8.4 Fermentatie - Microbiologie | OpenStax (2023)

Veel cellen zijn niet in staat om te ademen vanwege een of meer van de volgende omstandigheden:

1. De cel mist een voldoende hoeveelheid van een geschikte, anorganische, laatste elektronenacceptor om cellulaire ademhaling uit te voeren.
2. De cel mist genen om geschikte complexen en elektronendragers te maken in het elektronentransportsysteem.
3. De cel mist genen om een ​​of meer enzymen in de Krebs-cyclus te maken.

Terwijl het ontbreken van een geschikte anorganische laatste elektronenacceptor omgevingsafhankelijk is, zijn de andere twee aandoeningen genetisch bepaald. Dus veel prokaryoten, waaronder leden van het klinisch belangrijke geslachtStreptokokken, zijn permanent niet in staat om te ademen, zelfs niet in aanwezigheid van zuurstof. Omgekeerd zijn veel prokaryoten facultatief, wat betekent dat, als de omgevingsomstandigheden veranderen om een ​​geschikte anorganische laatste elektronenacceptor voor ademhaling te bieden, organismen die alle genen bevatten die daarvoor nodig zijn, zullen overschakelen op cellulaire ademhaling voor glucosemetabolisme, omdat ademhaling een veel grotere ATP-productie per glucosemolecuul mogelijk maakt.

Als er geen ademhaling plaatsvindt, moet NADH opnieuw worden geoxideerd tot NAD⁺voor hergebruik als elektronendrager voor glycolyse, het enige mechanisme van de cel voor het produceren van ATP, om door te gaan. Sommige levende systemen gebruiken een organisch molecuul (gewoonlijk pyruvaat) als een laatste elektronenacceptor via een proces genaamdfermentatie. Bij fermentatie is geen elektronentransportsysteem betrokken en er wordt niet direct extra ATP geproduceerd naast het ATP dat wordt geproduceerd tijdens glycolyse door fosforylering op substraatniveau. Organismen die fermentatie uitvoeren, fermentoren genoemd, produceren tijdens de glycolyse maximaal twee ATP-moleculen per glucose.Tabel 8.2vergelijkt de uiteindelijke elektronenacceptoren en methoden van ATP-synthese bij aerobe ademhaling, anaerobe ademhaling en fermentatie. Merk op dat het aantal getoonde ATP-moleculen voor glycolyse uitgaat van dePad Embden-Meyerhof-Parnas. Het aantal ATP-moleculen gemaakt doorfosforylering op substraatniveau(SLP) tegenoxidatieve fosforylering(OP) zijn aangegeven.

Microbiële fermentatieprocessen zijn door mensen gemanipuleerd en worden op grote schaal gebruikt bij de productie van verschillende voedingsmiddelen en andere commerciële producten, waaronder farmaceutische producten. Microbiële fermentatie kan ook nuttig zijn voor het identificeren van microben voor diagnostische doeleinden.

Fermentatie door sommige bacteriën, zoals die in yoghurt en andere verzuurde voedingsproducten, en door dieren in spieren tijdens zuurstoftekort, ismelkzuur fermentatie. De chemische reactie van melkzuurfermentatie is als volgt:

$$\text{Pyruvaat + NADH}\stackrel{}{\leftrightarrow }{\text{melkzuur+NAD}}^{\text{+}}$$

