Tanulmányi célok
- Meghatározza az erjedés fogalmát, és elmagyarázza, hogy miért nem igényel oxigént
- Írd le az erjedési utakat és végtermékeiket, valamint adj meg példákat az ezeket az útvonalakat használó mikroorganizmusokra
- Hasonlítsa össze és állítsa szembe az erjedést és az anaerob légzést
Néhány sejt az alábbi körülmények közül egy vagy több miatt nem képes légzést végezni:
- A sejtben nincs elegendő mennyiségű megfelelő, szervetlen, végső elektronakceptor a sejtlégzés elvégzéséhez.
- A sejtből hiányoznak a megfelelő komplexek és elektronhordozók előállításához szükséges gének az elektrontranszport rendszerben.
- A sejtből hiányoznak a Krebs-ciklus egy vagy több enzimjének előállításához szükséges gének.
Míg a megfelelő szervetlen végső elektronakceptor hiánya környezetfüggő, a másik két feltétel genetikailag meghatározott. Így számos prokarióta, beleértve a klinikailag fontos Streptococcus nemzetség tagjait is, tartósan képtelen a légzésre, még oxigén jelenlétében is. Ezzel szemben sok prokarióta fakultatív, ami azt jelenti, hogy amennyiben a környezeti feltételek megváltoznak, és a légzéshez megfelelő szervetlen végső elektronakceptor áll rendelkezésre, az ehhez szükséges összes gént tartalmazó szervezetek átállnak a glükóz-anyagcseréhez szükséges sejtlégzésre, mivel a légzés sokkal nagyobb ATP-termelést tesz lehetővé glükózmolekulánként.
Ha a légzés nem történik meg, a NADH-t vissza kell oxidálni NAD+ -ra, hogy a glikolízis – a sejt egyetlen ATP-termelő mechanizmusa – elektronhordozóként újra felhasználhassa. Egyes élő rendszerek egy szerves molekulát (általában piruvátot) használnak végső elektronakceptorként egy fermentációnak nevezett folyamat révén. Az erjesztés nem foglal magában elektrontranszportrendszert, és közvetlenül nem termel további ATP-t a glikolízis során a szubsztrát-szintű foszforilációval előállított ATP-n túl. A fermentációt végző, fermentoroknak nevezett szervezetek a glikolízis során glükózonként legfeljebb két ATP-molekulát termelnek. Az 1. táblázat összehasonlítja az aerob légzés, az anaerob légzés és a fermentáció végső elektronakceptorait és az ATP-szintézis módszereit. Megjegyzendő, hogy a glikolízis esetében feltüntetett ATP-molekulák száma az Embden-Meyerhof-Parnas útvonalat feltételezi. A szubsztrát-szintű foszforiláció (SLP) és az oxidatív foszforiláció (OP) által előállított ATP-molekulák száma van feltüntetve.
| 1. táblázat. A légzés és az erjesztés összehasonlítása | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Az anyagcsere típusa | Példa | A végső elektronakceptor | Az ATP-szintézisben részt vevő útvonalak (a foszforiláció típusa) | Az ATP maximális hozama | . Molekulák |
| Aerob légzés | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}_{2} |
EMP glikolízis (SLP) Krebs ciklus (SLP) Elektronszállítás és kemoszmózis (OP): |
||
| Total | 38 | ||||
| Anaerob légzés | Paracoccus denitrificans |
{{\text{NO}}_{3}}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, egyéb szervetlen anyagok |
EMP glikolízis (SLP) Krebs ciklus (SLP) elektrontranszport és kemozmózis (OP): |
1-32 |
|
| Total | 5-36 | ||||
| Fermentáció | Candida albicans |
Organikumok (általában piruvát) |
EMP glikolízis (SLP) Fermentáció |
||
| Total | 2 | ||||
A mikrobiális fermentációs folyamatokat az ember manipulálta és széles körben használják különböző élelmiszerek és más kereskedelmi termékek előállításában, beleértve a gyógyszereket is. A mikrobiális erjedés hasznos lehet a mikrobák diagnosztikai célú azonosítására is.
