Obiettivi di apprendimento
- Definire la fermentazione e spiegare perché non richiede ossigeno
- Descrivere le vie di fermentazione e i loro prodotti finali e dare esempi di microrganismi che usano queste vie
- Confronta e contrasta la fermentazione e la respirazione anaerobica
Molte cellule non sono in grado di effettuare la respirazione a causa di una o più delle seguenti circostanze:
- La cellula manca di una quantità sufficiente di qualsiasi accettore finale di elettroni appropriato, inorganico, per effettuare la respirazione cellulare.
- La cellula manca di geni per fare complessi appropriati e portatori di elettroni nel sistema di trasporto degli elettroni.
- La cellula manca di geni per fare uno o più enzimi nel ciclo di Krebs.
Come la mancanza di un appropriato accettore di elettroni finale inorganico dipende dall’ambiente, le altre due condizioni sono determinate geneticamente. Così, molti procarioti, compresi i membri del genere Streptococcus, clinicamente importante, sono permanentemente incapaci di respirare, anche in presenza di ossigeno. Al contrario, molti procarioti sono facoltativi, il che significa che, se le condizioni ambientali cambiano per fornire un accettore di elettroni finale inorganico appropriato per la respirazione, gli organismi che contengono tutti i geni necessari per farlo passeranno alla respirazione cellulare per il metabolismo del glucosio perché la respirazione consente una produzione di ATP molto maggiore per molecola di glucosio.
Se la respirazione non avviene, il NADH deve essere riossidato a NAD+ per essere riutilizzato come trasportatore di elettroni per la glicolisi, l’unico meccanismo della cellula per produrre ATP, per continuare. Alcuni sistemi viventi usano una molecola organica (comunemente piruvato) come accettore finale di elettroni attraverso un processo chiamato fermentazione. La fermentazione non coinvolge un sistema di trasporto di elettroni e non produce direttamente alcun ATP aggiuntivo oltre a quello prodotto durante la glicolisi dalla fosforilazione a livello di substrato. Gli organismi che effettuano la fermentazione, chiamati fermentatori, producono un massimo di due molecole di ATP per ogni glucosio durante la glicolisi. La tabella 1 confronta gli accettori finali di elettroni e i metodi di sintesi dell’ATP nella respirazione aerobica, nella respirazione anaerobica e nella fermentazione. Si noti che il numero di molecole di ATP mostrato per la glicolisi presuppone la via di Embden-Meyerhof-Parnas. Il numero di molecole di ATP prodotte dalla fosforilazione a livello di substrato (SLP) rispetto alla fosforilazione ossidativa (OP) sono indicate.
| Tabella 1. Confronto tra respirazione e fermentazione | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tipo di metabolismo | Esempio | Accettore finale di elettroni | Processi coinvolti nella sintesi di ATP (tipo di fosforilazione) | Rendimento massimo di ATP Molecole |
| Respirazione aerobica | Pseudomonas aeruginosa | {{text{O}}_{2} |
Glicolisi EMP (SLP) Ciclo di Krebs (SLP) Trasporto di elettroni e chemiosmosi (OP): |
|
| Totale | 38 | |||
| Respirazione anaerobica | Paracoccus denitrificans |
{\testo{NO}}_{3}^{-},{{testo{SO}}_{4}^{-2},{ altri inorganici |
Glicolisi EMP (SLP) Ciclo di Krebs (SLP) Trasporto di elettroni e chemiosmosi (OP): |
1-32 |
| Totale | 5-36 | |||
| Fermentazione | Candida albicans |
Organici (di solito piruvato) |
Glicolisi EMP (SLP) Fermentazione |
|
| Totale | 2 | |||
I processi di fermentazione microbica sono stati manipolati dall’uomo e sono ampiamente utilizzati nella produzione di vari alimenti e altri prodotti commerciali, compresi i prodotti farmaceutici. La fermentazione microbica può anche essere utile per identificare i microbi a fini diagnostici.
La fermentazione di alcuni batteri, come quelli dello yogurt e di altri prodotti alimentari inaciditi, e quella degli animali nei muscoli durante la mancanza di ossigeno, è la fermentazione dell’acido lattico. La reazione chimica della fermentazione dell’acido lattico è la seguente:
I batteri di diversi generi gram-positivi, tra cui Lactobacillus, Leuconostoc, e Streptococcus, sono conosciuti collettivamente come batteri dell’acido lattico (LAB), e vari ceppi sono importanti nella produzione alimentare. Durante la produzione di yogurt e formaggio, l’ambiente altamente acido generato dalla fermentazione dell’acido lattico denatura le proteine contenute nel latte, facendolo solidificare. Quando l’acido lattico è l’unico prodotto di fermentazione, si dice che il processo è una fermentazione omolattica; questo è il caso del Lactobacillus delbrueckii e dello S. thermophiles usati nella produzione dello yogurt. Tuttavia, molti batteri eseguono la fermentazione eterolattica, producendo una miscela di acido lattico, etanolo e/o acido acetico, e CO2 come risultato, a causa del loro uso della via ramificata del pentoso fosfato invece della via EMP per la glicolisi. Un importante fermentatore eterolattico è Leuconostoc mesenteroides, che è usato per inacidire verdure come cetrioli e cavoli, producendo sottaceti e crauti, rispettivamente.
