9.3: Athari za pH juu ya Ukuaji wa Microbial

Malengo ya kujifunza

• Kuonyesha na kwa ufupi kuelezea kiwango cha chini, optimum, na kiwango cha juu mahitaji ya pH kwa ukuaji
• Kutambua na kuelezea makundi mbalimbali ya microbes na mahitaji ya pH kwa ukuaji: acidophiles, neutrophiles, na alkaliphiles
• Kutoa mifano ya microorganisms kwa kila aina ya mahitaji ya pH

Mtindi, pickles, sauerkraut, na sahani za chokaa-msimu wote wanadaiwa ladha yao ya tangy kwa maudhui ya asidi ya juu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kumbuka kwamba asidi ni kazi ya mkusanyiko wa ioni hidrojeni [H ⁺] na hupimwa kama pH. Mazingira yenye maadili ya pH chini ya 7.0 huchukuliwa kuwa tindikali, wakati wale walio na maadili ya pH juu ya 7.0 huhesabiwa kuwa msingi. PH kali huathiri muundo wa macromolecules zote. Vifungo vya hidrojeni vinavyoshikilia pamoja vipande vya DNA huvunja kwenye pH ya juu. Lipids ni hidrolisisi na pH ya msingi sana. Nguvu ya motisha ya proton inayohusika na uzalishaji wa ATP katika kupumua kwa seli inategemea gradient ya mkusanyiko wa H ⁺ kwenye membrane ya plasma (tazama Kupumua kwa seli). Ikiwa H ⁺ ions ni neutralized na ions hidroksidi, gradient mkusanyiko huanguka na kuharibu uzalishaji wa nishati. Lakini sehemu nyeti zaidi kwa pH katika seli ni workhorse yake, protini. Mabadiliko ya wastani katika pH hubadilisha ionization ya makundi ya kazi ya asidi ya amino-asidi na kuharibu bonding ya hidrojeni, ambayo, kwa upande wake, inakuza mabadiliko katika kukunja kwa molekuli, kukuza denaturation na kuharibu shughuli.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): bakteria lactic asidi kwamba ferment maziwa katika mtindi au kubadilisha mboga katika pickles kustawi katika pH karibu na 4.0. Sauerkraut na sahani kama vile pico de gallo deni ladha yao tangy kwa asidi yao. Vyakula vya tindikali vimekuwa kiungo cha mlo wa binadamu kwa karne nyingi, kwa sababu kwa sababu microbes nyingi zinazosababisha uharibifu wa chakula hukua bora kwa pH karibu na neutral na hazivumilia asidi vizuri. (mikopo “mtindi”: mabadiliko ya kazi na “nina.jsc” /Flickr; mikopo “pickles”: mabadiliko ya kazi na Noah Sussman; mikopo “sauerkraut”: mabadiliko ya kazi na Jesse LaBuff; mikopo “pico de gallo”: mabadiliko ya kazi na “regan76" /Flickr)

Ukuaji bora wa pH ni pH nzuri zaidi kwa ukuaji wa viumbe. Thamani ya chini kabisa ya pH ambayo kiumbe kinaweza kuvumilia inaitwa pH ya chini ya ukuaji na pH ya juu ni ukuaji wa kiwango cha juu pH. Maadili haya yanaweza kufunika mbalimbali, ambayo ni muhimu kwa ajili ya kuhifadhi chakula na maisha ya microorganisms ndani ya tumbo. Kwa mfano, ukuaji bora wa pH ya Salmonella spp. ni 7.0-7.5, lakini ukuaji wa chini wa pH ni karibu na 4.2.

Bakteria nyingi ni neutrophiles, maana yake hukua optimalt kwa pH ndani ya vitengo moja au viwili vya pH ya pH ya neutral ya 7 (tazama Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Bakteria wengi wanaojulikana, kama Escherichia coli, staphylococci, na Salmonella spp. ni neutrophiles na hawana nauli vizuri katika pH tindikali ya tumbo. Hata hivyo, kuna matatizo ya pathogenic ya E. coli, S. typhi, na aina nyingine za vimelea vya tumbo ambazo ni sugu zaidi kwa asidi ya tumbo. Kwa kulinganisha, fungi hustawi kwa maadili kidogo ya pH ya tindikali ya 5.0—6.0.

Microorganisms zinazokua optimalt katika pH chini ya 5.55 huitwa acidophiles. Kwa mfano, sulfolobus ya oxidizing spp. pekee kutoka mashamba ya matope ya sulfuri na chemchemi za moto katika Hifadhi ya Taifa ya Yellowstone ni asidi kali. Archaea hizi zinaishi katika maadili ya pH ya 2.5—3.5. Spishi za jenasi ya archaean Ferroplasma huishi katika mifereji ya mgodi asidi kwa maadili ya pH ya 0—2.9. Bakteria ya lactobacillus, ambayo ni sehemu muhimu ya microbiota ya kawaida ya uke, inaweza kuvumilia mazingira tindikali kwa maadili ya pH 3.5—6.8 na pia kuchangia asidi ya uke (pH ya 4, isipokuwa mwanzoni mwa hedhi) kupitia uzalishaji wao wa kimetaboliki wa asidi lactic. Asidi ya uke ina jukumu muhimu katika kuzuia microbes nyingine ambazo haziwezi kuvumilia asidi. Microorganisms Acidophilic kuonyesha idadi ya marekebisho ya kuishi katika mazingira kali tindikali. Kwa mfano, protini zinaonyesha kuongezeka kwa malipo ya uso hasi ambayo huwaimarisha kwa pH ya chini. Pampu hutoa kikamilifu H ⁺ ions nje ya seli. Mabadiliko katika utungaji wa phospholipids membrane pengine kutafakari haja ya kudumisha utando fluidity katika pH ya chini.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Curves zinaonyesha kiwango cha pH takriban kwa ukuaji wa madarasa tofauti ya prokaryotes maalum ya pH. Kila Curve ina pH mojawapo na maadili ya pH uliokithiri ambayo ukuaji umepungua sana. Bakteria nyingi ni neutrophiles na kukua bora katika pH karibu-neutral (katikati Curve). Acidophiles zina ukuaji bora katika maadili ya pH karibu na 3 na alkalifili zina ukuaji bora katika maadili ya pH juu ya 9.

