بخشی از مقاله
تاريخچه ي ميكروسكوپي (1632-1723) Anton van Leeuwenhoek
تاريخچه ي ميكروسكوپي (1632-1723) Anton van Leeuwenhoek كه در Delft-Holland زندگي مي كرد احتمال قريب به يقين اولين شخصي بود كه توانست يك ميكروارگانيسم را به طور واحد ببيند. او يك ميكروسكوپ ساده ساخت كه قابليت بزرگنمايي حدود 100 تا 300 برابر را دارا بود. اين ابزار به آنچه ما امروزه به نام ميكروسكوپ مي شناسيم شباهتي نداشت. اين ابزار كه از لنزهاي باريكي تشكيل شده بود در اصل عينكي بود كه داراي قدرت بزرگنمايي بسيار بالايي بود. (شكل 1-3) متمركز شدن توسط اين ابزار آنقدر سخت بود كه Anton يك ميكروسكوپ جديد براي هر نمونه ساخت و ميكروسكوپ قبلي را با آن نمونه رها مي كرد. هنگامي كه خارجي ها به لابراتوار Anton براي ديدن نمونه ها آمدند، او از آنها خواست كه دستهايشان را به پشت شان بزنند تا از لمس شدن ابزار تمركز كردن توسط آنها جلوگيري به عمل آيد.
در نامه اي به جامعه سلطنتي لندن در سال 1676، Anton اولين مشاهده اش از باكتري ها و تك ياخته اي ها در آب را توصيف كرد. اما به هر حال او تكنيك مشاهده اش را به عنوان يك سر نگه داشت. حتي امروز ما در مورد روش روشن سازي او مطمئن نيستيم، اگرچه احتمال اين را مي دهيم كه از نوردهي غيرمستقيم استفاده مي كرده است با دادن نور از كناره هاي نمونه، به جاي گذراندن نور از ميان نمونه ها. Anton همچنين دوست نداشت كه هيچ از 419 ميكروسكوپي را كه ساخته بود از خود جدا كند. تقريباً نزديك فرارسيدن مرگش بود كه دخترش با راهنمايي او 100 تا از آن ميكروسكوپ ها را به جامعه ي سلطنتي فرستاد.
پس از مرگ Anton درسال 1973، هيچ كس در صدد تكميل اين طرح و ساختن ميكروسكوپ هاي بهتر برنيامد و پيشرفت ميكروبيولوژي متوقف شد. تا آن زمان او هنوز اولين گام ها را برداشته بود. از طريق نامه هاي Anton به جامعه ي سلطنتي در اواسط دهه ي 70، وجود ميكروب ها براي جامعه ي علمي قطعي شد و در سال 1683 او باكتري هاي گرفته شده از دهان خودش را توصيف كرد. به هر حال Anton مي توانست جزئيات بسيار كمي از آنها را ببيند. همان گونه كه خواهيم ديد مطالعات بيشتري لازم بود تا ميكروسكوپ هاي پيشرفته تر به وجود آيند.
اصول ميكروسكوپي (ذره بيني) واحد هاي متريك ميكروسكوپي يعني تكنولوژي قابل ديد كردن اشياءِ خيلي ريز براي چشم انسان. به علت اينكه ميكروارگانيسم ها بسيار بسيار كوچك هستند، واحدهاي به كار رفته براي اندازه گيري آنها به نظر مي رسد براي دانش آموزان مبتدي ناآشنا با جهان ميكروسكوپي نامأنوس باشد. (جدول 1. 3)
شكل b10-2 نشان مي دهد كه چگونه يك مولكول گلوكز در محلول مجدداً چيد ه مي شود و به خود مي پيوندد تا يك حلقه ي بسته را تشكيل دهد. طرح سه بعدي نشان داده شده در شكل c10-2 به شكل دقيق تري شكل واقعي مولكول را نشان مي دهد. در مطالعه ي فرمول هاي ساختاري تجسم هر مولكول به عنوان يك شيءِ سه بعدي از اهميت خاصي برخوردار است.
مونوساكاريدها مي توانند به شكل شكرهاي دي اكسي و الكل هاي قندي تنزل پيدا كنند. (شكل 11. 2) قند دي اكسي deoxyribose كه به جاي يك گروه –OH در يكي از كربن هايش يك اتم هيدروژن دارد جزئي از DNA است. الكل هاي قندي معين، كه به جاي يك گروه آلوئيد يا Ketone داراي يك گروه الكلي اضافي هستند قابل متابوليسم توسط ميكروارگانيسم هاي خاص هستند Mannitol و ديگر الكل هاي قندي براي تشخيص بعضي از ميكروارگانيسم هاي در آزمايش هاي تشخيصي استفاده مي شوند.
