8.4: Бродіння

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3935

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Визначте бродіння і поясніть, чому воно не вимагає кисню
Опишіть шляхи бродіння та їх кінцеві продукти та наведіть приклади мікроорганізмів, які використовують ці шляхи
Порівняйте і контрастуйте бродіння і анаеробне дихання

Багато клітин не в змозі здійснювати дихання через одного або декількох з наступних обставин:

Клітці не вистачає достатньої кількості будь-якого відповідного, неорганічного, кінцевого акцептора електронів для здійснення клітинного дихання.
Клітині не вистачає генів для створення відповідних комплексів та носіїв електронів у транспортній системі електронів.
Клітині не вистачає генів, щоб зробити один або кілька ферментів у циклі Кребса.

У той час як відсутність відповідного неорганічного кінцевого акцептора електронів є екологічно залежним, інші дві умови генетично визначені. Так, багато прокаріоти, включаючи представників клінічно важливого роду Streptococcus, постійно нездатні до дихання навіть в присутності кисню. І навпаки, багато прокаріоти є факультативними, тобто, якщо умови навколишнього середовища змінюються, щоб забезпечити відповідний неорганічний кінцевий акцептор електронів для дихання, організми, що містять всі гени, необхідні для цього, перейдуть на клітинне дихання для метаболізму глюкози, оскільки дихання дозволяє значно більше вироблення АТФ на молекулу глюкози.

Якщо дихання не відбувається, NADH повинен бути повторно окислений до NAD ⁺ для повторного використання в якості електронного носія для гліколізу, єдиного механізму клітини для виробництва будь-якого АТФ, щоб продовжити. Деякі живі системи використовують органічну молекулу (зазвичай піруват) як кінцевий акцептор електронів через процес, який називається ферментацією. Ферментація не передбачає транспортної системи електронів і безпосередньо не виробляє жодних додаткових АТФ, крім того, що утворюється під час гліколізу фосфорилювання на рівні субстрату. Організми, що здійснюють бродіння, звані ферментерами, при гліколізі виробляють максимум дві молекули АТФ на глюкозу. Таблиця\(\PageIndex{1}\) порівнює кінцеві акцептори електронів і методи синтезу АТФ при аеробному диханні, анаеробному диханні та ферментації. Зверніть увагу, що кількість молекул АТФ, показаних для гліколізу, передбачає шлях Емдена-Мейєргофа-Парнаса. Вказується кількість молекул АТФ, виготовлених фосфорилюванням на рівні субстрату (SLP) проти окислювального фосфорилювання (ОП).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Порівняння дихання та бродіння
Тип метаболізму	Приклад	Кінцевий акцептор електронів	Шляхи, що беруть участь у синтезі АТФ (тип фосфорилювання)	Максимальний вихід молекул АТФ
аеробне дихання	синьогнійна паличка	\(\ce{O2}\)	Гліколіз EMP (SLP) Цикл Кребса (SLP) Електронний транспорт і хеміосмос (ОП):	2 2 34
аеробне дихання	синьогнійна паличка	\(\ce{O2}\)	Всього	38
анаеробне дихання	Паракок денітрифікани	\(\ce{NO3-}\),\(\ce{SO4^{-2}}\),\(\ce{Fe^{+3}}\),\(\ce{CO2}\), інша неорганіка	Гліколіз EMP (SLP) Цикл Кребса (SLP) Електронний транспорт і хеміосмос (ОП):	2 2 1—32
анаеробне дихання	Паракок денітрифікани		Всього	5 — 36
Бродіння	Кандида Альбіканс	Органіка (зазвичай піруват)	Гліколіз EMP (SLP) Бродіння	2 0
Бродіння	Кандида Альбіканс	Органіка (зазвичай піруват)	Всього	2

Процеси мікробного бродіння маніпулювалися людьми і широко використовуються у виробництві різних харчових продуктів та інших комерційних продуктів, включаючи фармацевтичні препарати. Мікробна ферментація також може бути корисною для виявлення мікробів в діагностичних цілях.

