stejně jako v medicíně pro charakterizaci infekčních bakterií.

Taxonomie nepoužívá anaerobnost jako taxonomickou kategorii a genetici a biochemici nacházejí stále více důkazů o přechodu anaerobních organismů do aerobních forem a zpět. Kromě toho mají všechny aerobní organismy tak či onak rezervní anaerobní cesty pro získávání energie, které zůstávají jako „dědičnost“ a zapínají se v kritických situacích.

Aerobní faktor však zůstává důležitý při studiu některých infekčních onemocnění, stejně jako při studiu lidské mikrobioty. Někteří vědci navíc zaměřili svou pozornost na anaerobní organismy v extrémních stanovištích (sopky, gejzíry, hlubokomořské příkopy, ledové šelfy a izolované jeskyně) s kosmickým cílem zjistit, co by mohlo být odlišný život

Ale o tom si povíme příště.

Všechno nejlepší a nebojte se!

Článek napsala biotechnologka Lyudmila Khigerovich a ve vědecké komunitě jej publikovala Phaneroza.

Obukhov D.K., Kirilenko V.N. Biologie. Buňky a tkáně. Učebnice pro střední odborné vzdělávání – M.: Yurayt, 2018.

Brook I. Antimikrobiální léčba anaerobních infekcí. J Chemother. června 2016;28(3):143-50.

Wang Q, Song K, Hao X, Wei J, Pijuan M, van Loosdrecht MCM, Zhao H. Hodnocení mortality a rozpadu aktivity bakterií Anammox během anaerobního a aerobního hladovění. Chemosféra. června 2018;201:25-31.

Morris JG. Obligátně anaerobní bakterie v biotechnologiích. Appl Biochem Biotechnol. 1994 srpen;48(2):75-106.

Michiko M. Nakano, Peter Zuber. Anaerobní růst „přísného aerobu“ (Bacillus subtilis) // Annual Review of Microbiology

Dhar K, Subashchandrabose SR, Venkateswarlu K, Krishnan K, Megharaj M. Anaerobní mikrobiální degradace polycyklických aromatických uhlovodíků: Komplexní přehled. Rev Environ Contam Toxicol. 2020;251:25-108.

Larry M. Bush, Maria T. Vazquez-Pertejo. Přehled anaerobních bakterií – Charles E. Schmidt College of Medicine, Florida Atlantic University, 2019

J. H. Brewer, D. L. Allgeier. Bezpečný samostatný anaerobní systém oxid uhličitý-vodík. —Appl. Microbiol.16:848–850. — 1966

Hanqi Gu, Jian Zhang, Jie Bao. Vysoká tolerance a fyziologický mechanismus Zymomonas mobilis na fenolické inhibitory při ethanolové fermentaci zbytku kukuřičných klasů // Biotechnology Bioengineering, sv. 112, číslo 9, 07. dubna 2015

Molekulární kyslík byl silným environmentálním faktorem, jeho akumulace v atmosféře způsobila postupný vývoj některých organismů a smrt jiných.
Kyslík je v přírodě široce rozšířen, je ve vázaném i volném stavu. V prvním případě je součástí molekul vody, organických a anorganických sloučenin. Ve druhém je přítomen v moderní atmosféře ve formě molekulárního kyslíku (O₂), jehož objemový podíl je 21 %. Kyslík je základní chemickou složkou každé buňky. Naprostá většina organismů uspokojuje své potřeby tohoto prvku pomocí obou forem kyslíku.
Mezi prokaryoty existují značné rozdíly v jejich vztahu k molekulárnímu kyslíku. Na základě této vlastnosti je lze rozdělit do několika skupin (obr. 3).

