Oppimistavoitteet
- Määrittele fermentaatio ja selitä, miksi se ei vaadi happea
- Kuvaile fermentaatioreitit ja niiden lopputuotteet ja anna esimerkkejä mikro-organismeista, jotka käyttävät näitä reittejä
- Vertaile ja aseta vastakkain käyminen ja anaerobinen hengitys
Monet solut eivät pysty suorittamaan hengitystä yhden tai useamman seuraavista olosuhteista vuoksi:
- Solusta puuttuu riittävä määrä mitään sopivaa, epäorgaanista, lopullista elektroniakseptoria soluhengityksen suorittamiseksi.
- Solusta puuttuu geenejä, jotka valmistaisivat sopivia komplekseja ja elektroninkuljettajia elektroninkuljetusjärjestelmässä.
- Solusta puuttuu geenejä, jotka valmistaisivat yhtä tai useampaa entsyymiä Krebsin syklissä.
Mikäli sopivan epäorgaanisen, epäorgaanisen, lopullisen elektronin akseptorin puute on riippuvainen ympäristöstä, niin kaksi muuta olosuhdetekijää ovat geneettisesti määrättyjä. Niinpä monet prokaryootit, mukaan lukien kliinisesti tärkeän Streptococcus-suvun jäsenet, ovat pysyvästi kykenemättömiä hengittämään edes hapen läsnä ollessa. Sitä vastoin monet prokaryootit ovat fakultatiivisia, mikä tarkoittaa, että jos ympäristöolosuhteet muuttuvat niin, että hengitykselle on tarjolla sopiva epäorgaaninen elektronin loppuakseptori, organismit, jotka sisältävät kaikki tähän tarvittavat geenit, siirtyvät soluhengitykseen glukoosiaineenvaihdunnassa, koska hengitys mahdollistaa paljon suuremman ATP:n tuotannon glukoosimolekyyliä kohti.
Jos hengitystä ei tapahdu, NADH on hapetettava uudelleen NAD+:ksi, jotta sitä voidaan käyttää uudelleen glykolyysin elektroninkuljettajana, joka on solun ainoa mekanismi ATP:n tuottamiseksi. Jotkin elävät järjestelmät käyttävät orgaanista molekyyliä (tavallisesti pyruvaattia) lopullisena elektronien hyväksyjänä prosessissa, jota kutsutaan käymiseksi. Fermentaatioon ei liity elektroninsiirtojärjestelmää, eikä se tuota suoraan muuta ATP:tä kuin glykolyysin aikana substraattitason fosforylaatiolla tuotettua ATP:tä. Käymistä suorittavat organismit, joita kutsutaan fermentoijiksi, tuottavat glykolyysin aikana enintään kaksi ATP-molekyyliä glukoosia kohti. Taulukossa 1 verrataan lopullisia elektroniakseptoreita ja ATP-synteesin menetelmiä aerobisessa hengityksessä, anaerobisessa hengityksessä ja fermentoinnissa. Huomaa, että glykolyysin ATP-molekyylien määrässä oletetaan Embden-Meyerhof-Parnas-reitti. Substraattitason fosforylaatiossa (SLP) ja oksidatiivisessa fosforylaatiossa (OP) syntyvien ATP-molekyylien lukumäärä on ilmoitettu.
| Taulukko 1. Hengityksen ja fermentaation vertailu | ||||
|---|---|---|---|---|
| Aineenvaihduntatyyppi | Esimerkki | Loppuelektronin vastaanottaja | ATP:n synteesiin osallistuvat reitit (fosforylaatiotyyppi) | ATP:n maksimaalinen tuotto. Molekyylit |
| Aerobinen hengitys | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}_{2} |
EMP-glykolyysi (SLP) Krebs-kierto (SLP) Elektroninsiirto ja kemosmosis (OP): |
|
| Total | 38 | |||
| Anaerobinen hengitys | Paracoccus denitrificans |
{{\text{NO}}}_{3}}}^{-},{\text{SO}}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, muut epäorgaaniset aineet |
EMP glykolyysi (SLP) Krebs-kierto (SLP) Elektroninkuljetus ja kemosmoosi (OP): |
1-32 |
| yhteensä | 5-36 | |||
| Käyminen | Candida albicans |
Organics (usually pyruvate) |
EMP glykolyysi (SLP) Käyminen |
|
| Kokonais | 2 | |||
Mikrobisia käymisprosesseja on manipuloitu ihmisen toimesta, ja niitä käytetään laajalti erilaisten elintarvikkeiden ja muiden kaupallisten tuotteiden valmistuksessa, mukaan lukien lääkkeet. Mikrobien käyminen voi olla hyödyllistä myös mikrobien tunnistamisessa diagnostisia tarkoituksia varten.
