Objectifs d’apprentissage
- Définir la fermentation et expliquer pourquoi elle ne nécessite pas d’oxygène
- Décrire les voies de la fermentation et leurs produits finaux et donner exemples de micro-organismes qui utilisent ces voies
- Comparer et opposer la fermentation et la respiration anaérobie
De nombreuses cellules sont incapables d’effectuer la respiration en raison d’une ou plusieurs des circonstances suivantes :
- La cellule manque d’une quantité suffisante de tout accepteur d’électrons final inorganique approprié pour effectuer la respiration cellulaire.
- La cellule manque de gènes pour fabriquer les complexes et les transporteurs d’électrons appropriés dans le système de transport des électrons.
- La cellule manque de gènes pour fabriquer une ou plusieurs enzymes dans le cycle de Krebs.
Alors que le manque d’un accepteur d’électrons final inorganique approprié dépend de l’environnement, les deux autres conditions sont déterminées génétiquement. Ainsi, de nombreux procaryotes, y compris les membres du genre Streptococcus, cliniquement important, sont définitivement incapables de respirer, même en présence d’oxygène. Inversement, de nombreux procaryotes sont facultatifs, ce qui signifie que, si les conditions environnementales changent pour fournir un accepteur d’électrons final inorganique approprié pour la respiration, les organismes contenant tous les gènes requis pour le faire passeront à la respiration cellulaire pour le métabolisme du glucose, car la respiration permet une production d’ATP beaucoup plus importante par molécule de glucose.
Si la respiration n’a pas lieu, le NADH doit être réoxydé en NAD+ pour être réutilisé comme transporteur d’électrons pour la glycolyse, le seul mécanisme de la cellule pour produire un quelconque ATP, pour continuer. Certains systèmes vivants utilisent une molécule organique (généralement du pyruvate) comme accepteur final d’électrons par un processus appelé fermentation. La fermentation n’implique pas de système de transport d’électrons et ne produit pas directement d’ATP supplémentaire en plus de celui produit pendant la glycolyse par la phosphorylation au niveau du substrat. Les organismes qui effectuent la fermentation, appelés fermenteurs, produisent un maximum de deux molécules d’ATP par glucose pendant la glycolyse. Le tableau 1 compare les accepteurs d’électrons finaux et les méthodes de synthèse de l’ATP dans la respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation. Notez que le nombre de molécules d’ATP indiqué pour la glycolyse suppose la voie d’Embden-Meyerhof-Parnas. Le nombre de molécules d’ATP fabriquées par la phosphorylation au niveau du substrat (SLP) par rapport à la phosphorylation oxydative (OP) est indiqué.
| Tableau 1. Comparaison entre la respiration et la fermentation | ||||
|---|---|---|---|---|
| Type de métabolisme | Exemple | Accepteur final d’électrons | Passerelles impliquées dans la synthèse de l’ATP (type de phosphorylation) | Rendement maximal d’ATP. Molécules |
| Respiration aérobie | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}_{2} |
Glycolyse EMP (SLP) Cycle de Krebs (SLP) Transport d’électrons et chimiosmose (OP) : |
|
| Total | 38 | |||
| Respiration anaérobie | Paracoccus denitrificans |
{{\text{NO}}_{3}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, autres matières inorganiques |
Glycolyse EPP (SLP) Cycle de Krebs (SLP) Transport d’électrons et chimiosmose (OP) : |
1-32 |
| Total | 5-36 | |||
| Fermentation | Candida albicans |
Organiques (généralement pyruvate) |
Glycolyse EMP (SLP) Fermentation |
|
| Total | 2 | |||
Les processus de fermentation microbienne ont été manipulés par les humains et sont largement utilisés dans la production de divers aliments et autres produits commerciaux, y compris les produits pharmaceutiques. La fermentation microbienne peut également être utile pour identifier les microbes à des fins de diagnostic.
La fermentation par certaines bactéries, comme celles présentes dans le yaourt et d’autres produits alimentaires acidifiés, et par les animaux dans les muscles lors d’un appauvrissement en oxygène, est la fermentation lactique. La réaction chimique de la fermentation lactique est la suivante :
\text{Pyruvate + NADH}\text{ }\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{\text{ acide lactique + NAD}}^{\text{+}}
Les bactéries de plusieurs genres gram-positifs, dont Lactobacillus, Leuconostoc et Streptococcus, sont collectivement connues sous le nom de bactéries lactiques (BL), et diverses souches sont importantes dans la production alimentaire. Lors de la production de yaourt et de fromage, l’environnement très acide généré par la fermentation lactique dénature les protéines contenues dans le lait, ce qui entraîne sa solidification. Lorsque l’acide lactique est le seul produit de la fermentation, le processus est dit homolactique ; c’est le cas de Lactobacillus delbrueckii et de S. thermophiles utilisés dans la production de yaourt. Cependant, de nombreuses bactéries réalisent une fermentation hétéroclite, produisant un mélange d’acide lactique, d’éthanol et/ou d’acide acétique, et du CO2 en conséquence, en raison de leur utilisation de la voie du pentose phosphate ramifié au lieu de la voie EMP pour la glycolyse. Un fermenteur hétérolactique important est Leuconostoc mesenteroides, qui est utilisé pour acidifier les légumes comme les concombres et les choux, produisant respectivement des cornichons et de la choucroute.
