Objectivos de aprendizagem
- Definir fermentação e explicar porque não requer oxigénio
- Descrever as vias de fermentação e os seus produtos finais e dar exemplos de microorganismos que utilizam estas vias
- Fermentação e respiração anaeróbica de comparação e contraste
Muitas células são incapazes de realizar a respiração devido a uma ou mais das seguintes circunstâncias:
- A célula carece de uma quantidade suficiente de qualquer aceitador de electrões final apropriado, inorgânico, para efectuar a respiração celular.
- A célula carece de genes para fazer complexos apropriados e portadores de electrões no sistema de transporte de electrões.
- A célula carece de genes para fazer uma ou mais enzimas no ciclo de Krebs.
Quando a falta de um aceitador final de electrões inorgânicos apropriado é dependente do ambiente, as outras duas condições são determinadas geneticamente. Assim, muitos procariotas, incluindo membros do gênero clinicamente importante Streptococcus, são permanentemente incapazes de respirar, mesmo na presença de oxigênio. Por outro lado, muitos procariotas são facultativos, o que significa que, se as condições ambientais mudarem para fornecer um aceitador de electrões final inorgânico apropriado para a respiração, os organismos que contêm todos os genes necessários para o fazer mudarão para a respiração celular para o metabolismo da glucose, porque a respiração permite uma produção muito maior de ATP por molécula de glucose.
Se a respiração não ocorrer, o NADH deve ser reoxidado ao NAD+ para ser reutilizado como um portador de electrões para glicólise, o único mecanismo da célula para produzir qualquer ATP, para continuar. Alguns sistemas vivos utilizam uma molécula orgânica (comumente piruvato) como um aceito final de elétrons através de um processo chamado fermentação. A fermentação não envolve um sistema de transporte de elétrons e não produz diretamente nenhum ATP adicional além do produzido durante a glicólise por fosforilação a nível de substrato. Os organismos que realizam a fermentação, chamados fermentadores, produzem um máximo de duas moléculas de ATP por glicose durante a glicólise. A tabela 1 compara os aceitadores finais de electrões e os métodos de síntese de ATP na respiração aeróbica, respiração anaeróbica e fermentação. Observe que o número de moléculas de ATP mostrado para glicólise assume a via Embden-Meyerhof-Parnas. O número de moléculas de ATP feitas por fosforilação ao nível do substrato (SLP) versus fosforilação oxidativa (OP) são indicados.
| Tabela 1. Comparação da Respiração versus Fermentação | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Tipo de Metabolismo | Exemplo | Aceptor de Electrão Final | Vias Envolvidas na Síntese de ATP (Tipo de Fosforilação) | Rendimento Máximo de ATP Moléculas | |
| Expiração aeróbica | Pseudomonas aeruginosa | {\texto{\\i}_{2} |
Glicólise de EMP (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte eléctrico e quimiossimose (OP):{\texto{Fe}}^{+3},{\texto{CO}}_{2}, outros inorgânicos |
Glicólise de EMP (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte de electrões e quimiose (OP): |
1-32 |
| Total | 5-36 | ||||
| Fermentação | Candida albicans |
Organics (geralmente piruetas) |
Glicólise de EMP (SLP) Fermentação |
||
| Total | 2 | ||||
Processos de fermentação microbiana têm sido manipulados pelo homem e são utilizados extensivamente na produção de vários alimentos e outros produtos comerciais, incluindo produtos farmacêuticos. A fermentação microbiana também pode ser útil para identificar micróbios para fins diagnósticos.
Fermentação por algumas bactérias, como as do iogurte e outros produtos alimentares acidificados, e por animais nos músculos durante o esgotamento do oxigénio, é a fermentação com ácido láctico. A reacção química da fermentação com ácido láctico é a seguinte:
>text{Pyruvate + NADH}}text{}{{\i1}stackrel{\i}{\i1}{\i1}text{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}-
Bactérias de vários géneros gram-positivos, incluindo Lactobacillus, Leuconostoc, e Streptococcus, são colectivamente conhecidas como as bactérias do ácido láctico (LAB), e várias estirpes são importantes na produção alimentar. Durante a produção de iogurte e queijo, o ambiente altamente ácido gerado pela fermentação do ácido láctico desnaturaliza as proteínas contidas no leite, causando a sua solidificação. Quando o ácido láctico é o único produto de fermentação, diz-se que o processo é de fermentação homoláctica, como é o caso do Lactobacillus delbrueckii e S. thermophiles utilizados na produção de iogurte. Entretanto, muitas bactérias realizam fermentação heteroláctica, produzindo uma mistura de ácido láctico, etanol e/ou ácido acético e CO2 como resultado, devido ao uso da via ramificada de fosfato pentose em vez da via EMP para glicólise. Um fermentador heteroláctico importante é o Leuconostoc mesenteroides, que é usado para azedar vegetais como pepinos e repolho, produzindo picles e chucrute, respectivamente.
