Cíle výuky
- Definice kvašení a vysvětlení, proč nevyžaduje kyslík
- Popis fermentačních cest a jejich konečných produktů a uvedení příklady mikroorganismů, které tyto cesty využívají
- Srovnejte a porovnejte kvašení a anaerobní dýchání
Mnoho buněk není schopno provádět dýchání z důvodu jedné nebo více z následujících okolností:
- Buňka nemá dostatečné množství jakéhokoli vhodného anorganického konečného akceptoru elektronů, aby mohla provádět buněčné dýchání.
- Buňce chybí geny pro tvorbu vhodných komplexů a přenašečů elektronů v systému přenosu elektronů.
- Buňce chybí geny pro tvorbu jednoho nebo více enzymů v Krebsově cyklu.
Zatímco nedostatek vhodného anorganického konečného akceptoru elektronů je závislý na prostředí, ostatní dvě podmínky jsou podmíněny geneticky. Mnoho prokaryot, včetně příslušníků klinicky významného rodu Streptococcus, je tedy trvale neschopných dýchání, a to i za přítomnosti kyslíku. Naopak mnoho prokaryot je fakultativních, což znamená, že pokud se podmínky prostředí změní tak, aby poskytovaly vhodný anorganický konečný akceptor elektronů pro dýchání, organismy obsahující všechny geny k tomu potřebné přejdou na buněčné dýchání pro metabolismus glukózy, protože dýchání umožňuje mnohem větší produkci ATP na molekulu glukózy.
Pokud respirace neprobíhá, musí být NADH reoxidován na NAD+ pro opětovné použití jako nosič elektronů pro glykolýzu, jediný mechanismus buňky pro produkci jakéhokoli ATP, aby mohla pokračovat. Některé živé systémy používají organickou molekulu (obvykle pyruvát) jako konečný akceptor elektronů prostřednictvím procesu zvaného fermentace. Fermentace nezahrnuje systém přenosu elektronů a neprodukuje přímo žádný další ATP nad rámec toho, který vzniká během glykolýzy fosforylací na substrátové úrovni. Organismy provádějící fermentaci, nazývané fermentory, produkují během glykolýzy maximálně dvě molekuly ATP na jednu glukózu. Tabulka 1 porovnává konečné akceptory elektronů a způsoby syntézy ATP při aerobní respiraci, anaerobní respiraci a fermentaci. Všimněte si, že počet molekul ATP uvedený pro glykolýzu předpokládá Embdenovu-Meyerhofovu-Parnasovu dráhu. Je uveden počet molekul ATP vytvořených substrátovou fosforylací (SLP) oproti oxidační fosforylaci (OP).
| Tabulka 1. Srovnání respirace versus fermentace | ||||
|---|---|---|---|---|
| Typ metabolismu | Příklad | Konečný akceptor elektronů | Druhy zapojené do syntézy ATP (typ fosforylace) | Maximální výtěžnost ATP. Molekuly |
| Aerobní dýchání | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}_{2} |
EMP glykolýza (SLP) Krebsův cyklus (SLP) Elektronový transport a chemiosmóza (OP): |
|
| Celkem | 38 | |||
| Anaerobní dýchání | Paracoccus denitrificans |
{{{\text{NO}}_{3}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, ostatní anorganické látky |
EMP glykolýza (SLP) Krebsův cyklus (SLP) Elektronový transport a chemiosmóza (OP): |
1-32 |
| Celkem | 5-36 | |||
| Fermentace | Candida albicans |
Organické látky (obvykle pyruvát) |
EMP glykolýza (SLP) Fermentace |
|
| Celkem | 2 | |||
Mikrobiální fermentační procesy byly člověkem manipulovány a jsou široce využívány při výrobě různých potravin a dalších komerčních produktů, včetně léčiv. Mikrobiální fermentace může být také užitečná pro identifikaci mikrobů pro diagnostické účely.
Fermentace některých bakterií, například v jogurtech a jiných zakysaných potravinách a u zvířat ve svalech při nedostatku kyslíku, je fermentace kyseliny mléčné. Chemická reakce kvašení kyseliny mléčné je následující:
\text{Pyruvát + NADH}\text{ }\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{\text{kyselina mléčná + NAD}}^{\text{+}}
Bakterie několika grampozitivních rodů, včetně Lactobacillus, Leuconostoc a Streptococcus, jsou souhrnně známy jako bakterie mléčného kvašení (LAB) a různé kmeny jsou důležité při výrobě potravin. Při výrobě jogurtů a sýrů dochází v silně kyselém prostředí, které vzniká při mléčném kvašení, k denaturaci bílkovin obsažených v mléce, což způsobuje jeho tuhnutí. Pokud je kyselina mléčná jediným produktem fermentace, hovoří se o homolaktickém kvašení; to je případ Lactobacillus delbrueckii a S. thermophiles používaných při výrobě jogurtů. Mnoho bakterií však provádí heterolaktické kvašení a produkuje směs kyseliny mléčné, ethanolu a/nebo kyseliny octové a v důsledku toho CO2, protože používají rozvětvenou pentosofosfátovou dráhu místo dráhy EMP pro glykolýzu. Jedním z významných heterolaktických fermentorů je Leuconostoc mesenteroides, který se používá ke kvašení zeleniny, jako jsou okurky a zelí, při němž se vyrábí okurky, resp. kysané zelí.