Joidenkin bakteerien, kuten jogurtissa ja muissa hapatetuissa elintarvikkeissa sekä eläinten lihaksissa hapenpuutteen aikana tapahtuva käyminen on maitohappokäymistä. Maitohappokäymisen kemiallinen reaktio on seuraava:
\text{Pyruvaatti + NADH}\text{\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{{\text{\text{maitohappo + NAD}}^{\text{+}}}
Moniin grampositiivisiin sukuihin kuuluvat bakteerit, mukaan lukien Lactobacillus-suku, Leuconostoc-suku ja Streptococcus-suku, tunnetaan yhteisesti nimellä maitohappobakteerit (LAB), ja erilaisilla bakteerien kantamaisilla bakteerilajeilla on tärkeä merkitys elintarviketuotannossa. Jogurtin ja juuston valmistuksen aikana maitohappokäymisen synnyttämä erittäin hapan ympäristö denaturoi maidon sisältämiä proteiineja, jolloin maito jähmettyy. Kun maitohappo on ainoa käymistuote, prosessin sanotaan olevan homolaktinen käyminen, kuten jogurtin valmistuksessa käytettävien Lactobacillus delbrueckii- ja S. thermophiles -bakteerien tapauksessa. Monet bakteerit suorittavat kuitenkin heterolaktista käymistä, jolloin ne tuottavat maitohapon, etanolin ja/tai etikkahapon ja hiilidioksidin seosta, koska ne käyttävät haarautunutta pentoosifosfaattitietä EMP:n glykolyysireitin sijasta. Yksi tärkeä heterolaktinen fermentoija on Leuconostoc mesenteroides, jota käytetään hapattamaan vihanneksia, kuten kurkkua ja kaalia, tuottaen vastaavasti suolakurkkua ja hapankaalia.
Maitohappobakteerit ovat tärkeitä myös lääketieteellisesti. Matalan pH:n ympäristön tuottaminen elimistössä estää taudinaiheuttajien asettumista ja kasvua näillä alueilla. Esimerkiksi emättimen mikrobisto koostuu suurelta osin maitohappobakteereista, mutta kun näiden bakteerien määrä vähenee, hiiva voi lisääntyä aiheuttaen hiivatulehduksen. Lisäksi maitohappobakteerit ovat tärkeitä ruoansulatuskanavan terveyden ylläpitämisessä, ja sellaisenaan ne ovat probioottien pääkomponentti.
Toinen tuttu käymisprosessi on alkoholikäyminen, joka tuottaa etanolia. Etanolin käymisreaktio on esitetty kuvassa 1. Ensimmäisessä reaktiossa entsyymi pyruvaattidekarboksylaasi poistaa karboksyyliryhmän pyruvaatista vapauttaen hiilidioksidikaasua ja tuottaen samalla kahden hiilen molekyyliä, asetaldehydiä. Toinen reaktio, jota katalysoi entsyymi alkoholidehydrogenaasi, siirtää elektronin NADH:sta asetaldehydiin, jolloin syntyy etanolia ja NAD+. Hiiva Saccharomyces cerevisiae -hiivassa tapahtuvaa pyruvaatin etanolikäymistä käytetään alkoholijuomien valmistuksessa, ja se saa myös leipätuotteet kohoamaan hiilidioksidituotannon ansiosta. Elintarviketeollisuuden ulkopuolella kasviperäisten tuotteiden etanolikäyminen on tärkeää biopolttoaineiden tuotannossa.
Kuvaus 1. Tässä on esitetty alkoholin käymisen kemialliset reaktiot. Etanolikäyminen on tärkeää alkoholijuomien ja leivän valmistuksessa.
Maidonhappokäymisen ja alkoholikäymisen lisäksi prokaryooteissa esiintyy monia muitakin käymismenetelmiä, joiden kaikkien tarkoituksena on varmistaa riittävä NAD+:n saanti glykolyysiä varten (taulukko 2). Ilman näitä reittejä glykolyysiä ei tapahtuisi eikä glukoosin hajoamisesta saataisi ATP:tä. On huomattava, että useimmat käymismuodot homolaktisen käymisen lisäksi tuottavat kaasua, yleensä CO2- ja/tai vetykaasua. Monia näistä erityyppisistä käymisreiteistä käytetään myös elintarviketuotannossa, ja kukin niistä johtaa erilaisten orgaanisten happojen tuotantoon, mikä osaltaan vaikuttaa tietyn fermentoidun elintarvikkeen ainutlaatuiseen makuun. Propionihappokäymisen aikana tuotettu propionihappo vaikuttaa esimerkiksi sveitsiläisen juuston omaleimaiseen makuun.