As bactérias do ácido láctico também são importantes medicamente. A produção de ambientes de baixo pH dentro do organismo inibe o estabelecimento e crescimento de patógenos nestas áreas. Por exemplo, a microbiota vaginal é composta em grande parte por bactérias lácticas, mas quando estas bactérias são reduzidas, a levedura pode proliferar, causando uma infecção por levedura. Além disso, as bactérias de ácido láctico são importantes na manutenção da saúde do trato gastrointestinal e, como tal, são o componente primário dos probióticos.
Outro processo de fermentação familiar é a fermentação do álcool, que produz etanol. A reação de fermentação do etanol é mostrada na Figura 1. Na primeira reação, a enzima piruvato decarboxilase remove um grupo carboxil do piruvato, liberando gás CO2 enquanto produz o acetaldeído de duas moléculas de carbono. A segunda reação, catalisada pela enzima álcool desidrogenase, transfere um elétron do NADH para o acetaldeído, produzindo etanol e NAD+. A fermentação do etanol de piruvato pela levedura Saccharomyces cerevisiae é utilizada na produção de bebidas alcoólicas e também faz com que os produtos de panificação aumentem devido à produção de CO2. Fora da indústria alimentícia, a fermentação do etanol de produtos vegetais é importante na produção de biocombustíveis.
Figure 1. As reações químicas da fermentação do álcool são mostradas aqui. A fermentação do etanol é importante na produção de bebidas alcoólicas e pão.
Além da fermentação do ácido láctico e da fermentação do álcool, muitos outros métodos de fermentação ocorrem em procariotas, todos com o propósito de garantir um suprimento adequado de NAD+ para glicólise (Tabela 2). Sem estas vias, a glicólise não ocorreria e nenhum ATP seria colhido a partir da quebra da glicose. Deve-se observar que a maioria das formas de fermentação além da fermentação homoláctica produz gás, comumente CO2 e/ou hidrogênio gasoso. Muitos desses diferentes tipos de vias de fermentação também são utilizados na produção de alimentos e cada um resulta na produção de diferentes ácidos orgânicos, contribuindo para o sabor único de um determinado produto alimentar fermentado. O ácido propiônico produzido durante a fermentação do ácido propiônico contribui para o sabor característico do queijo suíço, por exemplo.
Os produtos de fermentação severa são importantes comercialmente fora da indústria alimentícia. Por exemplo, solventes químicos como acetona e butanol são produzidos durante a fermentação de acetona e butanol-etanol. Compostos farmacêuticos orgânicos complexos utilizados em antibióticos (por exemplo, penicilina), vacinas e vitaminas são produzidos através de fermentação ácida mista. Os produtos de fermentação são utilizados em laboratório para diferenciar várias bactérias para fins de diagnóstico. Por exemplo, as bactérias entéricas são conhecidas pela sua capacidade de realizar fermentação ácida mista, reduzindo o pH, que pode ser detectado através de um indicador de pH. Da mesma forma, a produção bacteriana de acetoína durante a fermentação do butanodiol também pode ser detectada. A produção de gás a partir da fermentação também pode ser vista em um tubo Durham invertido que prende o gás produzido em uma cultura de caldo.
Microbes também podem ser diferenciados de acordo com os substratos que eles podem fermentar. Por exemplo, E. coli pode fermentar lactose, formando gás, enquanto alguns dos seus parentes gram-negativos próximos não podem. A capacidade de fermentar o sorbitol do álcool açúcar é usada para identificar a cepa patogênica enterohemorrágica O157:H7 de E. coli porque, ao contrário de outras cepas de E. coli, ela é incapaz de fermentar o sorbitol. Por último, a fermentação do manitol diferencia o Staphylococcus aureus que fermenta o manitol de outros estafilococos não-manitol.
