Lärandemål
- Definiera jäsning och förklara varför den inte kräver syre
- Beskriv jäsningsvägarna och deras slutprodukter samt ge en beskrivning av exempel på mikroorganismer som använder dessa vägar
- Genomföra och kontrastera fermentering och anaerob respiration
Många celler kan inte utföra andning på grund av en eller flera av följande omständigheter:
- Cellen saknar en tillräcklig mängd av en lämplig, oorganisk, slutlig elektronacceptor för att utföra cellandning.
- Cellen saknar gener för att tillverka lämpliga komplex och elektronbärare i elektrontransportsystemet.
- Cellen saknar gener för att tillverka ett eller flera enzymer i Krebscykeln.
Om bristen på en lämplig oorganisk slutlig elektronacceptor är miljöberoende, är de två andra förhållandena genetiskt betingade. Många prokaryoter, inklusive medlemmar av det kliniskt viktiga släktet Streptococcus, är således permanent oförmögna att andas, även i närvaro av syre. Omvänt är många prokaryoter fakultativa, vilket innebär att om miljöförhållandena ändras så att det finns en lämplig oorganisk slutlig elektronacceptor för andning, kommer organismer som innehåller alla de gener som krävs för detta att övergå till cellulär andning för glukosmetabolism, eftersom andning möjliggör en mycket större ATP-produktion per glukosmolekyl.
Om respiration inte sker måste NADH återoxideras till NAD+ för att återanvändas som elektronbärare för glykolysen, cellens enda mekanism för att producera ATP, för att fortsätta. Vissa levande system använder en organisk molekyl (vanligen pyruvat) som slutlig elektronacceptor genom en process som kallas fermentering. Fermentering inbegriper inget elektrontransportsystem och producerar inte direkt någon ytterligare ATP utöver den som produceras under glykolysen genom fosforylering på substratnivå. Organismer som utför fermentering, så kallade fermenterare, producerar högst två ATP-molekyler per glukos under glykolysen. I tabell 1 jämförs de slutliga elektronacceptorerna och metoderna för ATP-syntes vid aerob respiration, anaerob respiration och fermentering. Observera att det antal ATP-molekyler som anges för glykolysen utgår från Embden-Meyerhof-Parnas-vägen. Antalet ATP-molekyler som framställs genom fosforylering på substratnivå (SLP) respektive oxidativ fosforylering (OP) anges.
| Tabell 1. Jämförelse mellan respiration och jäsning | ||||
|---|---|---|---|---|
| Typ av metabolism | Exempel | Finell elektronacceptor | Vägar som är involverade i ATP-syntesen (typ av fosforylering) | Maximal avkastning av ATP. Molekyler |
| Aerobisk respiration | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}}_{2} |
EMP-glykolys (SLP) Krebs-cykel (SLP) Elektrontransport och chemiosmos (OP): |
|
| Total | 38 | |||
| Anaerob respiration | Paracoccus denitrificans |
{{\text{NO}}_{3}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, andra oorganiska ämnen |
EMP-glykolys (SLP) Krebs-cykel (SLP) Elektrontransport och chemiosmos (OP): |
1-32 |
| Total | 5-36 | |||
| Fermentering | Candida albicans |
Organiska ämnen (vanligtvis pyruvat) |
EMP-glykolys (SLP) Fermentering |
|
| Total | 2 | |||
Mikrobiella fermentationsprocesser har manipulerats av människan och används i stor utsträckning vid produktion av olika livsmedel och andra kommersiella produkter, inklusive läkemedel. Mikrobiell fermentering kan också vara användbar för att identifiera mikrober för diagnostiska ändamål.
Fermentering av vissa bakterier, t.ex. i yoghurt och andra sura livsmedelsprodukter, och av djur i muskler under syrebrist, är mjölksyrafermentering. Den kemiska reaktionen vid mjölksyrajäsning är följande:
\text{Pyruvat + NADH}\text{ }\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{ }{\text{mjölksyra + NAD}}^{\text{+}}
Bakterier av flera grampositiva släkten, däribland Lactobacillus, Leuconostoc och Streptococcus, kallas gemensamt för mjölksyrabakterier (LAB), och olika stammar är viktiga inom livsmedelsproduktionen. Vid yoghurt- och osttillverkning denaturerar den mycket sura miljö som skapas av mjölksyrajäsningen proteiner i mjölken, vilket gör att den stelnar. När mjölksyra är den enda jäsningsprodukten kallas processen homolaktisk jäsning, vilket är fallet med Lactobacillus delbrueckii och S. thermophiles som används vid yoghurtproduktion. Många bakterier utför dock heterolaktisk jäsning och producerar en blandning av mjölksyra, etanol och/eller ättiksyra och koldioxid som resultat, eftersom de använder den förgrenade pentosfosfatvägen i stället för EMP-vägen för glykolys. En viktig heterolaktisk jäsare är Leuconostoc mesenteroides, som används för att syra grönsaker som gurka och kål och producera pickles respektive surkål.
