Læringsmål
- Definer fermentering og forklar, hvorfor den ikke kræver ilt
- Beskriv fermenteringsvejene og deres slutprodukter og giv eksempler på mikroorganismer, der benytter disse veje
- Sammenlign og kontrastér fermentering og anaerob respiration
Mange celler er ude af stand til at udføre respiration på grund af en eller flere af følgende omstændigheder:
- Cellen mangler en tilstrækkelig mængde af en passende, uorganisk, endelig elektronacceptor til at udføre celleatmningen.
- Cellen mangler gener til at fremstille passende komplekser og elektronbærere i elektrontransportsystemet.
- Cellen mangler gener til at fremstille et eller flere enzymer i Krebs-cyklus.
Mens manglen på en passende uorganisk endelig elektronacceptor er miljøafhængig, er de to andre forhold genetisk betinget. Således er mange prokaryoter, herunder medlemmer af den klinisk vigtige slægt Streptococcus, permanent ude af stand til at respirere, selv i tilstedeværelse af ilt. Omvendt er mange prokaryoter fakultative, hvilket betyder, at hvis miljøforholdene ændres, så der er en passende uorganisk endelig elektronacceptor til respiration, vil organismer, der indeholder alle de nødvendige gener, skifte til cellulær respiration til glukosemetabolisme, fordi respiration giver mulighed for en meget større ATP-produktion pr. glukosemolekyle.
Hvis respiration ikke finder sted, skal NADH reoxideres til NAD+ til genbrug som elektronbærer for glykolysen, cellens eneste mekanisme til at producere ATP, for at fortsætte. Nogle levende systemer bruger et organisk molekyle (almindeligvis pyruvat) som en endelig elektronacceptor gennem en proces, der kaldes fermentering. Fermentering involverer ikke et elektrontransportsystem og producerer ikke direkte yderligere ATP ud over det ATP, der produceres under glykolysen ved fosforylering på substratniveau. Organismer, der udfører fermentering, kaldet fermentatorer, producerer højst to ATP-molekyler pr. glukose under glykolysen. I tabel 1 sammenlignes de endelige elektronacceptorer og metoderne til ATP-syntese i aerob respiration, anaerob respiration og fermentering. Bemærk, at det viste antal ATP-molekyler for glykolysen forudsætter Embden-Meyerhof-Parnas-vejen. Antallet af ATP-molekyler fremstillet ved fosforylering på substratniveau (SLP) versus oxidativ fosforylering (OP) er angivet.
| Tabel 1. Sammenligning af respiration i forhold til gæring | ||||
|---|---|---|---|---|
| Type af metabolisme | Eksempel | Slutlig elektronacceptor | Vejledninger involveret i ATP-syntese (fosforyleringstype) | Maximalt udbytte af ATP Molekyler |
| Aerob respiration | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}}_{2} |
EMP glykolyse (SLP) Krebs cyklus (SLP) Elektrontransport og chemiosmosis (OP): |
|
| Total | 38 | |||
| Anaerob respiration | Paracoccus denitrificans |
{{{\text{NO}}}_{3}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, andre uorganiske stoffer |
EMP-glykolyse (SLP) Krebs-cyklus (SLP) Elektrontransport og chemiosmosis (OP): |
1-32 |
| Total | 5-36 | |||
| Fermentering | Candida albicans |
Organiske stoffer (normalt pyruvat) |
EMP-glykolyse (SLP) Fermentering |
|
| Total | 2 | |||
Mikrobielle fermenteringsprocesser er blevet manipuleret af mennesker og anvendes i vid udstrækning til fremstilling af forskellige fødevarer og andre kommercielle produkter, herunder lægemidler. Mikrobiel fermentering kan også være nyttig til identifikation af mikrober til diagnostiske formål.
Fermentering af nogle bakterier, som f.eks. i yoghurt og andre syrnede fødevarer, og af dyr i muskler under iltmangel, er mælkesyregæring. Den kemiske reaktion ved mælkesyregæring er som følger:
\text{Pyruvat + NADH}\text{ }\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{ }{\text{mælkesyre + NAD}}^{\text{+}}}
Bakterier af flere gram-positive slægter, herunder Lactobacillus, Leuconostoc og Streptococcus, er kollektivt kendt som mælkesyrebakterier (LAB), og forskellige stammer er vigtige i fødevareproduktionen. Under yoghurt- og osteproduktionen denaturerer det meget sure miljø, der opstår ved mælkesyregæring, proteinerne i mælken, hvilket får den til at størkne. Når mælkesyre er det eneste gæringsprodukt, er der tale om homolaktisk gæring, hvilket er tilfældet for Lactobacillus delbrueckii og S. thermophiles, der anvendes i yoghurtproduktionen. Mange bakterier udfører imidlertid heterolaktisk fermentering og producerer en blanding af mælkesyre, ethanol og/eller eddikesyre og CO2 som resultat heraf, fordi de anvender den forgrenede pentosephosphatvej i stedet for EMP-vejen til glykolyse. En vigtig heterolaktisk fermenter er Leuconostoc mesenteroides, som bruges til at syrne grøntsager som agurker og kål og producere henholdsvis pickles og surkål.