Bacteriën van verschillende grampositieve geslachten, waaronderLactobacillus,Leuconostok, EnStreptokokken, staan ​​gezamenlijk bekend als demelkzuurbacteriën (LAB), en verschillende soorten zijn belangrijk bij de voedselproductie. TijdensyoghurtEnkaasproductie, denatureert de zeer zure omgeving die wordt gegenereerd door melkzuurfermentatie de eiwitten in melk, waardoor deze stolt. Wanneer melkzuur het enige fermentatieproduct is, wordt het proces genoemdhomolactische gisting; dat is het geval voorLactobacillus delbrueckiiEnS. thermofielengebruikt bij de productie van yoghurt. Veel bacteriën presteren echterheterolactische gisting, waarbij een mengsel van melkzuur, ethanol en/of azijnzuur en CO wordt geproduceerd₂als resultaat, vanwege hun gebruik van de vertakte pentosefosfaatroute in plaats van de EMP-route voor glycolyse. Een belangrijke heterolactische vergister isLeuconostoc mesenteroides, dat wordt gebruikt voor het verzuren van groenten zoals komkommers en kool, respectievelijk voor het produceren van augurken en zuurkool.

Melkzuurbacteriën zijn ook medisch belangrijk. De productie van lage pH-omgevingen in het lichaam remt de vestiging en groei van ziekteverwekkers in deze gebieden. De vaginale microbiota bestaat bijvoorbeeld grotendeels uit melkzuurbacteriën, maar wanneer deze bacteriën worden verminderd, kan gist zich vermenigvuldigen en een schimmelinfectie veroorzaken. Bovendien zijn melkzuurbacteriën belangrijk voor het behoud van de gezondheid van het maagdarmkanaal en zijn ze als zodanig het belangrijkste bestanddeel van probiotica.

Een ander bekend fermentatieproces isalcohol fermentatie, die ethanol produceert. De ethanolfermentatiereactie wordt getoond inAfbeelding 8.17. In de eerste reactie het enzympyruvaat decarboxylaseverwijdert een carboxylgroep uit pyruvaat, waarbij CO vrijkomt₂gas terwijl het acetaldehyde met twee koolstofatomen wordt geproduceerd. De tweede reactie, gekatalyseerd door het enzym alcohol dehydrogenase, brengt een elektron over van NADH naar acetaldehyde, waarbij ethanol en NAD worden geproduceerd⁺. De ethanolfermentatie van pyruvaat door de gistSaccharomyces cerevisiaewordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken en doet ook broodproducten rijzen door CO₂productie. Buiten de voedingsindustrie is ethanolfermentatie van plantaardige producten belangrijk inbiobrandstofproductie.

Figuur8.17 De chemische reacties van alcoholfermentatie worden hier getoond. Ethanolfermentatie is belangrijk bij de productie van alcoholische dranken en brood.

Naast melkzuurfermentatie en alcoholfermentatie komen er veel andere fermentatiemethoden voor in prokaryoten, allemaal met als doel een voldoende aanvoer van NAD te verzekeren.⁺voor glycolyse (Tabel 8.3). Zonder deze routes zou er geen glycolyse plaatsvinden en zou er geen ATP worden geoogst uit de afbraak van glucose. Opgemerkt moet worden dat de meeste vormen van fermentatie bovendienhomolactische gistingproduceren gas, meestal CO₂en/of waterstofgas. Veel van deze verschillende soorten fermentatieroutes worden ook gebruikt bij de voedselproductie en elk resulteert in de productie van verschillende organische zuren, die bijdragen aan de unieke smaak van een bepaald gefermenteerd voedingsproduct. Het geproduceerde propionzuur tijdenspropionzuur fermentatiedraagt ​​bij aan de kenmerkende smaak van bijvoorbeeld Zwitserse kaas.

Verschillende fermentatieproducten zijn commercieel belangrijk buiten de voedingsindustrie. Bijvoorbeeld chemische oplosmiddelen zoalsacetonEnbutanolworden geproduceerd tijdensfermentatie van aceton-butanol-ethanol. Complexe organische farmaceutische verbindingen die worden gebruikt in antibiotica (bijvoorbeeld penicilline), vaccins en vitamines worden geproduceerd door middel vangemengde zure gisting. Fermentatieproducten worden in het laboratorium gebruikt om verschillende bacteriën te differentiëren voor diagnostische doeleinden. Darmbacteriën staan ​​bijvoorbeeld bekend om hun vermogen om gemengde zure fermentatie uit te voeren, waardoor de pH wordt verlaagd, wat kan worden gedetecteerd met behulp van een pH-indicator. Evenzo kan ook de bacteriële productie van acetoïne tijdens de fermentatie van butaandiol worden gedetecteerd. Gasproductie door fermentatie is ook te zien in een omgekeerde Durham-buis die geproduceerd gas opsluit in een bouilloncultuur.