Katika mwisho mwingine wa wigo ni alkalifili, microorganisms zinazokua bora katika pH kati ya 8.0 na 10.5. Vibrio kipindupindu, wakala wa pathogenic wa kipindupindu, hukua bora katika pH kidogo ya msingi ya 8.0; inaweza kuishi maadili ya pH ya 11.0 lakini inactivated na asidi ya tumbo. Linapokuja suala la kuishi katika pH ya juu, Natronobacterium nyekundu ya archaean, iliyopatikana katika maziwa ya soda ya Bonde la Ufa la Afrika, inaweza kushikilia rekodi katika pH ya 10.5 (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Alkalifili uliokithiri wamebadilishwa na mazingira yao magumu kwa njia ya mabadiliko ya muundo wa lipid na protini na utaratibu wa fidia ili kudumisha nguvu ya protoni katika mazingira ya alkali. Kwa mfano, kampuni ya alkaliphile Bacillus inapata nishati kwa athari za usafiri na motility kutoka kwa gradient Na ⁺ ion badala ya nguvu ya proton. Enzymes nyingi kutoka alkaliphiles zina kiwango cha juu cha isoelectric, kutokana na ongezeko la idadi ya amino asidi za msingi, kuliko enzymes za homologous kutoka kwa neutrophiles.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Mtazamo kutoka nafasi ya Ziwa Natron nchini Tanzania. Rangi ya rangi nyekundu ni kutokana na rangi ya asili ya alkaliphilic kali na halophilic ambayo hukoloni ziwa. (mikopo: NASA)

Kuishi kwa pH ya Chini ya Tumbo

Vidonda vya Peptic (au vidonda vya tumbo) ni vidonda vya chungu kwenye kitambaa cha tumbo. Hadi miaka ya 1980, waliaminika kuwa husababishwa na vyakula vya spicy, stress, au mchanganyiko wa wote wawili. Wagonjwa walikuwa kawaida wanashauriwa kula vyakula bland, kuchukua dawa za kupambana na asidi, na kuepuka matatizo. Matibabu haya hayakuwa na ufanisi hasa, na hali hiyo mara nyingi ikarudi. Haya yote yamebadilika sana wakati sababu halisi ya vidonda vya peptic iligunduliwa kuwa bakteria ndogo, yenye umbo la corkscrew, Helicobacter pylori. Kiumbe hiki kilitambuliwa na kutengwa na Barry Marshall na Robin Warren, ambao ugunduzi wao uliwapa Tuzo ya Nobel ya Tiba mwaka 2005.

Uwezo wa H. pylori kuishi pH ya chini ya tumbo inaweza kuonekana kupendekeza kuwa ni acidophile uliokithiri. Kama inageuka, hii sio kesi. Kwa kweli, H. pylori ni neutrophile. Hivyo, inaendeleaje ndani ya tumbo? Kwa kushangaza, H. pylori hujenga microenvironment ambayo pH ni karibu neutral. Inafikia hili kwa kuzalisha kiasi kikubwa cha urease ya enzyme, ambayo huvunja urea kuunda NH ₄ ⁺ na CO ₂. Ioni ya amonia inaleta pH ya mazingira ya haraka.

Uwezo huu wa kimetaboliki wa H. pylori ni msingi wa mtihani sahihi, usio na uvamizi wa maambukizi. Mgonjwa hupewa suluhisho la urea iliyo na atomi za kaboni zilizoitwa radioactively. Ikiwa H. pylori iko ndani ya tumbo, itavunja haraka urea, na kuzalisha CO ₂ ya mionzi ambayo inaweza kuonekana katika pumzi ya mgonjwa. Kwa sababu vidonda vya peptic vinaweza kusababisha saratani ya tumbo, wagonjwa ambao wameamua kuwa na maambukizi ya H. pylori hutibiwa na antibiotics.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

1. Je, ni athari gani za pH zina juu ya protini?
2. Nini pH-adaptive aina ya bakteria ingekuwa vimelea wengi binadamu kuwa?

Dhana muhimu na Muhtasari

• Bakteria kwa ujumla ni neutrophiles. Wanakua bora katika pH neutral karibu na 7.0.
• Acidophiles kukua optimalt katika pH karibu 3.0. Alkalifili ni viumbe vinavyokua optimalt kati ya pH ya 8 na 10.5. Acidophiles kali na alkaliphiles hukua polepole au sio karibu na pH ya neutral.
• Microorganisms kukua bora katika ukuaji wao optimum pH. Ukuaji hutokea polepole au sio kabisa chini ya pH ya ukuaji wa chini na juu ya pH ya ukuaji wa kiwango cha juu.