I batteri dell’acido lattico sono anche importanti dal punto di vista medico. La produzione di ambienti a basso pH all’interno del corpo inibisce l’insediamento e la crescita di agenti patogeni in queste aree. Per esempio, il microbiota vaginale è composto in gran parte da batteri dell’acido lattico, ma quando questi batteri sono ridotti, il lievito può proliferare, causando un’infezione da lievito. Inoltre, i batteri dell’acido lattico sono importanti per mantenere la salute del tratto gastrointestinale e, come tali, sono il componente principale dei probiotici.
Un altro processo di fermentazione familiare è la fermentazione dell’alcol, che produce etanolo. La reazione di fermentazione dell’etanolo è mostrata nella figura 1. Nella prima reazione, l’enzima piruvato decarbossilasi rimuove un gruppo carbossilico dal piruvato, rilasciando gas CO2 mentre produce la molecola a due carboni acetaldeide. La seconda reazione, catalizzata dall’enzima alcol deidrogenasi, trasferisce un elettrone dal NADH all’acetaldeide, producendo etanolo e NAD+. La fermentazione dell’etanolo del piruvato da parte del lievito Saccharomyces cerevisiae è usata nella produzione di bevande alcoliche e fa anche lievitare i prodotti del pane a causa della produzione di CO2. Al di fuori dell’industria alimentare, la fermentazione dell’etanolo di prodotti vegetali è importante nella produzione di biocarburanti.
Figura 1. Le reazioni chimiche della fermentazione dell’alcol sono mostrate qui. La fermentazione dell’etanolo è importante nella produzione di bevande alcoliche e pane.
Oltre alla fermentazione dell’acido lattico e dell’alcol, molti altri metodi di fermentazione si verificano nei procarioti, tutti allo scopo di assicurare una fornitura adeguata di NAD+ per la glicolisi (Tabella 2). Senza queste vie, la glicolisi non si verificherebbe e nessun ATP sarebbe raccolto dalla scomposizione del glucosio. Va notato che la maggior parte delle forme di fermentazione oltre alla fermentazione omolattica producono gas, comunemente CO2 e/o idrogeno. Molti di questi diversi tipi di percorsi di fermentazione sono usati anche nella produzione di cibo e ognuno risulta nella produzione di diversi acidi organici, contribuendo al sapore unico di un particolare prodotto alimentare fermentato. L’acido propionico prodotto durante la fermentazione dell’acido propionico contribuisce al sapore caratteristico del formaggio svizzero, per esempio.
Alcuni prodotti di fermentazione sono importanti commercialmente al di fuori dell’industria alimentare. Per esempio, solventi chimici come acetone e butanolo sono prodotti durante la fermentazione di acetone-butanolo-etanolo. I composti farmaceutici organici complessi usati negli antibiotici (per esempio, la penicillina), i vaccini e le vitamine sono prodotti attraverso la fermentazione acida mista. I prodotti della fermentazione sono usati in laboratorio per differenziare vari batteri a scopo diagnostico. Per esempio, i batteri enterici sono noti per la loro capacità di eseguire la fermentazione acida mista, riducendo il pH, che può essere rilevato utilizzando un indicatore di pH. Allo stesso modo, la produzione batterica di acetoina durante la fermentazione del butandiolo può essere rilevata. La produzione di gas dalla fermentazione può anche essere vista in un tubo Durham invertito che intrappola il gas prodotto in una coltura in brodo.
