ODDYCHANIE BEZTLENOWE – regeneracja koenzymów
ODDYCHANIE AZOTANOWE:
Ostatecznym akceptorem jest azotan – NO3-
1. Denitryfikacja (tlenowce) (fosforylacja oksydacyjna) – produktem jest azot cząsteczkowy; w warunkach beztlenowych: NO3-NO2-N2 (np. Paracoccus denitryficans); można go zakwalifikować jako proces kataboliczny;
2. Amonifikacja azotanów – produktem jest jon amonowy; redukcja dysymilacyjna (wtedy uwalnianie jonów amonowych do otoczenia, zaangażowany łańcuch redox i fosforylacja) lub asymilacyjna (są włączane w struktury): NO3-NO2-NH4+ (uwalnianie lub budulec); (np. E.coli, E. aerogenes – fakultatywne beztlenowce); będzie to redukcja kataboliczna (uwalnianie do podłoża produktu oraz fosforylacja oksydacyjna), gdy nadmiar związku NH4+, ale może też być anaboliczne, przy włączaniu azotu; enzym: reduktaza azotanowa A – umożliwia korzystanie z azotanów, jako ostatecznego akceptora
Amonifikacja anaboliczna – asymilacyjna redukcja azotanów – azotan jest włączany w strukturę, jest to proces wymagający energii; zachodzi w warunkach zarówno tlenowych jak i beztlenowych; NH4+ - budulec; podlega regulacji zależnej od stężenia jonów amonowych, gdy jest ono duże to inhibicja procesu (reduktaza amonowa typu B będzie inhibowana, gdy w podłożu będzie wysokie stężenie jonów amonowych); elektrony pochodzą z NADPH – najważniejsze źródło (lub ewentualnie z FdH2 – ferredoksyna); brak fosforylacji, brak utworzenia ATP; białka cytoplazmatyczne [FeS]
Donory [H+] – głównie związki organiczne.
Jeśli jest tlen to bezwzględnie prowadzą oddychanie tlenowe, bo tlen powoduje inhibicję enzymów; jeśli znajdują się w podłożu jony azotanowe – wtedy dopiero indukcja enzymów; jeśli jest nadmiar tych jonów to jest uwalniane NO.
REDUKCJA SIARCZANÓW – ODDCYCHANIE SIARCZANOWE
Dotyczy bezwzględnych beztlenowców – bakterie sulfidogenne
Mikroorganizm – donor H+
Desulfovibrio – mleczan
Desulfobacterium – H2
Desulfococcus – H2
Desulfonomonas – octan
Desulfobacillus – propionian
Desulfosarcina – maślan
Thermosulfobacterium – mrówczan
Desulfonema G(-) – etanol, kwas tłuszczowe
Desulfotomaculum G(+), sporulująca – H2, mleczan
Archeoglobus – H2
Korzystające ze źródeł H2 (nieorganicznych źródeł protonów) – mają kompleksy hydrogenazy (wielopodjednostkowe białko, utlenia wodór do H+ i umożliwia transport do wnętrza komórki) – aktywują H2;
Mogą też wiązać autotroficznie CO2
Donor wodoru (transport elektronów, fosforylacja oksydacyjna – utworzenie ATP – redukcja kataboliczna, cyt.c) powstaje H2S (przez różne stopnie utlenienia siarki, od SO42-, prezz sO32-, S2O62-)
Istnieje też proces anaboliczny, bo H2S może być włączany do struktur komórki; siarczan nie jest tak prosto redukowany, musi ulec aktywacji kosztem ATP do APS (kluczowy związek dla metabolizmu, adenozynofosfotiosiarczan); może on być wykorzystany drogą redukcji katabolicznej (dochodzi do fosforylacji), ale gdy deficyt siarki w komórce to redukcja anaboliczna (proces anaboliczny wymaga jeszcze jednej cząsteczki ATP – powstaje PAPS – fosforan adenozynofosfotriosiarczanu) wykorzystane równoważniki redukujące, produkt włączany
ZNACZENIE BAKTERII DESULFURYKACYJNYCH
Żyją głównie w osadach dennych (beztlenowce) – konsekwencją tego jest siarkowodór korzystny dla bakterii, gdy uwalniany jest na zewnątrz to w środowisku protony i S na -2 – powoduje to utlenienie żelaza na +2 stopniu utlenienia, które może zostać wykorzystane w komórce, dlatego ten organizm może żyć w pobliżu rud żelaza, które jest wykorzystywane na korzyść bakterii; utlenianie żelaza też nie jest procesem jednostopniowym