Microben kunnen ook worden onderscheiden op basis van de substraten die ze kunnen fermenteren. Bijvoorbeeld,E colikan lactose fermenteren en gas vormen, terwijl sommige van zijn naaste gramnegatieve verwanten dat niet kunnen. Het vermogen om de suikeralcoholsorbitol te fermenteren wordt gebruikt om de pathogene enterohemorragische O157:H7-stam vanE coliomdat, in tegenstelling tot andereE colistammen, is het niet in staat sorbitol te fermenteren. Ten slotte onderscheidt mannitolfermentatie de mannitolfermentatieStaphylococcus aureusvan andere niet-mannitol-fermenterende stafylokokken.

Micro-verbindingen

Bacteriën identificeren met behulp van API-testpanels

Identificatie van een microbieel isolaat is essentieel voor de juiste diagnose en passende behandeling van patiënten. Wetenschappers hebben technieken ontwikkeld die bacteriën identificeren op basis van hun biochemische eigenschappen. Meestal onderzoeken ze ofwel het gebruik van specifieke koolstofbronnen als substraten voor fermentatie of andere metabolische reacties, ofwel identificeren ze fermentatieproducten of specifieke enzymen die in reacties aanwezig zijn. In het verleden hebben microbiologen individuele reageerbuizen en platen gebruikt om biochemische tests uit te voeren. Wetenschappers, vooral die in klinische laboratoria, gebruiken nu echter vaker plastic, wegwerpbare multitestpanelen die een aantal miniatuurreactiebuisjes bevatten, elk met een specifiek substraat en een specifieke pH-indicator. Na inoculatie van het testpanel met een klein monster van de microbe in kwestie en incubatie, kunnen wetenschappers de resultaten vergelijken met een database die de verwachte resultaten bevat voor specifieke biochemische reacties voor bekende microben, waardoor een snelle identificatie van een monstermicrobe mogelijk wordt. Dankzij deze testpanels konden wetenschappers kosten besparen en tegelijkertijd de efficiëntie en reproduceerbaarheid verbeteren door een groter aantal tests tegelijkertijd uit te voeren.

Veel commerciële, geminiaturiseerde biochemische testpanels dekken een aantal klinisch belangrijke groepen bacteriën en gisten af. Een van de vroegste en meest populaire testpanels is het Analytical Profile Index (API)-panel dat in de jaren zeventig is uitgevonden. Zodra enige basislaboratoriumkarakterisering van een bepaalde stam is uitgevoerd, zoals het bepalen van de Gram-morfologie van de stam, kan een geschikte teststrip worden gebruikt die 10 tot 20 verschillende biochemische tests bevat om stammen binnen die microbiële groep te differentiëren. Momenteel de verschillendeAPI-stripskan worden gebruikt om snel en gemakkelijk meer dan 600 soorten bacteriën te identificeren, zowel aëroob als anaëroob, en ongeveer 100 verschillende soorten gisten. Op basis van de kleuren van de reacties wanneer metabolische eindproducten aanwezig zijn, wordt door de aanwezigheid van pH-indicatoren een metabolisch profiel gemaakt van de resultaten (Afbeelding 8.18). Microbiologen kunnen vervolgens het profiel van het monster vergelijken met de database om de specifieke microbe te identificeren.

Figuur8.18 De API 20NE-teststrip wordt gebruikt om specifieke stammen van gramnegatieve bacteriën buiten de Enterobacteriaceae te identificeren. Hier is een API 20NE-teststripresultaat voorFotobacterium damselaesp.piscicide.