Les bactéries d’acide lactique sont également importantes médicalement. La production d’environnements à faible pH dans le corps inhibe l’établissement et la croissance des agents pathogènes dans ces zones. Par exemple, le microbiote vaginal est composé en grande partie de bactéries lactiques, mais lorsque ces bactéries sont réduites, des levures peuvent proliférer, provoquant une infection à levures. En outre, les bactéries lactiques sont importantes pour le maintien de la santé du tractus gastro-intestinal et, à ce titre, constituent le principal composant des probiotiques.
Un autre processus de fermentation familier est la fermentation de l’alcool, qui produit de l’éthanol. La réaction de fermentation de l’éthanol est illustrée à la figure 1. Dans la première réaction, l’enzyme pyruvate décarboxylase élimine un groupe carboxyle du pyruvate, libérant du gaz CO2 tout en produisant une molécule à deux carbones, l’acétaldéhyde. La deuxième réaction, catalysée par l’enzyme alcool déshydrogénase, transfère un électron du NADH à l’acétaldéhyde, produisant de l’éthanol et du NAD+. La fermentation éthanolique du pyruvate par la levure Saccharomyces cerevisiae est utilisée dans la production de boissons alcoolisées et fait également lever les produits de panification en raison de la production de CO2. En dehors de l’industrie alimentaire, la fermentation éthanolique des produits végétaux est importante dans la production de biocarburants.
Figure 1. Les réactions chimiques de la fermentation de l’alcool sont présentées ici. La fermentation de l’éthanol est importante dans la production de boissons alcoolisées et de pain.
A part la fermentation lactique et la fermentation de l’alcool, de nombreuses autres méthodes de fermentation se produisent chez les procaryotes, toutes dans le but d’assurer un approvisionnement adéquat en NAD+ pour la glycolyse (tableau 2). Sans ces voies, la glycolyse n’aurait pas lieu et aucun ATP ne serait récolté à partir de la dégradation du glucose. Il convient de noter que la plupart des formes de fermentation autres que la fermentation homolactique produisent des gaz, généralement du CO2 et/ou de l’hydrogène. Plusieurs de ces différents types de fermentation sont également utilisés dans la production alimentaire et chacun d’entre eux entraîne la production de différents acides organiques, contribuant à la saveur unique d’un produit alimentaire fermenté particulier. L’acide propionique produit pendant la fermentation de l’acide propionique contribue à la saveur distinctive du fromage suisse, par exemple.
Plusieurs produits de fermentation sont importants commercialement en dehors de l’industrie alimentaire. Par exemple, des solvants chimiques tels que l’acétone et le butanol sont produits lors de la fermentation acétone-butanol-éthanol. Les composés pharmaceutiques organiques complexes utilisés dans les antibiotiques (par exemple, la pénicilline), les vaccins et les vitamines sont produits par la fermentation acide mixte. Les produits de fermentation sont utilisés en laboratoire pour différencier diverses bactéries à des fins de diagnostic. Par exemple, les bactéries entériques sont connues pour leur capacité à réaliser une fermentation acide mixte, réduisant le pH, ce qui peut être détecté à l’aide d’un indicateur de pH. De même, la production bactérienne d’acétoïne pendant la fermentation du butanediol peut également être détectée. La production de gaz issue de la fermentation peut également être observée dans un tube de Durham inversé qui piège le gaz produit dans un bouillon de culture.
Les microbes peuvent également être différenciés en fonction des substrats qu’ils peuvent fermenter. Par exemple, E. coli peut fermenter le lactose, formant du gaz, alors que certains de ses proches parents gram-négatifs ne le peuvent pas. La capacité à fermenter le sorbitol, un alcool de sucre, est utilisée pour identifier la souche entérohémorragique pathogène O157:H7 d’E. coli car, contrairement aux autres souches d’E. coli, elle est incapable de fermenter le sorbitol. Enfin, la fermentation du mannitol différencie le Staphylococcus aureus fermentant le mannitol des autres staphylocoques ne fermentant pas le mannitol.