ODDYCHANIE SIARKOWE – S – akceptor el. z łańcucha oddechowego
Symbioza z bakteriami prowadzącymi fotosyntezę – siarkowodór jest donorem elektronów dla bakterii fotosyntetyzujących (przy fotosyntezie beztlenowej); wydzielana jest siarka, która jest z kolei akceptorem w oddychaniu beztlenowym
ARCHEONY – TEŻ REDUKUJĄ SIARKĘ
Np. Pyrodictum occultum, P. brockii
Ścisłe beztlenowce, termofilne i kwasolubne
H2 – donor elektronów
S – akceptor elektronów
Żeby hodować archeony trzeba spełnić określone warunki i mieć określony sprzęt, dlatego badania nad nimi przebiegają wolno
REDUKCJA WĘGLANÓW DO CH4 – CO2 – akceptor el. Oddychanie węglanowe – metanogeny
Produktem będzie metan
Methanococcus; Methanosarcina; Methanospirillum – archeony, a nie bakterie właściwe
1. Brak typowej mureiny – ani G(+), ani G(-)
2. Ścisłe beztlenowce
3. Głównie H2 – donor H+, (też zw. Organiczne C1, C2 (włączane na określonym etapie)) – mają te bakterie kompleks hydrogenazy
4. Oddychanie węglanowe – chemolitoautotrofy, gdy: H2 – donor H+; CO2 – akceptor elektronów i jego źródła – wtedy proces anaboliczny
Metanogeny muszą żyć w symbiozie naturalnej z bakteriami dostarczającymi wodór – są to np. niektóre bakterie prowadzące reakcje fermentacyjne; metanogeny to źródło biogazu
ODDYCHANIE WĘGLANOWE – METANOGENY
1. Redukcja dysymilacyjna węglanu – uwalnianie metanu, wielostopniowa redukcja; proces fosforylacji na poziomie łańcucha redox (czyli oksydacyjna); bilans będzie inny, bo łańcuch będzie krótszy
Część metanogenów redukuje CO – też prowadzi do powstania metanu do podłoża, gdy brak wodoru
Możemy jeszcze otrzymać jeden produkt – octan (z dwóch cząsteczek CO2), który będzie wydzielany do podłoża; acetogeny; Clostridium aceticum G(+) – autotrof (H2, CO2); beztlenowce – chemolitoautotrofy (ale też mogą być anaboliczne, gdy octan jest włączany)
2. Redukcje anaboliczne CO2; metanogeny – Gdy CH4 służy do budowy składników komórkowych – redukcja asymilacyjna (anaboliczna) – chemoautotrofy, ponieważ źródłem węgla jest CO2; włączanie CO2 – reduktywny szlak acetylo-CoA – alternatynwy dla cyklu Calvina (występuje tylko u prokariota); octan wykorzystywany jest tutaj przez komórkę; już acetylo-CoA może być wykorzystywany przez komórkę, bądź dopiero pirogronianu
ODDYCHANIE FUMARANOWE
Ostateczny akceptor el. Z łańcucha
Wyjątek!! – akceptory protonów i elektronów tutaj jest związek organiczny, a elektrony pochodzą z łańcucha redox.
Występuje u E. coli; proteus; salmonella; bacteroides; propionibacterium;
Chemoorganotrofy – donor H+ - związki organiczne;
glukoza – katabolizowana – szlak FBP
ODDYCHANIE ŻELAZOWE
Możliwe dzięki enzymowi – reduktaza azotanowa A: Fe III do Fe II – gdy brak azotanów
Alteromonas: brak O2 – wtedy redukcja Fe +III ; źródło C – octan; źródło H+ - H2
FERMENTACJE
Zachodzi bez łańcucha oksydoredukcyjnego; nie są to procesy korzystne energetycznie dla komórek; ale czasami konieczna jest regeneracja koenzymów (NADH; NADPH; FADH2)
Fermentacje beztlenowe – proces biochemicznej regeneracji ATP – drogą fosforylacji substratowych
Mechanizm uwalniania wodoru: najczęściej donor i akceptor H+ to związek organiczny; brak łańcucha redox!!
