Dersin Sorumlusu Yrd. Doç. Dr. Ercan TURAL MİKROBİYOLOJİ Dersin Sorumlusu Yrd. Doç. Dr. Ercan TURAL

Mikrobiyolojiye Giriş Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Mikroorganizmalarda Büyüklük Kavramı Mikroorganizmaların Yaşam Alanları Mikrobiyolojinin Konusu ve Alt Dalları Mikrobiyolojinin Tarihçesi Mikrobiyal Sistematik ve mikroorganizmaların İsimlendirilmesi Mikrobiyolojinin Önemi Hastalık etmeni olarak mikroorganizmalar Mikroorganizmalar, Tarım ve Hayvancılık Mikroorganizmalar ve Gıdalar Mikroorganizmalar, Enerji ve Çevre Mikroorganizmalar ve Biyoteknoloji Biyolojik silah olarak Mikroorganizmalar

MİKROBİYOLOJİYE GİRİŞ Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Mikrobiyoloji mikroorganizmaları inceleyen bir bilim dalıdır. Mikro; çok küçük (gözle görülemeyecek kadar küçük), biyo; canlı ve loji; bilim anlamına gelir. Mikrobiyoloji; mikroorganizmaların çeşitliliği ve evrimi, toprak, su, insan vücudu, hayvan vücudu ve bitkilerde bulunan mikroorganizma faaliyetleri gibi çeşitli sorularla ilgilenir.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Mikroorganizmalar tek hücreli ve mikroskobik canlılardır. Makroorganizma (makro; büyük) hücreleri doğada tek başlarına yaşayamazlar ve sadece çok hücreli yapıların bir kısmı olarak örneğin; hayvanların organ sistemleri veya yapraklı bitkilerin yaprakları olarak bulunurlar. Bunun aksine mikroorganizmaların çoğu gelişme, enerji üretimi ve çoğalma gibi yaşamsal işlevlerini diğer hücrelerden bağımsız olarak tek başlarına yaparlar. Bu nedenle, mikroorganizmalarda tek bir hücre başlı başına bir bireyi temsil eder.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Mikroorganizmalar keşfedilmeden önce canlılar, bitkiler ve hayvanlar alemi olarak biliniyordu. Haeckel, 19. yüzyılda üçüncü bir alem olarak Protista’dan söz etmiştir. Daha sonra ise, canlılar; Prokaryot ya da Monera, Protista, Funguslar, Bitkiler ve Hayvanlar olarak sınıflandırılmıştır. Bu teoriye karşın Woese ve arkadaşları 1990’da canlıları filogenetik ilişkiye göre ilk kez alem üstü grup kabul edilen 3 domain altında toplamıştır. Ortak bir atadan gelen bu üç domain Arkea (Archaea), Bakteria (Bacteria) ve Ökarya (Eukarya)’dır.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Mikrobiyolojinin konusunu oluşturan mikroorganizmalar, bu 3 domainden ikisini (arkea ve bakteria) tümüyle, üçüncü domain olan ökaryo’nun ise bir kısmını kapsarlar. Bu domainler altında gruplandırılamayan, hücresel yapısı olmayan organizmalar da mikrobiyolojinin içinde incelenirler. Buna göre; Arkea ve Bakteria domainlerini oluşturan bakteriler, Ökaryo domaininde bulunan Protozoa, Algler ve Funguslar ile bu domainlerde yer almayan Virüsler, Viroidler ve Pirionlar mikroorganizma olarak kabul edilirler.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Bakteriler oldukça basit yapılı, tek hücreli organizmalardır. Genetik materyalleri özel bir çekirdek zarı ile çevrili olmadığı için Prokaryot olarak adlandırılırlar. Bakteri hücreleri genellikle çubuk, küresel ve spiral şekillerdedir ancak nadiren köşeli veya yıldızımsı şekillerde olanlara da rastlanmaktadır.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Bakteri domaini üyelerinde karbonhidrat ve protein kompleksinin oluşturduğu peptidoglikan hücre duvarı bulunmaktadır. Genellikle ikiye bölünme ile çoğalırlar. Pek çoğu beslenme için ölü veya canlı organizmalardan gelen organik bileşikleri kullanır. Bazıları fotosentez yaparken bazıları da inorganik bileşiklerle beslenir. Flagella adı verilen kamçı ile hareket etme yeteneği pek çoğunda vardır. Arkea domaini de bakteria gibi prokaryotik hücrelerden oluşmuştur. Arkea üyelerinin hücre duvarlarında peptidoglikan bulunmaz. Oldukça tuzlu veya sıcak kükürtlü sular gibi şartlarda yaşayan bu prokaryotların insanlarda hastalık oluşturduğu bilinmemektedir.

Mikrobiyoloji ve Mikroorganizmalar Funguslar, hücre genetik materyalinin bir çekirdek zarı ile çevrili olduğu gerçek çekirdeğe sahip ökaryotik organizmalardır. Tek hücreli veya çok hücreli olabilirler. Çok hücreli büyük funguslar örneğin şapkalı mantarlar bitkilere benzer görünebilirler fakat bitkiler gibi fotosentez yapmazlar. Funguslar; mayalar, küfler ve şapkalı mantarlar olmak üzere üç farklı grupta incelenirler.

Protozoa (ilkel hayvanlar), tek hücreli ve ökaryotik mikroorganizmalardır. Kamçı, yalancı ayak veya sil gibi özel oluşumlar ile hareketlidirler. Protozoa üyeleri serbest veya başka canlılarda parazit olarak yaşarlar. Eşeyli veya eşeysiz ürerler.

Algler, fotosentetik ökaryotlardır ve değişik morfolojik yapı gösterirler. Tek hücreli veya filamentli formda olup, sulu veya nemli ortamlarda yaşarlar. Bitkiler gibi fotosentez yaparlar.

Virüsler, önceden bahsedilen mikroorganizma gruplarından çok farklıdır, ne prokaryot ne de ökaryot mikroorganizma değildir. Bakterilerden çok küçük oldukları için sadece elektron mikroskop ile gözlenebilirler ve hücresel yapıları yoktur. Yapıları bir çeşit nükleik asit (RNA veya DNA) ve bunu saran bir protein kılıftan ibarettir. Çoğalmak için konak hücre içine girmeleri gerekir. Bu nedenle bir anlamda diğer organizmalarda zorunlu parazit olarak yaşarlar. Virüslerin paraziti olan virüsler de vardır ve bunlar defektif virüsler olarak adlandırılır.

Viroidler; protein içermeyen RNA parçacıkları olup, bitki hastalıklarına yol açarlar. Prionlar ise viroidlerin aksine nükleik asit içermeyen ve sadece proteinden ibaret, hayvanlarda merkezi sinir sistemi hastalıkları etmeni olarak tanımlanmış en küçük mikroorganizmalardır.

Mikroorganizmalarda Büyüklük Kavramı Ortalama bir bakterinin hacmi 1 μm3 yani insan hücresinin 1/1000’i kadardır. Bazı bakteriler bu ortalamadan daha büyük ya da daha küçük olabilirler. Bilinen en büyük bakteri (örneğin Epulopiscium fishelsoni) ile küçük bakteri arasındaki büyüklük farkı 1 milyon kat kadardır.

Mikroorganizmalarda Büyüklük Kavramı Mikroorganizmaların büyüklüğü tanımlanırken bakteriler, funguslar, protozoa ve algler için mikrometre (μm), virüsler için ise nanometre (nm) birimleri kullanılmaktadır. Büyüklüklerine göre; bakteri> virüs> defektif virüs> viroid> prion olarak sıralansa da. bunlardan daha büyük olan protozoa, algler ve funguslar ise kendi içlerinde değişik büyüklükte olabilirler.

Mikroorganizmalarda Büyüklük Kavramı Örneğin denizlerde yaşayan bir alg olan Ostreococcus tauri yaklaşık 1 μm çapında, bilinen en küçük ökaryottur. Işık mikroskobu ile mikrometre boyutlu mikroorganizmalar gözlenebilirken nanometre boyutlu virüslerin gözlenebilmesi için büyütme gücü çok daha fazla olan elektron mikroskoplar kullanılmaktadır.

Mikroorganizmaların Yaşam Alanları Mikroorganizmalar doğada populasyon halinde diğer hücrelerle birlikte yaşarlar ve yaşadıkları çevre mikrobiyal habitat olarak adlandırılır. Habitat olarak incelendiğinde, toprak, tatlı ve tuzlu sular, sedimentler ve burada yaşayan canlıların vücudu (üzeri veya içi) ve gıdalar mikroorganizmaların yaşam alanını oluşturmaktadır. Sürekli sirkülasyon halinde bulunan atmosfer, yerin derinlikleri, buzulların içleri ve hatta gayzer kaynakları bile mikroorganizmaların habitatı olabilir. Evimiz, vücudumuz, soluduğumuz hava, eşyalarımız mikroorganizmalarla doludur.

Ortam sıcaklığı, ortam asiditesi (pH), oksijen bulunup bulunmaması, güneş ışığı, besin madddeleri vb. fiziksel faktörler habitat içindeki mikroorganizma çeşidini belirlese de, hemen her ortamda yaşayan mikroorganizma vardır. Örneğin; Yüksek sıcaklıktaki termal kaplıca su kaynaklarında ve denizaltındaki sıcak ve çeşitli gazlarla dolu volkanik bacalarda Veya ülkemizdeki Tuz Gölü gibi çok tuzlu ortamlarda ekstrem bakteriler Oksijen bulunmayan yer altı katmanlarında metanojenik bakteriler İnsan, bitki veya hayvan vücudu gibi canlı ortamlarda ise, oksijen isteği yönünden çeşitli bakteriler (aerobik/anaerobik) ile funguslar, protozoa üyeleri ve zorunlu hücre içi paraziti olan virüsler yaşayabilirler.

Algler fotosentetik oldukları için güneş ışığı ve tüm nemli ortamlarda yaşamlarını sürdürürler. Fungusların fiziksel çevre istekleri diğer mikroorganizma gruplarına oranla daha geniş olduğundan hemen her yerde yaşarlar. Fungusların enerji kaynağı olarak kullanamadığı tek organik madde metandır. Bu nedenle, metan dışında bütün maddeleri kullanabileceği ortamlar örneğin; uçakların benzin deposu bile fungusların yaşam alanı olabilir. Viroidler için bitki hücreleri yaşam alanını oluştururken, prionların yaşam alanı hayvan hücreleridir.

Mikrobiyolojinin Konusu ve Alt Dalları Mikrobiyoloji bilimi iki temel konu üzerinde odaklanmıştır: 1. Mikroorganizmaların temel yaşam işlevlerini anlamak, 2. Mikrobiyolojiyi insanoğlunun yararına olacak şekilde uygulamak. Aslında tüm hücrelerin pek çok ortak yönü vardır. Mikrobiyal hücreler, çok hücreli organizmaların hücreleri ile pek çok ortak özelliği paylaştığı için yaşamın kimyasal ve fiziksel temellerinin anlaşılmasında mikroorganizmalar üzerinde yapılan çalışmalardan yararlanılmaktadır. Dahası, mikrobiyal hücreler laboratuvar ortamında biyokimyasal ve genetik çalışmalarda kullanılmak üzere çok miktarda geliştirilebilirler. Bu özellikleri nedeniyle mikroorganizmalar insanlar da dahil çok hücreli organizmalarda hücresel işlevlerin anlaşılması için mükemmel modellerdir. Uygulamalı bir bilim olarak mikrobiyoloji; tıp, tarım ve endüstrideki pek çok problem ile ilgilenir. Mikroorganizmaların çok az bir kısmı patojenik (hastalık yapıcı) tir. Örneğin, insanlarda AIDS, hayvanlarda şarbon ve bitkilerde buğday pası gibi pek çok hastalık mikroorganizmalar tarafından oluşturulur. Gıdaların bozulmasında mikroorganizmalar rol oynar. Bununla birlikte, deniz ve tatlı su mikroorganizmaları denizlerde, göllerde ve akarsularda besin zincirinin temelini oluşturur. Toprak mikroorganizmaları atıkların parçalanmasına ve havadaki azot gazının organik bileşikler şeklinde tutulmasına yardımcı olur. Böylece toprak, su ve havadaki kimyasal elementlerin döngüsü sağlanır. Bazı mikroorganizmalar besin ve oksijen üretim işlevi olan fotosentez olayında önemli rol oynarlar. İnsanlar ve pek çok hayvan, midelerindeki besinlerin sindirilmesi ve vücutlarının ihtiyacı olan vitaminlerin örneğin metabolizma için gerekli bazı B vitaminleri ve kan pıhtılaşması için gerekli K vitamininin sentezlenmesi için mikroorganizmalara bağlıdırlar.

Mikroorganizmaların pek çok ticari uygulamaları da vardır Mikroorganizmaların pek çok ticari uygulamaları da vardır. Örneğin aseton, organik asitler, enzimler, alkoller ve pek çok ilacın sentezinde kullanılırlar. Gıda endüstrisi sirke, alkollü içecekler, turşu, soya sosu, ekmek, peynir, yoğurt gibi pek çok gıdanın üretiminde mikroorganizmalar kullanır. Gıdalardaki bu mikroorganizmalar gıda mikrobiyolojisi’nin altında incelenirler. Bu doğal faaliyetlerinin yanı sıra mikroorganizmalar normalde sentezlemedikleri sellüloz, insülin gibi insanlık için çok önemli pek çok ürünü genetiği değiştirilmiş mikroorganizmalar haline dönüştürüldükten sonra sentezleyebilir. Enfeksiyon hastalıklarının nasıl oluştuğunun anlaşılması ve patojenlerin laboratuarda kültür edilmesiyle mikrobiyolojinin alt dalları olan tıbbi mikrobiyoloji ve immünoloji doğmuştur. Bu alanlardaki çalışmalarla pek çok yeni insan ve hayvan patojeni ile bunların enfeksiyon şekli anlaşılmış, bunlara karşı oluşan vücut direnci keşfedilmiştir. Beijerinck ve Winogradsky’nin çalışmaları ile tarım mikrobiyolojisi alanında çalışmalar başlamış, bitki büyümesini teşvik eden azot fiksasyonu gibi topraktaki mikrobiyal aktiviteler anlaşılmaya başlamıştır. 20. Yüzyılda antibiyotikler ve diğer kimyasalların keşfi ile mikroorganizmaların ticari ürünler için büyük ölçeklerde geliştirildiği endüstriyel mikrobiyoloji alanı ortaya çıkmıştır.

Toprak mikrobiyolojisindeki gelişmelerden sonra göller, denizler ve nehirlerdeki mikrobiyal olayları inceleyen su mikrobiyolojisi ve deniz mikrobiyolojisinin temelleri atılmıştır. Su mikrobiyolojisinin bir kolu da kanalizasyon ve diğer atık suların arıtılmasını içermektedir. Mikroorganizmaların doğal ortamlarındaki aktivitelerinin ve çeştliliğinin incelenmesiyle mikrobiyal ekoloji ortaya çıkmıştır. Daha da özelleşmiş olarak uzay mikrobiyolojisi, kömür ve petrol mikrobiyolojisi alt dalları bulunmaktadır.

Bakteriyoloji bakterilerin, Viroloji virüslerin, Mikoloji fungusların, Parazitoloji tek hücreli protozoonların, Epidemiyoloji ise enfeksiyon hastalıklarının dağılımlarının incelendiği bilim dalları olarak mikrobiyoloji içinde yer almaktadır.

MİKROBİYOLOJİNİN TARİHÇESİ Mikrobiyolojinin konusunu oluşturan canlıların bitkiler ve hayvanlar ortaya çıkmadan milyarlarca yıl önce yeryüzünde olduğunun kanıtı fosil mikroorganizmalardır. İnsanoğlu bilinçsiz olarak mikroorganizmaları günlük yaşamına dahil etmiş, şarap, bira, yoğurt, ekmek gibi fermente ürünlerin elde edilmesi için mikroorganizmalardan yararlanmıştır.

MİKROBİYOLOJİNİN TARİHÇESİ Hastalıklar insanların ilgisini her zaman çekmiştir. Cüzzam, dizanteri, bel soğukluğu, çiçek, kolera gibi hastalıklar eski zamanlardan beri bilinmekteydi. Hipokrat (MÖ 460) eserinde bulaşıcı hastalıklardan söz etmiştir. Zekeriya el Razi (MS 900) kızamık ve çiçek hastalıklarından bahsetmiş, İbn-i Sina (MS 980-1038) ise hastalık etmeni olarak görülemeyecek kadar küçük etkenlerin varlığını kabul etmiş ve bunlardan korunmak için temizlik esaslarını uygulamıştır. Çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük canlıların varlığı konusunda eskiden beri şüpheler olmasına rağmen, mikroskobun keşfi ile biyoloji tarihinde çok önemli gelişmeler ortaya çıkmıştır. Mikroskobun temelini oluşturan ilk basit büyüteç Roger Bacon (1214-1294) tarafından yapılmış ve bazı objeler incelenmiştir.

İlk bakteriyi ise Hollanda’lı bir tüccar ve amatör mercek yapımcısı Antoni van Leewenhoek 200 defa büyütebilen mikroskobu ile 1676 yılında görmüştür. Van Leeuwenhoek’in mikroskobu günümüz standartlarına göre oldukça ilkel olmasına rağmen küflerden oldukça küçük olan bakterileri ilk kez gözlemlemiş ve çizimlerini 1684 yılında yayınlamıştır. Ayrıca, bakterileri yüksek ısıda tuttuğu veya sirke ile muamele ettiği zaman öldüklerini belirtmiştir. Bu nedenlerle Antoni van Leewenhoek mikrobiyolojinin kurucusu olarak kabul edilmektedir.

Bakteriyoloji Bilimini Kuran ve Endosporları İlk Keşfedenler Fransız kimyacı Louis Pasteur (1822-1895) canlı maya hücrelerinin fermentasyondan sorumlu olduğunu göstermiş, Bozulmaya yol açan organizmaları yok etmek için yüksek ısı kullanmıştır. Günümüzde çeşitli gıdaların muhafazasında Pasteur’un ilkeleri “Pastörizasyon” adı altında kullanılmaktadır. 1880-1890 yılları arasında şarbon, tavuk kolerası ve kuduz aşılarını geliştiren Pasteur, kuduz aşısındaki başarısı ile ünlü olmuştur.

Bakteriyoloji Bilimini Kuran ve Endosporları İlk Keşfedenler Alman Robert Koch (1843-1910) sığırlarda ve nadiren insanlarda görülen antraks (şarbon) hastalığı ile çalışmalar yapmıştır. Benzer çalışmalara tüberküloz (verem) etmeni üzerinde devam eden Koch, 1905 yılında Nobel ödülü kazanmıştır.