دي ساكاريدها هنگامي كه دو مونوساكاريد توسط از دست دادن آب و تشكيل يك زنجيره ي glycosidic، يك الكل قندي پيوند قندي (شكل a12-2) به هم مي پيوندند بوجود مي آيند. ساكاروز، همين قند معمول مورد استفاده يك دي ساكاريد است كه از گلوكز و فروكتوز تشكيل شده است. (شكل b12-2) پلي ساكاريدها مانند starch، گلي كوژن، cellulose پلي مرهاي گلوكز- زنجيره ي طويلي از واحدهاي تكراري- هستند. به هر حال زنجيره هاي glycosidic در هر پلي مر به طور متفاوتي چيده شده اند. گياهان و بيشتر جلبك ها نشاسته و سلولز توليد مي كنند. نشاسته به عنوان راهي براي ذخيره ي انرژي عمل مي كند و سلولز يكي از اجزاي ساختاري ديواره ي سلولها مي باشد. حيوانات گلي كوژن توليد و ذخيره مي كنند كه مي توانند آن را به گلوكز شكسته و در هنگام نياز از انرژي آن استفاده كنند.
ميكروارگانيسم ها حاوي چندين پلي ساكاريد مهم ديگر نيز هستند به طوري كه در فصل هاي بعدي خواهيم ديد جدول 4. 2 انواع كربوهيدرات ها را خلاصه كرده است.
جستجو در دنياي ميكروب ها
آيا به واقع ممكن است يك گاو بتركد؟
گاوها مي توانند مواد مغذي تقريباً خوبي را از علف، علوفه و ديگر مواد سبز فيبري كه براي انسان غيرقابل خوردن هستند بدست آورند. نمي توانيم سلولز را هضم كنيم كه جزءِ اصلي تركيب گياهان مي باشد. اگر انسان مجبور شود كه با علف زندگي كند مطمئناً تا حد مرگ گرسنگي خواهد كشيد. پس چطور گاوها و ديگر حيوانات با چنين جيره ي غذايي موفق به زندگي مي شوند. با كمال تعجب بايد بگوييم كه گاوها نيز نمي توانند اين كار را انجام دهند. اما آنها نياز به چنين كاري هم ندارند چرا كه اين كار برايشان انجام مي شود. گاوها و ديگر حيوانات مانند آنها در معده هايشان ميزان جمعيت فراواني از ميكروارگانيسم ها هستند. اين ميكروارگانيسم ها سلولز را به قندهايي كه حيوانات مي توانند از آن ها استفاده كنند تجزيه مي نمايند.
در مورد موريانه هم اين امر صدق مي كند اگر ميكروارگانيسم ها در جهاز هاضمه ي موريانه نبودند آنها نمي توانستند در سقف چوبي منزل شما ناهار يا شام ميل كنند. سلولز بسيار زياد به نشاسته شبيه است. هر دوي آها از زنجيره هاي طويل مولكول هاي گلوكز تشكيل شده اند. به هر حال زنجيره بين اين مولكول ها از لحاظ شكل هندسي كمي متفاوت است. در نتيجه، آنزيمي كه حيوانات براي تجزيه ي يك مولكول نشاسته به اجزايش به كار مي برند هيچ تأثيري بر سلولز ندارد.
در حقيقت ارگانيسم هاي خيلي معدودي هستند كه مي توانند آنزيم هايي توليد كنند كه بتواند به سلولز حمله ور شود. حتي تك ياخته هايي كه در معده ي گاوها و موريانه ها زندگي مي كنند هميشه نمي توانند اين كار را به تنهايي انجام دهند. دقيقاً همان گونه كه گاوها و موريانه هايي كه در معده ي گاوها و موريانه ها زندگي مي كنند هميشه نمي توانند اين كار را به تنهايي انجام دهند. دقيقاً همان گونه كه گاوها و موريانه ها براي ادامه ي حياتشان به تك ياخته هاي موجود در معده شان نياز دارند
، حيات اين تك ياخته گان هم به باكتري هاي خاصي كه در بين آن ها زندگي مي كند وابسته است. در واقع اين باكتري ها هستند كه آنزيم هاي هضمي ضروري را توليد مي كنند. فعاليت اين ميكروارگانيسم هاي روده اي كه اين خدمات هضمي را انجام مي دهند هم براي گاوها و هم براي انسان هايي كه از آنها نگهداري مي كند يك موهبت است. اين باكتري ها هم چنين گاز متان توليد مي كند. CH4 به ميزان فراوان بين 190 تا 380 ليتر در روز براي هر يك عدد گاو. توليد اين گاز آنقدر سريع است كه چنانچه گاو نتواند آروغ بزند ممكن است بتركد. البته راه هايي اختراع شده است
كه بتوان بدون آسيب رساندن به گاو، اين گاز را مستقيماً از بدن گاو خارج كرد. هنگامي كه اين گاز به ناچار و با هر روشي از بدن گاو خارج مي شود به اتمسفر وارد مي شود. گمان مي رود كه اين فرآيند در توليد گازهاي گلخانه اي و گرم شدن هواي زمين تأثير داشته باشد. (فصل25). دانشمندان تخمين زده اند كه گاوهاي جهان سالانه 50 ميليون تن گاز متان وارد جو مي كنند كه هنوز اين تخمين گوسفندان، بزها، بزهاي كوهي و ديگر حيوانات علف خوار را در نظر نگرفته است.