A néhány baktérium által végzett erjedés, például a joghurtban és más savanyított élelmiszerekben, valamint az állatok izmaiban oxigénhiányos állapotban történő erjedés a tejsavas erjedés. A tejsavas erjedés kémiai reakciója a következő:
\text{Piruvát + NADH}\text{\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{\text{ tejsav + NAD}}^{\text{+}}}
A több Gram-pozitív nemzetséghez tartozó baktériumokat, köztük a Lactobacillus, Leuconostoc és Streptococcus baktériumokat együttesen tejsavbaktériumoknak (LAB) nevezik, és a különböző törzsek fontosak az élelmiszertermelésben. A joghurt- és sajtgyártás során a tejsavas erjedés során keletkező erősen savas környezet denaturálja a tejben található fehérjéket, ami a tej megszilárdulását eredményezi. Ha a tejsav az egyetlen erjedési termék, a folyamatot homolaktikus erjedésnek nevezzük; ilyen a joghurtgyártásban használt Lactobacillus delbrueckii és S. thermophiles. Sok baktérium azonban heterolaktikus erjedést végez, amelynek eredményeként tejsav, etanol és/vagy ecetsav keveréke és CO2 keletkezik, mivel a glikolízishez az EMP út helyett az elágazó pentóz-foszfát útvonalat használják. Az egyik fontos heterolaktikus erjesztő a Leuconostoc mesenteroides, amelyet olyan zöldségek savanyítására használnak, mint az uborka és a káposzta, savanyúságot, illetve savanyú káposztát előállítva.
A tejsavbaktériumok orvosi szempontból is fontosak. A szervezeten belüli alacsony pH-környezet előállítása gátolja a kórokozók megtelepedését és növekedését ezeken a területeken. Például a hüvelyi mikrobióta nagyrészt tejsavbaktériumokból áll, de ha ezek a baktériumok száma csökken, az élesztőgombák elszaporodhatnak, és élesztőfertőzést okozhatnak. Emellett a tejsavbaktériumok fontosak a gyomor-bélrendszer egészségének fenntartásában, és mint ilyenek, a probiotikumok elsődleges összetevői.
A másik ismert erjedési folyamat az alkoholos erjedés, amelynek során etanol keletkezik. Az etanol erjedési reakciója az 1. ábrán látható. Az első reakcióban a piruvátdekarboxiláz enzim eltávolít egy karboxilcsoportot a piruvátból, CO2-gázt szabadítva fel, miközben a két szénatomos acetaldehid molekula keletkezik. A második reakció, amelyet az alkohol-dehidrogenáz enzim katalizál, egy elektront ad át a NADH-ról az acetaldehidre, etanolt és NAD+-t termelve. A Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba által a piruvát etanolos erjesztését alkoholos italok előállítására használják, és a CO2-termelésnek köszönhetően a kenyértermékek is megemelkednek. Az élelmiszeriparon kívül a növényi termékek etanolos erjesztése fontos a bioüzemanyagok előállításában.
1. ábra. Az alkoholos erjedés kémiai reakcióit mutatja be. Az etanolos fermentáció fontos az alkoholos italok és a kenyér előállításában.
A tejsavas fermentáción és az alkoholos fermentáción kívül számos más fermentációs módszer is előfordul a prokariótákban, amelyek mind a glikolízishez szükséges megfelelő NAD+-ellátás biztosítását szolgálják (2. táblázat). Ezen útvonalak nélkül a glikolízis nem zajlana le, és a glükóz lebontásából nem keletkezne ATP. Meg kell jegyezni, hogy a homolaktikus erjedésen kívül az erjedés legtöbb formája gázt, általában CO2-t és/vagy hidrogéngázt termel. Az erjedési útvonalak e különböző típusai közül sokat használnak az élelmiszer-előállításban is, és mindegyik különböző szerves savak termelését eredményezi, amelyek hozzájárulnak egy adott erjesztett élelmiszertermék egyedi ízéhez. A propionsavas erjesztés során keletkező propionsav például hozzájárul a svájci sajt jellegzetes ízéhez.