Prokaryota, pro jejichž růst O₂ nutné, nazývané obligátní (povinné) aeroby. Patří mezi ně většina prokaryotických organismů. Mezi obligátními aeroby byly zjištěny významné rozdíly ve vztahu k hladině molekulárního kyslíku v prostředí. Někteří zástupci této skupiny nejsou schopni růstu v koncentracích O₂, rovnající se atmosférickému, ale může růst, pokud je obsah O₂ v životním prostředí bude výrazně nižší (asi 2 %). Taková obligátní aerobní prokaryota se nazývají mikroaerofily.
Povinné aeroby (aeros – vzduch) vyžadují k provádění metabolických procesů molekulární kyslík. Nejsou schopny získat energii fermentací. Jejich enzymy provádějí přenos elektronů z oxidovaného substrátu na kyslík. Aeroby se obvykle vyvíjejí na povrchu živných médií. Mezi obligátní aeroby patří B. subtilis, mikrokoky atd.
Povinné anaeroby nepoužívejte molekulární kyslík. Navíc je pro ně toxický. Mnoho enzymů těchto bakterií je při kontaktu s molekulárním kyslíkem denaturováno.
Destruktivní účinek kyslíku na obligátní anaeroby je způsoben tím, že v živé buňce v přítomnosti kyslíku vzniká peroxid vodíku, který je ve vysokých koncentracích pro bakteriální buňku toxický. Obligátní anaeroby umírají při koncentraci H₂О₂ 0,0003 %, zatímco aeroby snesou až 0,015 %, tzn. 50krát více. K neutralizaci peroxidu vodíku produkují aerobní bakteriální buňky enzym katalázu, který rozkládá vodík₂О₂ na vodu a molekulární kyslík. Díky přítomnosti katalázy H₂О₂ se nehromadí v buňkách. Anaeroby a fakultativní anaeroby postrádají katalázu, což je jeden z důvodů jejich neschopnosti žít v aerobních podmínkách.
Značný počet zástupců anaerobních bakterií patří do rodu Clostridium (C. tetani – původce tetanu, C. botulinum – botulismus, C. perfringens – původce plynaté sněti). Jsou široce rozšířeny v půdě a jezerních sedimentech. Obligátní anaeroby také patří do rodů Methanobacterium a Bacteroides.
Fakultativní anaeroby může žít v přítomnosti i nepřítomnosti kyslíku. Typickými zástupci této skupiny jsou Escherichia coli, streptokok a stafylokok. E. coli se na médiu se sacharidy vyvíjí jako anaerob, fermentuje cukry a poté začíná využívat kyslík, jako typický aerobní organismus, oxiduje na CO₂ a H₂O vzniklé fermentační produkty (například kyselina mléčná).
Stupeň aerobního nebo anaerobního prostředí lze kvantitativně charakterizovat pomocí redox potenciálu. Redoxní potenciál je vyjádřen symbolem rH₂. Jedná se o index podobný pH. Ale pH vyjadřuje stupeň kyselosti a zásaditosti a rH₂ – stupeň aerobnosti a anaerobnosti. Toto je záporný logaritmus koncentrace atomů vodíku v médiu.
Ve vodném roztoku zcela nasyceném kyslíkem rH₂ =41, a za podmínek úplného nasycení prostředí vodíkem rH₂ =0. Stupnice od 0 do 41 tedy charakterizuje jakýkoli stupeň aerobní aktivity.
Povinné aeroby, neschopný existovat bez volného kyslíku, nemůže žít při nízkých hodnotách rH₂. spodní hranicí pro ně je oxidačně-redukční potenciál řádově 10. Hodnoty rH₂ nad 30 nejsou pro tyto organismy příznivé. Obligátní aeroby jsou chráněny před nadměrnou oxidací uvolňováním silných redukčních činidel do prostředí.
Orligate anaeroby vitální při rH₂ ne vyšší než 18-20. při těchto rychlostech se však již nereprodukují, ale provádějí metabolismus vedoucí k uvolňování redukčních činidel do prostředí za účelem snížení redoxního potenciálu. Anaeroby se mohou reprodukovat pouze při hodnotách rH₂ ne vyšší než 3-5. fakultativně anaerobní mikroorganismy udržují metabolickou aktivitu v širokém rozmezí rH₂ – od 0 do 30.
Při kultivaci mikroorganismů se zohledňuje míra aerobnosti prostředí. Při solení (konzervování) krmiva jsou uměle vytvořeny anaerobní podmínky, které poskytují metabolické výhody bakteriím fermentace kyseliny mléčné a octové. Nadměrné provzdušňování průmyslových odpadních vod z chovů hospodářských zvířat umožňuje zvýšenou oxidaci organické hmoty odpadní vody včetně mikroorganismů v ní obsažených.