20. yüzyılda mikrobiyoloji bilimi uygulamalı ve temel mikrobiyoloji olmak üzere iki yönde ilerlemeye başlamış ve mikroorganizmalarla çalışabilmek için yeni laboratuar araç-gereçleri icat edilmiştir. 1929’da Alexander Fleming tarafından Penicillium cinsi küflerin penisilin antibiyotiğini sentezlediğinin keşfi ile başlayan süreci 1941’de bu antibiyotiğin tedavide kullanılması takip etmiştir. Aynı yıllarda elektron mikroskobun kullanılmaya başlaması ile virüslerin morfolojisi gözlenebilmiş ve diğer mikroorganizmaların hücresel yapıları ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Nihayet 1953’te Watson ve Crick tarafından DNA yapısının aydınlatılması ile mikroorganizmalar üzerinde genetik çalışmalar başlamıştır.

MİKROBİYAL SİSTEMATİK VE MİKROORGANİZMALARIN İSİMLENDİRİLMESİ Sistematik, organizmaların çeşitliliğinin ve akrabalığının incelenmesidir. Bu amaçla filogeni (organizmanın evrimsel geçmişini) ve taksonomiyi (organizmaların özelliklerinin belirlenmesi, adlandırılması ve doğal akrabalıklarına göre gruplandırılması) bir araya getirir. Bakterilerin ilk sınıflandırılması morfolojilerine dayalı olarak yapılmış ve yıllar içinde renk, fizyolojik özellikler gibi diğer gözlemlenebilir fenotipik kriterler de dikkate alınmıştır.

MİKROBİYAL SİSTEMATİK VE MİKROORGANİZMALARIN İSİMLENDİRİLMESİ Taksonomide temel birim tür (species)’dür ve bitki ve hayvan gibi yüksek organizmalarda tür; doğal şartlar altında verimli döller verebilen bireyler topluluğudur. Benzer türler cinsleri (genus), cinsler aileleri (familya), aileler takımları (ordolar›), takımlar sınıfları (klaslar), sınıflar bölümleri (filum) ve nihayet filumlar domainleri meydana getirir.

MİKROBİYAL SİSTEMATİK VE MİKROORGANİZMALARIN İSİMLENDİRİLMESİ Ökaryotik mikroorganizmalar olan funguslar; mayalar, küfler ve şapkalı mantarlar gibi birbirinden çok farklı yapıları içermektedir. Geleneksel fungus sınıflandırmasında üreme şekli ve eşeyli üreme sporları kullanılırken, günümüz fungus sistematiğinde buna ilaveten filogenetik yaklaşım da kullanılmaktadır. Diğer ökaryotik mikroorganizma grupları olan protozoada hareket organelleri, alglerde ise fotosentetik pigmentler sınıflandırmayı yönlendirmektedir. Virüslerin birbirleri ile olan akrabalığını tespit etmek için gerekli bilgi çok yetersiz olduğundan, virüsler için henüz yaygın bir sınıflandırma sistemi oluşturulamamıştır. Temelde virüsler enfekte ettiği konuk hücre çeşidine göre gruplandırılmakta ve hayvan virüsleri, bitki virüsleri ya da bakteri virüsleri (bakteriyofajlar) olarak gruplandırılmaktadır. Hayvan virüslerinin sınıflandırılmasında virüsün içerdiği nükleik asit tipi (DNA/RNA ve çift iplikli/tek iplikli) ya da enfekte ettiği dokular göz önüne alınmaktadır. İkili (binomial) isimlendirme sistemi ilk kez 1735 yılında İsveçli bir botanikçi olan Carolus Linnaeus tarafından kullanılmıştır. Bitki ve hayvanlarda olduğu gibi bakterilerin ikili isimlendirmesinde de ilk isim cins ismidir ve bir grup yakın akraba türleri tanımlar. Cins ismi büyük harfle başlar ve italik yazılır. İkinci isim tür ismidir ve o cinsin bir türünü tanımlar. Tür ismi küçük harfle başlar ve italik yazılır. Örneğin; Bacillus cereus. Funguslar, protozoa, algler ve bakterilerde ikili isimlendirme sistemi uygulanırken, virüslerin akrabalık bilgileri çok yetersiz olduğundan virüslerin yapısı morfoloji, nükleik asit tipi, çoğalma tarzı, konak canlı ve neden oldukları hastalık gibi fenotipik özellikler temel alınır. Örneğin, kızamık virüsü adını oluşturduğu hastalık belirtisinden, Epstein-Barr virüsü adını onunla çalışan araştırmacıdan ve Coxsackie virüsü de adını ilk kez izole edildiği bölgeden almaktadır. Buna karşın tütün mozaik virüsü Tobamovirüs cinsi virüslere tipik bir örnektir. Bu şekil virüs adlandırmasında virüs türleri de diğer mikroorganizmalardakine benzer şekilde cins, alt familya, familya ve takımlara yerleştirilirler.

Mikrobiyolojinin Önemi Mikroorganizmalar doğada sıcak su kaynakları ve denizlerdeki volkanik bacalar da dahil hemen her yerde ve diğer organizmaların üzerinde veya içinde yaşarlar. Bu kadar küçük olmalarına rağmen yeryüzünde böylesine geniş bir alanda yaşayan mikroorganizmaların sayısı tahminen 5x10³° hücredir. Bu küçük hücrelerin tümünde bulunan karbon miktarı yeryüzündeki tüm bitkilerde bulunan karbon miktarına eşittir. Azot ve fosfor miktarı ise tüm bitki canlı kütlesinde bulunandan 10 kat daha fazladır. Bu nedenle bu kadar küçük olmalarına rağmen mikroorganizmalar yeryüzünde canlı kütlenin önemli bir kısmını oluşturur, yaşam için gerekli temel maddeler için depo görevi görür ve diğer organizmalar için gerekli pek çok kimyasal reaksiyonu gerçekleştirirler.

Hastalık Etmeni Olarak Mikroorganizmalar 20. yüzyıl başlarında ölümlerin büyük nedeni patojen olarak adlandırılan mikroorganizmaların neden olduğu enfeksiyonel hastalıklardı. Mikrobiyal hastalıklara özellikle çocuklar ve yaşlılar yenik düşüyordu. Günümüzde enfeksiyonel hastalıklar en azından gelişmiş ülkelerde daha az öldürücüdür. Hastalık seyrinin anlaşılması, ve halk sağlığı uygulamalar› ile antimikrobiyal maddelerin kullanımı enfeksiyonel ajanların kontrolünü sağlamıştır. Buna karşın gelişmiş ülkelerde hala AIDS hastalığı veya çoklu antibiyotik direnci gibi nedenlerle ölümler görülmektedir. Çiçek hastalığının tüm dünyada ortadan kalkması mikrobiyolojik bir zafer olmasına karşın, sıtma, verem, kızamık gibi hastalıklar yüzünden yine de milyonlarca insan ölmektedir. Aslında kuşların hastalığı olan kuş gribi gibi aniden ortaya çıkan ve insanları da enfekte etme potansiyeli olan hastalıklar da tüm dünyayı tehdit etmektedir. Ayrıca küresel seyahatlerin yaygın olması nedeniyle ebola kanamalı hastalı¤ı gibi nadir görülen hastalıklar kolayca tüm dünyaya yayılabilir. Tüm bunlara ilaveten biyolojik silahlar en büyük tehdittir. Bu nedenlerle günümüzde mikroorganizmalar insanlar için hala bir sağlık tehdidi oluşturmaktadır.

Mikroorganizmalar ve Biyoteknoloji Genetik zenginlikleri nedeniyle mikroorganizmalar ticari öneme sahip ürünlerin yapımında da kullanılabilirler. Günümüzde antibiyotikler, özel enzimler ve çeşitli kimyasallar mikroorganizmalar tarafından doğal bir faaliyet olarak büyük miktarda üretilmektedir. Genetiği değiştirilmiş mikroorganizmalar ise ticari değeri yüksek ürünler üretmektedir. Örneğin; doğal olarak bakteri tarafından üretilmeyen insülin hormonu üretimi için, insan insülin genleri gen mühendisliği teknikleri ile bakterilere aktarılmış ve transgenik bakterilerce çok miktarda insülin üretimi sağlanmıştır.

Mikroorganizmalar ve Biyoteknoloji Enzim Kullanım alanı Mikroorganizma İnvertaz Şeker, pasta yapımı Saccharomyces cerevisiae B-Glukanaz Biranın berraklaştırılması Bacillus subtilis, Aspergillus niger Laktaz Laktozu sindiremeyenler için gıda katkı maddesi ve süt endüstrisi Saccharomyces lactis Pektinaz Meyve suyu ve şarapların berraklaştırılması Aspergillus niger Lipaz Süt endüstrisi, yağ sökücü deterjan katkı maddesi Sellülaz Gıda katkı maddesi Trichoderma konigi Nötral proteaz Et ve peynirde lezzet arttırıcı Bacillus subtilis Rennin Peynir yapımı Sığır geni klonlanmış bir Escherichia coli

HÜCRE Canlılığın temel yapı ve fonksiyon birimi hücredir. Hücre, dışarıdan aldığı maddeleri ihtiyacı doğrultusunda işleyip, yeniden sentezleyebilen, gerektiği zaman bu maddeleri parçalayıp enerjisini sağlayabilen, bir üreme birimi olarak da kendisinin aynısını meydana getirebilen ve kendi özelliklerini sonraki kuşaklara aktarabilenen küçük yaşam birimidir. Hücreler zarla çevrili bir çekirdeğe sahip olup olmamalarına göre prokaryot ve ökaryot hücreler olarak iki gruba ayrılır. Prokaryota terimi eski Yunancadaki pros; ilk, karyon; çekirdek anlamına gelmektedir. Prokaryot hücrelerin genetik materyali DNA molekülü nükleoid olarak adlandırılır ve hücre içinde nukleus oluşumu görülmez. Eukaryota (Ökaryot), Yunancada eu; iyi, gerçek, karyon; çekirdek anlamına gelmektedir. Ökaryot hücrelerin genetik mateyali zarla çevrili ve kendine has matriksi olan çekirdek (nukleus) içinde yer alır.

PROKARYOT HÜCRE Prokaryot hücreler zarla çevrili bir çekirdekleri olmayan hücre tipleridir. Çekirdek materyalleri serbest olarak protoplazma ile karışmıştır. Prokaryot hücrelerde endoplazmik retikulum, golgi cisimciği, ve mitokondri gibi çift zarla çevrili organeller yoktur. Protein sentezinin yapıldığı ribozom granülleri sitoplazmada dağınık olarak bulunur. Solunum enzimleri hücre zarı çevresinde bulunurlar. Bir çekirdek zarı bulunmadığından bunların dışında kalan molekül içermeyen, yarı katı sıvı da sitosol olarak isimlendirilir.

Prokaryot hücreler çeşitli biçimlerde olabilirler (çubuk, küre, spiral gibi). Boyları 1-10 mikron kadardır. Işık mikroskobu ile görülebilir, kolayca üretilebilirler. Prokaryotlar tek veya koloniler halinde yaşarlar. Bu özellikteki hücrelere en iyi örnekler bakteriler ve siyanobakteriler (mavi-yeşil algler)’dir.

ÖKARYOT HÜCRE Ökaryot hücreler belirlenmiş bir çekirdeğe sahip hücrelerdir. Prokaryotlardan farklı olarak çift zarla çevrili organellere sahiptirler. Hücre büyüklüğü açısından, gözle görebileceğimiz boyutta hücreler olabildiği gibi, göremeyecek kadar küçük olanları da vardır. Örneğin bir hücre olarak kuş yumurtasını gözümüzle görebiliriz. Fakat çoğu hücreler birkaç mikron boyutundadır ve ancak mikroskoplarla görebiliriz. İnsanın en küçük hücresi 3-4 mikron çapındaki lenfosit hücreleridir. Buna karşılık aksonu ile beraber bir sinir hücresi 90 cm kadar olabilmektedir.

ÖKARYOT HÜCRE Ökaryot hücrelerde üç temel bölüm ayırt edilir. Bunlar hücre zarı, çekirdek ve sitoplazmadır. Sitoplazma içinde özel görevleri olan ve organel adı verilen yapılar yer almaktadır. Ökaryot hücrelerin bitki ve hayvan hücresi olmak üzere iki temel tipi vardır ve bunları farklı kılan bazı özelliklere sahiptirler. Bitki hücrelerinde plazma zarının dışında bir de selülozdan oluşmuş hücre duvarı bulunur. Ayrıca fotosentez görevini yürüten kloroplast ve çeşitli maddelerin sentezi ve depolanmasından sorumlu plastidler de vardır. Bitki hücrelerinde ayrıca fonksiyonel vakuol (koful) adı verilen boşluklar da bulunur. Buna karşılık hayvan hücrelerindeki sentriol ve aster iplikleri bitki hücrelerinde bulunmaz. Bitki hücrelerinin bölünmeleri sırasında oluşan hücre plağı denilen bir yapı da bitkilere özgüdür.

Hücreler bulundukları yere ve görevlerine göre belirli biçimlere sahiptirler. Ancak amip ve lökositler gibi özel bazı hücrelerin şekilleri değişebilir. Benzer görevleri yapan hücreler dokuları meydana getirirler. Bu yapıları oluşturan hücreler büyüklük bakımından canlıdan canlıya pek farklılık göstermezler, ancak sayı bakımından çok farklıdırlar.

HÜCRE MEMBRANI (HÜCRE ZARI) Bütün hücreler sitoplazmalarının çevresinde bütünlüğü korumak için hücre zarı (plazma zarı) ile çevrelenmişlerdir. Hücre zarı, protein ve lipitlerden az miktarda da karbonhidratlardan oluşmuştur. Zarlarda yer alan karbonhidratlar, lipitlere bağlı halde bulunan ya glikolipit ya da glikoprotein halindedirler. Hücre membranında ayrıca kolesterol molekülünün yanında potasyum, sodyum, magnezyum, kalsiyum gibi iyonlar da bulunmaktadır. Hücre membranı hücrenin şeklini korumada, madde alışverişinde, harekette ve diğer hücrelerle iletişim kurulmasında önemli görevleri üstlenmiştir. Zar kalınlığı ortalama 60-100 angstron kadardır. Membran katı, hareketsiz bir yapı olmayıp, aksine asimetrik ve sıvı yapıdadır. Membranların fonksiyonlarını yerine getirebilmesi için bu sıvı yapısını koruması gereklidir.

Hücre zarı ortada lipit ve iki tarafında protein tabakalarından oluşmuştur. Lipitler iki tabaka halinde ve çoğunlukla fosfolipitlerden oluşmuştur. Yağların hidrofil grupları dışa, hidrofob olan tarafları ise içe, birbirine dönüktür. Zar proteinleri çift lipit tabakasının arasına yer yer, boydan boya uzanarak yerleşmişlerdir. Ancak yerleri sabit değildir ve görevleri sırasında hareket ederek yer değiştirebilmektedirler. Buna akıcı mozayik zar modeli adı verilmektedir. Hücre zarı maddelerin geçişinde de seçici-geçirgen bir özellik taşımaktadır. Zar bazı moleküllerin hücre içerisine girmesine izin verir bazılarına ise vermez.

Hücre Zarından Maddelerin Geçişi Hücre kendisi için gerekli olan su, oksijen, besin vb. gibi gereksinim duyduğu molekülleri çevresinden alır. Atık maddeleri ve kendisine gerekli olmayanları da dışarı verir. Bu şekilde iç ortamının iyon dengesini korur. Zar böylece seçici olarak bazı molekülleri içeri alır, bazılarını dışarı verir. Bu zarın seçici geçirgen (selektif permeabl) özelliğinden ileri gelir. Bu alışverişte zarın iki tarafındaki konsantrasyon farkı çok önemlidir. Bazen de hücre içinde konsantrasyonu yüksek olan bir iyonu da tutmak zorunda kalabilir. Bu nedenle hücre zarındaki moleküller açılıp kapanabilen birer pompa gibi görev yaparlar. Bazı büyük moleküllü maddeler de katı veya sıvı olarak zardan geçiş yapmak zorundadır. Bunlar da plazma zarından oluşan kesecikler (vezikül) içinde taşınırlar.

Hücre Zarından Maddelerin Geçişi Küçük moleküllerin hücre zarından geçişi difüzyon, osmoz, kolaylaştırılmış difüzyon, aktif transport; makromoleküllerin geçişi ise endositoz (fagositoz, pinositoz) ve ekzositoz ile olmaktadır. Membrandan iyonların geçişi iyon kanalları yani transport proteinleri sayesinde gerçekleştirilir. Difüzyon; Çözünmüş maddelerin, yoğunluğu yüksek olan bölgeden düşük olan bölgeye pasif olarak yayılmalarıdır. Örneğin bir bardak suya damlatılan mürekkep damlasının sudaki dağılışı bir difüzyondur. Küçük moleküllü maddeler enerjiye gerek duyulmadan pasif olarak hücre zarından diffüze olurlar.

Kolaylaştırılmış Difüzyon; Difüzyonun bir çeşidi de kolaylaştırılmış difüzyondur, ancak bu difüzyon çeşidinde, hücre zarında bulunan özel taşıyıcı proteinler (permeazlar) rol oynarlar. Bazı şekerler ve amino asitler zardan bu şekilde geçebilirler. Aktif Taşınma Difüzyonun tersine çözünmüş maddelerin yoğunluğun az olduğu taraftan çok olduğu tarafa enerji kullanarak geçişleridir. Buradaki enerji kaynağı ATP (Adenozintri fosfat) molekülüdür. Bu yolla taşınmada da özel taşıyıcı proteinlere gereksinim duyulur.Bu olay özellikle bazı iyonların geçişinde (Sodyum-potasyum pompası gibi)son derece önemlidir.

Osmoz; Su moleküllerinin geçirgen bir zardan yüksek konsantrasyondan, düşük su konsantrasyonuna difüzyonudur. Osmoz zarın hem içi, hem de dışında konsantrasyon eşit oluncaya kadar sürer. Büyük Moleküllerin Hücre İçine Alınması; Büyük moleküller, hücreye hücre zarı ile beraber alınırlar. Bu yolla hem katı hem sıvı makromoleküller etrafları plazma zarı ile çevrili olarak geçiş yaparlar. Büyük moleküllerin hücreye girişine endositoz, çıkışına ise ekzositoz denir. Endositozla hücre içine alınan moleküllerin etrafı mutlaka plazma zarı ile çevrilidir ve bu sitoplazmik vakuole endozom adı verilir. Endositoz fagositoz ve pinositoz olmak üzere iki tiptir.