Sok erjesztési termék az élelmiszeriparon kívül is fontos kereskedelmi szempontból. Például az aceton-butanol-etanol erjesztés során olyan kémiai oldószerek keletkeznek, mint az aceton és a butanol. Az antibiotikumokban (pl. penicillin), vakcinákban és vitaminokban használt komplex szerves gyógyszeripari vegyületeket vegyes savas erjesztéssel állítják elő. Az erjesztési termékeket a laboratóriumban különböző baktériumok megkülönböztetésére használják diagnosztikai célokra. Az enterális baktériumok például arról ismertek, hogy képesek vegyes savas erjesztést végezni, csökkentve a pH-t, ami pH-indikátorral kimutatható. Hasonlóképpen kimutatható az acetoin bakteriális termelése a butándiol fermentáció során. A fermentációból származó gáztermelést egy fordított Durham-csőben is meg lehet figyelni, amely csapdába ejti a termelt gázt egy húsleves-kultúrában.
A mikrobákat aszerint is meg lehet különböztetni, hogy milyen szubsztrátokat képesek fermentálni. Például az E. coli képes a laktózt fermentálni, gázt képezve, míg néhány közeli gram-negatív rokona erre nem képes. A szorbit cukoralkohol erjesztésére való képességet az E. coli patogén enterohemorrhagiás O157:H7 törzsének azonosítására használják, mivel más E. coli törzsekkel ellentétben ez a törzs nem képes a szorbit erjesztésére. Végül a mannit-fermentáció megkülönbözteti a mannit-fermentáló Staphylococcus aureust más, nem mannit-fermentáló staphylococcusoktól.
| 2. táblázat. Gyakori fermentációs útvonalak | |||
|---|---|---|---|
| Az útvonal | K végtermékek | Példamikrobák | Kereskedelmi termékek |
| Aceton-butanol-etanol | Aceton, butanol, etanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Kereskedelmi oldószerek, benzin alternatívája |
| Alkohol | Ethanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Sör, kenyér |
| Butándiol | Formic és tejsav; etanol; acetoin; 2,3-butándiol; CO2; hidrogéngáz | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnay bor |
| Vajsav | Vajsav, CO2, hidrogéngáz | Clostridium butyricum | Vaj |
| Májsav | Májsav | Streptococcus, Lactobacillus | Káposzta, joghurt, sajt |
| Keverék sav | Ecet-, hangya-, tej- és borostyánkősav; Etanol, CO2, hidrogéngáz | Escherichia, Shigella | Ecet, kozmetikumok, gyógyszerek |
| Propionsav | Ecetsav, propionsav, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Svájci sajt |
Gondolj bele
- Mikor végezhet egy metabolikusan sokoldalú mikroba fermentációt a sejtlégzés helyett?
Baktériumok azonosítása API tesztpanelek segítségével
A mikrobiális izolátum azonosítása elengedhetetlen a betegek megfelelő diagnózisa és kezelése szempontjából. A tudósok olyan technikákat fejlesztettek ki, amelyek a baktériumokat biokémiai jellemzőik alapján azonosítják. Jellemzően vagy azt vizsgálják, hogy bizonyos szénforrásokat használnak-e szubsztrátként fermentációhoz vagy más metabolikus reakciókhoz, vagy a reakciókban jelen lévő fermentációs termékeket vagy specifikus enzimeket azonosítanak. A múltban a mikrobiológusok egyedi kémcsöveket és tányérokat használtak a biokémiai vizsgálatok elvégzéséhez. A tudósok azonban, különösen a klinikai laboratóriumokban dolgozók, ma már egyre gyakrabban használnak műanyag, eldobható, multiteszt paneleket, amelyek számos miniatűr reakciócsövet tartalmaznak, amelyek jellemzően egy-egy specifikus szubsztrátot és pH-indikátort tartalmaznak. Miután a tesztpanelbe beoltották a kérdéses mikroba egy kis mintáját és inkubálták, a tudósok összehasonlíthatják az eredményeket egy olyan adatbázissal, amely tartalmazza az ismert mikrobák specifikus biokémiai reakcióinak várható eredményeit, így lehetővé téve a minta mikrobájának gyors azonosítását. Ezek a tesztpanelek lehetővé tették a tudósok számára, hogy csökkentsék a költségeket, miközben a hatékonyság és a reprodukálhatóság javulása mellett nagyobb számú teszt egyidejű elvégzése révén.