Bakterie mléčného kvašení jsou důležité i z lékařského hlediska. Vytváření prostředí s nízkým pH v těle brání usazování a růstu patogenů v těchto oblastech. Například vaginální mikrobiota je z velké části tvořena bakteriemi mléčného kvašení, ale při snížení počtu těchto bakterií se mohou množit kvasinky, které způsobují kvasinkovou infekci. Bakterie mléčného kvašení jsou navíc důležité pro udržení zdraví gastrointestinálního traktu a jako takové jsou hlavní složkou probiotik.
Dalším známým kvasným procesem je kvašení alkoholu, při kterém vzniká etanol. Reakce kvašení ethanolu je znázorněna na obrázku 1. V první reakci enzym pyruvát dekarboxyláza odstraňuje karboxylovou skupinu z pyruvátu, čímž se uvolňuje plynný CO2 a zároveň vzniká dvouuhlíkatá molekula acetaldehydu. Druhá reakce, katalyzovaná enzymem alkoholdehydrogenázou, přenáší elektron z NADH na acetaldehyd, přičemž vzniká ethanol a NAD+. Etanolové kvašení pyruvátu kvasinkami Saccharomyces cerevisiae se používá při výrobě alkoholických nápojů a díky produkci CO2 se také zvedají výrobky z chleba. Mimo potravinářský průmysl je etanolové kvašení rostlinných produktů důležité při výrobě biopaliv.
Obrázek 1. Zde jsou znázorněny chemické reakce alkoholového kvašení. Etanolové kvašení je důležité při výrobě alkoholických nápojů a chleba.
Kromě kvašení kyseliny mléčné a alkoholového kvašení se u prokaryot vyskytuje mnoho dalších způsobů kvašení, všechny za účelem zajištění dostatečného přísunu NAD+ pro glykolýzu (tabulka 2). Bez těchto drah by glykolýza neprobíhala a rozkladem glukózy by se nezískával žádný ATP. Je třeba poznamenat, že většina forem fermentace kromě homolaktické fermentace produkuje plyn, běžně CO2 a/nebo plynný vodík. Mnoho z těchto různých typů fermentačních cest se používá také při výrobě potravin a každá z nich vede k produkci různých organických kyselin, které přispívají k jedinečné chuti konkrétního fermentovaného potravinářského výrobku. Například kyselina propionová vznikající při fermentaci kyseliny propionové přispívá k charakteristické chuti švýcarského sýra.
Několik fermentačních produktů má komerční význam i mimo potravinářský průmysl. Například při aceton-butanol-etanolové fermentaci vznikají chemická rozpouštědla, jako je aceton a butanol. Směsnou kyselou fermentací se vyrábějí složité organické farmaceutické sloučeniny používané v antibiotikách (např. penicilin), vakcínách a vitamínech. Fermentační produkty se používají v laboratoři k rozlišení různých bakterií pro diagnostické účely. Například střevní bakterie jsou známé svou schopností provádět smíšenou kyselou fermentaci a snižovat pH, což lze zjistit pomocí pH indikátoru. Podobně lze detekovat i bakteriální produkci acetoinu při fermentaci butandiolu. Produkci plynu při fermentaci lze také pozorovat v obrácené Durhamově zkumavce, která zachycuje produkovaný plyn v bujónové kultuře.