I microbi possono anche essere differenziati in base ai substrati che possono fermentare. Per esempio, E. coli può fermentare il lattosio, formando gas, mentre alcuni dei suoi parenti gram-negativi non possono. La capacità di fermentare lo zucchero alcolico sorbitolo è usata per identificare il ceppo patogeno enteroemorragico O157:H7 di E. coli perché, a differenza di altri ceppi di E. coli, non è in grado di fermentare il sorbitolo. Infine, la fermentazione del mannitolo differenzia lo Staphylococcus aureus fermentante il mannitolo da altri stafilococchi non fermentanti il mannitolo.
| Tabella 2. Percorsi comuni di fermentazione | |||
|---|---|---|---|
| Pathway | Prodotti finali | Microbi di esempio | Prodotti commerciali |
| Acetone-butanolo-etanolo | Acetone, butanolo, etanolo, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Solventi commerciali, alternativa alla benzina |
| Alcool | Etanolo, CO2 | Candida, Saccharomyces | Birra, pane |
| Butanediolo | Acido formico e lattico; etanolo; acetoina; 2,3 butandiolo; CO2; gas idrogeno | Klebsiella, Enterobacter | Vino Chardonnay |
| Acido butirrico | Acido butirrico, CO2, gas idrogeno | Clostridium butyricum | Burro |
| Acido lattico | Acido lattico | Streptococcus, Lactobacillus | Sauerkraut, yogurt, formaggio |
| Acido misto | Acido acetico, formico, lattico e succinico; etanolo, CO2, gas idrogeno | Escherichia, Shigella | Aceto, cosmetici, prodotti farmaceutici |
| Acido propionico | Acido acetico, acido propionico, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Formaggio svizzero |
Pensaci
- Quando un microbo metabolicamente versatile dovrebbe eseguire la fermentazione piuttosto che la respirazione cellulare?
Identificare i batteri usando API Test Panels
L’identificazione di un isolato microbico è essenziale per la diagnosi corretta e il trattamento appropriato dei pazienti. Gli scienziati hanno sviluppato tecniche che identificano i batteri in base alle loro caratteristiche biochimiche. In genere, esaminano l’uso di specifiche fonti di carbonio come substrati per la fermentazione o altre reazioni metaboliche, oppure identificano i prodotti della fermentazione o specifici enzimi presenti nelle reazioni. In passato, i microbiologi hanno usato provette e piastre individuali per condurre test biochimici. Tuttavia, gli scienziati, specialmente quelli dei laboratori clinici, ora usano più frequentemente pannelli multitest in plastica, monouso, che contengono un certo numero di provette di reazione in miniatura, ognuna delle quali include tipicamente un substrato specifico e un indicatore di pH. Dopo l’inoculazione del pannello di test con un piccolo campione del microbo in questione e l’incubazione, gli scienziati possono confrontare i risultati con un database che include i risultati attesi per reazioni biochimiche specifiche per microbi noti, permettendo così una rapida identificazione di un microbo campione. Questi pannelli di test hanno permesso agli scienziati di ridurre i costi migliorando l’efficienza e la riproducibilità eseguendo un maggior numero di test simultaneamente.
Molti pannelli di test biochimici commerciali e miniaturizzati coprono una serie di gruppi di batteri e lieviti clinicamente importanti. Uno dei primi e più popolari pannelli di test è il pannello API (Analytical Profile Index) inventato negli anni ’70. Una volta che è stata eseguita una caratterizzazione di laboratorio di base di un dato ceppo, come la determinazione della morfologia di Gram del ceppo, è possibile utilizzare una striscia di test appropriata che contiene da 10 a 20 diversi test biochimici per differenziare i ceppi all’interno di quel gruppo microbico. Attualmente, le varie strisce API possono essere utilizzate per identificare rapidamente e facilmente più di 600 specie di batteri, sia aerobi che anaerobi, e circa 100 tipi diversi di lieviti. In base ai colori delle reazioni in presenza di prodotti finali metabolici, dovuti alla presenza di indicatori di pH, dai risultati viene creato un profilo metabolico (Figura 2). I microbiologi possono quindi confrontare il profilo del campione con il database per identificare il microbo specifico.
Figura 2. La striscia di test API 20NE è usata per identificare ceppi specifici di batteri gram-negativi al di fuori delle Enterobacteriaceae. Ecco il risultato di una striscia di test API 20NE per Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Clinical Focus: Alex, Parte 2
Questo esempio continua la storia di Alex iniziata in Energia, Materia ed Enzimi.
Molti dei sintomi di Alex sono coerenti con diverse infezioni, incluse influenza e polmonite. Tuttavia, i suoi riflessi lenti insieme alla sensibilità alla luce e al collo rigido suggeriscono un possibile coinvolgimento del sistema nervoso centrale, forse indicando una meningite. La meningite è un’infezione del liquido cerebrospinale (CSF) intorno al cervello e al midollo spinale che causa l’infiammazione delle meningi, gli strati protettivi che coprono il cervello. La meningite può essere causata da virus, batteri o funghi. Anche se tutte le forme di meningite sono gravi, la meningite batterica è particolarmente grave. La meningite batterica può essere causata da diversi batteri, ma il batterio Neisseria meningitidis, un diplococco gram-negativo a forma di fagiolo, è una causa comune e porta alla morte entro 1 o 2 giorni nel 5-10% dei pazienti.