Mjölksyrabakterier är också viktiga medicinskt sett. Produktionen av miljöer med lågt pH i kroppen hämmar etableringen och tillväxten av patogener i dessa områden. Till exempel består den vaginala mikrobiotan till stor del av mjölksyrabakterier, men när dessa bakterier reduceras kan jäst föröka sig och orsaka en jästinfektion. Dessutom är mjölksyrabakterier viktiga för att upprätthålla hälsan i mag-tarmkanalen och är som sådana den primära komponenten i probiotika.
En annan välkänd jäsningsprocess är alkoholjäsning, som producerar etanol. Reaktionen vid etanoljäsning visas i figur 1. I den första reaktionen tar enzymet pyruvatdekarboxylas bort en karboxylgrupp från pyruvat, vilket frigör koldioxidgas samtidigt som den tvåkoliga molekylen acetaldehyd bildas. I den andra reaktionen, som katalyseras av enzymet alkoholdehydrogenas, överförs en elektron från NADH till acetaldehyd, varvid etanol och NAD+ bildas. Etanoljäsningen av pyruvat av jästen Saccharomyces cerevisiae används vid framställning av alkoholhaltiga drycker och får även brödprodukter att stiga på grund av koldioxidproduktionen. Utanför livsmedelsindustrin är etanoljäsning av växtprodukter viktig vid produktion av biobränsle.
Figur 1. Här visas de kemiska reaktionerna vid alkoholjäsning. Etanoljäsning är viktig för produktion av alkoholhaltiga drycker och bröd.
Bortsett från mjölksyrajäsning och alkoholjäsning förekommer många andra jäsningsmetoder i prokaryoter, alla i syfte att säkerställa en adekvat tillförsel av NAD+ för glykolysen (tabell 2). Utan dessa vägar skulle glykolysen inte ske och inget ATP skulle utvinnas från nedbrytningen av glukos. Det bör noteras att de flesta former av jäsning förutom homolaktisk jäsning producerar gas, vanligen koldioxid och/eller vätgas. Många av dessa olika typer av jäsningsvägar används också i livsmedelsproduktionen och var och en resulterar i produktion av olika organiska syror, vilket bidrar till den unika smaken hos en viss fermenterad livsmedelsprodukt. Den propionsyra som produceras vid jäsning av propionsyra bidrar till den karakteristiska smaken hos t.ex. schweizisk ost.
Vissa jäsningsprodukter är viktiga kommersiellt utanför livsmedelsindustrin. Till exempel produceras kemiska lösningsmedel som aceton och butanol under aceton-butanol-etanoljäsning. Komplexa organiska läkemedelsföreningar som används i antibiotika (t.ex. penicillin), vacciner och vitaminer framställs genom fermentering med blandade syror. Fermenteringsprodukter används i laboratoriet för att särskilja olika bakterier i diagnostiskt syfte. T.ex. är tarmbakterier kända för sin förmåga att utföra jäsning med blandade syror och sänka pH-värdet, vilket kan påvisas med hjälp av en pH-indikator. På samma sätt kan bakterieproduktionen av acetoin under butandioljäsning påvisas. Gasproduktion från fermentering kan också ses i ett inverterat Durham-rör som fångar upp producerad gas i en buljongkultur.
Mikrober kan också differentieras enligt de substrat de kan fermentera. E. coli kan till exempel fermentera laktos och bilda gas, medan vissa av dess nära gramnegativa släktingar inte kan göra det. Förmågan att fermentera sockeralkoholen sorbitol används för att identifiera den patogena enterohemorragiska O157:H7-stammen av E. coli eftersom den till skillnad från andra E. coli-stammar inte kan fermentera sorbitol. Slutligen skiljer mannitoljäsning den mannitoljäsande Staphylococcus aureus från andra icke-mannitoljäsande stafylokocker.