Néhány kereskedelmi forgalomban kapható, miniatürizált biokémiai tesztpanel a baktériumok és élesztők számos klinikailag fontos csoportját lefedi. Az egyik legkorábbi és legnépszerűbb tesztpanel az 1970-es években feltalált analitikus profilindex (API) panel. Miután elvégezték egy adott törzs alapvető laboratóriumi jellemzését, például a törzs Gram-morfológiájának meghatározását, egy megfelelő tesztcsíkot lehet használni, amely 10-20 különböző biokémiai tesztet tartalmaz az adott mikrobiális csoporton belüli törzsek megkülönböztetésére. Jelenleg a különböző API-csíkok segítségével gyorsan és egyszerűen azonosítható több mint 600 aerob és anaerob baktériumfaj, valamint körülbelül 100 különböző élesztőtípus. Az anyagcsere végtermékek jelenléte esetén a pH-indikátorok jelenléte miatt a reakciók színei alapján az eredményekből egy anyagcsere-profil készül (2. ábra). A mikrobiológusok ezután összehasonlíthatják a minta profilját az adatbázissal, hogy azonosítani tudják az adott mikrobát.
2. ábra. Az API 20NE tesztcsík az Enterobacteriaceae-n kívüli gram-negatív baktériumok specifikus törzseinek azonosítására szolgál. Itt egy API 20NE tesztcsík eredménye a Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Klinikai fókusz: Alex, 2. rész
Ez a példa folytatja Alex történetét, amely az Energiaanyag és enzimek című részben kezdődött.
Alex számos tünete több különböző fertőzésre, többek között influenzára és tüdőgyulladásra utal. Lassú reflexei, valamint fényérzékenysége és merev nyaka azonban a központi idegrendszer lehetséges érintettségére utalnak, ami talán agyhártyagyulladásra utal. Az agyhártyagyulladás az agyat és a gerincvelőt körülvevő liquor (liquor) fertőzése, amely az agyhártyák, az agyat borító védőrétegek gyulladását okozza. Az agyhártyagyulladást vírusok, baktériumok vagy gombák okozhatják. Bár az agyhártyagyulladás minden formája súlyos, a bakteriális agyhártyagyulladás különösen súlyos. A bakteriális agyhártyagyulladást számos különböző baktérium okozhatja, de a Neisseria meningitidis baktérium, egy gram-negatív, bab alakú diplokokkusz gyakori okozója, és a betegek 5-10%-ánál 1-2 napon belül halálhoz vezet.
Az Alex állapotának lehetséges súlyosságára való tekintettel orvosa azt tanácsolta szüleinek, hogy vigyék a gambiai főváros, Banjul kórházába, és ott vizsgálják meg és kezeljék az esetleges agyhártyagyulladás miatt. A kórházba vezető 3 órás út után Alexet azonnal felvették. Az orvosok vért vettek tőle, és lumbálpunkciót végeztek, hogy megvizsgálják a liquorát. Emellett azonnal elkezdték neki a ceftriaxon nevű antibiotikum kúráját, amely a N. meningitidis által okozott agyhártyagyulladás kezelésére használt gyógyszer, anélkül, hogy megvárták volna a laboratóriumi vizsgálati eredményeket.
- Hogyan lehetne biokémiai vizsgálatokkal megerősíteni a N. meningitidis azonosságát?
- Miért döntöttek úgy Alex orvosai, hogy antibiotikumot adnak neki anélkül, hogy megvárták volna a vizsgálati eredményeket?
