Skip to main content
Global

9.3: آثار درجة الحموضة على نمو الميكروبات

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    195390

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • قم بتوضيح ووصف متطلبات درجة الحموضة الدنيا والمثالية والقصوى للنمو
    • تحديد ووصف الفئات المختلفة من الميكروبات ذات متطلبات درجة الحموضة للنمو: المحاليل الحمضية والعدلة والقلويات
    • أعط أمثلة للكائنات الحية الدقيقة لكل فئة من متطلبات درجة الحموضة

    كل من الزبادي والمخللات ومخلل الملفوف والأطباق المتبلة بالليمون تدين بطعمها المنعش لمحتوى عالي من الحمض (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تذكر أن الحموضة دالة لتركيز أيونات الهيدروجين [H +] ويتم قياسها كدرجة حموضة. تعتبر البيئات ذات قيم الأس الهيدروجيني أقل من 7.0 حمضية، في حين أن تلك التي تزيد قيم الأس الهيدروجيني فيها عن 7.0 تعتبر أساسية. يؤثر الرقم الهيدروجيني الشديد على بنية جميع الجزيئات الكبيرة. تتفكك الروابط الهيدروجينية التي تجمع خيوط الحمض النووي عند درجة حموضة عالية. يتم تحلل الدهون بواسطة درجة حموضة أساسية للغاية. تعتمد القوة المحركة للبروتون المسؤولة عن إنتاج ATP في التنفس الخلوي على تدرج تركيز H+ عبر غشاء البلازما (انظر التنفس الخلوي). إذا تم تحييد أيونات H+ بواسطة أيونات الهيدروكسيد، فإن تدرج التركيز ينهار ويضعف إنتاج الطاقة. لكن المكون الأكثر حساسية لدرجة الحموضة في الخلية هو العمود الفقري، وهو البروتين. تعمل التغييرات المعتدلة في درجة الحموضة على تعديل تأين المجموعات الوظيفية للأحماض الأمينية وتعطيل الترابط الهيدروجيني، والذي بدوره يعزز التغييرات في طي الجزيء، مما يعزز التشويه وتدمير النشاط.

    صورة الزبادي والفراولة. صورة المخللات في أوعية التعليب المنزلية. صورة مخلل الملفوف. صورة بيكو دي غالو.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تنمو بكتيريا حمض اللاكتيك التي تخمر الحليب إلى الزبادي أو تحول الخضروات إلى مخللات عند درجة حموضة قريبة من 4.0. يدين مخلل الملفوف والأطباق مثل بيكو دي غالو بنكهته المنعشة لحموضته. كانت الأطعمة الحمضية الدعامة الأساسية للنظام الغذائي البشري لعدة قرون، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن معظم الميكروبات التي تسبب تلف الطعام تنمو بشكل أفضل عند درجة حموضة شبه محايدة ولا تتحمل الحموضة جيدًا. (رصيد «الزبادي»: تعديل العمل من قبل «nina.jsc» /Flickr؛ الائتمان «المخللات»: تعديل العمل من قبل نوح سوسمان؛ الائتمان «مخلل الملفوف»: تعديل العمل من قبل جيسي لابوف؛ الائتمان «بيكو دي غالو»: تعديل العمل من قبل «regan76" /Flickr)

    درجة الحموضة المثلى للنمو هي درجة الحموضة الأكثر ملاءمة لنمو الكائن الحي. تُسمى أدنى قيمة للأس الهيدروجيني يمكن للكائن الحي تحملها بالحد الأدنى لدرجة الحموضة للنمو وأعلى درجة حموضة هي درجة الحموضة القصوى للنمو. يمكن أن تغطي هذه القيم نطاقًا واسعًا، وهو أمر مهم للحفاظ على الطعام وبقاء الكائنات الحية الدقيقة في المعدة. على سبيل المثال، درجة الحموضة المثلى للنمو في السالمونيلا spp. هي 7.0-7.5، ولكن الحد الأدنى لدرجة الحموضة للنمو يقترب من 4.2.

    معظم البكتيريا عبارة عن عدلات، مما يعني أنها تنمو بشكل مثالي عند درجة حموضة ضمن وحدة أو وحدتين من درجة الحموضة المحايدة البالغة 7 (انظر الشكل\(\PageIndex{2}\)). معظم البكتيريا المألوفة، مثل Escherichia coli والمكورات العنقودية والسالمونيلا sp. هي عدلات ولا تحقق نتائج جيدة في درجة الحموضة الحمضية للمعدة. ومع ذلك، هناك سلالات مسببة للأمراض من E. coli و S. typhi وأنواع أخرى من مسببات الأمراض المعوية التي تكون أكثر مقاومة لحمض المعدة. وبالمقارنة، تزدهر الفطريات عند قيم حموضة حمضية طفيفة تتراوح من 5.0 إلى 6.0.