| Tableau 2. Voies de fermentation courantes | |||
|---|---|---|---|
| Voie | Produits finaux | Exemple de microbes | Produits commerciaux |
| Acétone-butanol-éthanol | Acétone, butanol, éthanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Solvants commerciaux, essence alternative |
| Alcool | Ethanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Bière, pain |
| Butanediol | Acide formique et lactique ; éthanol ; acétoïne ; 2,3 butanediol ; CO2 ; hydrogène gazeux | Klebsiella, Enterobacter | Vin de Chardonnay |
| Acide butyrique | Acide butyrique, CO2, gaz hydrogène | Clostridium butyricum | Beurre |
| Acide lactique | Acide lactique | Streptococcus, Lactobacillus | Choucroute, yaourt, fromage |
| Acide mixte | Acides acétique, formique, lactique et succinique ; éthanol, CO2, hydrogène gazeux | Escherichia, Shigella | Vinaigre, cosmétiques, produits pharmaceutiques |
| Acide propionique | Acide acétique, acide propionique, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Fromage suisse |
Pensez-y
- Quand un microbe au métabolisme versatile effectuerait-il une fermentation plutôt qu’une respiration cellulaire ?
Identifier les bactéries en utilisant les panels de tests API
L’identification d’un isolat microbien est essentielle pour le bon diagnostic et le traitement approprié des patients. Les scientifiques ont développé des techniques qui identifient les bactéries en fonction de leurs caractéristiques biochimiques. En général, ils examinent l’utilisation de sources de carbone spécifiques comme substrats pour la fermentation ou d’autres réactions métaboliques, ou ils identifient les produits de fermentation ou les enzymes spécifiques présents dans les réactions. Dans le passé, les microbiologistes utilisaient des tubes à essai individuels et des plaques pour effectuer des tests biochimiques. Cependant, les scientifiques, en particulier ceux des laboratoires cliniques, utilisent maintenant plus fréquemment des panneaux multitests en plastique, jetables, qui contiennent un certain nombre de tubes de réaction miniatures, chacun comprenant généralement un substrat spécifique et un indicateur de pH. Après inoculation du panneau de test avec un petit échantillon du microbe en question et incubation, les scientifiques peuvent comparer les résultats à une base de données qui comprend les résultats attendus pour des réactions biochimiques spécifiques de microbes connus, permettant ainsi une identification rapide d’un échantillon de microbe. Ces panels de tests ont permis aux scientifiques de réduire les coûts tout en améliorant l’efficacité et la reproductibilité en effectuant un plus grand nombre de tests simultanément.
De nombreux panels de tests biochimiques miniaturisés commerciaux couvrent un certain nombre de groupes de bactéries et de levures cliniquement importants. L’un des panels de tests les plus anciens et les plus populaires est le panel Analytical Profile Index (API) inventé dans les années 1970. Une fois que la caractérisation de base d’une souche donnée a été effectuée en laboratoire, comme la détermination de la morphologie de Gram de la souche, on peut utiliser une bandelette appropriée qui contient 10 à 20 tests biochimiques différents pour différencier les souches au sein de ce groupe microbien. Actuellement, les différentes bandes API peuvent être utilisées pour identifier rapidement et facilement plus de 600 espèces de bactéries, aérobies et anaérobies, et environ 100 types différents de levures. En se basant sur les couleurs des réactions lorsque des produits finaux métaboliques sont présents, en raison de la présence d’indicateurs de pH, un profil métabolique est créé à partir des résultats (figure 2). Les microbiologistes peuvent alors comparer le profil de l’échantillon à la base de données pour identifier le microbe spécifique.
Figure 2. La bandelette de test API 20NE est utilisée pour identifier des souches spécifiques de bactéries gram-négatives en dehors des Enterobacteriaceae. Voici un résultat de bandelette de test API 20NE pour Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Focus clinique : Alex, partie 2
Cet exemple poursuit l’histoire d’Alex qui a commencé dans Énergie Matière et Enzymes.
Plusieurs des symptômes d’Alex correspondent à plusieurs infections différentes, notamment la grippe et la pneumonie. Cependant, ses réflexes léthargiques ainsi que sa sensibilité à la lumière et la raideur de son cou suggèrent une possible atteinte du système nerveux central, indiquant peut-être une méningite. La méningite est une infection du liquide céphalo-rachidien (LCR) entourant le cerveau et la moelle épinière qui provoque une inflammation des méninges, les couches protectrices recouvrant le cerveau. La méningite peut être causée par des virus, des bactéries ou des champignons. Bien que toutes les formes de méningite soient graves, la méningite bactérienne l’est particulièrement. La méningite bactérienne peut être causée par plusieurs bactéries différentes, mais la bactérie Neisseria meningitidis, un diplocoque gram-négatif en forme de haricot, est une cause fréquente et entraîne la mort dans un délai de 1 à 2 jours chez 5 à 10 % des patients.