ليپيدها ليپيدها گروه شيميايي متمايزي از مواد تشكيل مي دهند كه شامل چربي ها، فسفوليپيدها و استروئيدها مي شوند. آنها نسبتاً در آب قابل حل نيستند اما در حلال هاي غيرقطبي مانند اتر و بنزن قابل حل هستند. ليپيدها بخشي از ساختار سلول ها خصوصاً ساختار غشايي آنها را تشكيل مي دهد و ممكن است براي انرژي مورد استفاده قرار گيرند. عموماً ليپيدها حاوي ميزان بيشتري هيدروژن و ميزان كمتري اكسيژن نسبت به كربوهيدرات ها هستند و به همين دليل حاوي انرژي بيشتري نسبت به آنها مي باشند.
چربي ها حاوي سه- كربن الكل glycerol و يك يا بيشتر اسيد چرب مي باشند. يك اسيد چرب از يك زنجيره ي طويل از اتم هاي كربن با اتم هاي مرتبط هيدروژن و يك گروه carboxyl در يك انتهاي زنجيره مي باشند. تركيب يك چربي از glycerol و اسيدهاي چرب شامل از دست دادن آب و تشكيل يك زنجيره ي ester بين گروه carboxyl اسيدهاي چرب و يك گروه الكلي glycerol مي شود. (شكل a13-2) triacylglycerol كه سابقاً triglyceride ناميده مي شد عبارت است از يك چربي كه هنگامي كه سه اسيد چرب به glycerol مي پيوندند تشكيل مي شود. Diacylglycerols , Monacylglycerols به ترتيب حاوي يك و دو اسيد چرب هستند و معمولاً از گوارش triacylglycerols تشكيل مي شوند.
اسيدهاي چرب مي تواند اشباع شده و يا غيراشباع باشند. يك اسيد چرب اشباع شده حاوي همه ي هيدروژن هاي ممكن مي باشد، بدين معني كه از هيدروژن اشباع شده است. (شكل b13-2) يك اسيد چرب غيراشباع حداقل دو اتم هيدروژن را از دست داده و حاوي يك زنجيره دوبله بين دو كربن است كه هيدروژن از دست داده است. (شكل c 13. 2). بنابراين غيراشباع بدين معني است كه آن اسيد به طور كامل از هيدروژن اشباع نشده است. اسيد اولئيك يك اسيد چرب غيراشباع مي باشد. چربي هاي polyunsaturated، كه تعداد زيادي از آنها روغن هاي گياهي هستند كه در دماي معمولي مايع هستند، حاوي اسيدهاي چرب غيراشباع فراواني هستند.
بعضي از ليپيدها حاوي يك يا چند مولكول علاوه بر اسيدهاي چرب glycerol هستند. به عنوان مثال فسفوليپيدها، كه در همه ي غشاهاي سلول ها موجود هستند، از چربي ها توسط جايگزيني اسيد فسفريك H3PO4 به جاي يكي از اسيدهاي چرب متمايز مي شوند. (شكل a14. 2) گروه فسفات نوعاً به يك گروه ديگر مي پيوندد. هر دو مي توانند با آب مخلوط شوند اما آني كه داراي انتهايي با اسيد چرب مي باشد نمي تواند (شكل b 14. 2) ويژگي هاي اين چنيني فسفوليپيدها در تعيين خصوصيات غشاهاي سلولي داراي اهميت هستند. (فصل 4). استروئيدها يك ساختار چهار حلقه اي دارند و از ديگر ليپيدها كاملاً متمايز مي باشند. آنها شامل كلسترول، هورمون هاي استروئيد و ويتامين D مي شوند. كلسترول (شكل b 15-2) در آب حل نمي شود و در غشاي سلولي حيوانات و گروهي از باكتري ها كه ميكوپلاسماس ناميده مي شوند يافت مي شود. هورمون هاي استروئيد و ويتامين D در حيوانات زيادي داراي اهميت مي باشد. «راهبردي به سلامتي»
آنقدر ظرف شسته ايد كه بدانيد صابونها مواد روغني را از ظرف ها پاك كرده و همراه آب از ظرف ها مي زدايند. اگرچه شما ممكن است هرگز فكر نكرده باشيد كه اين كار چگونه انجام مي شود. موضوعات شيميايي مربوط به صابون يكي از كاربردهايي است كه شما در فصل 2 در مورد آن مطالعه كرديد. به خاطر اينكه آب يك مولكول قطبي است، يك كشش سطحي بلند دارد و به صورت دانه هايي بر روي سطح هاي تميز قرار مي گيرد. براي اينكه آب را "مرطوب تر" نمود لازم است كه كشش سطح آب با اضافه كردن surfactant كاهش يابد. صابون ها تركيباتي يوني هستند كه از چربي ها و روغن ها ساخته شده و توسط آلكالي عمل آوري مي شود. اين فرآيند يك مولكول پيچيده با يك گروه carboxyl شارژ شده در يك انتها و يك هيدروكربن غيريوني اشباع شده در ديگر انتها توليد مي نمايد. واكنش شيميايي بين گريس، صابون و آب ذره هاي غذايي چسبيده به ظروف را شل كرده و آنها را با آب به پايين مي فرستد.