| Tabela 2. Caminhos Comuns de Fermentação | |||
|---|---|---|---|
| Pathway | Produtos finais | Exemplos de micróbios | Produtos comerciais |
| Acetone-butanol-etanol | Acetona, butanol, etanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Solventes comerciais, alternativa à gasolina |
| Álcool | Etanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Cerveja, pão |
| Butanediol | Ácido fórmico e láctico; etanol; acetoína; 2,3 butanodiol; CO2; hidrogénio gasoso | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnay wine |
| Ácido butírico | Ácido butírico, CO2, hidrogénio gasoso | Clostridium butyricum | Butter |
| Ácido láctico | Ácido láctico | Streptococcus, Lactobacillus | Sauerkraut, iogurte, queijo |
| Ácido misto | Ácidos acético, fórmico, láctico, e succínico; etanol, CO2, hidrogênio gás | Escherichia, Shigella | Vinagre, cosméticos, farmacêuticos |
| Ácido propiônico | Ácido acético, ácido propiônico, CO2 | Propionibactéria, Bifidobacterium | Queijo suíço |
Pense nisso
- Quando é que um micróbio metabolicamente versátil faria a fermentação em vez da respiração celular?
Identificação de bactérias usando Painéis de Teste API
Identificação de um isolado microbiano é essencial para o diagnóstico adequado e tratamento apropriado dos pacientes. Os cientistas têm desenvolvido técnicas que identificam as bactérias de acordo com suas características bioquímicas. Tipicamente, eles examinam o uso de fontes específicas de carbono como substratos para fermentação ou outras reações metabólicas, ou identificam produtos de fermentação ou enzimas específicas presentes nas reações. No passado, os microbiologistas utilizaram tubos e placas de teste individuais para realizar testes bioquímicos. No entanto, os cientistas, especialmente os que trabalham em laboratórios clínicos, usam agora mais frequentemente painéis plásticos, descartáveis e multi-teste que contêm vários tubos de reacção em miniatura, cada um deles tipicamente incluindo um substrato específico e um indicador de pH. Após inoculação do painel de teste com uma pequena amostra do micróbio em questão e incubação, os cientistas podem comparar os resultados com uma base de dados que inclui os resultados esperados para reacções bioquímicas específicas para micróbios conhecidos, permitindo assim a rápida identificação de uma amostra de micróbio. Estes painéis de teste permitiram aos cientistas reduzir os custos, melhorando a eficiência e reprodutibilidade através da realização simultânea de um maior número de testes.
Muitos painéis de teste bioquímicos comerciais e miniaturizados cobrem vários grupos de bactérias e leveduras clinicamente importantes. Um dos primeiros e mais populares painéis de teste é o painel do Índice de Perfil Analítico (API), inventado na década de 1970. Uma vez realizada alguma caracterização laboratorial básica de uma determinada estirpe, como a determinação da morfologia da estirpe Gram, pode ser utilizada uma tira de teste apropriada que contém 10 a 20 testes bioquímicos diferentes para diferenciar as estirpes dentro desse grupo microbiano. Atualmente, as várias tiras API podem ser usadas para identificar rápida e facilmente mais de 600 espécies de bactérias, tanto aeróbicas quanto anaeróbicas, e aproximadamente 100 tipos diferentes de leveduras. Com base nas cores das reações quando os produtos finais metabólicos estão presentes, devido à presença de indicadores de pH, um perfil metabólico é criado a partir dos resultados (Figura 2). Microbiólogos podem então comparar o perfil da amostra com a base de dados para identificar o micróbio específico.
Figure 2. A tira-teste API 20NE é usada para identificar cepas específicas de bactérias gram-negativas fora das Enterobacteriaceae. Aqui está um resultado da tira de teste API 20NE para Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Clinical Focus: Alex, Parte 2
Este exemplo continua a história do Alex que começou em Matéria Energética e Enzimas.
Muitos dos sintomas do Alex são consistentes com várias infecções diferentes, incluindo gripe e pneumonia. No entanto, os seus reflexos lentos, juntamente com a sua sensibilidade à luz e pescoço rígido sugerem algum possível envolvimento do sistema nervoso central, talvez indicando meningite. A meningite é uma infecção do líquido cefalorraquidiano (LCR) ao redor do cérebro e da medula espinhal que causa a inflamação das meninges, as camadas protetoras que cobrem o cérebro. A meningite pode ser causada por vírus, bactérias ou fungos. Embora todas as formas de meningite sejam graves, a meningite bacteriana é particularmente grave. A meningite bacteriana pode ser causada por várias bactérias diferentes, mas a bactéria Neisseria meningitidis, um diplococo gram-negativo em forma de feijão, é uma causa comum e leva à morte em 1 a 2 dias em 5% a 10% dos pacientes.