Compte tenu de la gravité potentielle des conditions d’Alex, son médecin a conseillé à ses parents de l’emmener à l’hôpital de Banjul, la capitale gambienne, et de l’y faire tester et traiter pour une éventuelle méningite. Après trois heures de route jusqu’à l’hôpital, Alex a été immédiatement admis. Les médecins lui ont fait une prise de sang et ont pratiqué une ponction lombaire pour tester son LCR. Ils l’ont également immédiatement mis sous traitement avec l’antibiotique ceftriaxone, le médicament de choix pour le traitement de la méningite causée par N. meningitidis, sans attendre les résultats des tests de laboratoire.
- Comment les tests biochimiques pourraient-ils être utilisés pour confirmer l’identité de N. meningitidis ?
- Pourquoi les médecins d’Alex ont-ils décidé d’administrer des antibiotiques sans attendre les résultats des tests ?
Nous reviendrons sur l’exemple d’Alex dans les pages suivantes.
Concepts clés et résumé
- La fermentation utilise une molécule organique comme accepteur final d’électrons pour régénérer le NAD+ à partir du NADH afin que la glycolyse puisse se poursuivre.
- La fermentation n’implique pas un système de transport d’électrons, et aucun ATP n’est fabriqué directement par le processus de fermentation. Les fermenteurs fabriquent très peu d’ATP – seulement deux molécules d’ATP par molécule de glucose pendant la glycolyse.
- Les processus de fermentation microbienne ont été utilisés pour la production d’aliments et de produits pharmaceutiques, et pour l’identification des microbes.
- Lors de la fermentation lactique, le pyruvate accepte les électrons du NADH et est réduit en acide lactique. Les microbes effectuant une fermentation homolactique ne produisent que de l’acide lactique comme produit de fermentation ; les microbes effectuant une fermentation hétérolactique produisent un mélange d’acide lactique, d’éthanol et/ou d’acide acétique, et de CO2.
- La production d’acide lactique par le microbiote normal empêche la croissance d’agents pathogènes dans certaines régions du corps et est importante pour la santé du tractus gastro-intestinal.
- Lors de la fermentation de l’éthanol, le pyruvate est d’abord décarboxylé (libérant du CO2) en acétaldéhyde, qui accepte ensuite des électrons du NADH, réduisant l’acétaldéhyde en éthanol. La fermentation de l’éthanol est utilisée pour la production de boissons alcoolisées, pour faire lever les produits de panification et pour la production de biocarburants.
- Les produits de fermentation des voies (par exemple, la fermentation de l’acide propionique) fournissent des saveurs distinctives aux produits alimentaires. La fermentation est utilisée pour produire des solvants chimiques (fermentation acétone-butanol-éthanol) et des produits pharmaceutiques (fermentation acide mixte).
- Des types spécifiques de microbes peuvent être distingués par leurs voies et produits de fermentation. Les microbes peuvent également être différenciés en fonction des substrats qu’ils sont capables de fermenter.
Choix multiples
Quel est le but de la fermentation parmi les suivants ?
- pour fabriquer de l’ATP
- pour fabriquer des intermédiaires de molécules de carbone pour l’anabolisme
- pour fabriquer du NADH
- pour fabriquer du NAD+
Quelle molécule sert généralement d’accepteur final d’électrons pendant la fermentation ?
- oxygène
- NAD+
- pyruvate
- CO2
Quel produit de fermentation est important pour faire lever le pain ?
- éthanol
- CO2
- acide lactique
- gaz hydrogène
Lequel des produits suivants n’est pas un produit de fermentation commercialement important ?
- éthanol
- pyruvate
- butanol
- pénicilline
Remplir les blancs
Le microbe responsable de la fermentation de l’éthanol dans le but de produire des boissons alcoolisées est ________.
________ entraîne la production d’un mélange de produits de fermentation, notamment de l’acide lactique, de l’éthanol et/ou de l’acide acétique, et du CO2.
Les organismes fermenteurs fabriquent de l’ATP par le processus de ________.
Matching
Faites correspondre la voie de fermentation avec le produit commercial correct qu’elle sert à produire :
| ___Formation acétone-butanol-éthanol | a. pain |
| ___fermentation alcoolique | b. produits pharmaceutiques |
| ___fermentation acide lactique | c. Fromage suisse |
| ___fermentation acide mixte | d. yaourt |
| ___fermentation acide propionique | e. solvants industriels |
Pensez-y
- Pourquoi certains microbes, dont les Streptococcus spp, incapables d’effectuer une respiration aérobie, même en présence d’oxygène ?
- Comment la fermentation peut-elle être utilisée pour différencier divers types de microbes ?
- La bactérie E. coli est capable d’effectuer une respiration aérobie, une respiration anaérobie et une fermentation. Quand réalise-t-elle ces processus et pourquoi ? Comment l’ATP est-il fabriqué dans chaque cas ?