Muutamat käymistuotteet ovat kaupallisesti tärkeitä myös elintarviketeollisuuden ulkopuolella. Esimerkiksi kemiallisia liuottimia, kuten asetonia ja butanolia, tuotetaan asetoni-butanoli-etanoli-käymisen aikana. Monimutkaisia orgaanisia farmaseuttisia yhdisteitä, joita käytetään antibiooteissa (esim. penisilliini), rokotteissa ja vitamiineissa, tuotetaan sekahappokäymisen avulla. Fermentointituotteita käytetään laboratoriossa erilaisten bakteerien erottamiseen toisistaan diagnostisia tarkoituksia varten. Esimerkiksi suolistobakteerit tunnetaan niiden kyvystä suorittaa sekahappokäymistä, jolloin pH laskee, mikä voidaan havaita pH-indikaattorin avulla. Samoin voidaan havaita bakteerien tuottama asetoiini butaanidiolifermentaation aikana. Fermentaation kaasuntuotanto voidaan havaita myös käänteisessä Durham-putkessa, joka vangitsee tuotetun kaasun liemiviljelmässä.
Mikrobeja voidaan erottaa toisistaan myös sen mukaan, mitä substraatteja ne voivat fermentoida. Esimerkiksi E. coli voi fermentoida laktoosia muodostaen kaasua, kun taas jotkut sen läheiset gramnegatiiviset sukulaiset eivät voi. Kykyä fermentoida sokerialkoholia sorbitolia käytetään E. coli -bakteerin patogeenisen enterohemorragisen O157:H7-kannan tunnistamiseen, koska toisin kuin muut E. coli -kannat, se ei pysty fermentoimaan sorbitolia. Lopuksi mannitolikäyminen erottaa mannitolia fermentoivan Staphylococcus aureuksen muista ei-mannitolia fermentoivista stafylokokeista.
| Taulukko 2. Mannitolikäyminen. Yleiset käymisreitit | |||
|---|---|---|---|
| Polku | Lopputuotteet | Esimerkkejä mikrobeista | Kaupalliset tuotteet |
| Asetoni-butanoli-etanoli | Asetoni, butanoli, etanoli, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Kaupalliset liuottimet, bensiinivaihtoehto |
| Alkoholi | Etanoli, CO2 | Kandida, Saccharomyces | Oluet, leipä |
| Butaanidioli | Muurahais- ja maitohappo; etanoli; asetoiini; 2,3-butaanidioli; CO2; vetykaasu | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnay-viini |
| voihappo | voihappo, CO2, vetykaasu | Clostridium butyricum | Voi |
| Maitohappo | Maitohappo | Streptococcus, Lactobacillus | Hapankaali, jogurtti, juusto |
| Sekahappo | Etikkahappo, muurahaishappo, maitohappo ja meripihkahappo; etanoli, CO2, vetykaasu | Escherichia, Shigella | Eetikka, kosmetiikka, farmaseuttiset valmisteet |
| propionihappo | Eetikkahappo, propionihappo, hiilidioksidi | Propionibakteeri, Bifidobacterium | Sveitsin juusto |
Ajattele asiaa
- Milloin metabolisesti monipuolinen mikrobi suorittaisi fermentaatiota soluhengityksen sijaan?
Bakteerien tunnistaminen API-testipaneelien avulla
Mikrobi-isolaatin tunnistaminen on olennaista potilaiden oikean diagnoosin ja asianmukaisen hoidon kannalta. Tutkijat ovat kehittäneet tekniikoita, joilla bakteerit voidaan tunnistaa niiden biokemiallisten ominaisuuksien perusteella. Tyypillisesti ne joko tutkivat tiettyjen hiililähteiden käyttöä substraatteina fermentoinnissa tai muissa aineenvaihduntareaktioissa tai ne tunnistavat fermentointituotteita tai tiettyjä reaktioissa esiintyviä entsyymejä. Aiemmin mikrobiologit ovat käyttäneet yksittäisiä koeputkia ja levyjä biokemiallisten testien tekemiseen. Tutkijat, erityisesti kliinisissä laboratorioissa työskentelevät tutkijat, käyttävät nykyään kuitenkin yhä useammin muovisia, kertakäyttöisiä monitestipaneeleita, jotka sisältävät useita pienoiskoossa olevia reaktioputkia, joista kukin sisältää yleensä tietyn substraatin ja pH-indikaattorin. Kun testipaneeliin on inokuloitu pieni näyte kyseisestä mikrobista ja sitä on inkuboitu, tutkijat voivat verrata tuloksia tietokantaan, joka sisältää tunnettujen mikrobien erityisten biokemiallisten reaktioiden odotetut tulokset, mikä mahdollistaa näytemikrobin nopean tunnistamisen. Näiden testipaneelien avulla tutkijat ovat voineet vähentää kustannuksia ja samalla parantaa tehokkuutta ja toistettavuutta tekemällä suuremman määrän testejä samanaikaisesti.