FOSFORYLACJE SUBSTRATOWE
1. Kinaza fosfoglicerynianowa
2. Kinaza pirogronianowa
3. Kinaza octanowa (pierwszy warunek, niezależnie od organizmu jest to ta sama kinaza) – może dać EXTRA ATP – katalizuje reakcję, której substratem jest acetylofosforan (lub fosforan kwasu masłowego) – uwalniany jest octan lub maślan i fosforylowane jest ATP
Może dojść do:
Acetylo-CoA + Pi (acetylotransferaza fosforanowa) Acetylo~P +Co-A
Przykłady procesów umożliwiających dodatkową fosforylację (bezwzględnym warunkiem jest posiadanie kinazy octanowej):
1. Gdy katabolizm heksoz: cykl pentozofosforanowy – może dać dwa produkty: GAP – dalej w fermentacji akceptor el. i H+; niektóre bakterie wykorzystają: Acetylo~P – może być źródłem dodatkowego ATP (ale musi być enzym – kinaza octanowa; a GAP musi być akceptorem i być uwalniany w postaci glicerolu)
2. Gdy bakterie mogą utleniać H2 (aktywowany przez hydrogenazę), nie trzeba organicznych akceptorów wodoru; H+ posłuży do redukcji NADH; otrzymamy wodór H2 i zredukowany koenzym; WYJĄTEK, bo akceptorem jest związek nieorganiczny (tak jak fumaran w przypadku oddychania, tyle że tam typowy był nieorganiczny)
KORELACJA PRZEKSZTAŁCANIA PIROGRONIANU Z OKREŚLONYM TYPEM FERMENTACJI:
1. Typ 1:
Występuje u większości bakterii w warunkach beztlenowych; NADH jest regenerowany – utleniany, a redukcji ulega akceptor organiczny – fermentacje beztlenowe
2. Typ 2 – „typu Clostridium”:
Charakterystyczny dla bakterii z rodzaju Clostridium; 2FDH(hydrogenaza) 2Fd+ H2; wtedy nie jest potrzebna synteza organicznych akceptorów dla protonów i elektronów; w związku z tym powstały AcetyloCoA może być źródłem dodatkowego ATP
3. Typ 3 – „typu Enterobacteriaceae”:
Charakterystyczny dla tego rodzaju bakterii; mrówczan(liaza:H2:CO2) H2 + CO2; jest to liaza mrówczan wodór, dwutlenek węgla; wtedy nie jest potrzebna synteza organicznych akceptorów dla protonów i elektronów
FERMENTACJA ALKOHOLOWA
C6H12O6 CO2 + 2C2H5OH
Glikolityczna – Sarcina ventriculi;
Glukoza, która jest przekształcana do pirogronianu w procesie glikolizy, dostarcza zredukowanych koenzymów; NADH jest redukwany przez aldehyd octowy, który jest redukowany do alkoholu – etanolu
Produkty fermentacji są toksyczne nawet dla samych organizmów, które je produkują (w większych stężeniach), jednak muszą to robić, by regenerować zredukwane koenzymy
Homofermentacja – jednorodna, z jednym produktem
FERMENTACJA ALKOHOLOWA
KDFG – Zymomonas mobilis – fermentacja alkoholowa nieglikolityczna; glukoza na drodze KDFG do pirogronianu; ten ulteniany do aldehydu octowego, który jest redukwany do etanolu
Pentozofosforanowy – Leuconostoc mesenteroides (Heterofermentacja mlekowa) – nie posiada kinazy octanowej; glukoza na drodze cyklu Pento.. do ksylulozo-5-P, a następnie przez fosfoketolazę do acetylofosforanu i Ald-3- PG; acetylofosforan ulega redukcji do aldehydu octowego, który redukuje się do etanolu; Ald-3- PG (drugi produkt) ulega redukcji do pirogronianu, a ten do mleczanu
Fermentacja alkoholowa:
Może być procesem przebiegającym jako koniec etapu glikolizy, szlaku KDFG, czy szlaku pentozofosforanowego
FERMENTACJA MLEKOWA:
RODZINA LACTOBACTERIACEAE G(+)
1. Źródła energii: węglowodany
2. Obligatoryjna fermentacja !! – jedna droga regeneracji koenzymów
3. Brak cytochromów i katalazy – ułomne metabolicznie – nie ma zatem możliwości prowadzenia łańcucha redox
4. Rosną w obecności tlenu – tlen im nie pomaga; tlen ich nie zabija, ale rozwijają się dużo słabiej niż w warunkach beztlenowych
5. Nie rosną na podłożach mineralnych (minimalnych)
6. Rozkładają laktozę do D-Glu i D-Gal, mają beta-galaktozydazę
7. Mleczan (główny produkt fermentacji) – zakwasza – to hamuje fermentację; węglan wapnia buforuje
Dwa typy produktów:
Homofermentacja – mleczan
Probiotyki – szczepy Lactobacillus; często podaje się je, by zrównoważyć florę w organizmie (zamiast antybiotyków przeciw grzybom)
Heterofermentacja – mleczan, alkohol etylowy (czasami u niektórych bakterii dochodzi do wydzielania octanu, gdy do tego dochodzi i mają enzym kinazę octanową, mogą prowadzić dodatkową fosforylację substratową)