Ферментація деякими бактеріями, як у йогурті та інших кислих харчових продуктах, а також тваринами в м'язах під час виснаження кисню, - це молочнокисле бродіння. Хімічна реакція молочнокислого бродіння полягає в наступному:

\[\ce{Pyruvate + NADH \leftrightarrow lactic\: acid + NAD+}\]

Бактерії декількох грампозитивних пологів, включаючи Lactobacillus, Leuconostoc та Streptococcus, спільно відомі як молочнокислі бактерії (LAB), а різні штами мають важливе значення у виробництві харчових продуктів. Під час виробництва йогурту та сиру висококисле середовище, що утворюється молочнокислим бродінням, денатурує білки, що містяться в молоці, змушуючи його затвердіти. Коли молочна кислота є єдиним продуктом бродіння, процес, як кажуть, гомолактичне бродіння; таке стосується Lactobacillus delbrueckii та S. thermophiles, що використовуються у виробництві йогурту. Однак багато бактерій здійснюють гетеролактичну ферментацію, утворюючи суміш молочної кислоти, етанолу та/або оцтової кислоти та СО ₂ в результаті, через їх використання розгалуженого пентозно-фосфатного шляху замість шляху EMP для гліколізу. Одним з важливих гетеролактичних ферментерів є Leuconostoc mesenteroides, який використовується для квашення овочів, таких як огірки та капуста, отримання солоних огірків та квашеної капусти відповідно.

Молочнокислі бактерії також важливі медикаментозно. Вироблення середовищ з низьким рН всередині організму гальмує встановлення та ріст патогенів у цих областях. Наприклад, вагінальна мікробіота складається в основному з молочнокислих бактерій, але коли ці бактерії зменшуються, дріжджі можуть розмножуватися, викликаючи дріжджову інфекцію. Крім того, молочнокислі бактерії важливі для підтримки здоров'я шлунково-кишкового тракту і, як такі, є основним компонентом пробіотиків.

Ще один знайомий процес бродіння - спиртове бродіння, при якому утворюється етанол. Реакція бродіння етанолу показана на рис\(\PageIndex{1}\). У першій реакції фермент піруватдекарбоксилаза видаляє карбоксильну групу з пірувату, виділяючи газ CO ₂, утворюючи двовуглецеву молекулу ацетальдегіду. Друга реакція, каталізована ферментом спиртово-дегідрогеназою, переносить електрон від НАДГ до ацетальдегіду, виробляючи етанол і NAD ⁺. Етанолове бродіння пірувату дріжджами Saccharomyces cerevisiae використовується у виробництві алкогольних напоїв, а також призводить до зростання хлібних виробів за рахунок виробництва CO ₂. Поза харчовою промисловістю ферментація етанолу рослинних продуктів має важливе значення у виробництві біопалива.

Піровиноградна кислота перетворюється в СО2 іацетальдегід. Ацетальдегід перетворюється в етанол; в цьому процесі NADH перетворюється в NAD + — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Хімічні реакції спиртового бродіння показані тут. Бродіння етанолу має важливе значення при виробництві алкогольних напоїв і хліба.

Крім молочнокислого бродіння та спиртового бродіння, у прокаріотів відбувається багато інших методів бродіння, все з метою забезпечення адекватного надходження NAD ⁺ для гліколізу (табл.\(\PageIndex{2}\)). Без цих шляхів гліколіз не відбувся б, і жоден АТФ не збирався б з розщеплення глюкози. Слід зазначити, що більшість форм бродіння, крім гомолактичного бродіння, виробляють газ, зазвичай СО ₂ та/або газ водню. Багато з цих різних типів шляхів бродіння також використовуються у виробництві харчових продуктів, і кожен призводить до виробництва різних органічних кислот, сприяючи унікальному смаку конкретного ферментованого харчового продукту. Наприклад, пропіонова кислота, що утворюється під час бродіння пропіонової кислоти, сприяє відмінному смаку швейцарського сиру.

Кілька продуктів бродіння важливі комерційно поза харчовою промисловістю. Наприклад, хімічні розчинники, такі як ацетон і бутанол, виробляються під час бродіння ацетон-бутанол-етанол. Комплексні органічні фармацевтичні сполуки, що використовуються в антибіотиках (наприклад, пеніцилін), вакцини та вітаміни, виробляються шляхом змішаного кислотного бродіння. Продукти бродіння використовуються в лабораторії для диференціації різних бактерій в діагностичних цілях. Наприклад, кишкові бактерії відомі своєю здатністю здійснювати змішану кислотну ферментацію, знижуючи рН, яку можна виявити за допомогою показника рН. Так само може бути виявлено бактеріальне вироблення ацетоїну під час бродіння бутандіолу. Виробництво газу від бродіння також можна побачити в перевернутій трубці Дарем, яка затримує вироблений газ у бульйонній культурі.