Monet kaupalliset, miniatyrisoidut biokemialliset testipaneelit kattavat useita kliinisesti tärkeitä bakteeri- ja hiivaryhmiä. Yksi varhaisimmista ja suosituimmista testipaneeleista on 1970-luvulla keksitty API-paneeli (Analytical Profile Index). Kun tietylle kannalle on tehty jokin laboratorion perusluonnehdinta, kuten kannan Gram-morfologian määrittäminen, voidaan käyttää sopivaa testiliuskaa, joka sisältää 10-20 erilaista biokemiallista testiä kantojen erottamiseksi toisistaan kyseisen mikrobiryhmän sisällä. Tällä hetkellä erilaisilla API-liuskoilla voidaan nopeasti ja helposti tunnistaa yli 600 bakteerilajia, sekä aerobisia että anaerobisia, ja noin 100 erilaista hiivatyyppiä. Metabolisten lopputuotteiden esiintyessä pH-indikaattoreiden läsnäolosta johtuvien reaktioiden värien perusteella tuloksista luodaan metabolinen profiili (kuva 2). Mikrobiologit voivat sitten verrata näytteen profiilia tietokantaan ja tunnistaa tietyn mikrobin.
Kuva 2. API 20NE -testiliuskaa käytetään Enterobacteriaceae-heimon ulkopuolisten gramnegatiivisten bakteerien tiettyjen kantojen tunnistamiseen. Tässä on API 20NE -testiliuskan tulos Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Clinical Focus: Alex, osa 2
Tämä esimerkki jatkaa Alexin tarinaa, joka alkoi kohdassa Energia-aine ja entsyymit.
Monet Alexin oireet sopivat useisiin eri infektioihin, kuten influenssaan ja keuhkokuumeeseen. Hänen hitaat refleksinsä sekä valoherkkyys ja niskan jäykkyys viittaavat kuitenkin johonkin mahdolliseen keskushermoston osuuteen, ehkä aivokalvontulehdukseen viittaavaan. Aivokalvontulehdus on aivojen ja selkäytimen ympärillä olevan aivo-selkäydinnesteen (CSF) infektio, joka aiheuttaa tulehduksen aivokalvoissa eli aivoja suojaavissa kerroksissa. Aivokalvontulehduksen voivat aiheuttaa virukset, bakteerit tai sienet. Vaikka kaikki aivokalvontulehduksen muodot ovat vakavia, bakteerimeningiitti on erityisen vakava. Bakteeriperäisen aivokalvontulehduksen voivat aiheuttaa useat eri bakteerit, mutta Neisseria meningitidis -bakteeri, gramnegatiivinen, pavunmuotoinen diplokokki, on yleinen aiheuttaja, ja se johtaa kuolemaan 1-2 vuorokauden kuluessa 5-10 prosentilla potilaista.
Kun otetaan huomioon Alexin tilojen mahdollinen vakavuus, hänen lääkärinsä kehotti hänen vanhempiaan viemään hänet Gambian pääkaupungin Banjulin sairaalaan, jossa hänet tutkitaan ja hoidetaan mahdollisen aivokalvontulehduksen vuoksi. Kolmen tunnin ajomatkan jälkeen Alex otettiin välittömästi sairaalaan. Lääkärit ottivat verinäytteen ja tekivät lannepunktion aivoselkäydinnesteen testaamiseksi. He myös aloittivat hänelle välittömästi antibioottikuurin keftriaksonilla, joka on N. meningitidis -bakteerin aiheuttaman aivokalvontulehduksen hoitoon tarkoitettu lääke, odottamatta laboratoriokokeiden tuloksia.