Fagositoz ve Pinositoz Fagositoz olayında hücre içine alınacak moleküller önce hücre zarına yapışırlar. Daha sonra hücre zarı ile çevrilerek içeri alınır. Dışarı verilirken ise (ekzositoz) bu zarla çevrili moleküller hücre zarına yönelir, zarla birleşerek, içeriğini hücre dışına verir. Sıvı moleküllerin bu şekilde hücre içine alınmasına da pinositoz denir.

Sitoplazma ve Organeller Hücrenin içinde bulunan zar sisteminin arasındaki boşlukları dolduran kısım sitoplazmadır. Sitoplazma, heterojen yapıda, ne katı, ne sıvı bir sistemdir. Organeller; Hücrede özelleşmiş işlevler ve kimyasal reaksiyonlar organel adı verilen özelleşmiş yapılarda gerçekleştirilir. Ayrıca bir hücre içi zar sistemi oluşmuştur. Bu zar sistemi ile hücrenin içinde birbirinden bağımsız çalışan bölümler oluşturulur. Bu sistem içinde endoplazmik retikulum, golgi kompleksi ve çekirdek zarı yer alır.

Endoplazmik Retikulum (ER) Hücre içi zar sisteminin büyük bir kısmını endoplazmik retikulum oluşturur. Eritrositler hariç tüm ökaryot hücrelerde bulunur. Endoplazmik retikulum membran sistemi, hücrenin içinde her yönde dallanmış, yassılaşmış keseler biçiminde, bir ağ şeklindedir. Endoplazmik retikulum genelde çekirdek ve golgi aygıtı arasında yer alır. Hücreden hücreye ve hücrelerin fizyolojik durumlarına göre kanal ve keselerin diziliş ve miktarları değişebilir. Çok fazla protein sentezi yapan hücrelerde kanallar genişlemiş olarak gözlenir. Endoplazmik retikulum zarları ile çevrili olan yapılara sisterna adı verilir. Yeni membran oluşumları için çeşitli karbonhidratlar lipitler ve çeşitli proteinler endoplazmik retikulumda sentezlenir. Depolama ve bazı maddelerin taşınmasını da endoplazmik retikulum kanalları yapar, dış çekirdek zarının devamı olarak da zarın sürekliliğini sağlar. İki tip Endoplazmik retikulum vardır. Protein sentezinin yapıldığı ribozomları üzerinde taşıyan Granüllü endoplazmik retikulum (GER) ve ribozom taşımayan düz endoplazmik retikulum (DER). Kas fibrillerinde bulunan endoplazmik retikulum’a ise sarkoplazmik retikulum adı verilir

Ribozomlar Hem prokaryot hem de ökaryotlarda bulunurlar. Ribozomlar ribonükleik asit ve protein ünitelerinden yapılmıştır, lipit ve polissakkaritleri içermezler. Görevi protein sentezinde mRNA daki bilgiyi aminoasit dizisi şekline dönüştürmektir. Hücrede serbest ve endoplazmik retikulumun dışı yüzeyinde bağlı olarak iki şekilde bulunurlar.

Ribozomlar DNA’ nın kendi kopyasını yapmasına replikasyon adı verilir. DNA kendisinde bulunan bilgileri RNA molekülüne aktarmaktadır, bu işleme de tercüme yani transkripsiyon (yazılım) adı verilir ve protein sentezlenmesinde kullanılır. Bu RNA molekülüne çevrilen genetik şifrenin protein üretimi için kullanılmasına translasyon (tercüme, çeviri) adı verilir.

Golgi Kompleksi ve Lizozomlar Hücrede çekirdeğin üst tarafında yer alan ve ağ şeklinde olan organele golgi kompleksi adı verilmektedir. Yapısının ve görevinin karmaşıklığından dolayı golgi kompleksi adı verilmiştir. Lizozomlar; Kırmızı kan hücreleri hariç bütün ökaryotik hücrelerde bulunur. Zarla çevrili yuvarlak veya oval biçimli, yerleri, sayıları ve büyüklükleri hücreden hücreye ve hücrenin farklı evrelerinde değişen bir organeldir. Esas görevi sindirmektir. Bu görevi de içlerinde bulundurdukları enzimlerle yaparlar. Belli başlı lizozomal enzimler; asit fosfatazlar, asit ribonukleazlar, asit deoksiribonukleazlar, hyaluronidaz, lizozimlerdir.

Peroksizomlar Tek zarla çevrili mikrobadi olarak da isimlendirilen, yuvarlak ya da oval şekilli sayıları hücre içinde farklılık gösteren organellerdir. Peroksizomlarda, katalaz enzimi ve hidrojen peroksit bol miktarda bulunur. Hücre içerisinde oluşan zararlı oksijeni kullanarak oksijen konsantrasyonunu ayarlar. Ayrıca hücredeki hidrojen peroksiti içerdiği katalaz enzimi ile yıkıma uğratarak zararsız hale getirir.

Mitokondri Mitokondriler membran proteinlerini kendi ribozomları ile veya sitosolde bulunan serbest ribozomlar ile yapabilen kendine ait DNA molekülleri olan, memeli eritrositleri hariç tüm ökaryotik hücrelerde bulunan bir organeldir. Hücrenin bulunduğu fizyolojik duruma göre sayıları da değişmektedir. Kendileri büyüyüp, bölünebilirler. Oval ya da elips biçimindedirler. Dış membran ve iç membran olarak adlandırılan iki membrandan oluşur.

Mitokondriler ATP’nin depolanıp, hücre içi solunumunda görevli olan enerji dönüşümünün sağlandığı bir organeldir. Bu nedenle trikarboksilik asit çevrimi (TCA), solunum zinciri olayı ve oksidatif fosforilasyon olayları mitokondrilerde gerçekleşir.

Çekirdek (Nukleus) Farklılaşmış kırmızı kan hücreleri dışında tüm ökaryotik hücrelerde bulunan ve kalıtsal maddeyi içeren, çoğalma olayının merkezidir. Genelde hücreler tek çekirdeklidirler. Çekirdek bir çekirdek zarı ile (karyoteka=karyolemma) ile sitoplazmadan ayrılmıştır. Çekirdeğin içi çekirdek plazması (nükleoplazma veya karyoplazma) ile doludur. Çekirdek sıvısı içerisinde daha koyu bir alan gözlenir. Bu alan bir ya da birkaç tane olabilen çekirdekçik=nukleolus dur. Çekirdekçik ribozomların işlendiği ribozom, DNA, RNA ve çeşitli proteinlerin bulunduğu yerdir. Ribozomlara ait ribonükleik asitlerin, rRNA’ ların yapım yeridir. Çekirdekçik etrafında zar bulunmaz. Çekirdekçiklerin oluşumlarında nukleolus organizatör denen bölgelere sahip nükleolar kromozomların etkisi vardır.

Kromozomlar Çekirdeğin asıl özelliğini veren yapılar kromatin ipliklerinden oluşmuş kromozomlardır. Hücrenin bölünmesi sırasında interfaz safhasında kromatin iplikleri daha yoğun gözükürler bu bölgelere heterokromatin yumakları, daha az yoğun kromozom bölgelerine ise ökromatin adı verilir. Kromozomlar da gen dediğimiz ve saç rengimiz gibi görünüşümüzdeki karakterlerimizi belirleyen kısımları içerirler. Kromozomlar, kromatinlerden yapılmışlardır. Kromatinler hücrenin bölünmesi sırasında yoğunlaşıp, kromozomlar şeklinde mikroskop ile görülebilirler.

MİKROBİYAL EKOSİSTEMLER VE İNSAN-MİKROORGANİZMA ETKİLEŞİMLERİ Mikrobiyal Ekosistemler; Mikroorganizmalar doğada birbirleri ile karşılıklı etkileşime sahip populasyonlar halinde bulunurlar. Bu populasyonların birlikteliği de mikrobiyal kommüniteleri meydana getirir. Mikrobiyal kommüniteler içerisindeki mikroorganizmaların aktiviteleri, yaşadıkları ortamın kimyasal ve fiziksel özelliklerini çok büyük oranda ve hızlı bir şekilde değişime uğratabilmektedir. Tüm canlılar ve bunlarla beraber çevrelerindeki fiziksel ve kimyasal bileşenlerin oluşturduğu yapıya ekosistem adı verilmektedir. Bir ekosistem çok farklı habitatları içerebilmektedir. Mikrobiyal populasyonları, çeşitliliği, bunların fonksiyonlarını, mikroorganizmalar arasındaki ilişkileri ve mikrobiyal ekosistemdeki biyotik ve abiyotik çevreleri inceleyen bilim dalı Mikrobiyal Ekoloji olarak adlandırılır.

Ana mikrobiyal ekosistemler sucul çevrelerde (okyanuslar, ırmaklar, göller, dereler, buz, sıcak su kaynakları), karasal çevrelerde ve diğer organizmalar (bitkiler ve hayvanlar) üzerinde bulunmaktadır. Yeryüzündeki tüm canlı kütlenin yaklaşık yarısını mikroorganizmalar oluşturmaktadır. Bir ekosistem, mikrobiyal aktivitelerden büyük oranda etkilenmektedir. Ekosistemdeki mikrobiyal aktivitenin tipi, tür kompozisyonuna, populasyonun büyüklüğüne ve her habitattaki mikroorganizmaların fizyolojik durumlarına bağlı olmaktadır. Bir ekosistemde iki ya da daha fazla organizma arasında kurulan ilişkiye (ilişkinin doğası gözetilmeksizin) simbiyoz adı verilir. Bu ilişki organizmaların yararına ya da zararına olabilmektedir. Parazitizm simbiyozin bir şeklidir ve ilişkide bir taraf zarar görmektedir. Besinlerini konukçu adı verilen başka bir organizmadan elde eden organizmalara parazit adı verilmektedir. Simbiyotik bir ilişkide her iki tarafın da yarar sağladığı duruma mutualizm adı verilir. Bunun yanında bir tarafın yarar gördüğü fakat diğer tarafın iyi ya da kötü olarak etkilenmediği duruma ise kommensalizm adı verilir.

MADDE DÖNGÜLERİ Yeryüzündeki yaşam karbon’a (C) dayanmaktadır. Su ve karbondioksit gibi basit organik bileşikler, kompleks karbon bazlı organik yapılara dönüşebilmektedir. Bu bileşikler karbonun yanında oksijen ve hidrojen gibi başka elementleri de içerebilmektedir. Azot; nükleik asitlerde, amino asit ve proteinlerin yapısında bulunur. Fosfor; nükleik asitlerin, lipidlerin, enerji depolayan ve diğer organik fosfatların bileşenlerindendir. Sülfür; belirli aminoasit ve proteinlerde bulunur. Bahsettiğimiz tüm bu elementler ekosistem içerisinde sürekli olarak bir döngü oluşturmaktadır. Elementlerin döngüsü olmadan yeryüzünde yaşam mümkün olamaz ve mikroorganizmalar bu süreç içerisinde çok büyük role sahiptirler. Biyosferde sürekli enerji ve madde akışı aslında, ekosistemler içerisindeki fotolitotrof ya da kemolitotrofların kemoorganotroflar ya da fotoorganotroflar ile arasındaki ilişkiler ile meydana gelmektedir.

Ekosistemdeki enerji akışı ve biyojeokimyasal döngüler de denilen madde döngülerini anlayabilmek için fotosentetik organizmalar ile heterotrof organizmalar arasındaki bağlantıyı çözmek gerekir. Bitkiler ve fotosentetik mikroorganizmaların fotosentez faaliyetleri ile atmosferik oksijen salınmaktadır. Fotosentez olayı ile kimyasal enerjiye çevrilen güneş enerjisi döngüye girmiş olmaktadır. Bu faaliyetleri ile sistemde enerji üretici konumunda olan fotosentetik organizmaların belirli bazı elementlere ihtiyaçları vardır. İhtiyaç duydukları bu elementlerin alımı için de mineralizasyon adı verilen ve heterotrof organizmaların rol oynadığı bir sürece ihtiyaç duyarlar.

Karbon Döngüsü Tüm canlıların aktiviteleri ile global karbon döngüsü devam ettirilir. Bütün olarak düşündüğümüzde karbon yeryüzündeki ana karbon rezervuarları (atmosfer, sedimentler ve kayalar, okyanuslar ve diğer sucul çevreler) arasında dolaşıp durur. Yaşayan organizmalar açısından düşünüldüğünde çok yüksek miktarda karbonun karasal bitkilerde bulunduğu bir gerçektir. Ormanlar, yeşil alanlar, tarım alanları fotosentetik CO2 fiksasyonunun yapıldığı ana alanlardır. Bununla beraber yaşayan organizmalardan daha fazla miktarda karbon humus adı verilen ölü organik materyal içinde bulunur. Organik karbonlu bileşikler de diğer organizmaların besin ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Bu organizmalar organik karbonun tüketicileri olarak fermentasyon ve solunum gibi olaylar ile bu bileşiklerin parçalanmasını sağlarlar. Kemoorganotrofik mikroorganizmalar organik karbonu parçalar ve karbondioksit açığa çıkarırlar. Fermentasyon reaksiyonları suda ve anaerobik topraklarda bulunan bakteriler için daha yaygındır ve bunlar organik kimyasalların karbon dioksit veya metana dönüşümünü sağlarlar. Bazı fermentasyon ürünleri olarak hidrojen gazı da açığa çıkabilir. Metan kendi başına metan oksitleyici bakteriler için karbon ve enerji kaynağı olarak iş görebilir. Bu bakteriler kendi yaşadıkları çevrelerde, metandan şekerler ve amino asitleri oluşturabilirler ve böylece karbon bileşiklerinin döngüsüne katkıda bulunurlar. Fotosentetik olarak fikse edilmiş karbonun mikroorganizmalar ile parçalanması sonucu 2 ana karbon formu geriye kalır: metan (CH4) ve karbondioksit (CO2). Karbonun gaz formunun düzeyindeki önemli miktardaki değişimler, ciddi küresel etkilere sahip olabilmektedir. Günümüzde atmosfere salınım miktarı artan CO2 nedeniyle küresel ısınma dediğimiz problem ortaya çıkmıştır. Karbonun gaz formunun düzeyindeki önemli miktardaki değişimler, ciddi küresel etkilere sahip olabilmektedir. Günümüzde atmosfere salınım miktarı artan CO2 nedeniyle küresel ısınma dedi¤imiz problem ortaya çıkmıştır.

Azot Döngüsü Yaşam için temel elementlerden birisi de azottur. Azot devri (çevrimi) büyük oranda mikroorganizmaların faaliyetine dayanmaktadır. Azot gazı (N2) azotun en stabil formudur ve yeryüzündeki azot için temel rezervuardır. Bununla beraber yalnızca çok az sayıda prokaryot azot fiksasyonunda azot kaynağı olarak N2’yi kullanabilmektedir. Yani havadaki CO2’in sadece bitkiler ve belirli mikroorganizmaların faaliyeti ile fikse edilmesinden sonra kullanılabilir olması gibi havadaki azot da bu belirli bakterilerin fiksasyonu sonucunda kullanılabilmektedir. Azotun amonyuma dönüştürüldüğü olaya azot fiksasyonu adı verilir. Yalnızca bakteriler azotun biyolojik fiksasyonunu gerçekleştirebilmektedirler.

Havanın azotunu fikse edebilen organizmaları şu şekilde gruplara ayırabiliriz: Simbiyotik azot fikse edenler, fakültatif simbiyotik azot fikse edenler ve simbiyotik olmayan azot fikse ediciler. Gram-negatif bir bakteri olan Klebsiella pneumoniae anaerobik koşullarda olduğu kadar mikroaerofilik koşullarda da azot fiksasyonunu gerçekleştirebilmektedir.

Yeryüzünde çevrimde olan amonyum (NH3)ve nitrat (NO3) fikse haldeki azot formlarıdır. İnorganik formdaki nitrit, nitrat ve amonyumun organik azotlu bileşiklere (proteinler, nükleik asitler) dönüştürüldüğü sürece azot asimilasyonu adı verilir. Amonyağın nitrifiye edici bakteriler tarafından nitrata (NO3) oksidasyonuna nitrifikasyon adı verilir. Nitrat anaerobik solunumda alternatif bir elektron kaynağıdır. Nitrat indirgenmesi sonucu son ürün N2, NO ya da N2O olmaktadır. Nitratın gaz azot bileşiklerine indirgenmesi olayına denitrifikasyon adı verilmektedir ki bu olay biyolojik olarak oluşan N2 gazının ana kaynağıdır. Denitrifikasyon olayının gerçekleşmesi için ortamda nitrat ve enerji kaynağının bulunması gereklidir. Pseudomonas ve Bacillus üyeleri denitrifikasyon yapan organizmalara örnek olarak gösterilebilir.

Fosfor Döngüsü Fosfor devrinde heterotrofik mineralizasyon, organik fosforun immobilizasyonu ve çözünmez inorganik fosfatların solubilizasyonu olmak üzere üç tip reaksiyon görülmektedir. Mineralizasyon daha çok bakteri ve funguslar tarafından, organik fosforun immobilizasyonu fotoototrof ve heterotrofların çoğalması ile ve fosfat solubilizasyonu ise nitrik ve sülfirik asitlerin mikroorganizmalarca üretilmesi ile etkilenmektedir. Mikroorganizmalar tarafından üretilen H2S dip sedimentlerde ve toprakta ferrik fosfatlar içindeki fosfatı çözündürebilmektedir. Fosfor çözündüğünde algler ve köklü bitkiler bundan yararlanır. Bu sayede primer üretime katkı sağlanmakta dolayısıyla diğer besin zinciri elemanlarının artışı gözlenmektedir. Organik maddelerdeki fosfor içeren bileşiklerin mineralizasyonu hızlı bir şekilde olur. Mikroorganizmalar tarafından mineralize edildikten sonra fosforun bir kısmı bizzat mineralizasyonu yapan organizma tarafından kullanılmaktadır. Bu şekilde immobilize edilen fosfor miktarı organizmanın büyümesi ile doğru orantılı olarak artış gösterir.

Demir Döngüsü Yeryüzündeki en bol bulunan elementlerden birisi demir (Fe) dir. Doğal olarak ferrus (Fe+2) ve ferrik (Fe+3) olmak üzere iki oksidasyon formuna sahiptir. Üçüncü oksidasyon formu olan Fe° insan aktiviteleri sonucu meydana gelir. Do¤ada oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarının içerildiği ferrus ve ferrik formlara geçiş şeklinde bir döngü oluşmaktadır. Anoksik çevrelerde bakteriler ferrik iyonları indirgerler ve ferrus demir ise asidik pH’da ve aerobik olarak okside edilmektedir. Gallionella ve Leptothrix cinsi üyeleri Fe+2’yi nötral pH’da okside edebilen demir bakterilerindendir. Fakat en yaygın bakteriyal demir oksidasyonu asidik pH’da gerçekleşir. Aşırı derecede asidik habitatlarda, asidofilik bir kemolitotroflar Fe+2’yi Fe+3’e okside ederler. Bu oksidasyon ile çok az enerji oluşturulduğundan bu bakteriler gelişmek için çok büyük miktarlarda demiri okside etmek zorundadırlar.