| Tabell 2. Vanliga jäsningsvägar | |||
|---|---|---|---|
| Väg | Endprodukter | Exempelmikrober | Commersiella produkter |
| Aceton-butanol-etanol | Aceton, butanol, etanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Commersiella lösningsmedel, bensinalternativ |
| Alkohol | Etanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Bär, bröd |
| Butandiol | Myrsyra och mjölksyra; etanol; acetoin; 2,3 butandiol; CO2; vätgas | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnayvin |
| Buttersyra | Buttersyra, CO2, vätgas | Clostridium butyricum | Butter |
| Mjölksyra | Mjölksyra | Streptococcus, Lactobacillus | Surkål, yoghurt, ost |
| Blandad syra | Ättiksyra, myrsyra, mjölksyra och bärnstenssyra; etanol, CO2, vätgas | Escherichia, Shigella | Vinäger, kosmetika, läkemedel |
| Propionsyra | Ättiksyra, propionsyra, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Swiss cheese |
Tänk efter
- När skulle en metaboliskt mångsidig mikrob utföra fermentering i stället för cellandning?
Identifiering av bakterier med hjälp av API-testpaneler
Identifiering av ett mikrobiellt isolat är viktigt för korrekt diagnos och lämplig behandling av patienter. Forskare har utvecklat tekniker som identifierar bakterier utifrån deras biokemiska egenskaper. Typiskt sett undersöker de antingen användningen av specifika kolkällor som substrat för fermentering eller andra metaboliska reaktioner, eller så identifierar de fermenteringsprodukter eller specifika enzymer som förekommer i reaktionerna. Tidigare har mikrobiologer använt enskilda provrör och plattor för att utföra biokemiska tester. Forskare, särskilt i kliniska laboratorier, använder dock numera oftare multitestpaneler av plast som innehåller ett antal reaktionsrör i miniatyr, vart och ett med ett specifikt substrat och en pH-indikator. Efter inokulering av testpanelen med ett litet prov av mikroben i fråga och inkubation kan forskarna jämföra resultaten med en databas som innehåller de förväntade resultaten för specifika biokemiska reaktioner för kända mikrober, vilket gör det möjligt att snabbt identifiera en mikrob i provet. Dessa testpaneler har gjort det möjligt för forskare att minska kostnaderna och samtidigt förbättra effektiviteten och reproducerbarheten genom att utföra ett större antal tester samtidigt.
Många kommersiella, miniatyriserade biokemiska testpaneler täcker ett antal kliniskt viktiga grupper av bakterier och jästsvampar. En av de tidigaste och mest populära testpanelerna är Analytical Profile Index (API)-panelen som uppfanns på 1970-talet. När en viss grundläggande laboratoriekarakterisering av en viss stam har utförts, t.ex. bestämning av stammens Gram-morfologi, kan man använda en lämplig testremsa som innehåller 10-20 olika biokemiska tester för att särskilja stammar inom den mikrobiella gruppen. För närvarande kan de olika API-remsorna användas för att snabbt och enkelt identifiera mer än 600 arter av bakterier, både aeroba och anaeroba, och cirka 100 olika typer av jäst. Utifrån färgerna på reaktionerna när metaboliska slutprodukter förekommer, på grund av närvaron av pH-indikatorer, skapas en metabolisk profil utifrån resultaten (figur 2). Mikrobiologer kan sedan jämföra provets profil med databasen för att identifiera den specifika mikroben.
Figur 2. Testremsan API 20NE används för att identifiera specifika stammar av gramnegativa bakterier utanför Enterobacteriaceae. Här är ett resultat från API 20NE-testremsan för Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Kliniskt fokus: Alex, del 2
Detta exempel fortsätter Alex historia som började i Energi, materia och enzymer.
Många av Alex symptom stämmer överens med flera olika infektioner, inklusive influensa och lunginflammation. Hans tröga reflexer tillsammans med hans ljuskänslighet och stela nacke tyder dock på en möjlig inblandning i det centrala nervsystemet, vilket kanske tyder på hjärnhinneinflammation. Meningit är en infektion i cerebrospinalvätskan (CSF) runt hjärnan och ryggmärgen som orsakar inflammation i hjärnhinnorna, de skyddande skikten som täcker hjärnan. Meningit kan orsakas av virus, bakterier eller svampar. Även om alla former av meningit är allvarliga, är bakteriell meningit särskilt allvarlig. Bakteriell meningit kan orsakas av flera olika bakterier, men bakterien Neisseria meningitidis, en gramnegativ, bönformad diplocka, är en vanlig orsak och leder till döden inom 1-2 dagar hos 5-10 % av patienterna.