Dada a potencial gravidade das condições de Alex, o seu médico aconselhou os seus pais a levá-lo ao hospital na capital gambiana de Banjul e lá mandá-lo testar e tratar para uma possível meningite. Após 3 horas de viagem até o hospital, Alex foi imediatamente internado. Os médicos tiraram uma amostra de sangue e fizeram uma punção lombar para testar o seu LCR. Também o iniciaram imediatamente com o antibiótico ceftriaxona, o medicamento de eleição para o tratamento da meningite causada pelo N. meningitidis, sem esperar pelos resultados dos testes laboratoriais.
- Como se pode usar o teste bioquímico para confirmar a identidade do N. meningitidis?
- Por que os médicos do Alex decidiram administrar antibióticos sem esperar pelos resultados dos testes?
Voltaremos ao exemplo do Alex em páginas posteriores.
Conceitos Chave e Resumo
- Fermentação usa uma molécula orgânica como aceitador final de electrões para regenerar NAD+ a partir de NADH para que a glicólise possa continuar.
- Fermentação não envolve um sistema de transporte de electrões, e não é feito ATP directamente pelo processo de fermentação. Fermentadores fazem muito pouco ATP apenas duas moléculas de ATP por molécula de glicose durante a glicólise.
- Processos de fermentação microbiana têm sido utilizados para a produção de alimentos e produtos farmacêuticos, e para a identificação de micróbios.
- Fermentação com ácido láctico, o piruvato aceita electrões de NADH e é reduzido a ácido láctico. Os micróbios que realizam fermentação homoláctica produzem apenas ácido láctico como produto de fermentação; os micróbios que realizam fermentação heteroláctica produzem uma mistura de ácido láctico, etanol e/ou ácido acético, e CO2.
- A produção de ácido láctico pela microbiota normal previne o crescimento de patógenos em certas regiões do corpo e é importante para a saúde do trato gastrointestinal.
- Durante a fermentação do etanol, o piruvato é primeiro descarboxilado (liberando CO2) para o acetaldeído, que então aceita elétrons de NADH, reduzindo o acetaldeído para etanol. A fermentação do etanol é utilizada para a produção de bebidas alcoólicas, para fazer crescer os produtos panificados e para a produção de biocombustíveis.
- Os produtos de fermentação de vias (por exemplo, fermentação com ácido propiônico) fornecem sabores distintos aos produtos alimentícios. A fermentação é utilizada para produzir solventes químicos (fermentação acetona-butanol-etanol) e farmacêuticos (fermentação ácida mista).
- Os tipos específicos de micróbios podem ser distinguidos pelas suas vias de fermentação e produtos. Os micróbios também podem ser diferenciados de acordo com os substratos que são capazes de fermentar.
Multiple Choice
Qual dos seguintes tipos de micróbios é o propósito da fermentação?
- para fazer ATP
- para fazer intermediários de moléculas de carbono para anabolismo
- para fazer NADH
- para fazer NAD+
Que molécula tipicamente serve como o último aceito de electrões durante a fermentação?
- oxigénio
- NAD+
- pyruvate
- CO2
Que produto de fermentação é importante para fazer crescer o pão?
- etanol
- CO2
- Ácido láctico
- Gás hidrogénio
Qual dos seguintes produtos não é um produto de fermentação comercialmente importante?
- etanol
- pyruvate
- butanol
- penicilina
Preencher em Branco
O micróbio responsável pela fermentação do etanol com a finalidade de produzir bebidas alcoólicas é ________.
________ resulta na produção de uma mistura de produtos de fermentação, incluindo ácido láctico, etanol e/ou ácido acético, e CO2.
Organismos fermentadores fazem ATP através do processo de ________.
Casamento
Casar o caminho de fermentação com o produto comercial correcto que é usado para produzir:
| ___acetona-fermentação de butanol-etanol | a. pão |
| ___ fermentação alcoólica | b. farmacêuticos |
| ___ fermentação ácida láctica | c. queijo suíço |
| ___ fermentação ácida misturada | d. iogurte |
| ___ fermentação ácida propiónica | e. solventes industriais |
Pense nisso
- Porquê alguns micróbios, incluindo Streptococcus spp, incapazes de efectuar respiração aeróbica, mesmo na presença de oxigénio?
- Como pode a fermentação ser usada para diferenciar vários tipos de micróbios?
- A bactéria E. coli é capaz de efectuar respiração aeróbica, respiração anaeróbica, e fermentação. Quando realizaria cada processo e porquê? Como é feito o ATP em cada caso?