Mikroby lze také rozlišit podle substrátů, které mohou fermentovat. Například E. coli může fermentovat laktózu a vytvářet plyn, zatímco někteří její blízcí gramnegativní příbuzní nikoli. Schopnost fermentovat cukerný alkohol sorbitol se používá k identifikaci patogenního enterohemoragického kmene E. coli O157:H7, protože na rozdíl od jiných kmenů E. coli není schopen fermentovat sorbitol. A konečně fermentace manitolu odlišuje Staphylococcus aureus fermentující manitol od ostatních stafylokoků, které manitol nefermentují.
| Tabulka 2. Běžné fermentační cesty | |||
|---|---|---|---|
| Cesta | Konečné produkty | Příklad mikrobů | Komerční produkty |
| Aceton-butanol-etanol | Aceton, butanol, etanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Komerční rozpouštědla, alternativa benzínu |
| Alkohol | Ethanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Pivo, chléb |
| Butandiol | Kyselina mléčná a mléčná; ethanol; acetoin; 2,3-butandiol; CO2; plynný vodík | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnay víno |
| Kyselina máselná | Kyselina máselná, CO2, plynný vodík | Clostridium butyricum | Máslo |
| Kyselina mléčná | Kyselina mléčná | Streptococcus, Lactobacillus | Kysané zelí, jogurt, sýr |
| Kyselina směsná | Kyselina octová, mravenčí, mléčná a jantarová; ethanol, CO2, plynný vodík | Escherichia, Shigella | Vinegar, kosmetika, léčiva |
| Kyselina propionová | Kyselina octová, kyselina propionová, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Švýcarský sýr |
Přemýšlejte o tom
- Kdy by metabolicky všestranný mikrob prováděl fermentaci místo buněčného dýchání?
Identifikace bakterií pomocí testovacích panelů API
Identifikace mikrobiálního izolátu je nezbytná pro správnou diagnózu a vhodnou léčbu pacientů. Vědci vyvinuli techniky, které identifikují bakterie podle jejich biochemických vlastností. Obvykle buď zkoumají využití specifických zdrojů uhlíku jako substrátů pro fermentaci nebo jiné metabolické reakce, nebo identifikují produkty fermentace nebo specifické enzymy přítomné v reakcích. V minulosti mikrobiologové používali k biochemickému testování jednotlivé zkumavky a destičky. Vědci, zejména v klinických laboratořích, však nyní častěji používají plastové, jednorázové multitestové panely, které obsahují řadu miniaturních reakčních zkumavek, z nichž každá obvykle obsahuje specifický substrát a pH indikátor. Po naočkování testovacího panelu malým vzorkem daného mikroba a inkubaci mohou vědci porovnat výsledky s databází, která obsahuje očekávané výsledky specifických biochemických reakcí pro známé mikroby, což umožňuje rychlou identifikaci mikroba vzorku. Tyto testovací panely umožnily vědcům snížit náklady a zároveň zlepšit účinnost a reprodukovatelnost tím, že provádějí větší počet testů současně.
Mnoho komerčních, miniaturizovaných biochemických testovacích panelů pokrývá řadu klinicky důležitých skupin bakterií a kvasinek. Jedním z prvních a nejoblíbenějších testovacích panelů je panel API (Analytical Profile Index) vynalezený v 70. letech 20. století. Po provedení základní laboratorní charakterizace daného kmene, jako je určení morfologie kmene podle Grama, lze použít vhodný testovací proužek, který obsahuje 10 až 20 různých biochemických testů pro rozlišení kmenů v rámci dané mikrobiální skupiny. V současné době lze různé proužky API použít k rychlé a snadné identifikaci více než 600 druhů bakterií, aerobních i anaerobních, a přibližně 100 různých typů kvasinek. Na základě barev reakcí při přítomnosti konečných produktů metabolismu, díky přítomnosti indikátorů pH, je z výsledků vytvořen metabolický profil (obrázek 2). Mikrobiologové pak mohou porovnat profil vzorku s databází a identifikovat konkrétního mikroba.
Obrázek 2. Testovací proužek API 20NE se používá k identifikaci specifických kmenů gramnegativních bakterií mimo čeleď Enterobacteriaceae. Zde je výsledek testovacího proužku API 20NE pro Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Klinické zaměření:
Mnoho Alexových příznaků odpovídá několika různým infekcím, včetně chřipky a zápalu plic. Jeho pomalé reflexy spolu s citlivostí na světlo a ztuhlým krkem však naznačují určité možné postižení centrální nervové soustavy, což možná ukazuje na meningitidu. Meningitida je infekce mozkomíšního moku (CSF) v okolí mozku a míchy, která způsobuje zánět mozkových blan, ochranných vrstev pokrývajících mozek. Meningitidu mohou způsobovat viry, bakterie nebo plísně. Ačkoli všechny formy meningitidy jsou závažné, bakteriální meningitida je obzvláště závažná. Bakteriální meningitidu může způsobit několik různých bakterií, ale častou příčinou je bakterie Neisseria meningitidis, gramnegativní diplokok ve tvaru fazole, která vede k úmrtí během 1 až 2 dnů u 5 až 10 % pacientů.