Data la potenziale gravità delle condizioni di Alex, il suo medico consigliò ai suoi genitori di portarlo all’ospedale nella capitale gambiana di Banjul e lì farlo esaminare e trattare per una possibile meningite. Dopo 3 ore di viaggio verso l’ospedale, Alex è stato immediatamente ricoverato. I medici hanno preso un campione di sangue ed eseguito una puntura lombare per testare il suo CSF. Hanno anche iniziato immediatamente un ciclo di antibiotico ceftriaxone, il farmaco di scelta per il trattamento della meningite causata da N. meningitidis, senza aspettare i risultati dei test di laboratorio.
- Come potrebbero essere usati i test biochimici per confermare l’identità di N. meningitidis?
- Perché i medici di Alex hanno deciso di somministrare antibiotici senza aspettare i risultati del test?
Torneremo sull’esempio di Alex nelle pagine successive.
Concetti chiave e riassunto
- La fermentazione usa una molecola organica come accettore finale di elettroni per rigenerare NAD+ da NADH in modo che la glicolisi possa continuare.
- La fermentazione non coinvolge un sistema di trasporto di elettroni, e nessun ATP è fatto direttamente dal processo di fermentazione. I fermentatori producono pochissimo ATP – solo due molecole di ATP per molecola di glucosio durante la glicolisi.
- I processi di fermentazione microbica sono stati utilizzati per la produzione di alimenti e prodotti farmaceutici, e per l’identificazione dei microbi.
- Durante la fermentazione dell’acido lattico, il piruvato accetta elettroni dal NADH e viene ridotto ad acido lattico. I microbi che svolgono la fermentazione omolattica producono solo acido lattico come prodotto di fermentazione; i microbi che svolgono la fermentazione eterolattica producono una miscela di acido lattico, etanolo e/o acido acetico e CO2.
- La produzione di acido lattico da parte del microbiota normale impedisce la crescita di agenti patogeni in alcune regioni del corpo ed è importante per la salute del tratto gastrointestinale.
- Durante la fermentazione dell’etanolo, il piruvato viene prima decarbossilato (rilasciando CO2) in acetaldeide, che poi accetta elettroni dal NADH, riducendo l’acetaldeide in etanolo. La fermentazione dell’etanolo è usata per la produzione di bevande alcoliche, per far lievitare i prodotti del pane e per la produzione di biocarburanti.
- I prodotti di fermentazione delle vie (per esempio, la fermentazione dell’acido propionico) forniscono sapori caratteristici ai prodotti alimentari. La fermentazione è usata per produrre solventi chimici (fermentazione di acetone-butanolo-etanolo) e prodotti farmaceutici (fermentazione acida mista).
- Tipi specifici di microbi possono essere distinti dai loro percorsi di fermentazione e prodotti. I microbi possono anche essere differenziati in base ai substrati che sono in grado di fermentare.
Scelta multipla
Quale dei seguenti è lo scopo della fermentazione?
- per fare ATP
- per fare intermedi di molecole di carbonio per l’anabolismo
- per fare NADH
- per fare NAD+
Quale molecola serve tipicamente come accettore finale di elettroni durante la fermentazione?
- ossigeno
- NAD+
- piruvato
- CO2
Quale prodotto di fermentazione è importante per far lievitare il pane?
- etanolo
- CO2
- acido lattico
- gas idrogeno
Quale dei seguenti non è un prodotto di fermentazione commercialmente importante?
- etanolo
- piruvato
- butanolo
- penicillina
Fill in the Blank
Il microbo responsabile della fermentazione dell’etanolo allo scopo di produrre bevande alcoliche è ________.
________ risulta nella produzione di una miscela di prodotti di fermentazione, tra cui acido lattico, etanolo e/o acido acetico, e CO2.
Gli organismi fermentanti producono ATP attraverso il processo di ________.
Corrispondenza
Accoppia la via di fermentazione con il prodotto commerciale corretto che è usato per produrre:
| ___acetone-butanolo-etanolo fermentazione | a. pane |
| ___fermentazione di alcool | b. prodotti farmaceutici |
| ___fermentazione di acido lattico | c. Formaggio svizzero |
| ___fermentazione di acido misto | d. yogurt |
| ___fermentazione di acido propionico | e. solventi industriali |
Pensaci
- Perché alcuni microbi, incluso Streptococcus spp, non sono in grado di effettuare la respirazione aerobica, anche in presenza di ossigeno?
- Come si può usare la fermentazione per differenziare vari tipi di microbi?
- Il batterio E. coli è in grado di effettuare la respirazione aerobica, la respirazione anaerobica e la fermentazione. Quando potrebbe eseguire ciascun processo e perché? Come viene prodotto l’ATP in ogni caso?
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