Mælkesyrebakterier er også vigtige medicinsk set. Produktionen af miljøer med lav pH-værdi i kroppen hæmmer etableringen og væksten af patogener i disse områder. For eksempel består den vaginale mikrobiota i vid udstrækning af mælkesyrebakterier, men når disse bakterier reduceres, kan gær formerer sig og forårsage en gærinfektion. Derudover er mælkesyrebakterier vigtige for at opretholde sundheden i mave-tarmkanalen og er som sådan den primære bestanddel af probiotika.
En anden velkendt fermenteringsproces er alkoholgæring, som producerer ethanol. Gæringsreaktionen for ethanol er vist i figur 1. I den første reaktion fjerner enzymet pyruvat-decarboxylase en carboxylgruppe fra pyruvat, hvorved der frigives CO2-gas og samtidig dannes det tokulstofmolekyle acetaldehyd. Den anden reaktion, som katalyseres af enzymet alkoholdehydrogenase, overfører en elektron fra NADH til acetaldehyd, hvorved der dannes ethanol og NAD+. Ethanolgæringen af pyruvat af gæren Saccharomyces cerevisiae anvendes til fremstilling af alkoholholdige drikkevarer og får også brødprodukter til at hæve på grund af CO2-produktionen. Uden for fødevareindustrien er ethanolfermentering af planteprodukter vigtig i produktionen af biobrændsel.
Figur 1. De kemiske reaktioner ved alkoholfermentering er vist her. Ethanolfermentering er vigtig i produktionen af alkoholholdige drikkevarer og brød.
Bortset fra mælkesyregæring og alkoholfermentering forekommer der mange andre fermenteringsmetoder i prokaryoter, alle med det formål at sikre en tilstrækkelig forsyning af NAD+ til glykolyse (tabel 2). Uden disse veje ville glykolysen ikke finde sted, og der ville ikke blive høstet ATP fra nedbrydningen af glukose. Det skal bemærkes, at de fleste former for fermentering ud over homolaktisk fermentering producerer gas, almindeligvis CO2 og/eller brintgas. Mange af disse forskellige typer gæringsveje anvendes også i fødevareproduktionen, og hver af dem resulterer i produktion af forskellige organiske syrer, der bidrager til den unikke smag af et bestemt fermenteret fødevareprodukt. Den propionsyre, der produceres under propionsyrefermentering, bidrager f.eks. til den karakteristiske smag af schweizisk ost.
Flere fermenteringsprodukter er vigtige kommercielt set uden for fødevareindustrien. F.eks. produceres der kemiske opløsningsmidler som acetone og butanol under acetone-butanol-ethanol-fermentering. Komplekse organiske farmaceutiske forbindelser, der anvendes i antibiotika (f.eks. penicillin), vacciner og vitaminer, fremstilles ved blandet syrefermentering. Fermenteringsprodukter anvendes i laboratoriet til at skelne forskellige bakterier med henblik på diagnosticering. F.eks. er tarmbakterier kendt for deres evne til at foretage blandet syrefermentering, hvorved pH-værdien reduceres, hvilket kan påvises ved hjælp af en pH-indikator. På samme måde kan bakteriernes produktion af acetoin under butandiolfermentering også påvises. Gasproduktion fra fermentering kan også ses i et omvendt Durham-rør, der opfanger den producerede gas i en bouillonkultur.
Mikrober kan også differentieres efter de substrater, de kan fermentere. E. coli kan f.eks. fermentere laktose og danne gas, mens nogle af dens nære gramnegative slægtninge ikke kan det. Evnen til at fermentere sukkeralkoholen sorbitol anvendes til at identificere den patogene enterohæmorrhagiske O157:H7-stamme af E. coli, fordi den i modsætning til andre E. coli-stammer ikke kan fermentere sorbitol. Endelig kan mannitolfermentering differentiere den mannitolfermenterende Staphylococcus aureus fra andre ikke-mannitolfermenterende stafylokokker.