Med tanke på den potentiella allvarlighetsgraden av Alex’ tillstånd rådde hans läkare hans föräldrar att ta med honom till sjukhuset i Gambias huvudstad Banjul och där låta testa och behandla honom för eventuell meningit. Efter en tre timmar lång bilresa till sjukhuset blev Alex omedelbart inlagd. Läkarna tog ett blodprov och utförde en lumbalpunktion för att testa hans CSF. De började också omedelbart ge honom antibiotikumet ceftriaxon, som är det bästa läkemedlet för behandling av hjärnhinneinflammation orsakad av N. meningitidis, utan att vänta på resultaten från laboratorietesterna.
- Hur kan biokemiska tester användas för att bekräfta identiteten hos N. meningitidis?
- Varför beslutade läkarna att ge Alex antibiotika utan att vänta på testresultaten?
Vi återkommer till Alex exempel på senare sidor.
Nyckelbegrepp och sammanfattning
- Fermentering använder en organisk molekyl som slutlig elektronacceptor för att regenerera NAD+ från NADH så att glykolysen kan fortsätta.
- Fermentering involverar inte något elektrontransportsystem, och ingen ATP tillverkas direkt av fermenteringsprocessen. Fermenterare tillverkar mycket lite ATP – endast två ATP-molekyler per glukosmolekyl under glykolysen.
- Mikrobiella fermenteringsprocesser har använts för produktion av livsmedel och läkemedel samt för identifiering av mikrober.
- Under mjölksyrafermentering tar pyruvat emot elektroner från NADH och reduceras till mjölksyra. Mikrober som utför homolaktisk jäsning producerar endast mjölksyra som jäsningsprodukt; mikrober som utför heterolaktisk jäsning producerar en blandning av mjölksyra, etanol och/eller ättiksyra och koldioxid.
- Mjölksyraproduktion av den normala mikrobiota förhindrar tillväxt av patogener i vissa kroppsregioner och är viktig för hälsan i mag-tarmkanalen.
- Under etanoljäsning dekarboxyleras pyruvat först (med frigörande av koldioxid) till acetaldehyd, som sedan tar emot elektroner från NADH, vilket reducerar acetaldehyd till etanol. Etanoljäsning används för produktion av alkoholhaltiga drycker, för att få brödprodukter att jäsa och för produktion av biobränsle.
- Fermenteringsprodukter av vägar (t.ex. propionsyrajäsning) ger utmärkande smaker till livsmedelsprodukter. Fermentering används för att framställa kemiska lösningsmedel (aceton-butanol-etanoljäsning) och läkemedel (jäsning av blandade syror).
- Specifika typer av mikrober kan särskiljas genom sina jäsningsvägar och jäsningsprodukter. Mikrober kan också särskiljas efter de substrat de kan fermentera.
Multiple Choice
Vilket av följande är syftet med fermentering?
- att göra ATP
- att göra kolmolekylintermediärer för anabolism
- att göra NADH
- att göra NAD+
Vilken molekyl fungerar vanligtvis som den slutliga elektronacceptorn under jäsning?
- syre
- NAD+
- pyruvat
- CO2
Vilken jäsningsprodukt är viktig för att få brödet att jäsa?
- etanol
- CO2
- mjölksyra
- vätgas
Vilken av följande är inte en kommersiellt viktig jäsningsprodukt?
- etanol
- pyruvat
- butanol
- penicillin
Fyll i det tomma fältet
Den mikrob som är ansvarig för etanoljäsning i syfte att framställa alkoholhaltiga drycker är ________.
________ resulterar i produktion av en blandning av jäsningsprodukter, inklusive mjölksyra, etanol och/eller ättiksyra och CO2.
Fermenterande organismer tillverkar ATP genom processen ________.
Matching
Match jäsningsvägen med rätt kommersiell produkt som den används för att framställa:
| ___aceton-butanol-etanol-jäsning | a. bröd |
| ___alkoholjäsning | b. läkemedel |
| ___mjölksyrajäsning | c. Schweizisk ost |
| ___jäsning av blandad syra | d. Yoghurt |
| ___jäsning av propionsyra | e. industriella lösningsmedel |
Tänk efter
- Varför finns det vissa mikrober, däribland Streptococcus spp…,
- Hur kan fermentering användas för att särskilja olika typer av mikrober?
- Bakterien E. coli kan utföra aerob respiration, anaerob respiration och fermentering. När skulle den utföra varje process och varför? Hur tillverkas ATP i varje fall?