BiYOREMEDiASYON Mikroorganizmalar yoluyla karasal ya da sucul çevrelerdeki kirletici unsurların (kimyasal kontaminantlar) temizlenmesi olayı biyoremediasyon olarak adlandırılır. Bilindiği gibi mikroorganizmalar metabolik olarak çok farklı tiplere sahiptirler ve teoride her türlü kirleticiyi parçalayacak (degradasyon) uygun bir mikroorganizma bulunabilir. Kirleticilerin mikrobiyal degradasyonu ile karbondioksit ve su gibi daha basit ürünler elde edilebilirken buna alternatif yaklaşımlar (fiziksel dekontaminasyon gibi) genelde problemi bir yerden başka bir yere transfer etmekte ve kesin çözüm getirmemektedir. Biyoremediasyon maliyeti itibari ile de kirleticilerin temizlenmesinde hem etkili hem de güvenilir bir yol olarak görülmektedir.

Civa ve Ağır Metallerin Transformasyonu Metaller tipik olarak kayalarda, toprakta, sularda ve atmosferde düşük konsantrasyonlarda bulunurlar. Bunlardan bazıları (kobalt, bakır, çinko, nikel, molibdenyum gibi) az miktarlarda canlı hücreler tarafından ihtiyaç duyulan maddeler olmalarına rağmen yüksek konsantrasyonlarda bu metaller toksik olabilmektedir. Bazıları havayı kontamine etmeye yetecek kadar da uçucu özellikte olan bu metallerden civa çevresel etkileri nedeniyle ayrıca önemlidir. Civa doğada çok düşük konsantrasyonlarda bulunmasına rağmen endüstriyel ürünlerde kullanımı oldukça yaygındır. Birçok pestisidin aktif içeriğini de oluşturmaktadır. Canlı dokularda birikebilmesi ve yüksek derecede toksik özelliği nedeniyle çevresel öneme sahip olarak değerlendirilir. Mikrobiyal aktiviteler sonucu civanın metilasyonu ile metil merküri adı verilen ve son derece toksik olan bileşik meydana gelir. Civa insanlarda ve bazı hayvanlarda akciğer ve böbreklerde hasara neden olur. Çözünebilir olması ve besin zincirinde sürekli olarak konsantre hale gelmesi özellikle sucul çevrelerde büyük problemler oluşturabilmektedir. Yüksek konsantrasyonları insan ve hayvanlara olduğu kadar mikroorganizmalara da toksik etki gösterir. Bununla beraber, bazı bakteriler, toksik civanın toksik olmayan civa haline dönüşümünü gerçekleştirebilirler. Civaya dirençli Gram-negatif bakterilerde merkürik redüktaz adlı enzim Hg+2’yi Hg0’a indirger. Bu reaksiyonla üretilen Hg0 uçucudur ancak mikroorganizmalar ve insanlar için toksik değildir.

Petrol Biyodegradasyonu (Biyolojik olarak parçalanması) Petrol zengin bir organik madde kaynağı olduğundan hava ve nemle temasa geçer geçmez mikroorganizmalar tarafından metabolize edilebilir. Farklı bir çok bakteri, fungus ve az sayıda Cyanobacteria ile yeşil algler petrol ürünlerini aerobik olarak okside edebilmektedirler. Büyük miktarlarda petrolün depolandığı tanklarda mikrobiyal büyüme pek istenmezken petrol sızıntısı gibi durumlarda biyoremediasyon gerekli olduğundan ilave besin maddeleri eklenmesi suretiyle mikrobiyal gelişim desteklenebilmektedir. Son yıllarda küçük ya da büyük çaplı pek çok petrol sızıntısı karasal ya da sucul çevrelerde meydana gelmektedir. Petrol okside edici mikroorganizmalar da bu petrol tabakası filmi üzerinde hızla gelişmektedirler. Sıcaklık ve inorganik besin elementlerinin (özellikle azot ve fosfor) konsantrasyonları optimum düzeydeyse petrol oksidasyon aktivitesi de artmaktadır. Petrol suda çözünmediğinden ve yoğunluğu daha az olduğundan yüzeyde kalır ve kaygan bir yapı oluşturur. Burada, hidrokarbon parçalayan bakteriler petrol damlacıklarına tutunurlar ve petrolü ayrıştırmaya başlarlar. İdeal biyoremediasyon koşullarında bir yıl içerisinde uçucu olmayan petrolün % 80 kadarı okside edilebilmektedir. Bununla beraber belirli petrol kısımları (polisiklik hidrokarbonlar ve dallı zincirler) daha uzun süre çevrede kalmaktadır. Deniz çevrelerindeki petrol sızıntıları daha yavaş degrade olur ve önemli, uzun süreli etkileri vardır.

İNSANLARLA MiKROORGANİZMALARIN YARARLI ETKİLEŞİMLERİ Mikroorganizmalar her çeşit ekosistemde bulunup insanlar, hayvanlar ve bitkiler ile sıkı ilişki içindedirler. Normal günlük aktivitelerimiz sırasında vücudumuz sürekli olarak çevremizdeki sayısız mikroorganizmaya maruz kalmaktadır. Sağlıklı insan vücudunun iç boşlukları (örneğin idrar kesesi), dokuları, kan ve beyin omurilik sıvısı gibi iç sıvıları sterildir. Deri, ağız, burun, göz, üst solunum yolları, sindirim sistemi ve ürogenital sistem gibi dış ortamlarla etkileşim halindeki vücut bölgelerinde ise farklı türden ve büyük sayılarda bir mikroorganizma florası sürekli olarak bulunur. Bu florayı oluşturan mikroorganizmalar sağlıklı bireylerde normal koşullarda zararsızdırlar ve hatta yarar da sağlarlar. İnsan vücudunun farklı bölgelerinde yaşamakta olan ve sağlıklı bir bireyde normal koşullarda zararsız olan bu mikroorganizma topluluğuna normal mikrobiyal flora denir. Sağlıklı bir bebek doğumda sterildir, fakat doğum kanalından geçerken annenin vajen florası ile, daha sonra da besinler ve insanların da dahil olduğu, çevredeki mikroorganizmalarla temas sonucu normal florası oluşmaya başlar. Normal florada yer alan mikroorganizma türleri tüm bireylerde tıpatıp aynı değildir çünkü cinsiyet, yaş, beslenme, coğrafik çevre koşulları gibi farklılıklar sebebiyle kişiden kişiye göre değişir.

Normal florayı oluşturan mikroorganizmalar cins ve tür bakımından bulundukları vücut bölgeleri için süreklilik taşırlar (kalıcı flora). Kalıcı floranın, bozulan normal florayı yeniden oluşturma özelliği vardır. Kalıcı floranın yanında çoğu hastalık oluşturmayan, bazen patojen olabilen, belirli vücut bölgelerinde, birkaç saatten birkaç haftaya değişebilen sürelerde kalan mikroorganizma topluluğu ise geçici florayı oluşturur. Özellikle kalıcı floranın baskılandığı veya ortadan kalktığı bazı durumlarda, geçici flora mikroorganizmaları kolonize olur, çoğalır ve hastalık yapıcı özellik kazanabilirler. Normal flora mikroorganizmalarının en önemli kısmını bakteriler oluştururken funguslar ve diğer mikroorganizmalar ise az sayıda bulunmaktadırlar. Normal florayı oluşturan mikroorganizmalar dinamik bir denge içinde yaşarlar ve birbirlerini kontrol ederler.

Normal floranın konağa bazı yararları vardır Normal floranın konağa bazı yararları vardır. Normal flora mikroorganizmaları patojen mikroorganizmalarla yerleşme yerleri ve besinler için bir rekabet içindedirler ve patojen mikroorganizmaların rekabetini olanaksız kılarlar. Yenidoğanda bakterilerin yerleşmesi bağışıklık sistemin gelişmesi için güçlü bir uyarıcı görevi görür. Bağırsaktaki bazı bakteriler kendilerinin dirençli oldukları bazı antimikrobiyal maddeler üretirler. Bağırsaktaki bakteriler metabolik aktiviteleri ile K vitamini sentezine, besinlerin sindirilmesine ve bağırsaktan absorbe edilmesine yardımcı olurlar. Normal floranın saydığımız bu gibi yararlı işlevleri yanında bilinen patojenlerden daha sıklıkla klinik hastalıklara neden oldukları belirlenmiştir. Normal flora mikroorganizmaları, normalde bulundukları yerden başka vücut bölgelerine geçtikleri takdirde ciddi hastalıklara neden olabilirler. Örneğin derinin normal flora üyelerinden olan Staphylococcus epidermidis kan dolaşımına geçerse kalp kapakçıklarını kolonize ederek bakteriyel endokardite neden olabilir. Ba¤ışıklık sistemi baskılanmış kişilerde normal flora sayıca normalden fazla artış gösterirse patojen olabilir. Zararsız ve sindirilmiş besin maddeleri bazen bağırsaktaki normal flora bakterileri tarafından karsinojenik bileşiklere dönüştürülebilmektedir.

İNSANLARLA MİKROORGANİZMALARIN ZARARLI ETKİLEŞİMLERİ Konakçı organizmanın üzerinde veya içinde yaşayan ve konakçıya zarar veren organizmalar parazit olarak adlandırılır. Mikrobiyal parazitler ise sıklıkla patojenler olarak isimlendirilirler. Diğer bir ifadeyle hastalığa neden olan veya hastalık oluşturma yeteneğine sahip bir mikroorganizma patojen olarak tanımlanır. Bazı mikroorganizmalar sıklıkla veya her zaman patojen iken, çoğu mikroorganizma ender olarak hastalığa sebep olur ve genel olarak zararsızdır. Fırsatçı patojenler bağışıkl›¤› normal kişilerde hastalık yapmaz veya çok nadir olarak hastal›¤a neden olurken bağışıklık sistemi zayıflamış kişilerde ciddi hastalıklara sebep olan mikroorganizmalardır. Fırsatçı patojenler genellikle normal flora mikroorganizmalarıdır. Bir mikroorganizmanın konak organizmaya girerek, orada yerleşip çoğalmasına enfeksiyon denir. Konak-parazit ilişkileri sonucu oluşan ve saptanabilen klinik belirtiler ve patolojik bulguların hepsi hastalık olarak adlandırılır. Başka bir ifadeyle, bir etken değişik şiddetteki hastalık tablolarına sebep olabileceği gibi bazı durumlarda da enfeksiyon hastalık tablosu oluşturmayabilir. Bağışıklık sistemi herhangi bir sebeple zayıflamış konakta bir mikroorganizmanın enfeksiyon ve hastalık yapabilmesi bu etkenin patojen olması ve içerdiği virülans faktörleri ile ilişkilidir. Patojenite bir mikroorganizmanın hastalık yapabilme yeteneğidir.

BAKTERİ TOKSİNLERİ Bakterilerin hastalık oluşturmada kullandıkları mekanizmalardan birisi toksin üretmektir. Toksinler genel olarak iki grupta incelenirler: Endotoksinler ve ekzotoksinler. Endotoksinler Gram-negatif bakterilerin hücre duvarında bulunan, sıcaklığa dayanıklı lipopolisakkarit yapısında maddelerdir. Endotoksinler çeşitli fizyolojik etkilere neden olurlar. Bunların başında ateş, şok ve tromboz gelir ve bunların hepsi birlikte septik şok denen tabloyu oluşturur. Gram-pozitif bakteriler endotoksinlere sahip değillerdir ancak bunların hücre duvarlarında bulunan peptidoglukan, endotoksinlerin sebep olduğuna benzer fakat genellikle ağır seyretmeyen bir şok sendromuna neden olabilir.

Ekzotoksinler, bir çok Gram-negatif ve Gram-pozitif bakteri tarafından üretilen protein yapısında maddelerdir. Ekzotoksinler hücre dışına salgılanırken endotoksinler hücre dışına salgılanmazlar, endotoksinler Gram-negatif bakterilerin hücre duvarlarının yapı taşlarından biridir. Ekzotoksinler bilinen en zehirli maddeler arasında yer alırlar. Örneğin 1 mikro gramdan daha az bir miktarı yetişkin insanı öldürebilir. Ekzotoksinler genellikle ısıya duyarlıdırlar ve 60-80 °C civarındaki sıcaklıklarda hızla inaktive olurlar. Ancak E. coli, S. aureus enterotoksinleri sıcaklığa dayanıklıdırlar ve bu derecelerin üzerindeki sıcaklıklara direnç gösterirler. Yine ısı gibi fiziksel ve formaldehit gibi bazı kimyasal maddeler ekzotoksinleri inaktive ederek toksik etkinliklerini ortadan kaldırırlar ve toksoid hale çevrilmelerine neden olurlar. Toksoidlerin hastalık yapma güçleri olmamasına rağmen canlılara verildiklerinde antikor sentezini uyarabilirler. Bu sebeple antijenliklerini korudukları için toksoidler aşı olarak kullanılırlar.

Ekzotoksinler etkiledikleri doku veya organlara göre gruplandırılmaktadır: Nörotoksinler: Clostridium botulinum, Clostridium tetani, Staphylococcus aureus toksinleri. Sitotoksinler: Bu grup toksinlere pek çok mikroorganizma tarafından sentezlenen hepatotoksin, hemolizin, leukosidin örnek olarak verilebilir. Enterotoksinler: Besin zehirlenmelerine neden olan Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, Bacillus cereus ve bağırsak patojenleri olan Vibrio cholerae, E. coli ve Salmonella enteritidis gibi bakterileri de içeren çeşitli bakteriler tarafından üretilirler.

Bir toksin birden fazla doku veya organı etkileyebildiği gibi bir mikroorganizmanın birden fazla toksin sentezleyebildiğini de unutmamak gerekir. Bazı önemli ekzotoksinler; Kolera toksini: Vibrio cholerae tarafından üretilen bir enterotoksindir ve koleraya neden olur. Difteri toksini: Corynebacterium diphtheriae tarafından üretilen difteri toksini sıcaklığa duyarlıdır. Tetanoz toksini: Clostridium tetani tarafından üretilir ve bir plazmid DNA’sı tarafından kodlanır. Tetanoz toksini bir nörotoksindir. Başlıca iki komponentten oluşur. Biri sinirlere etki ederek spazmoz meydana getirir, diğeri ise alyuvarları parçalayan tetanolizin’dir. Ekzotoksin beyne ulaştığında birbirlerine zıt çalışan kasların aynı anda kasılmalarına sebep olarak tetanoz spazmları oluşturur. Botulinum toksini: Clostridium botulinum tarafından üretilen ve sinirlerle kasların birleştiği bölgelerde asetil kolin üretimini engelleyen bir nörotoksindir. Bilinen en etkili toksinlerden birisidir ve yaklaşık bir mikrogramı insanda öldürücüdür. Botulinum toksininin A’dan G’ye kadar adlandırılan tipleri vardır ancak insanda hastalık yapan tipleri A, B ve E’dir. Toksik yapıdaki bakteriyal enzimler: Pek çok bakteri toksik etkileriyle enfeksiyon sürecinde önemli rolleri olan bazı enzimler üretirler. Bunlar doku harabiyeti yapanlar (Örneğin, lesitinaz, kollojenaz, hiyalüronidaz, koagülaz, leukosidinler, homolizinler ve fibrinolizin) ve IgA1 proteazlar olarak iki grupta incelenebilir.

Mikroorganizmalarda Çoğalma ve Gelişmenin Kontrol Altına Alınması Canlıların nesillerini sürdürmek amacı ile kendilerine benzer yapı ve özelliklerdeki yeni canlıları meydana getirmelerine “üreme” adı verilir. Mikroorganizmalar genellikle aseksüel (eşeysiz) üredikleri için, tek bir hücrenin sayı artışı için çoğalma terimi kullanılacaktır. Bakteri ve riketsiyalar genellikle ikiye bölünerek çoğalırlar. Silindir veya çubuk şeklindeki bakterilerde bölünme uzun eksene dik yönde olur. Koklarda ise, herhangi bir çap yönünde meydana gelebilir. Çubuk şeklindeki bakterilerde önce ortadan içeriye doğru bir girinti oluşur, daha sonra ikiye bölünür. Kok şeklindeki bakterilerde ise hücre önce biraz uzar daha sonra ikiye bölünür. Spiral şeklindeki bakteriler de aynı şekilde bölünürler. Ancak E. coli’ nin bazı mutant tiplerinde verici (erkek) ve alıcı (dişi) hücrelerin bulunduğu ve konjügasyon sonucunda verici hücreye ait genetik materyal alıcı hücreye geçer ki buna “rekombinasyon” adı verilir. Rekombinasyon bir çoğalma şekli değil, sadece gen aktarım mekanizmasıdır.

Funguslarda çoğalma çeşitli şekillerde oluşan ve durumlarına göre değişik isimler alan sporlar ile oluşmaktadır. Mayalarda ise genellikle hücrenin tomurcuklanması ile olmaktadır. Virüsler ise çoğalabilmek için canlı bir konak hücreye gereksinim duyarlar. Çoğalma mikrobiyal fonksiyonun bir parçasıdır. Bakteriyal hücre kendini dublike edebilen (bir benzerini oluşturabilen) bir makinedir. Bakteriyal hücreler 2000 kadar farklı kimyasal reaksiyonu gerçekleştirebilirler. Bu reaksiyonların bazıları enerji transformasyonlarını (dönüşümlerini) içerirken diğer reaksiyonlar küçük moleküllerin sentezi (makromoleküllerin yapıtaşları) ve de enzimatik reaksiyonlar için gerekli olan çeşitli kofaktörler ve koenzimlerin sentezini içerir.

İkiye Bölünme Çoğu prokaryotta tek bir hücrenin gelişimi, hücre iki yeni hücreye bölününceye kadar devam eder, bu işlem “ikiye bölünme” olarak adlandırılır. Örneğin; kokobasil şeklindeki Escherichia coli’ nin gelişen bir kültüründe en küçük hücrelerin yaklaşık iki kat› uzunluğa çıktığı görülmektedir ve son bir bölünme neticesinde hücre iki yavru hücreye ayrılmaktadır. Bakterilerdeki tam bir hücre için gerekli olan bölünme zamanı oldukça değişkendir ve besin ve genetik gibi faktörlere bağlıdır. En iyi besin koşulları altında E. coli yaklaşık 20 dakikada döngüyü tamamlayabilir.