| Tabel 2. Almindelige gæringsveje | ||||
|---|---|---|---|---|
| Vejledning | Endprodukter | Eksempelmikrober | Commercielle produkter | |
| Aceton-butanol-ethanol | Aceton, butanol, ethanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Commercielle opløsningsmidler, benzinalternativ | |
| Alkohol | Ethanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Bær, brød | |
| Butandiol | Mørke- og mælkesyre; ethanol; acetoin; 2,3-butanediol; CO2; brintgas | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnay-vin | |
| Butyric acid | Butyric acid, CO2, brintgas | Clostridium butyricum | Butter | |
| Mælkesyre | Mælkesyre | Streptococcus, Lactobacillus | Sauerkraut, yoghurt, ost | |
| Mixed acid | Acetic, formicic, lactic, and succinic acids; ethanol, CO2, brintgas | Escherichia, Shigella | Vineddike, kosmetik, lægemidler | |
| Propionsyre | Acetinsyre, propionsyre, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Skweizisk ost | |
Tænk over det
- Hvornår ville en metabolisk alsidig mikrobe udføre fermentering i stedet for celleatmning?
Identificering af bakterier ved hjælp af API-testpaneler
Identificering af et mikrobielt isolat er afgørende for en korrekt diagnose og passende behandling af patienter. Forskere har udviklet teknikker, der identificerer bakterier i henhold til deres biokemiske egenskaber. Typisk undersøger de enten brugen af specifikke kulstofkilder som substrater til fermentering eller andre metaboliske reaktioner, eller de identificerer fermenteringsprodukter eller specifikke enzymer, der er til stede i reaktioner. Tidligere har mikrobiologer brugt individuelle reagensglas og plader til at foretage biokemiske undersøgelser. Forskere, især i kliniske laboratorier, anvender dog nu hyppigere multi-testpaneler af plastik til engangsbrug, der indeholder et antal miniature-reaktionsrør, som hver især typisk indeholder et specifikt substrat og en pH-indikator. Efter inokulering af testpanelet med en lille prøve af den pågældende mikrobe og inkubation kan forskerne sammenligne resultaterne med en database, der indeholder de forventede resultater for specifikke biokemiske reaktioner for kendte mikrober, hvilket gør det muligt at foretage en hurtig identifikation af en mikrobe i prøven. Disse testpaneler har gjort det muligt for forskerne at reducere omkostningerne og samtidig forbedre effektiviteten og reproducerbarheden ved at udføre et større antal tests samtidig.
Mange kommercielle, miniaturiserede biokemiske testpaneler dækker en række klinisk vigtige grupper af bakterier og gærsvampe. Et af de tidligste og mest populære testpaneler er API-panelet (Analytical Profile Index), der blev opfundet i 1970’erne. Når der er foretaget en grundlæggende laboratoriekarakterisering af en given stamme, f.eks. bestemmelse af stammens Gram-morfologi, kan der anvendes en passende teststrimmel, der indeholder 10 til 20 forskellige biokemiske test til differentiering af stammer inden for den pågældende mikrobielle gruppe. På nuværende tidspunkt kan de forskellige API-strimler bruges til hurtigt og nemt at identificere mere end 600 arter af bakterier, både aerobe og anaerobe, og ca. 100 forskellige typer gær. På grundlag af farven på reaktionerne, når der er metaboliske slutprodukter til stede, som følge af tilstedeværelsen af pH-indikatorer, oprettes der en metabolisk profil ud fra resultaterne (figur 2). Mikrobiologer kan derefter sammenligne prøvens profil med databasen for at identificere den specifikke mikrobe.
Figur 2. API 20NE-teststrimlen bruges til at identificere specifikke stammer af gramnegative bakterier uden for Enterobacteriaceae. Her er et API 20NE-teststrimmelresultat for Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Klinisk fokus: Alex, del 2
Dette eksempel fortsætter Alex’ historie, som startede i Energimaterie og enzymer.
Mange af Alex’ symptomer stemmer overens med flere forskellige infektioner, herunder influenza og lungebetændelse. Men hans sløve reflekser sammen med hans lysfølsomhed og stive nakke tyder på en mulig involvering af centralnervesystemet, hvilket måske tyder på meningitis. Meningitis er en infektion i cerebrospinalvæsken (CSF) omkring hjernen og rygmarven, som forårsager betændelse i hjernehinderne, de beskyttende lag, der dækker hjernen. Meningitis kan være forårsaget af virus, bakterier eller svampe. Selv om alle former for meningitis er alvorlige, er bakteriel meningitis særlig alvorlig. Bakteriel meningitis kan forårsages af flere forskellige bakterier, men bakterien Neisseria meningitidis, en gramnegativ, bønneformet diplokokokker, er en almindelig årsag og fører til døden inden for 1-2 dage hos 5-10 % af patienterne.