    الكائنات الحية الدقيقة التي تنمو بشكل مثالي عند درجة حموضة أقل من 5.55 تسمى الأسيدوفيل. على سبيل المثال، يعتبر Sulfolobus spp المؤكسد للكبريت والمعزول من حقول الطين الكبريتية والينابيع الساخنة في حديقة يلوستون الوطنية من عشاق الأحماض الشديدة. تعيش هذه الأركيا عند قيم درجة حموضة تتراوح من 2.5 إلى 3.5. تعيش أنواع من الجنس الأثري Ferroplasma في تصريف المناجم الحمضية بقيم pH من 0 إلى 2.9. يمكن لبكتيريا Lactobacillus، التي تعد جزءًا مهمًا من الميكروبات الطبيعية في المهبل، أن تتحمل البيئات الحمضية عند قيم pH 3.5-6.8 وتساهم أيضًا في حموضة المهبل (درجة الحموضة 4، باستثناء بداية الدورة الشهرية) من خلال إنتاجها الأيضي لحمض اللاكتيك. تلعب حموضة المهبل دورًا مهمًا في تثبيط الميكروبات الأخرى الأقل تحملاً للحموضة. تعرض الكائنات الحية الدقيقة المحبة للحمض عددًا من التكيفات للبقاء على قيد الحياة في البيئات الحمضية القوية. على سبيل المثال، تُظهر البروتينات زيادة الشحنة السطحية السالبة التي تثبتها عند درجة حموضة منخفضة. تقوم المضخات بإخراج أيونات H + بنشاط من الخلايا. ربما تعكس التغييرات في تكوين الفسفوليبيدات الغشائية الحاجة إلى الحفاظ على سيولة الغشاء عند درجة حموضة منخفضة.

    رسم بياني يحتوي على درجة حموضة على المحور X ومعدل النمو على المحور Y. يبلغ منحنى واحد على شكل جرس ذروته عند درجة الحموضة 3 تقريبًا وينخفض إلى الأسفل ليصل إلى معدل نمو 0 عند درجة الحموضة 1 و 5.5. هذا الخط يسمى أسيدوفيل. يبلغ منحنى الجرس الآخر ذروته عند درجة الحموضة 7 وينخفض إلى 0 عند درجة الحموضة 5.5 و 8.5. هذا يسمى العدلات. يبلغ المنحنى النهائي ذروته عند درجة الحموضة 9.5 وينخفض إلى 0 عند درجة حموضة 7.5 و 11.5. هذا يسمى قلاليفيل.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تُظهر المنحنيات نطاقات الأس الهيدروجيني التقريبية لنمو الفئات المختلفة من بدائيات النواة الخاصة بدرجة الحموضة. يحتوي كل منحنى على درجة حموضة مثالية وقيم درجة حموضة قصوى ينخفض عندها النمو كثيرًا. معظم البكتيريا عبارة عن عدلات وتنمو بشكل أفضل عند درجة الحموضة شبه المحايدة (المنحنى المركزي). تتمتع الأحماض الأمينية بنمو مثالي عند قيم pH بالقرب من 3 وتتمتع القلويات بنمو مثالي عند قيم pH أعلى من 9.

    في الطرف الآخر من الطيف توجد القلويات، وهي كائنات دقيقة تنمو بشكل أفضل عند درجة حموضة تتراوح بين 8.0 و 10.5. ينمو الضمة الكوليرية، وهي العامل المُمْرِض للكوليرا، بشكل أفضل عند درجة الحموضة الأساسية قليلاً البالغة 8.0؛ ويمكنها البقاء على قيد الحياة عند قيم الأس الهيدروجيني البالغة 11.0 ولكن يتم تعطيلها بسبب حمض المعدة. عندما يتعلق الأمر بالبقاء على قيد الحياة عند درجة حموضة عالية، فإن Natronobacterium الأثري الوردي اللامع، الموجود في بحيرات الصودا في وادي الصدع الأفريقي، قد يحمل الرقم القياسي عند درجة حموضة تبلغ 10.5 (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تكيفت القلويات المتطرفة مع بيئتها القاسية من خلال التعديل التطوري لهيكل الدهون والبروتين والآليات التعويضية للحفاظ على القوة الدافعة للبروتون في بيئة قلوية. على سبيل المثال، تستمد شركة Bacillus firmus القلوية الطاقة لتفاعلات النقل والحركة من التدرج الأيوني Na + بدلاً من القوة المحركة للبروتون. تحتوي العديد من الإنزيمات من القلويات على نقطة متساوية كهربية أعلى، بسبب زيادة عدد الأحماض الأمينية الأساسية، مقارنة بالإنزيمات المتجانسة من العدلات.