- Miten biokemiallista testausta voitaisiin käyttää N. meningitidis -bakteerin henkilöllisyyden varmistamiseen?
- Miksi Alexin lääkärit päättivät antaa antibiootteja odottamatta testituloksia?
Palaamme Alexin esimerkkiin myöhemmin.
Keskeiset käsitteet ja yhteenveto
- Käyminen käyttää orgaanista molekyyliä lopullisena elektroniakseptorina NAD+:n regeneroimiseksi NADH:sta, jotta glykolyysi voi jatkua.
- Käymiseen ei liity elektroninkuljetusjärjestelmää, eikä ATP:tä synny suoraan käymisprosessissa. Fermentoijat tuottavat hyvin vähän ATP:tä – vain kaksi ATP-molekyyliä yhtä glukoosimolekyyliä kohti glykolyysin aikana.
- Mikrobiologisia fermentointiprosesseja on käytetty elintarvikkeiden ja lääkkeiden valmistukseen sekä mikrobien tunnistamiseen.
- Maitohappokäymisen aikana pyruvaatti ottaa elektroneja NADH:sta ja pelkistyy maitohapoksi. Homolaktista käymistä suorittavat mikrobit tuottavat käymistuotteena ainoastaan maitohappoa; heterolaktista käymistä suorittavat mikrobit tuottavat maitohapon, etanolin ja/tai etikkahapon ja CO2:n seosta.
- Normaalin mikrobiston maitohappotuotanto estää patogeenien kasvua tietyillä kehon alueilla ja on tärkeää ruoansulatuskanavan terveydelle.
- Etanolikäymisen aikana pyruviitti dekarboksyloituu ensin (CO2:ta vapauttaen) asetaldehydiksi, joka sitten ottaa elektroneja NADH:lta pelkistäen asetaldehydin etanoliksi. Etanolikäymistä käytetään alkoholijuomien valmistukseen, leipätuotteiden kohoamiseen ja biopolttoaineiden tuotantoon.
- Polkujen käymistuotteet (esim. propionihappokäyminen) antavat elintarvikkeille erottuvia makuja. Käymistä käytetään kemiallisten liuottimien (asetoni-butanoli-etanoli-käyminen) ja lääkeaineiden (sekahappokäyminen) tuottamiseen.
- Käymisreittien ja -tuotteiden perusteella voidaan erottaa tiettyjä mikrobityyppejä. Mikrobeja voidaan erottaa toisistaan myös sen mukaan, mitä substraatteja ne pystyvät fermentoimaan.
Monivalinta
Mikä seuraavista on fermentoinnin tarkoitus?
- Tehdä ATP:tä
- Tehdä hiilimolekyylin välituotteita anaboliaa varten
- Tehdä NADH:ta
- Tehdä NAD+:ta
Mikä molekyyli toimii tyypillisesti lopullisena elektroniakseptorina käymisen aikana?
- happi
- NAD+
- pyruvaatti
- CO2
Mikä käymistuote on tärkeä leivän kohoamisen kannalta?
- etanoli
- CO2
- maitohappo
- vetykaasu
Mikä seuraavista ei ole kaupallisesti tärkeä käymistuote?
- etanoli
- pyruvaatti
- butanoli
- penisilliini
Täytä tyhjä
Mikrobi, joka vastaa etanolikäymisestä alkoholijuomien valmistamiseksi, on ________.
________ tuloksena syntyy käymistuotteiden seos, mukaan lukien maitohappo, etanoli ja/tai etikkahappo ja CO2.
Käymisorganismit tuottavat ATP:tä ________.
Sovittaminen
Sovita käymisreitti oikeaan kaupalliseen tuotteeseen, jonka tuottamiseen sitä käytetään:
| ___asetoni-butanoli-etanoli käyminen | a. leipä |
| ___alkoholin käyminen | b. lääkkeet |
| ___maitohapon käyminen | c. Sveitsiläinen juusto |
| ___sekahappokäyminen | d. jogurtti |
| ___propionihappokäyminen | e. teolliset liuottimet |
Ajattele asiaa
- Miksi jotkin mikrobit, mukaan lukien Streptococcus spp, eivät kykene suorittamaan aerobista hengitystä edes hapen läsnä ollessa?
- Miten käymistä voidaan käyttää erilaisten mikrobityyppien erottamiseen?
- Bakteeri E. coli kykenee suorittamaan aerobista hengitystä, anaerobista hengitystä ja käymistä. Milloin se suorittaisi kutakin prosessia ja miksi? Miten ATP:tä valmistetaan kussakin tapauksessa?