Przykłady bakterii: Leuconostoc mesenteroides – w produkcji serów; Lactobacillus bifermentans, Lactobacillus brevis
Homofermentacja melkowa około 90% mleczanu
Glukoza (FBP, NAD do NADH) do pirogronianu, który ulega redukcji (dehydrogenaza mleczanowa! – odrębny mechanizm oprócz tamtych trzech) i daje mleczan
Produkt: D(-) lub L(+) mleczan lub D,L-mleczan, gdy jest racemaza mleczanowa
Heterofermentacja mlekowa
Np. Leuconostoc mesenteroides - Szlak pentozofosforanowy – bez glikolizy, bo brak enzymów (aldolazy triozososforanowej i izomerazy triozofosforanowej)
Ksylulozo-5-P – kluczowy produkt, rozpad na dwie jednostki: acetylo-P i aldehyd 3-P-glicerynowy;
Jeżeli bakteria posiada kinazę octanową do acetylo-P przekształcane jest do octanu (extra ATP, u np. Lactobacillus brevis), jeżeli brak, to drugi produkt to metanol (np. Leuconostoc mesenteroides)
Aldehyd 3-P-glicerynowy przekształcany do mleczanu (przez przekształcenie do pirogronianu z 2 fosforylacjami)
Niektóre bakterie w obecności glukozy są ściśle homofermentujące, np. Lactobacillus casei, L. plantarum; dodatek rybozy indukuje szlak pentozowy i heterofermentację (zależy to zatem od składu podłoża, gdy usuwa się glukozę i dodaje rybozę wymusza się heterofermentację, ale jest to racjonalne działanie człowieka)
FERMENTACJA Bifidobacterium bifidum
1. Brak glikolizy – pentozofosforanowy
2. Ścisłe beztlenowce
Też ma kinazę octanową, więc może być octan i extra ATP
FERMENTACJA PROPIONOWA
Rodzaj – propionibacterium: P. freudenreichi, P. acidi-propionici;
INNE: Wolinella alcalescens, Clostridium Propionicum, Selenomonas, Mictromonospora
1. Przypominają maczugowce
2. G(+)
3. Mikroaerofile – w niskich stężeniach tlenu
4. Katabolizm heksoz: FBP-glikolityczny
5. Fermentują też sacharozę, laktozę, mleczan, jabłczan, glicerol – włączane są na którymś etapie do powyższego szlaku
Wykorzystuje je się do przekształacania niektórych związków do kwasu propionowego
Proces – na eportalu; szlak metylomalonylo-CoA
Pirogronian – właściwy substrat tej fermentacji
Cechą charakterystyczną jest obieg grupy karboksylowej: CO2 związane z biotyną (przekaźnikiem)
Pirogronianu karboksylowany i mamy szczawiooctan (4C); redukcja do jabłczanu, dehydratacja i fumaran; teraz skrzyżowanie fermentacji i oddychania fumaranowego; fumaran przekształcany do bursztynianu (protony w poprzek błony do puli chinonów i tam na wygenerowanie potencjału i do fosforylacji oksydacyjnej); bursztynian aktywowany przez koenzym A, dalej metylomalonylo CoA dekarboksylowany i grupa CO2 wędruje przez biotynę do pirogronianu
Fermentacja propionowa – szlak akryloilo-CoA
Przekształcanie mleczanu bez oksydazy mleczanowej
Np. Clostridium propionicum
Mleczan aktywowany przez CoA (laktylo-CoA) – półprodukt akryloilo-CoA; jest to ostateczny akceptor protonów – otrzymywany propionylo-CoA – dalej CoA odzyskiwane i produkt propion
Fermentacja mrówkowa – kwasów mieszanych
Np. Escherichia coli (enterobacteriaceae)
Inne: bacteroides, Proteus vularis, Enterobacter aerogenes
1. G(-), pałeczki
2. Oddychanie tlenowe
3. W warunkach beztlenowych – fermentacja
4. Fermentacja typu:
a) aerogenes- produkt: 2,3-butanodiol, mniej kwasów
b) coli – brak butanodiolu, głównie kwasy (E. coli)
FBP przekształcany do pirogronianu – ten beztlenowo (2 typ: liaza Pir:mrówczan FdH) do acetylo-CoA i mrówczan (ten do wodoru cząsteczkowego, jest on aktywowany przez kompleks hydrogenazy i jest ona akceptorem elektronów i protonów i do redukcji koenzymu); acetylo-CoA może być wykorzystany – daje octan i może dać extra ATP (kinaza octanowa); gdy dużo acetylo-CoA to dodatkowa cząsteczka etanolu przez redukcję: dehydrogenazę alkoholową)
Fermentacja Enterobacter aerogenes
2 pirogronian acetylomleczan i prezz dekarboksylazę do acetoiny, która służy do redukcji koenzymów, co daje butanodiol
Zarówno e. coli jak i enetrobacter aerogenes nie są wykorzystywane biotechnologicznie, bo dają za dużo różnego rodzaju produktów