    صورة لبحيرة حمراء
    الشكل\(\PageIndex{3}\): منظر من الفضاء لبحيرة ناترون في تنزانيا. يرجع اللون الوردي إلى تصبغ الميكروبات القلوية المتطرفة والميكروبات الهالوفيلية التي تستعمر البحيرة. (مصدر: وكالة ناسا)

    البقاء على قيد الحياة عند انخفاض درجة الحموضة في المعدة

    القرحة الهضمية (أو قرحة المعدة) هي تقرحات مؤلمة على بطانة المعدة. حتى الثمانينيات، كان يُعتقد أن سببها الأطعمة الغنية بالتوابل أو الإجهاد أو مزيج من الاثنين. يُنصح المرضى عادةً بتناول الأطعمة الخفيفة وتناول الأدوية المضادة للحمض وتجنب الإجهاد. لم تكن هذه العلاجات فعالة بشكل خاص، وكثيرًا ما تكررت الحالة. كل هذا تغير بشكل كبير عندما تم اكتشاف السبب الحقيقي لمعظم القرحة الهضمية وهو بكتيريا نحيفة على شكل برغي، هيليكوباكتر بيلوري. تم التعرف على هذا الكائن الحي وعزله من قبل باري مارشال وروبن وارين، الذين أكسبهم اكتشافهم جائزة نوبل في الطب في عام 2005.

    يبدو أن قدرة H. pylori على البقاء على قيد الحياة عند انخفاض درجة الحموضة في المعدة تشير إلى أنها من محبي الأحماض الشديدة. كما اتضح، ليس هذا هو الحال. في الواقع، H. pylori هي قلة العدلات. إذن، كيف تعيش في المعدة؟ ومن اللافت للنظر أن بكتيريا H. pylori تخلق بيئة ميكروية يكون فيها الرقم الهيدروجيني محايدًا تقريبًا. يحقق ذلك من خلال إنتاج كميات كبيرة من إنزيم اليورياز، الذي يكسر اليوريا لتشكيل NH 4+ و CO 2. يرفع أيون الأمونيوم درجة الحموضة في البيئة المباشرة.

    هذه القدرة الأيضية لـ H. pylori هي أساس اختبار دقيق وغير جراحي للعدوى. يُعطى المريض محلولًا من اليوريا يحتوي على ذرات كربون مُصنَّفة إشعاعيًا. إذا كانت بكتيريا H. pylori موجودة في المعدة، فإنها ستكسر اليوريا بسرعة، وتنتج ثاني أكسيد الكربون المشع الذي يمكن اكتشافه في نفس المريض. نظرًا لأن القرحة الهضمية قد تؤدي إلى سرطان المعدة، يتم علاج المرضى الذين تم تحديد إصابتهم بعدوى بكتيريا الملوية البوابية بالمضادات الحيوية.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    1. ما تأثير درجات الحموضة القصوى على البروتينات؟
    2. ما نوع البكتيريا المتكيف مع درجة الحموضة التي قد تكون معظم مسببات الأمراض البشرية؟

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • عادة ما تكون البكتيريا من مضادات العدلات. تنمو بشكل أفضل عند درجة حموضة محايدة قريبة من 7.0.
    • تنمو الأحماض على النحو الأمثل عند درجة حموضة قريبة من 3.0. القلويات هي كائنات حية تنمو على النحو الأمثل بين درجة حموضة 8 و 10.5. تنمو الأحماض والقلويات الشديدة ببطء أو لا تنمو على الإطلاق بالقرب من درجة الحموضة المحايدة.
    • تنمو الكائنات الحية الدقيقة بشكل أفضل عند درجة الحموضة المثلى للنمو. يحدث النمو ببطء أو لا يحدث على الإطلاق تحت الحد الأدنى من درجة الحموضة للنمو وفوق الحد الأقصى لدرجة الحموضة للنمو.