Bakteriyal Populasyonların Gelişmesi (=Büyümesi) Tek bir mikroorganizma hücresindeki büyüme oranı hücrelerin küçük olması nedeniyle ölçülemez ancak, bir mikrobiyal populasyondaki sayıca artış ölçülebilir. Mikroorganizmalarda büyüme; tek bir mikrobiyal hücre kütlesindeki artış veya bir populasyondaki mikrobiyal hücrelerin sayısındaki artış olarak tanımlanır. Bu nedenle yüksek canlılardaki büyüme ile mikroorganizmalardaki büyümeyi karıştırmamak gerekir ve mikroorganizma populasyonlarında sayıca artış için gelişme sözcüğü kullanılacaktır. “Gelişme oranı” ise birim zamanda hücre sayısındaki değişmedir. Hücre bölünmesi döngüsü süresince, yapısal bileşenlerin tümü iki katına çıkar. Bir hücreden oluşan iki hücreye “generasyon= nesil”, iki generasyon arasında geçen süreye de “generasyon zamanı” denir. Böylece generasyon zamanı, hücre populasyonunun iki katına çıkması için gerekli olan zaman olarak tanımlanır. Generasyon zamanı mikroorganizmaya göre değişiklik gösterir. E. coli için generasyon zamanı 15-20 dakikadır. Bu süre Pseudomonas’larda 10 dakika iken Mycobacterium tuberculosis’te 13-15 saate çıkabilmektedir.

Eksponansiyel (Logaritmik) Gelişme Birim zamanda populasyondaki hücre sayısının iki katına ulaşması “eksponansiyel gelişme” olarak tanımlanır. Böyle bir gelişmede, hücre sayısı geçen zamana karşılık aritmetik koordinatlar üzerinde grafiklendiğinde,sabit şekilde artan bir eğim ile bir eğri elde edilir. Bununla birlikte bu eğimden gelişme oranı bilgisini elde etmek zordur. Hücre sayısının logaritmik (log10) ve zamanın aritmetik olarak gösterildiği yarı logaritmik bir grafikte düz bir çizgi elde edilir. Yarı logaritmik grafikler generasyon sayısını ve zamanını hesaplamak için pratik bir yoldur. İki katına çıkma süresi grafikten direk olarak okunabilir. Eksponansiyel gelişim özelliklerinden biri hücre sayısındaki artış oranının başlangıçta yavaş fakat belirli bir zamanda daha hızlı bir oranda artmasıdır. Bu artış hücre sayısında bir patlamaya neden olur.

Populasyonların Gelişme Döngüleri Gelişme periyodu sırasında ortama besin maddesi ilave edilmezse ve atık maddeler alınmazsa bu tip gelişmeye durgun veya kesikli kültür adı verilir. Eğer saf bir organizma sıvı besi yerine ekildikten sonra uygun şartlarda inkübasyona bırakılırsa belirgin dönemler gösterir. Bu dönemler; Lag dönemi (latent dönem),logaritmik ço¤alma dönemi, durma dönemi ve ölme dönemidir. Lag dönemi: Herhangi bir yaşlı kültürden veya 4 °C de muhafaza edilen agar tüplerinden taze besi ortamına aktarılan kültürler bir başlangıç (lag) dönemi gösterirler. Bu dönemde mikroorganizma sayısı sabit kalmaktadır. Mikroorganizmaların metabolik faaliyetleri artmakta protein ve ribozomlar gibi makromoleküllerin sentezi yapılmaktadır. Bunun yanında kendilerini bulundukları ortama adapte ederek, latent veya gizli dönemde mikroorganizma kendini çoğalmaya hazırlamaktadır.

Logaritmik çoğalma dönemi: Bu dönemde mikroorganizmaların çoğalmaları sabit bir hız kazanmaktadır. Generasyon zamanı bu dönemde en kısa, hücre boyları en küçüktür. Hızla çoğalmakta olan hücrelerin genç ve biyoaktif olmaları, onlara fiziksel ve kimyasal etkilere ve özellikle kemoterapotiklere karşı duyarlılık kazandırmaktadır. Bu dönemdeki hücre sayısı zamana karşı düz bir eğri göstermektedir. Logaritmik çoğalma fazı süresince kültür içinde hücrelerin gelişmesi pH, sıcaklık ve besi ortamının çeşidi gibi çevresel faktörlere bağlıdır. Çoğalmanın durma dönemi: Ortamdaki besin maddelerinin azalması, metabolizma artığı, toksik maddelerin fazlalaşması, pH nın elverişsiz hale gelmesi ile respirasyon (solunum) ve beslenme zorlaşmaktadır. Bu dönemde bölünen ve ölen hücrelerin sayısı arasında bir denge vardır. Bu dönemde çoğalma yavaşlamakta ve çoğalma oranında hücre ölmektedir. Azalma (ölme) dönemi: Bu dönem eksponansiyal dönemin tam tersidir. Bu dönemde ölen hücrelerin sayısı yeniden meydana gelenlerden fazladır. Toksik atıkların ortamda birikmesi ve çeşitli enzimlerin salınması ile ortam şartları elverişsiz hale geldiği için hücreler hızla ölmeye başlar.

Saf olarak çoğalmaya bırakılan mikroorganizmaların hepsi aynı anda bölünmezler yani bir kısmı ikiye bölünürken diğer bir kısmı da yukarıda bahsedilen dönemlerin birinde olabilir. Genetik veya özel çalışmalarda kültür ortamındaki mikroorganizmaların hepsinin aynı anda bölünmesi istenebilir. Mikroorganizmaların aynı anda bölünmelerine “senkron bölünme” adı verilir. Bazı mikroorganizmalar bölünmeleri için bir takım kimyasal maddelere ihtiyaç gösterirler, bu maddeler olmadıkça bölünme bu mikroorganizmalarda gerçekleşmez. Eğer besiyerine bu madde ilave edilecek olursa hepsi aynı anda bölünmeye başlar. Yine düşük sıcaklıkta tutulan mikroorganizmalar optimal sıcaklığa getirilince hep birlikte çoğalmaktadırlar.

FİZİKSEL YÖNTEMLERLE MİKROORGANİZMALARIN KONTROL ALTINA ALINMASI Mikroorganizmaların kontrol altına alınmasında uygulanan fiziksel yöntemleri şu şekilde sıralayabiliriz: Sıcaklık, kurutma, radyasyon, filtrasyon, sedimentasyon, sonik dalgalar, osmatik basınç, yüksek basınç. Sıcaklık; Mikroorganizmalar belli sıcaklıklar içerisinde çoğalabilirler. Sıcaklık mikroorganizmaların enzimatik faaliyetlerine etki eder. Mikroorganizmaları kontrol altına almak için, ya mikroorganizmaların üreyebildiği minimum sıcaklığın altında ya da maksimum sıcaklığın üzerinde ısının uygulanması gerekmektedir. Mikroorganizmalar soğuğa sıcaktan daha fazla dayanırlar. Soğuğun etkisi ile hücre metabolizması azalır veya durur. Bunun sonucu olarak mikroorganizmalar üreyemezler, ancak canlılıklarını korurlar. Virüs, bakteri, küf ve maya kültürleri +4°C veya sıfırın altındaki sıcaklık derecelerinde korunurlar. Bunun yanında “liyofilizasyon” ile mikroorganizmalar canlılıklarını yıllarca koruyabilirler. Liyofilizasyon yönteminde mikroorganizma kültürleri -70°C gibi çok düşük sıcaklıkta ani olarak dondurulur. Vakum altında kurutulur. Kültürlerin bulunduğu tüp veya şişelerin havası boşaltılarak kapatılır. Böylece mikroorganizmalar yıllarca canlı olarak kalabilirler. Düşük sıcaklık ile sterilizasyon veya dezenfeksiyon yapmak mümkün değildir. Ancak bu yolla, mikroorganizmaların zararlı etkilerinden korunulabilir. Düşük sıcaklık derecelerine maruz bırakılan mikrobiyal populasyonlarda başlangıçta bazılarının öldüğü, fakat başlangıçta ölmeyenlerin de populasyon içinde yer alabildiği ve bunların düşük derecelerde yıllarca canlı kalabildikleri saptanmıştır. Bu nedenle mikroorganizmaların laboratuvarda saklanmasında düşük ısıdan yararlanılır. Funguslar 4,5 - 5°C’de, bir çok bakteri ve virüsler -20°C’de veya -50 ile -70°C’de saklanabilmektedir.

Yüksek sıcaklık hücredeki proteinleri koagüle (pıhtılaşma) ederek hücrelerin ölümüne neden olur. Mikroorganizmalar yüksek sıcaklık derecesinde, içinde bulunan proteinlerin tahrip olabileceği süre maruz bırakılırsa o mikroorganizma ölür. Bilinen bir mikroorganizmayı belirli şartlarda 10 dakika içerisinde öldüren en düşük sıcaklığa “termal ölüm noktası” denir. Ancak bir bakteri populasyonu içinde bulunan bakteriler belirli bir öldürücü sıcaklık derecesi ile karşılaştıklarında populasyonu oluşturan tüm hücreler aynı anda ölmezler, tüm populasyonun ölmesi için belli bir süreye gereksinim vardır. Bilinen bir mikroorganizmayı belli bir sıcaklık derecesinde öldüren en kısa süreye “termal ölüm zaman›” adı verilir. Mikroorganizmaların türü, sayısı, yaşı ve bulundukları ortamın bileşimi, pH’sı, su muhtevası gibi çevre faktörlerinin termal ölüm noktası ve termal ölüm zamanı üzerine etkisi vardır.

Kuru Isı Isıtılmış kuru hava ile sterilizasyon yapılır. Kuru sterilizasyon yaş sterilizasyona göre daha az etkin olduğundan sterilizasyon süresini daha uzun tutmak gerekir. Bu amaçla kuru hava sterilizatörü veya “Pastör fırını” kullanılır. Kuru hava sterilizatöründe cam, porselen, metal malzemeler sterilize edilirler. Sıvı ve katı besiyerleri bünyesindeki su uçacağından burada steril edilmez. Sterilizasyon süresi fırının sıcaklığına göre değişir. Genellikle 170°C’de bir saatte, 160°C’de 2-2,5 saatte, 150°C’de üç saatte sterilizasyon tamamlanır.

Yaş Isı Kaynayan suyun deniz seviyesindeki ısısı 100°C’dir. Yaş sıcaklık kuru sıcaklığa göre maddelerin içerisine daha kolay nüfus edebildiğinden mikroorganizmaları daha kısa zamanda öldürür. Bazı laboratuvar alet ve malzemeleri kaynayan su içerisinde 10-15 dk tutulduktan sonra kullanılırlar. Ancak kaynatmayla tam bir sterilizasyon sağlanamaz. Bakteri sporları suyun kaynama derecesinde birkaç saat canlı kalabilirler. Bu yöntem ile vejetatif formdaki mikroorganizmalar öldürülürler. Patojen mikroorganizmaların hemen hepsi kaynatmayla ölür. “Su buharı” da sterilizasyonda kullanılır. Bu amaçla normal su buharı ya da basınçlı su buharı kullanılır. Normal su buharı Koch veya Arnold kazanı adı verilen kazanlarda elde edilir. Suyun sıcaklı¤ı en fazla 100°C ye kadar yükselir. Mikroorganizmaların vejetatif şekilleri ve hatta sporların bazıları 60 dakikada öldürülür. Basınçlı su buharı ise otoklavda elde edilir. Otoklavda yüksek sıcaklıkta bozulmayan besi yerleri, kimyasal maddeler ile her türlü cam ve madeni malzeme sterilize edilir. Otoklavda sterilizasyon 121°C’de 15-20 dakika 1 atm basınç altında yapılır.

Kurutma Besinlerden suyun uzaklaştırılmasına kurutma veya dehidratasyon adı verilir. Tamamen kurutulan besin maddeleri ve yemler bozulmadan uzun süre saklanabilirler. Kurutma ile besin üzerindeki mikroorganizmaların hepsi ölmez, sadece bir kısmı ölür. Kalanlar ise, su bulunmadığından pasif duruma geçerler. Kurutma ile endosporlar, bazı küf sporları, protozoa kistleri hariç mikroorganizmaların vejetatif şekillerinin çoğu öldürülmüş olur.

Radyasyon Radyasyonun mikroorganizmalar› öldürmesi yanında, çevreyi de etkilemesi nedeniyle uygulama alanı sınırlıdır. Radyasyon uygulamaları iyonize radyasyon ve iyonize olmayan radyasyon olarak ikiye ayrılabilir: İyonize olmayan radyasyon UV ışınlarıdır. UV ışınları kısa dalga boylu oldukları için çok az etki etme özelliği gösterirler. Bu yüzden UV ışınları hava ve yüzeylerdeki mikroorganizma populasyon sayısını azaltmada kullanılır. UV ışınları gözlere zararlıdır. Bu yüzden kullanıcılar tarafından gerekli tedbirler alınarak kullanılmalıdır. 2000-3800 A° dalga boyları arasındaki şeritte yer alan ultraviyole ışınları (UV) mikroorganizmalar üzerinde bakterisid özelliğe sahiptir. Güneşten gelen UV ışınları, su yüzeyinde ve havada serbest dolaşan mikroorganizmaları öldürmektedir. Ultraviyole ışınları ile hem mikroorganizmaların zararlı etkilerinden korunurken hem de yararlı mikroorganizmalar ıslah edilerek onların yararlarını artırmak mümkündür. E.coli, Yersinia enterocolitica, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Serratia ve Proteus cinsi Gram-negatif bakteriler radyasyona karşı en hassas olanlarıdır.

X ışınları ve gamma ışınları iyonize radyasyon grubunda yer alır X ışınları ve gamma ışınları iyonize radyasyon grubunda yer alır. X ışınlarının dalga boyu 100 A°’dan daha kısadır. Bu ışınlara “röntgen ışınları” da denilmektedir ve mikrobiyosidal bir etkiye sahiptirler. Üretildikleri merkezden her yöne doğru yayılma özelliğine sahip olduklarından ve üretilmeleri pahalı olduğundan kullanılmaları sınırlıdır. Gamma ışınlarının dalga boyu 1A°’dan daha kısadır. Mikroorganizmaları öldürücü etki yaparlar. Bu ışınlar moleküllerden elektron kopararak onların iyonlaşmasına neden olurlar. Çok yüksek penatrasyon özelliğine sahiptirler. Bu nedenle oldukça büyük hacimde maddelerin içinde ve üzerinde bulunan mikroorganizmaları öldürmek için kullanılabilirler. Nükleik asitler üzerine etki yaparak mikroorganizmaları öldürürler. Bu ışınlar polietilen veya sentetik maddelerden yapılmış cihazların, malzemelerin steril edilmesinde, besin ve ilaç endüstrisinde kullanılmaktadır.

Filtrasyon Yüksek ısı ile sterilizasyon uygulandığında fiziksel ve kimyasal yapılarında değişmeler olabilecek serum, enzim, vitamin, antibiyotik, protein vb. maddeler ısıya dayanıksız olduklarından filtreden geçirilerek steril edilirler. Filtreler çok çeşitlidir; membran filtreler, porselen, cam tozu, amyant (Seitz), diotome (Berkfeld), asbest, selüloz asetattan yapılmış filtreler vb. Membran filtreler mikrobiyolojide en çok kullanılan filtrelerdir.

Sedimentasyon Bir sıvıda süspansiyon halde bulunan mikroorganizmalar santrifüj ile çöktürülürler. Santrifüj ile sıvı içerisinde farklı yoğunlukta bulunan maddeleri ayırmak mümkün olur. Santrifüjle çöktürme, santrifüjün hızına, dönme zamanına ve sıvı ortamla içerisindeki mikroorganizmaların yoğunluk farkına bağlıdır. Küçük partiküller daha hızlı ve daha uzun zamanda çökerler. Virüsleri çöktürmek için ultra santrifüjlere gereksinim vardır. Bu yöntemle sıvı steril edilemez. Ancak sıvı içindeki mikroorganizma yoğunluğunda azalma olur.

Sonik Dalgalar Normal sonik dalgaların (ses dalgaları) mikroorganizmalar üzerinde etkisi yoktur. Saniyede 15000 den birkaç yüz bine kadar titreşimli, yani duyulma sınırının üzerindeki ses dalgaları proteinleri pıhtılaştırır ve mikroorganizmaları öldürürler. Ultrasonik dalgaların bakterisidal etkisi vardır. Ultrasonik ses dalgaları, sıvı içindeki mikroorganizmalara uygulandığında meydana gelen alçak ve yüksek basınç dalgaları ile hücreler yırtılmakta ve içerikleri açığa alınmaktadır. Bu metod mikroorganizmaların öldürülmesinden ziyade, hücre çeperi ve hücre içi yapıların, enzimlerin ekstraksiyonunda kullanılmaktadır.

Ozmotik Basınç-Yüksek Basınç Ozmotik Basınç: Mikroorganizma hücrelerinin sitoplazmik zarlar›, yar› geçirgen ve seçici geçirgen zarlar olduğundan hücreyi bulunduğu ortamdaki ozmotik basınçla dengede tutarlar.Mikroorganizmaların çoğu yüksek yoğunlukta tuz içeren ortamlarda ölürler. Şeker de aynı şekilde mikroorganizmaların kontrol altına alınmasında kullanılabilir. Ancak halofilik (tuz seven) ve sakkarolitik (şeker seven) bakterilerin varlığı unutulmamalıdır. Bir çok mikroorganizma %50-70 şeker veya %10-15 tuz ile inhibe edilebilirler. Yüksek Basınç: Mikroorganizmalar basınca karşı oldukça dayanıklıdırlar. Çok yüksek hava basıncı mikroorganizmaların enzim aktivitesini durdurabilir veya onları öldürebilir. Yüksek basıncın uzun süre uygulanması ile mikroorganizma proteinlerinin doğal yapısı bozulacağından (denatürasyon) hücreler ölür, ancak parçalanmaz. Fakat, ani bir 500-600 atmosferlik basınç uygulama ve sonradan aniden sıfıra indirilerek bu işlem bir süre tekrarlanacak olursa hücreler parçalanır.