پروتئين ها ويژگي هاي پروتئين ها و آمينواسيدها
در ميان مولكول هاي پيدا شده در موجودات زنده، پروتئين ها داراي بيشترين تنوع از نظر ساختار و عملكرد مي باشند. پروتئين ها از توده هاي ساختماني كه آمينواسيدها ناميده مي شوند ساخته شده اند، كه حداقل داراي يك گروه آمينو (-NHz) و يك كربوكسيل اسيدي (-COOH) مي باشد. ساختار عمومي يك آمينواسيد و تعدادي حدود 20 آمينواسيد ديگر كه در پروتئين ها يافت مي شوند در شكل 16-2 نشان داده شده است. هر آمينواسيد به وسيله يك گروه شيميايي متفاوت كه گروه R ناميده مي شود و به اتم كربن مركزي آن متصل شده است از بقيه متمايز مي شود. به علت اينكه همه ي آمينواسيدها حاوي كربن، هيدروژن، اكسيژن، و نيتروژن مي شوند و بعضي از آنها هم حاوي سولفور مي باشد. پروتئين ها هم حاوي اين فاكتورها مي باشند.
يك پروتئين يك پلي مر آمينواسيد مي باشد كه به وسيله زنجيره هاي peptid به هم متصل شده اند. به اين معني كه زنجيره هاي هم ظرفيت يك گروه آمينو از يك آمينو اسيد را به يك گروه كربوكسيل يك آمينواسيد ديگر پيوند مي دهد. (شكل 17-2) دو آمينواسيدي كه به هم پيوسته اند يك دي پپتيد تشكيل مي دهند، سه آمينواسيد تري پپتيد و چند آمينواسيد يكي پلي پپتيد را به وجود مي آورند. علاوه بر گروه هاي آمينو و كربوكسيل، بعضي از آمينواسيدها يك گروه R دارند كه گروه sulfhdryl (-SH) ناميده مي شود.
اين گروه زنجيره ي مجاور آمينواسيدها مي توانند هيدروژن آزاد كرده و زنجيره هاي دي سولفيد (-S-S-) از يك زنجيره به زنجيره بعدي را تشكيل دهند.
ساختار پروتئين ها
پروتئين ها چندين سطح ساختاري دارند. ساختار پايه اي پروتئين ها از يك توالي خاص آمينواسيدها در يك زنجيره پلي پپتيد تشكيل مي شود. (شكل a 18-2) ساختار ثانويه پروتئين ها از داخل شدن يا قرار گرفتن مارپيچي شكل آمينواسيدها در داخل يك الگوي خاص تشكيل مي شود مانند صفحات داراي چين و يا حلزوني شكل. (شكل b18-2). زنجيره هاي هيدروژن مسئول چنين الگويي هستند.
خم شدن و پيچيدگي بيشتر مولكول هاي پروتئين به شكل دايره هاي نامنظم ساختار tertiary را شكل مي دهد. بعضي از پروتئين هاي بزرگ مانند هموگلوبين داراي ساختار 4-4 هستند كه از طريق ارتباط چندين ساختار 3-3 اي تشكيل مي شوند. اين دو ساختار اخير از طريق پيوستگي دي سولفيد، زنجيره هاي هيدروژن، و ديگر نيروهاي بين گروه هاي R آمينواسيد ابقا و نگه داري مي شوند. شكل سه بعدي مولكول هاي پروتئين و حالتي از سايت ها كه ديگر مولكول ها مي توانند به آن بپيوندند در تعيين چگونگي عملكرد پروتئين در ارگانيسم هاي زنده بسيار مهم هستند.
