Microbiologie

Multe celule sunt incapabile să efectueze respirația din cauza uneia sau mai multora dintre următoarele circumstanțe:

1. Celulei îi lipsește o cantitate suficientă de orice acceptor final de electroni, anorganic, adecvat pentru a efectua respirația celulară.
2. Celulei îi lipsesc genele pentru a produce complexe și purtători de electroni adecvați în sistemul de transport al electronilor.
3. Celulei îi lipsesc genele pentru a produce una sau mai multe enzime din ciclul Krebs.

În timp ce lipsa unui acceptor final de electroni anorganic adecvat este dependentă de mediu, celelalte două condiții sunt determinate genetic. Astfel, multe procariote, inclusiv membri ai genului Streptococcus, important din punct de vedere clinic, sunt permanent incapabile de respirație, chiar și în prezența oxigenului. Dimpotrivă, multe procariote sunt facultative, ceea ce înseamnă că, în cazul în care condițiile de mediu se schimbă pentru a oferi un acceptor final de electroni anorganic adecvat pentru respirație, organismele care conțin toate genele necesare pentru a face acest lucru vor trece la respirația celulară pentru metabolismul glucozei, deoarece respirația permite o producție mult mai mare de ATP per moleculă de glucoză.

Dacă nu are loc respirația, NADH trebuie să fie reoxidat în NAD+ pentru a fi reutilizat ca purtător de electroni pentru ca glicoliza, singurul mecanism al celulei pentru producerea oricărui ATP, să continue. Unele sisteme vii folosesc o moleculă organică (de obicei piruvatul) ca acceptor final de electroni printr-un proces numit fermentare. Fermentația nu implică un sistem de transport de electroni și nu produce în mod direct ATP suplimentar față de cel produs în timpul glicolizei prin fosforilarea la nivelul substratului. Organismele care efectuează fermentarea, numite fermentatori, produc maximum două molecule de ATP pe glucoză în timpul glicolizei. Tabelul 1 compară acceptorii finali de electroni și metodele de sinteză a ATP în respirația aerobă, respirația anaerobă și fermentația. Rețineți că numărul de molecule de ATP indicat pentru glicoliză presupune calea Embden-Meyerhof-Parnas. Este indicat numărul de molecule de ATP realizate prin fosforilarea la nivel de substrat (SLP) față de fosforilarea oxidativă (OP).

.

Procesele de fermentație microbiană au fost manipulate de oameni și sunt utilizate pe scară largă în producția de diverse alimente și alte produse comerciale, inclusiv produse farmaceutice. Fermentația microbiană poate fi, de asemenea, utilă pentru identificarea microbilor în scopuri de diagnosticare.

Fermentarea de către unele bacterii, cum ar fi cele din iaurt și alte produse alimentare acrite, precum și de către animale în mușchi în timpul lipsei de oxigen, este fermentația acidului lactic. Reacția chimică a fermentării acidului lactic este următoarea:

\text{Piruvat + NADH}\text{ }\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{{text{ acid lactic + NAD}}^{\text{+}}

Bacteriile din mai multe genuri gram-pozitive, inclusiv Lactobacillus, Leuconostoc și Streptococcus, sunt cunoscute în mod colectiv sub numele de bacterii lactice (LAB), iar diferite tulpini sunt importante în producția de alimente. În timpul producerii iaurtului și a brânzei, mediul foarte acid generat de fermentarea acidului lactic denaturează proteinele conținute în lapte, ceea ce determină solidificarea acestuia. Atunci când acidul lactic este singurul produs de fermentație, se spune că procesul este o fermentare homolactică; acesta este cazul Lactobacillus delbrueckii și S. thermophiles utilizate în producția de iaurt. Cu toate acestea, multe bacterii realizează fermentația heterolactică, producând un amestec de acid lactic, etanol și/sau acid acetic și, ca rezultat, CO2, din cauza utilizării de către acestea a căii ramificate a pentozei fosfatului în loc de calea EMP pentru glicoliză. Un fermentator heterolactic important este Leuconostoc mesenteroides, care este folosit pentru acrirea legumelor precum castraveții și varza, producând murături și, respectiv, varză murată.

Bacteriile acidului lactic sunt, de asemenea, importante din punct de vedere medical. Producerea unor medii cu pH scăzut în organism inhibă instalarea și dezvoltarea agenților patogeni în aceste zone. De exemplu, microbiota vaginală este compusă în mare parte din bacterii de acid lactic, dar atunci când aceste bacterii sunt reduse, drojdia poate prolifera, provocând o infecție cu drojdie. În plus, bacteriile lactice sunt importante în menținerea sănătății tractului gastrointestinal și, ca atare, sunt componenta principală a probioticelor.

Un alt proces de fermentație cunoscut este fermentarea alcoolului, care produce etanol. Reacția de fermentare a etanolului este prezentată în figura 1. În prima reacție, enzima piruvat decarboxilază îndepărtează o grupare carboxil din piruvat, eliberând gaz CO2 și producând în același timp molecula cu două atomi de carbon acetaldehidă. Cea de-a doua reacție, catalizată de enzima alcool dehidrogenază, transferă un electron de la NADH la acetaldehidă, producând etanol și NAD+. Fermentarea etanolului din piruvat de către drojdia Saccharomyces cerevisiae este utilizată în producția de băuturi alcoolice și, de asemenea, face ca produsele de panificație să crească datorită producției de CO2. În afara industriei alimentare, fermentarea etanolică a produselor vegetale este importantă în producția de biocombustibili.

Figura 1. Aici sunt prezentate reacțiile chimice ale fermentației alcoolice. Fermentarea etanolului este importantă în producerea băuturilor alcoolice și a pâinii.