Мікроби також можна диференціювати відповідно до субстратів, які вони можуть бродити. Наприклад, кишкова паличка може бродити лактозу, утворюючи газ, тоді як деякі її близькі грамнегативні родичі не можуть. Здатність до бродіння цукрового спирту сорбіту використовується для ідентифікації патогенного ентерогеморагічного штаму O157:H7 кишкової палички, оскільки, на відміну від інших штамів кишкової палички, він не здатний ферментувати сорбіт. Нарешті, манітолове бродіння диференціює манітол-ферментуючий золотистий стафілокок від інших стафілококів, що не ферментують маніт.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Загальні шляхи бродіння
Шляхи	Кінцеві продукти	Приклад мікробів	Комерційні продукти
Ацетон-бутанол-етанол	Ацетон, бутанол, етанол, СО ₂	Клостридій ацетобутилікум	Комерційні розчинники, альтернатива бензину
Алкоголь	Етанол, СО ₂	Candida, Сахароміцети	Пиво, хліб
Бутандіол	Мурашина і молочна кислоти; етанол; ацетоїн; 2,3 бутандіол; СО ₂; водневий газ	Клебсієла, Ентеробактер	Вино Шардоне
Масляна кислота	Масляна кислота, СО ₂, газ водень	Клостридій маслянистий	Вершкове масло
Молочна кислота	Молочна кислота	Стрептококи, лактобактерії	Квашена капуста, йогурт, сир
Змішана кислота	Оцтова, мурашина, молочна та бурштинова кислоти; етанол, СО ₂, газ водню	Ешерихия, Шигелла	Оцет, косметика, фармацевтика
пропіонова кислота	Оцтова кислота, пропіонова кислота, СО ₂	Пропіонібактерія, Біфідобактерії	Швейцарський сир

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Коли метаболічно універсальний мікроб здійснював ферментацію, а не клітинне дихання?

Визначення бактерій за допомогою тестових панелей API

Ідентифікація мікробного ізоляту має важливе значення для правильної діагностики та відповідного лікування пацієнтів. Вчені розробили методики, що визначають бактерії за їх біохімічними характеристиками. Зазвичай вони або вивчають використання конкретних джерел вуглецю в якості субстратів для бродіння або інших обмінних реакцій, або виявляють продукти бродіння або специфічні ферменти, присутні в реакціях. У минулому мікробіологи використовували індивідуальні пробірки і пластини для проведення біохімічного тестування. Однак вчені, особливо в клінічних лабораторіях, зараз частіше використовують пластикові одноразові мультитестові панелі, які містять ряд мініатюрних реакційних пробок, кожна з яких зазвичай включає певний субстрат і показник рН. Після інокуляції тестової панелі невеликим зразком розглянутого мікроба та інкубації вчені можуть порівняти результати з базою даних, яка включає очікувані результати для конкретних біохімічних реакцій для відомих мікробів, тим самим забезпечуючи швидку ідентифікацію зразка мікроба. Ці тестові панелі дозволили вченим знизити витрати при одночасному підвищенні ефективності та відтворюваності шляхом одночасного виконання більшої кількості тестів.

Багато комерційних мініатюризованих біохімічних тест-панелей охоплюють ряд клінічно важливих груп бактерій і дріжджів. Однією з найбільш ранніх і найпопулярніших тестових панелей є панель аналітичного профілю (API), винайдена в 1970-х роках. Після того, як була проведена деяка базова лабораторна характеристика даного штаму, наприклад, визначення морфології грама штаму, може бути використана відповідна тест-смужка, яка містить від 10 до 20 різних біохімічних тестів для диференціювання штамів в межах цієї мікробної групи. В даний час різні смужки API можуть бути використані для швидкої та легкої ідентифікації понад 600 видів бактерій, як аеробних, так і анаеробних, і приблизно 100 різних типів дріжджів. Виходячи з кольорів реакцій при наявності кінцевих продуктів метаболізму, за рахунок наявності показників рН за результатами створюється метаболічний профіль (рис.\(\PageIndex{2}\)). Потім мікробіологи можуть порівняти профіль зразка з базою даних для ідентифікації конкретного мікроба.