KİMYASAL YÖNTEMLER İLE MİKROORGANİZMALARIN KONTROL ALTINA ALINMASI Mikroorganizmalar üzerine etkili çok sayıda kimyasal madde vardır. Kimyasal maddeler genellikle sıcaklık ve diğer fiziksel etkenlerin kullanılmasının mümkün olmadığı durumlarda uygulanır. Hava, su ve besin maddelerinin dezenfeksiyonunda geniş ölçüde kullanılmaktadır. Cansız maddelerdeki mikroorganizmaları öldürmek için kullanılan kimyasal maddeler dezenfektan olarak isimlendirilir. Canlı dokulardaki mikroorganizmaları n çoğalmalarını engellemek veya öldürmek için kullanılan kimyasal maddeler antiseptik olarak isimlendirilirler.

Asitler Mikroorganizmaların asitliğe dayanma sınırları farklıdır Asitler Mikroorganizmaların asitliğe dayanma sınırları farklıdır. Genellikle bakteriler nötr, küf ve mayalar ise hafif asidik ortamlarda daha iyi çoğalır ve gelişirler. Sülfürikasit, hidroklorik asit, nitrik asit gibi kuvvetli asitlerin mikrobiyosit etkileri fazladır. Ancak diğer maddelere de zararlı oldukları için pek tercih edilmezler. Hidrojen iyonu konsantrasyonu arttıkça mikroorganizmaların yaşama şansı azalır. Zayıf bir asit olan borik asidin % 1-3’lük çözeltisi göz dezenfektanı olarak kullanılır. Organik asitler daha az antimikrobiyal etkiye sahiptir. Benzoik asit, propionik asit ve bunların sodyum, potasyum tuzları besin endüstrisinde kullanılmaktadır. Asitler proteinleri pıhtılaştırarak veya hücre duvarını ya da sitoplazmik zarı bozarak etki gösterirler.

Alkaliler: Mikroorganizmaların asitliğe dayanma sınırları gibi alkaliliğe dayanma sınırları da farklıdır. Alkaliler hidroksil iyon konsantrasyonuna bağlı olarak mikroorganizmalar üzerine etki ederler. Sodyum hidroksit, potasyum hidroksit, kalsiyum hidroksit gibi kuvvetli alkaliler genellikle Gram-negatif bakterilere ve virüslere etkilidirler. Kalsiyum hidroksit (toz kireç) içine 3 kısım su ilave edilip karıştırılarak kireç sütü hazırlanır. Bu, lağım çukurlarının, kirli suların, duvarların dezenfeksiyonunda kullanılır. Alkaliler de proteinleri pıhtılaştırarak, hücre duvarını veya sitoplazmik zarı bozarak etki gösterirler. Tuzlar Tuzların çoğu az miktarda olduklarında çoğalmayı arttırırlar. Çok olduklarında ise bakterisit etki yaparlar. Sofra tuzu (NaCl), salamura olarak besinlerin saklanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Civa klorür (süblime) kuvvetli bir dezenfektandır. Civa iyonları bakteri hücresine girer ve proteinleri çöktürür.

Oksidanlar Hidrojen peroksit (H2O2), ozon (O3), potasyum permanganat (K2MnO4) mikrobiyostatik ve mikrobiyosidal etki gösterirler. Bu oksitleyici maddeler mikroorganizmaların serbest sülfidril gruplar›n› oksitleyerek etki yaparlar. Hidrojen peroksit (%3), potasyum permanganat (%1) antiseptik olarak kullanılmaktadır. Ozon ise içme sularının dezenfeksiyonunda kullanılmaktadır. Hidrojen peroksit yara ve deri antiseptiği olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Dokularda kolayca ayrışır. Organik maddelerin bulunduğu ortamda fazla etkili değildir. Hücredeki sülfidril grupları okside ederek hücrenin ölümüne yol açarlar.

Halojenler İyot: Saf iyot siyah kristal haldedir. Alkol ve sudaki çözeltileri yara dezenfektanı olarak kullanılmaktadır. Bakterisit, fungisit, sporosit ve virüsit etkisi vardır. Mikrobiyal hücrenin protein ve enzimleriyle birleşerek etki yapar. iyodun organik bileşiklerine iyodoform adı verilir ve açık yaraların enfeksiyonunu önlemede kullanılır. Klor ve klor bileşikler: Klor, gaz veya çeşitli bileşikleri halinde bulunan dezenfektan bir maddedir. Klor basınç altında sıkıştırılarak sıvı hale getirilir. Bu haliyle şehir içme sularının dezenfeksiyonunda kullanılır. Ellerin, madeni ve cam eşyaların dezenfeksiyonunda ve diğer temizlik işlemlerinde sodyum hipoklorit, kalsiyum hipoklorit, hipoklorik asit, kloramin, klorat, perklorat, kloroksit gibi bileşikleri kullanılır. Klorlu bileşikler kuvvetli oksitleyici olarak etki ederler ve mikroorganizmaları öldürürler. Klorun etkisi pH 6-8 arasında maksimumdur. Proteinler kloru etkisiz hale getirir. Bu nedenle klor protein ve yağla kirlenmiş malzemelerin dezenfeksiyonu için uygun değildir. Sodyum hipoklorit %10-15 aktif klorlu sıvı halinde (çamaşır suyu) piyasada satılmaktadır.

Sabun ve Deterjanlar Sabunlar, yağ asitlerinin sodyum veya potasyum ile meydana getirdikleri tuzlardır. Mikrobiyosidal etkisi sınırlıdır. Sabunlar yüzey gerilimini azaltır ve suyun ıslatma kuvvetini arttırırlar. Deterjanlar, yüzey gerilimini azaltan, ıslatıcı kuvveti fazla olan ve iyon gruplarına sahip olan kimyasal maddelerdir. Mikrobiyosit etkileri yüksektir. Anyonik ve katyonik olmak üzere iki grupta incelenirler. Anyonik deterjanlar negatif yüklü, katyonikler ise pozitif yüklüdür. Katyonik deterjanlar bakteriler, funguslar, protozoalar ve kısmen de virüsler üzerine etkilidir. Deterjanlar mikroorganizmaların hücre geçirgenliğini bozar, proteinin kolloidal yapısını değiştirirler. Katyonik deterjanlar alkali ortamda, anyonik deterjanlar ise asidik ortamda daha aktiftirler.

Alkol ve Eterler Etil alkolün % 50-70’lik solüsyonları deri dezenfektanı olarak kullanılmaktadır. Gaz Dezenfektanlar Havada çok küçük damlacıklar halinde yayılabilen ve bir süre havada asılı halde kalabilen maddeleri içermektedir. Bazı fenol bileşikleri, propilen glikol, etilen glikol ve yüksek alkoller kullanılmaktadır. Havanın dezenfeksiyonunda bu maddelerden yararlanılır. Boyalar Mikrobiyolojide mikroorganizmaların boyanmasında kullanılan organik ve inorganik boyaların mikrobiyosidal etkisi vardır. Ağır Metaller Civa, gümüş, bakır gibi ağır metallerin ve bunların bileşiklerinin mikroorganizmalar üzerine zararlı etkileri vardır. Ağır metallerden özellikle gümüşün çok az miktarları bazı bakteriler üzerine etkilidir. Buna oligodinamik etki denir. % 1’lik Gümüş nitrat ise göz dezenfeksiyonunda kullanılır.

ANTİBİYOTİKLER VE KEMOTERAPÖTİKLERİN MİKROORGANİZMALAR ÜZERİNE ETKİSİ Belirli bir yoğunlukta uygulandığında konukçu bünyesine yerleşmiş bulunan mikroorganizmanın çoğalmasını durduran ancak, kullanılan yoğunluğundaki etkisini konukçu hücrenin hoşgörü ile karşılayabileceği kimyasal maddelere kemoterapötikler adı verilir. Kemoteropötikler enfeksiyon hastalıklarının tedavisinde kullanılmaktadır. Canlı vücudunda etkili olan maddelerdir. Bazı bakteri ve mantar cinsinden mikroorganizmalar tarafından çoğalma ortamında oluşturulan ve diğer mikroorganizmalar için “mikrobiyostatik” veya “mikrobiyosidal” etki gösteren maddelere antibiyotik adı verilir. Her antibiyotiğin tedavi edici dozlarda etkili olabildiği mikroorganizma cinslerinin hepsine birden antibiyotiğin etki spektrumu adı verilir. Buna göre bazı kemoterapötikler sınırlı ve belli sayıda mikroorganizma cinslerine etki ederler ki bunlara dar spektrumlu, diğer bir kısmı ise oldukça fazla cins ve türdeki mikroplara etkili olurlar ki bunlara da geniş spektrumlu kemoterapötikler adı verilir.

İmmünolojiye Giriş ve Serolojik Testler Patojen enfeksiyonlarına veya antijenik bir maddenin toksik etkilerine karşı direnç oluşturmak için bireyin kullandığı aktif mekanizmalara yani, hastalıklara karşı direnç oluşturabilme yeteneğine immünite (=bağışıklık) adı verilir ve bağışıklık bir kişi veya populasyonun artmış direncini ifade eder. Günümüzde immünoloji teriminin Türkçedeki karşılığı bağışıklık bilimidir. İmmünoloji; bu bağışıklığın nasıl oluştuğunu biyolojik ve klinik sonuçları ile birlikte inceleyen bir bilim dalıdır.

İmmünolojinin tarihçesi 1798’de çiçek aşısının uygulanmasıyla başlamıştır. Edward Jenner, inek sağan kadınların ellerinde çıkan inek çiçeği yaraları sayesinde asıl çiçek hastalığından korunduklarını farketmiş, bundan yararlanarak çiçek aşısı uygulamasını başlatmış ve ilk kez aşılama terimini kullanmıştır. Ancak bundan önce, İngiltere’nin (1716-1718 yılları arasında) Osmanlı elçisinin eşi olan Lady Montagu yaşadığı dönemde İngiltere’de henüz bulunmayan çiçek aşısının insandan insana yaygın bir şekilde kullanıldığını hayretle görmüş ve hemen iki çocuğunu İstanbul’da aşılatmıştır. İstanbul’dan İngiltere’ye yazdığı mektuplarla ve Londra’ya döndükten sonra bizzat kendisi çiçek aşısını İngilizlere tanıtmıştır. Daha sonra 1880’li yıllarda Fransız hekim Louis Pasteur hayvanlar için şarbon, tavuk kolerası ve insanlar için de kuduz aşısı geliştirmiştir. 1900’lü yıllardan sonra aşı çalışmaları dışında da pek çok konu ele alınmış, fagositoz olayı, allerji olayı, antikor yapısı, kan grupları vb. incelenmiştir. Son yıllarda ise, immünogenetik, tümör ve transplantasyon immünolojisi konularında hızlı gelişmeler kaydedilmiştir.

BAĞIŞIKLIK ÇEŞİTLERİ Bağışıklığın önemi sağlıklı bir organizmanın toksin veya enfeksiyon etkenleriyle olan doğal temasından ileri gelen hastalıklara direnç göstermesini sağlamaktır. Böylece organizma enfeksiyon etkenlerine karşı kendini korur. Koruyucu mekanizmalar ya doğuştan gelen (=doğal) ya da sonradan kazanılan (=spesifik) olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Doğuştan Gelen (Doğal, Spesifik Olmayan) Bağışıklık Doğal bağışıklık cinse, ırka ait olup bazı hastalıklara karşı direnci ifade eder. Bu bağışıklık enfeksiyon etkenine önceden maruz kalıp kalmamaya bağlı değildir. Bağışıklığı organizmanın yapısal ve genetik özellikleri belirler. Doğal bağışıklık patojen ya da onun ürünlerini tanıma ve yok etme yeteneğindedir. Ancak bu sayede insan, şaşılacak yoğunluktaki mikrop dünyası içinde sağlıklı kalabilmektedir. Patojenler nadiren konukçu fiziksel ve kimyasal savunma mekanizmalarını kırarlar. Patojen konukçu dokuları istila edebilir ve kolonize olmaya başlayarak konukçuyu enfekte eder. İşte bu noktada, immün sistemin çalışmaya başlaması gerekir. Bağışıklığın başlama noktası hücrenin patojen veya immünojenik protein ile temas etmesidir. Bu ilk temastaki hücre fagosittir. Fagositlerin temel görevi patojenleri yutmak, parçalamak ve kalıntıları eritmektir. Fagositler kendilerinde önceden oluşan patojen spesifik tanıma molekülleri ile bu patojenler üzerindeki bölgeleri tanırlar ve bu tanıma fagositlerin patojenleri yok etmesini stimüle eder.

Doğuştan Gelen (Doğal, Spesifik Olmayan) Bağışıklık Fagositler makrofajları, monositleri, nötrofilleri ve dentritik hücreleri içerirler. Doku ve vücut sıvılarında bulunurlar ve lizozom adı verilen oluşumlarında bakterileri öldüren lizozim, hidrojen peroksit, proteaz, lipaz gibi maddeleri içerirler. Makrofajlar ve monositler patojen ve antijenleri parçalayabilme özelliğindedirler. Makrofajlar önemli antijen sunucu hücrelerdir, lenf düğümü ve dalak gibi dokularda bulunurlar ve kazanılmış bağışıklık yanıt başlatmak üzere lenfositler ile etkileşimde bulunurlar.

Nötrofil adı verilen fagositler aktif hareketli hücrelerdir ve çok fazla sayıda lizozom içerirler. Bunlar kısa ömürlüdür ve genelde kanda yüksek sayıda bulunmaları aktif enfeksiyon durumunu işaret eder. Doğal bağışıklıkta bağışıklık sisteminin bir bölümü yabancı madde ile ilk kez karşılaştığında bile harekete geçmeye hazırdır, bu nedenle doğal bağışıklığın etkisi hemen görülür ve bağışıklık yanıt spesifik değildir. Aynı etkenle sonraki karşılaşmalarda yanıtın şiddeti değişmez. Doğal bağışıklık farklı biçimlerde de olsa tüm omurgalı ve omurgasız canlılarda bulunur.

Kazanılmış (Antijen Spesifik) Bağışıklık Kazanılmış bağışıklık, belli bir patojeni tanıma ve yok edebilmek için sonradan kazanılmış bir yetenektir. Bu nedenle edinsel bağışıklık olarak da adlandırılır. Kazanılmış bağışıklık sadece omurgalı canlılarda bulunur ve bu bağışıklıkta, birey patojene veya patojen ürünlerine maruz kaldıktan sonra patojen spesifik reseptörler üretilir. Her insan, yaşamı boyunca sürekli değişen eşsiz bir kazanılmış bağışıklık spektrumu gösterir.

Bu tip bağışıklık temelde “doğal” veya “yapay” olmak üzere iki farklı şekilde kazanılabilir. Ayrıca bağışıklık kazanmada bizzat birey rol alıyorsa “aktif”, başka bir organizmadan alınan bağışıklık ürünleri bireye hazır ve dışarıdan aktarılıyorsa “pasif” olarak adlandırılır. Pasif bağışıklık daima kısa sürelidir (birkaç ay), bunun yanında aktif bağışıklığın tüm tipleri daha uzun sürelidir veya yaşam boyu devam eder. Kazanılmış bağışıklık dört başlık altında gruplandırılır.a. Doğal kazanılmış aktif bağışıklık; belirtili veya belirtisiz geçirilen enfeksiyonlar sonucu örneğin, bir hasta kızamık geçirdiği zaman oluşur.

Kazanılmış bağışıklık dört başlık altında gruplandırılır. a. Doğal kazanılmış aktif bağışıklık; belirtili veya belirtisiz geçirilen enfeksiyonlar sonucu örneğin, bir hasta kızamık geçirdiği zaman oluşur.

b. Doğal kazanılmış pasif bağışıklık; anneden yavruya geçen ve hastalıklara karşı direnç sağlayan bağışıklıktır. Pasif terimi yeni doğmuş yavrunun bağışıklık ürünü antikor oluşturmadığını, bunun aksine anne tarafından oluşturulup ona geçtiğini ifade eder. Doğumdan aylar sonra bu bağışıklık devam eder. Sadece plasenta ile değil, doğumu izleyen bir kaç gün içinde salgılanan “kolostrum” adı verilen ince, sarı, sütümsü yapıdaki sıvıdaki antikorlar ile emzirilen bebekler de bağışıklık kazanır.

c. Yapay kazanılmış aktif bağışıklık; spesifik hastalıklara karşı insanı koruyan toksoid veya aşıların koruyucu antikorların oluşumunu stimüle etmesi ile kazanılır. Burada antikoru hasta üretir. Örneğin; verem aşıları. d. Yapay kazanılmış pasif bağışıklık; bir kişinin bir hastalığa karşı bağışıklığı bir başkası veya bir hayvanda oluşturulmuş antikorlar verilerek pasif olarak immünizasyon ile sağlanır. Burada antikorlar en çok kan serumunda bulunduğu için antikor aktarımı kan serumu ile yapılır. Örneğin tetanoz gibi toksik hastalıklarda tetanoz antikorları verilir.

ANTİJEN VE ANTİKORLAR Antijenler Bir “immünojen”, bağışıklık yanıt verebilecek düzeyde gelişmiş bir organizmaya verildiğinde kendine karşı bağışıklık yanıtın oluşmasına yol açan maddedir. Bağışıklık yanıt antikor üretimini, spesifik T hücrelerinin aktivasyonunu veya her ikisini de içerebilir. Antijen ise, antikorlar veya T hücrelerinde bulunan ve T hücresi reseptörleri olarak ta bilinen antijen spesifik reseptörlerle veya her ikisi ile de reaksiyona giren makromoleküllerdir. Antikorun bakteri yüzey antijenine bağlanması bu bakterinin fagositik hücre tarafından yakalanmasını arttırır. Antijenlerin çoğu aynı zamanda immünojendir. Bu nedenle de pek çok literatürde immünojen kavramı ayrı olarak kullanılmaz, bunun yerine antijen terimi tercih edilir. Ancak immün sistem tarafından tanınan bazı antijenler gerçek immünojenler değildir. Örneğin haptenler, spesifik antikor molekülleri ile bağlanabilen düşük molekül ağırlıklı maddelerdir fakat, kendileri bağışıklık yanıt oluşumuna neden olamazlar.

Antijenler genellikle verildiği organizmaya yabancı olan kompleks makromoleküllerdir. Bazı maddeler örneğin büyük molekül ağırlıklı polisakkaritler ve proteinler mükemmel antijenlerdir. Antijenler genellikle protein veya polisakkarit gibi hayvan hücreleri tarafından kolaylıkla parçalanabilme yeteneğindeki kompleks makromoleküllerdir. Lipid ve nükleik asitler antikorlar ile reaksiyona girebilir fakat önce proteinle kaplanmazlarsa oldukça zayıf antijenlerdir. Antijen molekülünün yüzeyinde, kendi antikorları ile birleşmesini sağlayan ve bu şekilde antijenin spesifikliğini belirleyen bu kimyasal gruplara belirtici gruplar veya epitop denir.