Vzhledem k možné závažnosti Alexova stavu doporučil jeho lékař rodičům, aby ho odvezli do nemocnice v hlavním městě Gambie Banjulu a tam ho nechali vyšetřit a léčit na možnou meningitidu. Po tříhodinové cestě do nemocnice byl Alex okamžitě přijat. Lékaři mu odebrali vzorek krve a provedli lumbální punkci k vyšetření mozkomíšního moku. Okamžitě mu také nasadili antibiotikum ceftriaxon, lék volby pro léčbu meningitidy způsobené N. meningitidis, aniž by čekali na výsledky laboratorních testů.
- Jak by se dalo biochemické vyšetření použít k potvrzení identity N. meningitidis?
- Proč se Alexovi lékaři rozhodli nasadit antibiotika, aniž by počkali na výsledky testů?
K Alexovu příkladu se vrátíme na dalších stránkách.
Klíčové pojmy a shrnutí
- Fermentace využívá organickou molekulu jako konečný akceptor elektronů k regeneraci NAD+ z NADH, aby mohla pokračovat glykolýza.
- Fermentace nezahrnuje elektronový transportní systém a přímo při ní nevzniká žádný ATP. Fermentory vytvářejí velmi málo ATP – pouze dvě molekuly ATP na jednu molekulu glukózy během glykolýzy.
- Mikrobiální fermentační procesy se používají k výrobě potravin a léčiv a k identifikaci mikrobů.
- Při fermentaci kyseliny mléčné přijímá pyruvát elektrony z NADH a redukuje se na kyselinu mléčnou. Mikrobi provádějící homolaktickou fermentaci produkují jako produkt fermentace pouze kyselinu mléčnou; mikrobi provádějící heterolaktickou fermentaci produkují směs kyseliny mléčné, ethanolu a/nebo kyseliny octové a CO2.
- Tvorba kyseliny mléčné normální mikrobiotou zabraňuje růstu patogenů v určitých oblastech těla a je důležitá pro zdraví gastrointestinálního traktu.
- Při ethanolovém kvašení se pyruvát nejprve dekarboxyluje (uvolňuje se CO2) na acetaldehyd, který pak přijímá elektrony z NADH a redukuje acetaldehyd na ethanol. Ethanolové kvašení se používá k výrobě alkoholických nápojů, ke kynutí chlebových výrobků a k výrobě biopaliv.
- Fermentační produkty cest (např. kvašení kyseliny propionové) dodávají potravinářským výrobkům výraznou chuť. Fermentace se používá k výrobě chemických rozpouštědel (aceton-butanol-etanolová fermentace) a léčiv (směsná kyselá fermentace).
- Konkrétní typy mikrobů lze rozlišit podle jejich fermentačních cest a produktů. Mikroby lze také rozlišovat podle substrátů, které jsou schopny fermentovat.
Více možností
Který z následujících důvodů je účelem fermentace?
- vyrobit ATP
- vyrobit meziprodukty molekul uhlíku pro anabolismus
- vyrobit NADH
- vyrobit NAD+
Která molekula obvykle slouží jako konečný akceptor elektronů během fermentace?
- kyslík
- NAD+
- pyruvát
- CO2
Který produkt fermentace je důležitý pro kynutí chleba?
- etanol
- CO2
- kyselina mléčná
- plynový vodík
Který z následujících produktů není komerčně důležitým produktem kvašení?
- etanol
- pyruvát
- butanol
- penicilin
Fill in the Blank
Mikrob zodpovědný za kvašení etanolu za účelem výroby alkoholických nápojů je ________.
________ vede k produkci směsi produktů kvašení, včetně kyseliny mléčné, etanolu a/nebo kyseliny octové a CO2.
Kvasící organismy vytvářejí ATP procesem ________.
Přiřaďte
k fermentační dráze správný komerční produkt, který se z ní vyrábí:
| ___aceton-butanol-etanolová fermentace | a. chleba |
| ___fermentace alkoholu | b. farmaceutické výrobky |
| ___fermentace kyseliny mléčné | c. Švýcarský sýr |
| ___směsné kyselé kvašení | d. jogurt |
| ___kvašení kyseliny propionové | e. průmyslová rozpouštědla |
Přemýšlejte o tom
- Proč jsou některé mikroby, včetně Streptococcus spp, nejsou schopny provádět aerobní dýchání, a to ani v přítomnosti kyslíku?
- Jak lze pomocí fermentace rozlišit různé typy mikrobů?
- Bakterie E. coli je schopna provádět aerobní dýchání, anaerobní dýchání a fermentaci. Kdy by mohla provádět jednotlivé procesy a proč? Jak se v každém případě vytváří ATP?