Смужка з бульбашками, що містять рідини. ДНПГ зрозуміла. АДГ рожевого кольору. LDC жовтий, ODC - жовтий. Місто зелене. H2S зрозумілий. URE жовтого кольору. TDA жовтий IND білий. VP - це пінг. GEL має чорну смугу. ГЛУ жовтого кольору. MA - зелений. IND зелений. SOR має зелений колір. RHA має зелений колір. SAC має зелений колір. Мел зелений. AMY зелений ARA зелений. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Тест-смужка API 20NE використовується для ідентифікації специфічних штамів грамнегативних бактерій поза Enterobacteriaceae. Ось результат тест-смужки API 20NE для *Photobacterium damselae* ssp. *рибцида*.

Клінічна спрямованість: Частина 2

Багато симптомів Ханни узгоджуються з кількома різними інфекціями, включаючи грип та пневмонію. Однак її мляві рефлекси разом з світлочутливістю і жорсткою шиєю говорять про деяке можливе залучення центральної нервової системи, можливо, свідчить про менінгіт. Менінгіт - це інфекція спинномозкової рідини (спинномозкової рідини) навколо головного та спинного мозку, що викликає запалення мозкових оболонок, захисних шарів, що покривають головний мозок. Менінгіт може бути викликаний вірусами, бактеріями або грибками. Хоча всі форми менінгіту серйозні, бактеріальний менінгіт особливо серйозний. Бактеріальний менінгіт може бути викликаний декількома різними бактеріями, але бактерія Neisseria meningitidis, грамнегативний, бобоподібний диплокок, є поширеною причиною і призводить до смерті протягом 1-2 днів у 5% - 10% пацієнтів.

Враховуючи потенційну серйозність умов Ханни, її лікар порадив батькам відвезти її до лікарні в столиці Гамбії Банжула, і там її проаналізували та лікували можливий менінгіт. Після 3-годинної їзди до лікарні Ханна була негайно прийнята. Лікарі взяли зразок крові і виконали люмбальну пункцію, щоб перевірити її ліквору. Вони також негайно почали її на курс антибіотика цефтриаксона, препарату вибору для лікування менінгіту, викликаного N. meningitidis, не чекаючи результатів лабораторних досліджень.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Як може бути використано біохімічне тестування для підтвердження ідентичності N. meningitidis?
Чому лікарі Ханни вирішили вводити антибіотики, не чекаючи результатів аналізів?

Ключові поняття та резюме

Ферментація використовує органічну молекулу як кінцевий акцептор електронів для регенерації NAD ⁺ з NADH, щоб гліколіз міг продовжуватися.
Ферментація не передбачає транспортної системи електронів, і жоден АТФ не проводиться безпосередньо процесом бродіння. Ферментери роблять дуже мало АТФ - лише дві молекули АТФ на молекулу глюкози під час гліколізу.
Процеси мікробної ферментації були використані для виробництва харчових продуктів і фармацевтичних препаратів, а також для ідентифікації мікробів.
Під час молочнокислого бродіння піруват приймає електрони від НАДГ і відновлюється до молочної кислоти. Мікроби, які здійснюють гомолактичну ферментацію, в якості продукту бродіння виробляють тільки молочну кислоту; мікроби, що здійснюють гетеролактичне бродіння, виробляють суміш молочної кислоти, етанолу і/або оцтової кислоти і СО ₂.
Вироблення молочної кислоти нормальною мікробіоти запобігає зростанню патогенів у певних регіонах організму і має важливе значення для здоров'я шлунково-кишкового тракту.
Під час ферментації етанолу піруват спочатку декарбоксилюється (виділяючи СО ₂) до ацетальдегіду, який потім приймає електрони від NADH, відновлюючи ацетальдегід до етанолу. Ферментація етанолу використовується для виробництва алкогольних напоїв, для підняття хлібних виробів, а також для виробництва біопалива.
Продукти бродіння шляхів (наприклад, бродіння пропіонової кислоти) забезпечують характерні ароматизатори харчових продуктів. Ферментація використовується для отримання хімічних розчинників (ферментація ацетон-бутанол-етанол) і фармацевтичних препаратів (змішане кислотне бродіння).
Конкретні види мікробів можна розрізнити за шляхами бродіння і продуктами. Мікроби також можна диференціювати відповідно до субстратів, які вони здатні бродити.