Antijenlerin spesifikliği çok yüksektir, ancak evrimsel gelişim bakımından birbirlerine yakın canlıların antijenleri arasında yapı bakımından yakınlık bulunabilmektedir. Bazen de bu yönden birbirleriyle hiç ilişkisi bulunmayan ve evrimsel yönden birbirlerine çok uzak canlılara ait antijenler de birbirlerine benzeyebilmektedir.

Kan grubu antijenleri insanların eritrositlerinin yüzeyinde bulunan antijenlerdir ve kişilere göre farklılık gösterebilirler. Pratikte en çok önem taşıyan kan grubu antijenleri ABO ve Rh sistemleridir. ABO sisteminde eritrosit yüzeylerinde A ve B gibi antijenler, kan serumunda ise bunların anti-A ve anti-B antikorları vardır. Buna göre insanlarda A, B, O ve AB olmak üzere dört farklı kan grubu vardır. Ayrıca eritrosit yüzeyinde Rh antijenlerinin varlığı (Rh pozitif) ve yokluğu (Rh negatif) da ABO sistemi ile birlikte ifade edilir. Kan grupları özellikle kan transfüzyonu ile babalık tayini, doku ve organ aktarımında çok önemlidir.

Tüm canlılarda olduğu gibi mikroorganizma gruplarının da çeşitli antijenleri vardır: a. Virüs antijenleri: Organizmaya giren virüsün direk kendine olduğu gibi virüsün çoğalması esnasında oluşan bazı enzimlere ve virüsten ayrılarak ortama yayılan alt birim yapılarına karşılık olarak ta antikor oluşabilir. Virionu (tek bir virüs) oluşturan kısımlar içinde en iyi antijenik özellik gösteren kısım kapsiddir. Bunu oluşturan kapsomerler de iyi antijenik özellik verirler. Bu antijenlere V (virüs) antijenleri denir. Ayrıca virüs zarf yapısını oluşturan lipidler de lipoprotein, lipopolisakkarit, glikoprotein bileşikleri ile verildiklerinde antijen olabilirler.

b) Bakteri antijenleri: Bakterilerin yapısını oluşturan maddelerin çoğu ve bunların yanında bulundukları ortama saldıkları enzim ya da toksin niteliğindeki maddeler antijen özelliği gösterirler. Hücre yapılarına uygun olarak çeşitli bakterilerde çeşitli antijenler bulunur. Başlıca bakteri antijenleri şunlardır: 1) Kapsül antijenleri: Kapsüllü bakterilerde bulunur. Kimyasal yapı bakımından çoğu kez polisakkarit yapısında olmakla birlikte B. anthracis’te olduğu gibi polipeptit yapısında da olabilir. E. coli ve Salmonella typhi bakterilerinde Vi antijeni olarak isimlendirilir. Kapsül antijenleri ısıya dirençli değildir.

2) Hücre duvarı antijenleri: Genellikle bakterilerin esas hücresel antijenleri hücre duvarı yapısında bulunur. Gr (-) bakterilerde çeperin dış bölgesinde lipopolisakkarit yapısında antijenler bulunur. Bunların lipid yönü toksik, polisakkarit yönü ise antijenik özellik gösterir. Bu antijenlere “O” ya da “somatik” antijen denir. Bu antijenler, ısıya, alkole dirençli, formole çok az dirençlidirler. Gram-pozitif bakterilerdeki polisakkaritler (örneğin, streptokoklardaki Lancefield gruplandırması), proteinler (örneğin, S. aureus’taki protein A) ve lipidler (örneğin, mikobakterilerde) antijenik özelliktedir.

3) Kamçı antijenleri: Hareketli hücrelerde bulunup, “H” antijeni adını alırlar. Protein yapısında olup ısıya, alkole ve asitlere dirençsizdirler fakat formole dirençlidirler. Bu nedenle genç kültürlere formol ilavesiyle elde edilirler. 4) Pilus antijenleri: Bakterilerde kirpik dışında protein yapısında tüycükler olan pilusların temel yapısını oluşturan pilin bakteriden bakteriye değişir. Piluslar özellikle E. coli, Salmonella gibi bakterilerin barsak hücrelerine yapışmasını sağlayarak enfeksiyonu kolaylaştırır. Ayrıca piluslar eritrositlere yapışmayı da sağlar ve hemaglutinasyona neden olur. Piluslara karşı elde edilmiş antikorlar ise bu özelliği engeller.

5) Hücre dışı antijenler: Bakterilerin hücre dışına, bulundukları ortama saldıkları, genellikle protein yapısında olan ekzotoksinler ve enzimler bunların arasındadır. Isıtılmak veya formolde bekletmek ile ekzotoksinlerin zehirleyici kısımları yıkılır ancak antijen özellikleri bozulmaz. Bu tip ekzotoksinlere anatoksin veya formol toksoid adı verilip difteri ve tetanoz anatoksinlerinde olduğu gibi aşı olarak kullanılırlar. 6) Spor antijenleri: Gram-pozitif sporlu bakterilerin sporunda bulunan cinse hatta türe özel, protein yapısındaki antijenlerdir. Örneğin, Bacillus anthracis, B. cereus spor antijenleri.

Antikorlar Bir antikor yabancı bir maddeye (antijene) karşı cevap olarak üretilmiş ve bu yabancı maddeyle spesifik reaksiyona girebilecek özellikte bir proteindir. Antikorlar ilk kez kandaki hücreler ve pıhtılaşma faktörleri uzaklaştırıldıktan sonra ortaya çıkan kanın sıvı kısmı olan serumda keşfedilmiştir, bu nedenle antikor içeren kan serumu “antiserum” olarak adlandırılır. Pek çok hastalık, serumda spesifik antikorlarının varlığı tespit edilerek teşhis edilebilir ve immünolojinin serumla çalışan kısmına “seroloji” adı verilir.

Antikor Yapısı Antikorlar, serum ve diğer vücut sıvılarında bulunan yüksek molekül ağırlıklı proteinlerdir. Diğer proteinler gibi antikorlar da büyüklüklerine ve yüzeylerindeki elektrik yüküne bağlı olarak elektrik alanında göç ederler. Antikorlar kan serumunun globulin kısmında keşfedilmiştir ve bu kısma günümüzde immünglobulin adı verilmektedir ve Ig olarak sembolize edilmektedir. İmmünglobulinler (Ig), bağışık yanıtta rol oynayan bir protein sınıfıdır ve antijenik uyarımda B-lenfositlerin değişimi ile oluşan plazma hücreleri tarafından sentezlenir. İmmünglobulinler glukoprotein yapısında olup yaklaşık %90’ı polipeptid, %10’u karbonhidrattır. İmmünglobulin sınıfları temelde benzer yapı gösterir ve monomer adı verilen en az bir temel birimden oluşmuştur.

Tek bir immünglobulin molekülü basitçe Y şeklindedir ve ağır ve hafif olmak üzere iki çeşit polipeptid zinciri içerir. İki adet identik, hafif polipeptit zinciri Y şeklindeki molekülün kol kısımlarında, ağır zincirler ise hem kol hem de gövde kısmında bulunur. Kollarda hafif ve ağır zincirler arasında, gövdede ise iki ağır zincir arasında bulunan disülfit ba¤ları, polipeptid zincirleri bir arada tutarak Ig molekülünü oluşturur. Bu yerleşime göre ağır ve hafif zincirlerin amino uçları Y’nin kollarında ve ağır zincirin karboksil uçları Y’nin kuyruk kısmında bulunur. İmmünglobulin molekülünün kolları serbestçe hareket edebilecek şekildedir.

İmmunoglobulin molekülü yapı ve fonksiyon olarak incelenmiş ve papain adlı bir enzimle muamele edildiğinde Y şekli 3 bölüme ayrılmıştır. Bunlar; 2 adet Fab (Fragment Antigen Binding) fragmenti ve 1 adet Fc (Fragment crystallizable) fragmentidir. Fab fragmenti üzerindeki amino-terminal uçlar antijene bağlanır. Her bir immünglobulin molekülü iki Fab fragmenti içerdiğinden immünoglobulinler bivalenttir yani, aynı spesifiklikte iki antijeni iki farklı tarafa bağlayabilir. Bivalentlik aynı anda iki antijen ile reaksiyona girmeye izin verdiğinden büyük antijen-antikor komplekslerinin oluşumuna neden olur. İmmünoglobulinin Fc parçası soğukta kristalleşme özelliğindedir ve hücre yüzeylerine bağlanmada, enzim, radyoaktif madde ve floresanlı madde bağlanmasında rol oynadığı için özellikle serolojik tanı testlerinde oldukça önemlidir.

İnsanoğlu binlerce farklı antikor molekülü oluşturabilecek farklılıktaki antijene cevap verebilecek yetenektedir. Her bir antikor molekülü temelde hafif ve ağır zincir yapısı göstermesine rağmen antikorları birbirinden farklı kılan faktör, her bir zincir içindeki değişken bölgelerin varlığıdır. Ağır ve hafif zincirlerin amino terminal uçlarına yakın kısımlarda aminoasitlerin dizilişi değişebilir özellikte olduğundan bu bölgelere değişken bölgeler denir. Bu değişken kısımlar Ig molekülünün oluşumuna neden olan antijen molekülüne uyacak özellikte sentezlenir. Bu değişken bölgelerin arasında hem hafif hem de ağır zincirlerde sabit bölgeler bulunur ki bunlar aynı aminoasit dizilişine sahiptir ve bu kısımlara sabit (=değişmez) bölge adı verilir.

İmmünglobulin Sınıfları İmmüngloblulinler fiziksel, kimyasal ve serolojik özelliklerine göre beşe ayrılır ve immünglobulin G (IgG), immünglobulin A (IgA), immünglobulin M (IgM), immünglobulin D (IgD) ve immünglobulin E (IgE) adını alırlar. İmmünglobulin G (IgG): G sınıfındaki immünglobulinler birbirine S-S bağları ile bağlı iki hafif, iki ağır polipeptid zincirinden oluşmuş Y şeklindeki moleküllerdir ve kandaki antikor moleküllerinin büyük bir kısmını (%80) oluştururlar. IgG molekülünde bulunan iki tane Fab parçasına iki antijen bağlanabilir. İki Fab parçası arasındaki açı 0-180° arasında değişebilir. Antijen ile IgG molekülünün spesifik olarak bağlanması sırasında açıda meydana gelen değişiklik, IgG molekülünün Fc parçasının biyolojik aktivitesini göstermesine neden olur. IgG’ler plasentadan geçebilen tek Ig’dir. Hamileliğin 3. ve 4. ayında IgG’ler anneden bebeğe geçmeye başlar ve bu geçiş doğuma kadar giderek artan oranda devam eder. Bebek kendi IgG’lerini sentezlemeye doğar doğmaz başlar ve 2 yaşında erişkin düzeyine ulaşır. 40 yaşından sonra IgG düzeyi tekrar azalmaya başlar. IgG sınıfında IgG1, IgG2, IgG3 ve IgG4 olarak adlandırılan dört adet alt sınıf vardır.

İmmünglobulin M (IgM): Normal insan serumundaki immünglobulinlerin % 5-10’nu oluşturur, en büyük Ig’dir ve bu nedenle makroglobulin de denir. Şekil olarak IgG molekülüne benzeyen Y şeklindeki 5 molekülün S-S bağları ile birbirine bağlanmasından oluşan pentamer yapıdadır yani yıldız şeklindedir. IgM’nin yapısında beş tane monomeri birbirine bağlayan J bağlayıcı polipeptid zincirleri bulunur. Antijene maruz kalındığında üretilen ilk antikordur. B lenfositin yüzeyine bağlanarak antijen reseptörü görevi görür. Çok büyük olduğu için kan vasküler sisteminde bulunur, doku aralıklarında temelde fonksiyonları yoktur ve plasentadan geçemezler. IgG gibi kompleman bağlama görevi vardır. IgM’ler plesantadan geçememesine rağmen, bazı enfeksiyon durumlarında beşinci aydan sonra fetus IgM sentezleyebilir.

İmmünglobulin A (IgA): Temelde yapısı IgG’ye benzer İmmünglobulin A (IgA): Temelde yapısı IgG’ye benzer. Ancak IgA molekülleri hem IgG gibi monomer halde, hem de iki veya daha fazla monomerin J bağlayıcı polipeptid zincir ile bağlanması sonucu dimer veya trimer halde bulunabilmektedir. İnsan serumundaki immünglobulinlerin %10-15’ini oluştururlar. IgA insan ve memelilerin salgısında bulunan temel Ig’dir. Sütte, solunum yolu, sindirim yolu ve genital organ salgılarında, gözyaşı ve tükrükte bulunanları salgı antikorları (sIgA) olarak da bilinirler. Dışarıdan organizmaya giren mikroorganizmaların mukoza hücrelerine bağlanmalarına, burada yerleşmelerine ve enfeksiyon oluşturmalarına engel olurlar. Ayrıca besinlerle alınarak barsağa ulaşan, zararlı olabilecek makromoleküllerle birleşerek onların emilimini önler ve tahrip edilmelerini kolaylaştırırlar. IgA1 ve IgGA2 olmak üzere iki alt sınıfa ayrılırlar. IgA, doğumdan itibaren ikinci ayda sentezlenmeye başlar, buluğ çağında erişkin düzeyine ulaşır.

İmmünglobulin D (IgD): Normal serumdaki immünglobulinlerin % 0 İmmünglobulin D (IgD): Normal serumdaki immünglobulinlerin % 0.2’sini oluştururlar. D sınıfındaki immünglobulinler çok düşük miktarda olduklarından ve proteolitik enzimlere hassas olduklarından çalışmaları oldukça zordur. Ağır zincirler arasında disülfit bağı olmadığı için hafif bir ısınmayla parçalanabilirler. Bunlar da aynı IgM’ler gibi B lenfositlerin yüzeyine bağlanarak antijen reseptörü görevi görürler. İmmünglobulin E (IgE): Normal serumdaki immünglobulinlerin % 0.002’ sini oluştururlar. Çabuk tipte allerjik reaksiyon gösteren kişilerde ve helmint cinsi parazitozu olan kişilerde yüksek seviyede IgE bulunmuştur.

Poliklonal ve Monoklonal Antikorlar Vücuda giren bir patojenin çok sayıda ve farklı kimyasal yapıdaki epitoplarına karşı sentezlenen immünglobulinler (antikorlar) vardır. Bu şekilde değişik aktiviteye sahip, heterojenik özellikteki farklı antikorların kompleks karışımına poliklonal antikorlar adı verilir. Bu şekildeki kan serumu da poliklonal antiserum adını alır. Eğer vücuda giren antijenin değişik antijenik determinantları tarafından uyarılmış her bir B hücresi, vücuttan ayrılarak in vitro şartlarda (vücut dışında, laboratuvarda) tek olarak üretilir ve bunlardan antikor elde edilirse böyle antikorlara, tek bir hücre ve bunun oluşturduğu klonlardan meydana geldiği için monoklonal antikorlar adı verilmektedir.

Poliklonal ve Monoklonal Antikorlar Antikor yapıcı hücreleri kültür etmek için araştırıcılar myeloma (kanser) hücrelerini normal plazma hücreleri ile birleştirmişler ve hibridoma adı verilen hibrid hücreler oluşturmuşlardır. Daha sonra spesifik hibridomaları seçerek onları kültürde çoğaltmışlar ve böylece monoklonal antikor üreten klonları yaratmışlardır. Monoklonal antikorlar özellikle klinik diagnostik testlerde, bakterilerin immünolojik tiplendirmesinde ve farklı yüzey antijeni içeren hücrelerin identifikasyonunda kullanılırlar. Ayrıca genetik mühendisliğinde, insanda kanser hücrelerinin aranmasında ve kanser tedavisinde kullanılırlar. Monoklonal antikor tedavilerinin spesifikliği, kanserli hücreler kadar normal hücrelere de zarar veren kimyasal ve radyasyon tedavilerine alternatif olabilir.

İMMÜN SİSTEM HÜCRE VE ORGANLARI Bağışıklık kan ve lenf sıvısı içinde dolaşan hücrelerin fonksiyonu ile ortaya çıkar. Bağışık yanıtta yer alan hücrelerin tümü kemik iliğinde bulunan kök hücreden kaynaklanırlar. Kan, bağışık yanıtta yer alan pek çok hücre ve molekülden ibarettir. Kanda en fazla eritrositler (kırmızı kan hücreleri) bulunur ve akciğerden dokulara oksijen taşırlar. Lökositler (beyaz kan hücreleri) ise, antikor üretimi ve hücresel bağışık yanıt için özelleşmiş lenfositler ile monosit gibi fagositik hücreleri içerirler. Kök hücreleri sitokin adı verilen proteinlerin etkisi ile farklılaşarak olgun hücreleri oluştururlar. Kanın içinde protein, diğer çözünen maddeler ve hücrelerin yüzdüğü sıvı kısım plazma adını alır ve plazmanın önemli bir kısmı pıhtılaşmada rol oynayan fibrinojen proteinidir. Kan pıhtılaştığı zaman, kan hücreleri fibrinojen tarafından tutuklanarak büyük bir kütle oluştururlar ve pıhtılaşmadan geriye kalan sıvıya serum adı verilir. Serumda yüksek miktarda antikor bulunduğu için, immunolojik araştırmalarda yaygın olarak kullanılır. Kan, kalp tarafından arterler ve kapiller aracılığı ile tüm vücuda pompalanır ve venler aracılığı ile geri döner. Dolaşım sistemi oksijen de dahil besin maddeleri ve enfeksiyonlara dirençte rol oynayan kan bileşenlerini taşır.

Lenf sıvısı kana benzeyen ancak kırmızı kan hücreleri içermeyen bir sıvıdır. Birincil lenfoid organlar kemik iliği ve timus/Fabricius kesesi’dir. İkincil lenfoid organlar ise lenf düğümleri, dalak ve MALT (mukozaya ilişkin lenfoid doku)’tır. Kandaki lökositler ve çözünen maddeler kandan lenf sistemine kapiller yataklarda geçer. Lenf sıvısı ekstravasküler dokulardan lenf kapillerine, lenf kanallarına ve lenf düğümlerine akar. Lenf düğümleri yüksek oranda lenfosit ve fagosit içerirler ve vücudun çeşitli bölgelerinde bulunurlar. Dokulardan gelecek antijen ve mikroorganizmaları süzme görevi yaparlar. MALT, lenfositlerin antijen ile karşılaşıp özellikle sindirim, genito üriner ve solunum sistem mukozal yüzeylerin savunmasında rol oynadığı lenfoid doku kısmıdır ve lenf düğümlerindeki aynı hücresel bileşenlere sahiptir. Dalak, portal kan akımını düzenler, kan yoluyla gelen antijenler burada tutulur ve bağışık yanıt başlar. Lenf düğümleri ve dalak immün cevabın en önemli bölgeleridir.