I betragtning af den potentielle alvor af Alex’ tilstand rådede hans læge hans forældre til at tage ham med til hospitalet i Gambias hovedstad Banjul og der få ham testet og behandlet for mulig meningitis. Efter en tre timers køretur til hospitalet blev Alex straks indlagt. Lægerne tog en blodprøve og foretog en lumbalpunktur for at teste hans CSF. De satte ham også straks i gang med en kur med antibiotikaet ceftriaxon, som er det foretrukne middel til behandling af meningitis forårsaget af N. meningitidis, uden at vente på resultaterne af laboratorieprøverne.
- Hvordan kan biokemiske prøver bruges til at bekræfte identiteten af N. meningitidis?
- Hvorfor besluttede Alex’ læger at give ham antibiotika uden at vente på prøveresultaterne?
Vi vender tilbage til Alex’ eksempel på senere sider.
Nøglebegreber og resumé
- Fermentering bruger et organisk molekyle som en endelig elektronacceptor til at regenerere NAD+ fra NADH, så glykolysen kan fortsætte.
- Fermentering involverer ikke et elektrontransportsystem, og der dannes ikke ATP direkte ved fermenteringsprocessen. Fermentere laver meget lidt ATP – kun to ATP-molekyler pr. glukosemolekyle under glykolysen.
- Mikrobielle fermenteringsprocesser er blevet anvendt til produktion af fødevarer og lægemidler og til identifikation af mikrober.
- Under mælkesyregæring tager pyruvat imod elektroner fra NADH og reduceres til mælkesyre. Mikrober, der udfører homolaktisk fermentering, producerer kun mælkesyre som fermenteringsprodukt; mikrober, der udfører heterolaktisk fermentering, producerer en blanding af mælkesyre, ethanol og/eller eddikesyre og CO2.
- Mælkesyreproduktion fra den normale mikrobiota forhindrer vækst af patogener i visse kropsområder og er vigtig for mave-tarmkanalens sundhed.
- Ved ethanolfermentering dekarboxyleres pyruvat først (under frigivelse af CO2) til acetaldehyd, som derefter modtager elektroner fra NADH, hvorved acetaldehyd reduceres til ethanol. Ethanolfermentering anvendes til fremstilling af alkoholholdige drikkevarer, til at få brødprodukter til at hæve og til produktion af biobrændstof.
- Fermenteringsprodukter af veje (f.eks. propionsyrefermentering) giver fødevarer karakteristiske smagsstoffer. Fermentering anvendes til fremstilling af kemiske opløsningsmidler (acetone-butanol-ethanol-fermentering) og lægemidler (blandet syrefermentering).
- Specifikke typer af mikrober kan skelnes efter deres fermenteringsveje og -produkter. Mikrober kan også differentieres efter de substrater, de er i stand til at fermentere.
Multiple Choice
Hvilket af følgende er formålet med fermentering?
- at fremstille ATP
- at fremstille kulstofmolekyleintermediater til anabolisme
- at fremstille NADH
- at fremstille NAD+
Hvilket molekyle tjener typisk som den endelige elektronacceptor under fermentering?
- oxygen
- NAD+
- pyruvat
- CO2
Hvilket gæringsprodukt er vigtigt for at få brød til at hæve?
- ethanol
- CO2
- mælkesyre
- hydrogengas
Hvilket af følgende er ikke et kommercielt vigtigt fermenteringsprodukt?
- ethanol
- pyruvat
- butanol
- butanol
- penicillin
Fyld ud i det tomme felt
Den mikrobe, der er ansvarlig for ethanolgæring med henblik på fremstilling af alkoholholdige drikkevarer, er ________.
________ resulterer i produktion af en blanding af gæringsprodukter, herunder mælkesyre, ethanol og/eller eddikesyre og CO2.
Gæringsorganismer laver ATP gennem processen ________.
Matching
Match gæringsvejen med det korrekte kommercielle produkt, som den bruges til at fremstille:
| ___acetone-butanol-ethanolgæring | a. brød |
| ___alkoholfermentering | b. lægemidler |
| ___mælkesyrefermentering | c. Schweizisk ost |
| ___gæring af blandet syre | d. yoghurt |
| ___gæring af propionsyre | e. industrielle opløsningsmidler |
Tænk over det
- Hvorfor er nogle mikrober, herunder Streptococcus spp.., ikke i stand til at udføre aerob respiration, selv i tilstedeværelse af ilt?
- Hvordan kan fermentering bruges til at skelne mellem forskellige typer mikrober?
- Bakterien E. coli er i stand til at udføre aerob respiration, anaerob respiration og fermentering. Hvornår vil den udføre hver proces og hvorfor? Hvordan fremstilles ATP i hvert enkelt tilfælde?