În afară de fermentarea acidului lactic și fermentarea alcoolului, multe alte metode de fermentație apar la procariote, toate cu scopul de a asigura un aport adecvat de NAD+ pentru glicoliză (tabelul 2). Fără aceste căi, glicoliza nu ar avea loc și nu ar fi recoltat ATP din descompunerea glucozei. Trebuie remarcat faptul că majoritatea formelor de fermentație, în afară de fermentația homolactică, produc gaz, de obicei CO2 și/sau hidrogen gazos. Multe dintre aceste tipuri diferite de căi de fermentare sunt, de asemenea, utilizate în producția de alimente și fiecare dintre ele duce la producerea de acizi organici diferiți, contribuind la aroma unică a unui anumit produs alimentar fermentat. Acidul propionic produs în timpul fermentării acidului propionic contribuie la aroma distinctivă a brânzei elvețiene, de exemplu.

Câteva produse de fermentație sunt importante din punct de vedere comercial în afara industriei alimentare. De exemplu, solvenți chimici precum acetona și butanolul sunt produși în timpul fermentației acetonă-butanol-etanol. Compușii farmaceutici organici complecși utilizați în antibiotice (de exemplu, penicilina), vaccinuri și vitamine sunt produși prin fermentație acidă mixtă. Produsele de fermentație sunt utilizate în laborator pentru a diferenția diverse bacterii în scopul diagnosticării. De exemplu, bacteriile enterice sunt cunoscute pentru capacitatea lor de a efectua o fermentare acidă mixtă, reducând pH-ul, care poate fi detectat cu ajutorul unui indicator de pH. În mod similar, poate fi detectată și producția bacteriană de acetoină în timpul fermentației butanediolului. Producția de gaz în urma fermentației poate fi, de asemenea, observată într-un tub Durham inversat care reține gazul produs într-o cultură de bulion.

Microbii pot fi, de asemenea, diferențiați în funcție de substraturile pe care le pot fermenta. De exemplu, E. coli poate fermenta lactoza, formând gaz, în timp ce unele dintre rudele sale apropiate gram-negative nu pot. Capacitatea de a fermenta sorbitolul, un alcool zaharat, este utilizată pentru a identifica tulpina patogenă enterohemoragică O157:H7 de E. coli, deoarece, spre deosebire de alte tulpini de E. coli, aceasta nu poate fermenta sorbitolul. În cele din urmă, fermentarea manitolului diferențiază Staphylococcus aureus care fermentează manitolul de alți stafilococi care nu fermentează manitolul.

Identificarea bacteriilor prin utilizarea panourilor de testare API

Identificarea unui izolat microbian este esențială pentru diagnosticul corect și tratamentul adecvat al pacienților. Oamenii de știință au dezvoltat tehnici care identifică bacteriile în funcție de caracteristicile lor biochimice. De obicei, fie examinează utilizarea unor surse de carbon specifice ca substraturi pentru fermentație sau alte reacții metabolice, fie identifică produsele de fermentare sau enzimele specifice prezente în reacții. În trecut, microbiologii au folosit eprubete și plăci individuale pentru a efectua teste biochimice. Cu toate acestea, oamenii de știință, în special cei din laboratoarele clinice, folosesc acum mai frecvent panouri de plastic, de unică folosință, multitest, care conțin un număr de tuburi de reacție în miniatură, fiecare dintre acestea incluzând de obicei un substrat specific și un indicator de pH. După inocularea panoului de testare cu o mică mostră a microbului în cauză și incubare, oamenii de știință pot compara rezultatele cu o bază de date care include rezultatele așteptate pentru reacții biochimice specifice pentru microbii cunoscuți, permițând astfel identificarea rapidă a unui microb de probă. Aceste panouri de testare au permis oamenilor de știință să reducă costurile, îmbunătățind în același timp eficiența și reproductibilitatea prin efectuarea simultană a unui număr mai mare de teste.

Multe panouri de teste biochimice comerciale miniaturizate acoperă o serie de grupuri de bacterii și drojdii importante din punct de vedere clinic. Unul dintre cele mai timpurii și mai populare panouri de testare este panoul Analytical Profile Index (API), inventat în anii 1970. Odată ce a fost efectuată o caracterizare de laborator de bază a unei anumite tulpini, cum ar fi determinarea morfologiei Gram a tulpinii, se poate utiliza o bandă de testare adecvată care conține 10 până la 20 de teste biochimice diferite pentru diferențierea tulpinilor din cadrul acelui grup microbian. În prezent, diferitele benzi API pot fi utilizate pentru a identifica rapid și ușor mai mult de 600 de specii de bacterii, atât aerobe, cât și anaerobe, și aproximativ 100 de tipuri diferite de drojdii. Pe baza culorilor reacțiilor atunci când sunt prezenți produse finale metabolice, datorită prezenței indicatorilor de pH, se creează un profil metabolic din rezultate (figura 2). Microbiologii pot compara apoi profilul probei cu baza de date pentru a identifica microbul specific.

Figura 2. Banda de testare API 20NE este utilizată pentru a identifica tulpini specifice de bacterii gram-negative din afara Enterobacteriaceae. Iată un rezultat al benzii de testare API 20NE pentru Photobacterium damselae ssp. piscicida.

Ce moleculă servește de obicei ca acceptor final de electroni în timpul fermentației?

1. oxigen
2. NAD+
3. piruvat
4. CO2

Care produs de fermentație este important pentru creșterea pâinii?

1. etanol
2. CO2
3. acid lactic
4. hidrogen gazos

Care dintre următoarele nu este un produs de fermentație important din punct de vedere comercial?

1. etanol
2. piruvat
3. butanol
4. penicilină

.