Lenfositler, özelleşmiş hücreler olup kanda, lenfte, kemik iliğinde, dalakta, timusta, ve lenf düğümlerinde bulunurlar. İmmün reaksiyonlarda rol oynayan lenfositler B lenfositler ve T lenfositler olmak üzere iki tiptir: B lenfositler kuşlarda bulunan fakat memelilerde bulunmayan bir lenfoid doku olan Fabricius kesesi (bursa of fabricus)’nden adını alır. Memelilerde ise kemik iliğinde olgunlaşırlar. B lenfositleri yüzeylerinde IgD ve IgM antikorları (reseptörler) içerirler ve hümoral bağışık yanıtta antikor sentezleyen plazma hücrelerine dönüşürler. Timus’ta olgunlaşan lenfositler T-lenfosit adını alır. T lenfositler periferal kandaki lökositlerin %80 ini kapsar ve yüzeylerinde yabancı antijenleri tanıma yeteneğinde reseptörler (TCR) ile tanınırlar. Bu reseptöre uygun bir antijen ile karşılaştığında bazı T hücreleri çoğalır ve sitokin adı verilen kimyasal haberci salgılanmasına neden olurlar. T lenfositler hücresel bağışık yanıtta rol oynayan hücrelerdir. Bunların ortalama yaşam süresi 6 aydır fakat 10 yıl kadar da yaşayabilirler.

KAZANILMIŞ (ANTiJEN SPESiFiK) BAĞIŞIK YANIT MEKANİZMASI Organizmaya giren yabancı maddeler (antijen) ya doğal bağışıklık ile hemen yok edilir ya da antijenlerin büyük çoğunluğu makrofaj gibi özel hücreler tarafından alınıp, T lenfositlere sunulurlar. Kendisine uygun (spesifik yapıda) reseptör grubu taşıyan T lenfosit grubuna giden antijen, onları aktive eder ve bağışık yanıt ile ilgili çeşitli olaylar meydana gelir. Belirli bir antijenik etkene karşı gelişen kazanılmış bağışıklık, etkinliğini göstermek için bir hazırlık dönemine ihtiyaç duyar. Ancak aynı antijen ile sonraki karşılaşmalarda, ilk yanıta göre daha hızlı ve kuvvetli bir yanıt ortaya çıkar ve genellikle ömür boyu koruma sağlar. Kazanılmış bağışıklık hücresel ve hümoral olmak üzere iki farklı koldan etki gösterir.

Hücresel bağışık yanıtta antijen sunucu hücreler ile spesifik lenfositler rol oynar ve patojenleri (antijenleri) alır ve parçalar. Antijen sunucu hücreler patojen bileflenlerini küçük parçalara ayırır ve T lenfositlere sunar. T lenfositleri TCR yardımı ile tek bir antijeni tanır ve TC hücreleri direk olarak parçalar. TH1 hücreleri ise sitokin yardımı ile indirek olarak antijeni parçalar. Böylece, hücresel bağışık yanıt patojen ile enfekte olmuş konuk hücrelerin ölümüne yol açar.

Hümoral bağışıklık yanıtta ise vücut sıvılarında yer alan antikorlar rol oynar. Diğer TH lenfositler (TH2 hücreleri) ise antijen spesifik B lenfositler ile etkileşir ve onları antikor üretmeye teşvik eder. Her bir B hücresi farklılaşarak, tek bir antijen için spesifik antikorları üreten plazma hücrelerini oluşturur. Böylece, hümoral bağışık yanıt sonucu üretilen antikorlar özellikle bakteri ile kan veya lenfte bulunan çözünebilir patojen ürünleri olan toksinlere karşı etki ederek onları zararsız hale getirir. İmmün yanıt ister doğal, ister kazanılmış hücresel veya kazanılmış hümoral olsun genellikle organizmanın yararına sonuçlanır ve koruyucu bağışıklık yanıt niteliğindedir. Ancak bazen organizmanın zararına doku hasarı ve hastalık meydana gelir, buna da aşırı duyarlılık reaksiyonları (allerjik reaksiyonlar) adı verilir.

Antikor Üretimi Antijenler lenf ve kan dolaşım sistemi ile lenf düğümleri, dalak veya mukoza gibi komşu ikincil lenf organlarına yayılırlar. Damar içine enjekte edilen antijen kan yolu ile antikorların üretildiği dalağa giderler. Eğer antijen deri altına, ya da kas içine verilirse lenf sistemi antijeni en yakın lenf düğümüne taşır. Antijen ağız yolu ile mukozal yüzeylere taşınırsa, sindirim sistemindeki lenfoid dokulara taşınır ve antijene spesifik IgA üretimi ile sonuçlanır. İlk antijen sunumunu takiben, antijenle uyarılmış her bir B hücresi çoğalır ve antikor salgılayan plazma hücreleri ve hafıza hücreleri oluşturmak üzere farklılaşır. Plazma hücreleri oldukça kısa ömürlüdür (1 haftadan az), fakat birincil bağışık yanıtta çok fazla miktarda IgM üretir ve salgılarlar. Kanda spesifik antikorlar görülmeden önce latent bir dönem vardır, bunu antikor titresinde (antikor miktarı) artış takip eder ve daha sonra birincil antikor üretiminde hafif bir düşüş gözlenir.

Antijene ilk maruz kalma ile oluşturulan hafıza hücreleri yıllarca yaşayabilir. Eğer daha sonraki bir zamanda tekrar aynı antijene maruz kalınırsa, hafıza hücreleri tekrar T hücresi ile uyarılmaya ihtiyaç duymazlar ve hemen plazma hücrelerine dönüşerek IgG üretmeye başlarlar. Antikor titresi ilk cevaptakinden 10-100 kez daha yüksek seviyeye çıkar. Buna da ikincil bağışık yanıt adı verilir. İkincil yanıt immünolojik hafızanın bir sonucudur ve ilk cevaptan daha hızlı, ve büyük bir cevaptır. Ayrıca IgM üretiminden IgG üretimine geçiş te ikincil cevabın bir özelliğidir. Zamanla antikor titresi yavaşça düşer fakat, aynı antijene tekrar maruz kalmalar diğer ikincil cevaplara neden olur. Periyodik olarak tekrar bağışık yanıt oluşturulması belli bir antijene spesifik antikorların dolaşım sisteminde yüksek oranda kalmasına neden olarak enfeksiyonel hastalıklara karşı uzun dönemli koruma sağlar. Periyodik aşı uygulamaları da bu esasa dayanmaktadır.

İmmün Tolerans İmmünolojik olgunluğa erişmiş canlıların normalde immün cevap vermek durumunda oldukları belli bir antijene karşı bağışık yanıt oluşturamamasıdır. İmmün tolerans sadece bir bağışık yanıt yokluğundan ibaret değildir ve aslında karmaşık, aktif fizyolojik işlemlerle sağlanır. Fetal gelişme süresince insanlarda bağışık yanıt oluşmaz. Çünkü bu dönemde yabancı maddelere maruz kalan fetus bu maddeleri kendi olarak tanımlar ve yetişkinliğinde de bunlara immüno-tolerant olur. Verilen antijenin yetersiz miktarda veya aksine çok fazla olması, antijenin sık sık ve çok sayıda verilmesi ve T lenfositlerin sayıca yetersiz veya işlevlerinin bozuk olması durumunda da bağışık yanıt oluşmayabilir.

İN VİTRO ANTİJEN-ANTİKOR REAKSİYONLARI VE BAZI SEROLOJİK TESTLER Antijenle antikorun birleşmesi çok spesifik bir olaydır. Çünkü belli bir antikor değişik antijenler karşısında seçici olarak sadece kendisine uyan antijenle birleşmektedir. Antijen-antikor birleşmesi antijendeki spesifik determinant grupları ile (epitop), antikorlarda Y’nin kollarının uç kısımlarında yani aminoterminal uçlarda bulunan belirli bir grup aminoasitlerin oluşturduğu, antikorun birleşme bölgesi (paratop) arasında oluşur. Antijen-antikor birleşmesi tüm antijen molekülünde belirli küçük bir bölgeyi işgal ederler ve 3 boyutlu bir yapı oluştururlar. İki molekül arasındaki bağın gücünü, antijenik determinant yeri ile antikorun bağlanma yeri arasındaki sıkı temasın genişliği belirler. Bu birleşme iki molekül arasındaki afinite (ilgi) oranında hızlı ve güçlüdür.

Genellikle in vitro deneylerde antikorlar, içinde bulundukları serumlarda deneylere sokulduklarından bu olaylara serolojik reaksiyonlar denir. Serolojik reaksiyonlar spesifik antijen-antikor birleşmesine dayalı olup, çok sayıda diagnostik immünoloji testlerinde kullanılmaktadır. Diagnostik amaçlarla bir serolojik testin kullanışlılığı, testin hassasiyetine ve spesifikliğine bağlıdır. Spesifiklik, bir antikorun tek bir antijeni tanıma yeteneğidir. İdeal spesifiklik, antikorun tek bir antijen için spesifik olması, diğer antijenler ile herhangi bir çapraz reaksiyona girmemesi ve böylece herhangi bir yanlış pozitif sonuç vermemesidir. Hassasiyet, tespit edilebilen en düşük antijen miktarını tanımlar. En yüksek hassasiyet seviyesi, test içinde tek bir antijen molekülünün tanımlanmasını gerektirmektedir. Yüksek hassasiyet yanlış negatif reaksiyonları engeller. Presipitasyon testleri en az hassas olan serolojik testlerdir. Aglutinasyon testleri presipitasyon testlerinden 100 kez daha hassastır. ELISA testleri presipitasyon testlerinden 100.000 kez daha az antikor kullanımı gerektirir ve 1 milyon kez daha az (0.1-1.0 ng) antijeni tespit eder. Bu nedenle ELISA testleri en hassas serolojik testlerden birisidir.

Presipitasyon Reaksiyonları Presipitasyon, çözünebilir bir antikorun çözünebilir bir antijen ile reaksiyonundan çözünmez bir kompleks oluşturmasıdır. Antikor molekülleri genellikle 2 adet antijen bağlayıcı bölgeye sahiptir (bivalent). Bu nedenle, her bir bölgenin farklı bir antijen ile bağlanması mümkündür. Eğer antijen birden fazla determinanta sahipse, antijen ve antikor moleküllerinin agregatlarından bir presipitat oluşabilir. İn vitro şartlarda kolaylıkla gözlenebildiklerinden, presipitasyon reaksiyonları özellikle antikor konsantrasyonlarının sayısal ölçümünde oldukça bilgi verici serolojik testlerdir. Presipitasyon reaksiyonu, sadece reaksiyona giren iki maddenin (antijen ve antikor) optimum oranları mevcut olduğu zaman maksimum seviyede meydana gelir. Antijen veya antikorun fazla miktarda olması küçük, çözünebilir immün komplekslerin oluşmasına neden olur. Presipitasyon reaksiyonları, tüpte veya agar jellerde (immünodifüzyon) yapılabilir.

Aglutinasyon Reaksiyonları Aglutinasyon olayı antikorlar büyük antijenler genellikle hücreler ile reaksiyona girdiği zaman ortaya çıkar ve çok büyük kümeler, pıhtılar oluşur. Yapımı kolay, oldukça spesifik, ucuz, hızlı ve hassas oldukları için aglutinasyon testleri klinik ve diagnostik laboratuvarlarda yaygın şekilde kullanılırlar. Kan grubu antijenleri ve pek çok patojen ile patojen ürününün identifikasyonu için standart aglutinasyon testleri mevcuttur ve özellikle identifikasyon amacı için kullanılır. Tüpte, lamda ya da mikrotitrasyon plaklarındaki çukurlarda uygulanabilir. Direk ve pasif aglutinasyon olmak üzere iki çeşidi vardır.

Direk aglutinasyon; çözünebilir antikorun, hücrenin yüzey kısmı veya diğer çözünmez bölgeleri formundaki antijen ile etkileştiğinde meydana gelen pıhtılaşma-kümeleşme oluşturmasıdır. Direk aglutinasyon işlemleri kırmızı kan hücreleri yüzeyinde bulunan antijenlerin sınıflandırılmasında kullanılır. Kırmızı kan hücrelerinin aglutinasyonu “hemaglutinasyon” olarak adlandırılır ve bu işlem kan grubu tiplendirmesinde temeldir.

Pasif aglutinasyon, lateks boncuklar veya çarkol parçacıkları gibi çözünmez partiküller üzerine absorbe olmuş veya kimyasal olarak bağlanmış çözünebilir antijen veya antikorların aglutinasyonudur. Aynı şekilde bentonit, polisitiren ve lateks gibi sentetik parçacıklar da çeşitli antijenlerle kaplanabilirler ve bunlar da taşıdıkları antijenlerin antikoru ile karşılaşınca çökerler. Pasif aglutinasyon reaksiyonları direk aglutinasyon testlerinden 5 kez daha fazla hassas olabilir. Antijen kaplı veya antikor kaplı lateks boncukların hastadan buna karşılık gelen antikor veya antijenlere aglutinasyonu hızlı hastalık teşhisi için tipik bir yöntemdir. Küçük (0.8 μm), spesifik antijen ile kaplı lateks boncukları hasta serumu ile bir lam üzerinde karşılaştırılır ve kısa bir süre inkübe edilir. Eğer hastanın antikoru boncuk yüzeyindeki antijene bağlanırsa, pembemsi lateks süspansiyonu gözle görülecek şekilde kümeleşir ki, bu da pozitif bir aglutinasyon testini gösterir.

Lateks aglutinasyonu ayrıca, antikor kaplı lateks boncukları az bir miktarda bakteri kolonisi ile karşılaştırılarak bakteri yüzey antijenlerini tespit etmede de kullanılır. Örneğin, daha çok Staphylococcus aureus yüzeyinde bulunan iki molekül olan protein A ve kümeleşme faktörü kaplanmış lateks boncukların ticari suspensiyonu ticari olarak mevcuttur ve klinik S. aureus izolatlarının hemen hemen %100 identifikasyonu için spesifiktir. S. aureus için geleneksel gelişmeye bağlı testlerin aksine, lateks boncuklarla S. aureus identifikasyonu sadece 30 dakika alır. Benzer şekilde Streptococcus pyogenes, Neisseria gonorrhoeae, N. meningitidis, Haemophilus influenza, Escherichia coli bakterileri ve Cryptococcus neoformans ile Candida albicans fungusları gibi çeşitli patojenik mikroorganizmanın identifikasyonu için de geliştirilmiş ticari aglutinasyon testleri mevcuttur. Pasif aglutinasyon deneyleri pahalı cihaz ya da özel bir tecrübe gerektirmez. Ayrıca, deneyin pahalı olmayışı, onun büyük ölçekli tarama programları için uygun hale getirir. Bu testler klinik ve araştırma laboratuvarlarında yaygın bir şekilde kullanılırlar.

Etiketli Antikor Deneyleri Fluoresanlı Antikor Deneyleri; Sarı yeşil renkli Fluorescein Isothiocyanate (FITC) ve kırmızı renkli Rhodomine B gibi fluoresan boyalar kovalent bağlarla antikorlara bağlanırlar. Bu bağlanma, antikorun özgül antijeni ile bağlanması özelliğini pek etkilemez. Bu şekilde fluoresan boyalarla birleşmiş antikorlar basitçe lamlar üzerindeki antijenleri ile birleştikten sonra u.v. ışınlarıyla ışıklandırılan fluoresan mikroskop altında ışıma vererek görünür hale gelirler. Fluoresan etiketli antikorlar hasta örneğinde (in situ) organizmanın izolasyonu ve kültür edilmesi basamaklarını geçerek direk mikroorganizma identifikasyonuna izin verdikleri için diagnostik mikrobiyolojide ve mikrobiyal ekolojide çevresel örneklerde yaygın kullanılan bir yöntemdir.

Direk ve indirek fluoresan boyama yöntemleri olarak 2 çeşidi vardır Direk ve indirek fluoresan boyama yöntemleri olarak 2 çeşidi vardır. Direk yöntemde spesifik antijenin tanıma özelliğindeki antikor direk fluoresan boya ile kovalent bağlıdır. İndirek yöntemde ise antijen spesifik antikor, fluoresan etiketli bir diğer antikor olan (ikinci antikor) tarafından tanınır. Klinik mikrobiyolojide lejyoner hastalığı etmeni Legionella pneumophila, antraks (şarbon) etmeni Bacillus anthracis, boğmaca etmeni Bordetella pertussis enfeksiyonlarının, Influenza A ve B, parainfluenza ve adenovirüsler gibi genel solunum yolu patojenlerinin teşhisinde ve doku/organ kültürlerinde gelişmiş virüslerin identifikasyonu gibi pek çok yerde kullanılır. Enfeksiyonel olmayan hastalıkların teşhisinde de çeşitli fluoresan antikor yöntemleri kullanılır. Örneğin, tümor spesifik antijenlere karşı geliştirilmiş fluoresan etiketli antikorlar kanser hücrelerini ve hastalığın seyrini takip etmede kullanılır. Fluoresan antikor etiketli hücreler fluoresan mikroskop veya fluoresan sitometre ile görülebilir, sayılabilir ve hatta ayr›labilir.

Enzimli İmmün Deney (ELISA) Kısaca ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) olarak bilinen bu test, örneklerde antijen veya antikor varlığını tespit etmek amacıyla kullanılır. Peroksidaz, alkalin fosfataz ve b-galaktosidaz gibi enzimlerin antikor moleküllerine kovalent bağlanması, hem yüksek hassasiyet hem de yüksek spesifiklik sağlamaktadır. Enzimlerin katalizlediği antijen-antikor reaksiyonunda renkli ürünler oluşur ve çok düşük miktarda olsalar bile bu ürünler spektrofotometrede kolaylıkla tespit edilebilirler.

ELISA testleri, proteinlerin bağlanma özelliği bulunan polisitiren, çok çukurlu, mikrotitrasyon plaklarında gerçekleştirilir. Modifiye edilmiş hızlı ELISA işlemleri ise kağıt stripler, nitrosellüloz veya plastik membran gibi katı bir destek materyali veya plastik çubuklar üzerine adsorbe edilmiş reagentleri kullanır. Bu testler strip veya çubuklar üzerinde çok kısa zamanda bir renk değişimine neden olurlar. Bu yöntem pek çok hastalığın teşhisinde başarıyla kullanılmaktadır. İki temel ELISA yöntemi vardır: antijen arayan direk ELISA ve antikor arayan indirek ELISA.