A későbbi oldalakon visszatérünk Alex példájára.
Kulcsfogalmak és összefoglalás
- A fermentáció egy szerves molekulát használ végső elektronakceptorként, hogy a NADH-ból NAD+-t regeneráljon, így a glikolízis folytatódhat.
- A fermentáció nem tartalmaz elektrontranszportrendszert, és az erjedési folyamat során közvetlenül nem keletkezik ATP. Az erjesztők nagyon kevés ATP-t termelnek – csak két ATP-molekulát glükózmolekulánként a glikolízis során.
- A mikrobiális erjesztési folyamatokat élelmiszerek és gyógyszerek előállítására, valamint a mikrobák azonosítására használják.
- A tejsavas erjesztés során a piruvát elektronokat vesz fel a NADH-tól, és tejsavvá redukálódik. A homolaktikus erjedést végző mikrobák csak tejsavat termelnek erjedési termékként; a heterolaktikus erjedést végző mikrobák tejsav, etanol és/vagy ecetsav és CO2 keverékét termelik.
- A normális mikrobák tejsavtermelése megakadályozza a kórokozók növekedését bizonyos testtájakon, és fontos a gyomor-bélrendszer egészsége szempontjából.
- Az etanolos erjedés során a piruvát először dekarboxilálódik (CO2 felszabadulásával) acetaldehiddé, amely ezután elektronokat vesz fel a NADH-tól, és az acetaldehidet etanollá redukálja. Az etanolos erjesztést alkoholtartalmú italok előállítására, kenyértermékek kelesztésére és bioüzemanyag előállítására használják.
- Az útvonalak erjedési termékei (pl. propionsavas erjesztés) jellegzetes ízeket adnak az élelmiszereknek. Az erjesztést kémiai oldószerek (aceton-butanol-etanol erjesztés) és gyógyszerek (vegyes savas erjesztés) előállítására használják.
- A mikrobák egyes típusait erjesztési útvonalaik és termékeik alapján lehet megkülönböztetni. A mikrobákat aszerint is megkülönböztethetjük, hogy milyen szubsztrátokat képesek fermentálni.
Multiple Choice
Az alábbiak közül melyik a fermentáció célja?
- az ATP előállítása
- az anabolizmushoz szükséges szénmolekula intermedierek előállítása
- az NADH előállítása
- az NAD+ előállítása
Melyik molekula szolgál jellemzően végső elektronakceptorként az erjedés során?
- oxigén
- NAD+
- piruvát
- CO2
Melyik erjedési termék fontos a kenyér kelesztéséhez?
- etanol
- CO2
- tejsav
- hidrogéngáz
Az alábbiak közül melyik nem kereskedelmi szempontból fontos erjedési termék?
- etanol
- piruvát
- butanol
- penicillin
Fill in the Blank
Az alkoholos italok előállítása céljából történő etanolos erjedésért felelős mikroba a ________.
________ eredményeként erjedési termékek keveréke keletkezik, többek között tejsav, etanol és/vagy ecetsav és CO2.
A fermentáló szervezetek ATP-t állítanak elő a ________ folyamatán keresztül.
Társítás
Párosítsa az erjedési útvonalat a megfelelő kereskedelmi termékkel, amelynek előállítására használják:
| ___aceton-butanol-etanol erjedés | a. kenyér |
| ___alkohol erjesztés | b. gyógyszerek |
| ___tejsav erjesztés | c. Svájci sajt |
| ___kevert savas erjesztés | d. joghurt |
| ___propionsavas erjesztés | e. ipari oldószerek |
Gondolj bele
- Miért vannak egyes mikrobák, köztük a Streptococcus spp, még oxigén jelenlétében sem képesek aerob légzésre?
- Hogyan használható az erjedés a különböző típusú mikrobák megkülönböztetésére?
- Az E. coli baktérium képes aerob légzésre, anaerob légzésre és erjedésre. Mikor hajtaná végre az egyes folyamatokat és miért? Hogyan keletkezik az ATP minden esetben?
