J.Gołębiowska „Mikrobiologia rolnicza.”

J.Borowski, M.Zaremba „Podstawy mikrobiologii lekarskiej.”

W.J.H.Kunicki-Goldfinger „Życie bakterii.”

A.Różalski „Ćwiczenia z mikrobiologii ogólnej.”

Metabolizm drobnoustrojów

Metabolizm to ogół zmian chemicznych zachodzących w komórce, katalizowanych przez enzymy. Obejmuje on:

-katabolizm- to reakcje chemiczne prowadzące do rozkładu związków nieorganicznych oraz organicznych, dostarczające energii oraz prekursorów do procesów biosyntezy

-anabolizm- to reakcje syntezy biologicznej z wytworzeniem substancji prostych (cukry proste, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, zasady purynowe i pirymidynowe) oraz związków złożonych (wielocukry, białka, kwasy nukleinowe, lipidy)

-amfibolizm- to szlaki metaboliczne, w zależności od zapotrzebowania komórki zachodzą w nich procesy dysymilacyjne, dostarczające energii lub produktów pośrednich, bezpośrednio włączanych w drogi anaboliczne (np. szlak glikolizy, cykl pentozowy, cykl kwasów trój karboksylowych- Krebsa).

Drobnoustroje korzystają z jednego lub dwóch źródeł energii: energii słonecznej - promienistej, lub energii chemicznej. Pierwsze źródło potrzebne jest bakteriom fototsyntezującym oraz sinicom, które zaliczamy do fototrofów. Energia chemiczna uwalniana w procesach utleniania związków wysokoenergetycznych wykorzystywana jest przez pozostałe drobnoustroje. Energia pobierana przez drobnoustroje gromadzona jest w związkach fosforowych, np. adenozyno trójfosforan- ATP. Wyróżniamy cztery typy reakcji chemicznych w których powstaje ATP:

-fosforylacja na poziomie substratu,

-dehydratacja 2-fosfoglicerynianu

-fosforoliza wiązań C-S, C-C, C-N

-fosforylacja sprzężona z transportem elektronów w łańcuchu przenoszącym- fosforylacja oksydacyjna w łańcuchu oddechowym, fosforylacja podczas fotosyntezy.

Część bakterii wykorzystuje dwutlenek węgla (autotrofy), który jest redukowany do związków organicznych. Donatorami elektronów i protonów w tych procesach są związki nieorganiczne (litotrofy), lub organiczne (organotrofy). Heterotrofy to bakterie niezdolne do wykorzystywania utlenionych źródeł węgla, korzystające natomiast z jego form organicznych. Wśród nich wyróżniamy prototrofy i auksotrofy. Najłatwiej przyswajalnym źródłem C są cukry proste (monocukry).

Podział bakterii (typy pokarmowe):

-ze względu na źródła energii- fototrofy- wykorzystują energię świetlną (fotosyntezę), chemotrofy- wykorzystują energię chemiczną (chemosyntezę),

-ze względu na źródło protonów i elektronów- litotrofy- wykorzystujące związki nieorganiczne; organotrofy- wykorzystujące związki organiczne,

-podział ze względu na źródła C- autotrofy- źródłem węgla jest tu CO₂, heterotrofy- źródłem węgla są dla nich związki organiczne.

fotolitoautotrofy- źródłem energii jest dla nich proces fotosyntezy, związki organiczne są dla nich źródłem protonów i elektronów, źródłem C jest dla nich CO₂; dla sinic źródłem protonów i elektronów jest H₂O, dla bakterii źródłem protonów i elektronów jest związek nieorganiczny (S, H, tiosiarczan, Fe).

chemolitoautotrofy- źródłem energii jest dla nich proces chemosyntezy (tylko bakterie), źródłem C jest dla nich CO_2. Dzieli się je na: rozkładające H₂- wodorowe, S₂-siarkowe, Fe²⁺ Fe³⁺- żelazowe, amoniak i azotyny rozkładane są do azotynów- bakterie nitryfikacyjne, bakterie rozkładają również siarczki.

Chemoorganoheterotrofy- są to głównie bakterie chorobotwórcze, źródłem C, źródłem protonów i elektronów oraz źródłem energii może być dla nich ten sam związek- związek organiczny (np. monosacharydy).

Chemolitoheterotrofy- źródłem energii, protonów, elektronów i węgla są dla nich związki nieorganiczne (np. bakterie nitryfikacyjne). Pobierają energię z utleniania tiosiarczanów- związków nieorganicznych, źródłem C jest dla nich np. metyloamina, mogą one również wykorzystywać związki organiczne.

TYP POKARMOWY	ŹRÓDŁO ENERGII	ŹRÓDŁO ELEKTRO- NÓW	ŹRÓDŁO WĘGLA	PRZYKŁADY
FOTOLITOAUTOTROFY	światło	związki nieorganiczne	CO2	sinice, zielone i purpurowe bakterie siarkowe,
FOTOORGANOHETERO- TROFY	światło	związki organiczne	związki organiczne	heliobakterie
CHEMOLITOAUTO- TROFY	związki nieorganiczne	związki nieorganiczne	CO2	bakterie nitryfikacyjne
CHEMOORGANO- HETEROTROFY	związki organiczne	związki organiczne	związki organiczne	wiele różnych bakterii, w tym wszystkie patogenne
CHEMOLITOHETERO- TROFY	związki nieorganiczne	związki nieorganiczne	związki organiczne	niektóre bakterie siarkowe, Hyphomicrobium spp.

Ze względu na rodzaj katalizowanych reakcji enzymy te podzielono na sześć głównych klas:

hydrolazy, oksydoreduktazy, transferazy, liazy, izomerazy, ligazy

Katalaza - należy do klasy (grupy) enzymów - oksydoreduktaz. (Oksydoreduktazy katalizują reakcje utleniania i redukcji. Do tej grupy enzymów należą enzymy uczestniczące w procesach oddychania, foto- i chemosyntezy). Katalaza pełni u mikroorganizmów funkcję ochronną, gdyż katalizuje rozkład toksycznego nadtlenku wodoru, wytwarzanego w procesie oddychania tlenowego przez bakterie tlenowe

Dehydrogenaza - należy do enzymów oksydoredukcyjnych, które katalizują utlenienie substratu w procesach oddechowych. Odłączają one od substratu naraz po dwa elektrony, a łącznie z nimi po dwa protony. Dehydrogenazy są wysoce specyficzne, istnieją odrębne dehydrogenazy dla glukozy, glukozofosforanu, kwasu bursztynowego, czyli dla każdego utlenianego w komórce substratu istnieje właściwa dla niego dehydrogenaza

Amylazy - należą do klasy enzymów hydrolaz. (Hydrolazy biorą udział w reakcjach hydrolizy, tj. rozszczepiania związków złożonych na prostsze z równoczesnym przyłączeniem H₂O. Do tej grupy należy również lipaza - rozkładająca tłuszcze, sacharaza - rozkładająca sacharozę, enzymy proteolityczne - rozkładające białka). Amylazy rozkładają skrobię, glikogen oraz pokrewne im oligo- i polisacharydy. β-amylaza działa na substrat (skrobię, amylozę, amylopektynę, glikogen), hydrolizuje co drugie wiązanie α-1,4 glikozydowe odrywając jednostki β-maltozy.

Proteinazy/proteazy (żelatynaza) - są enzymami należącymi do grupy hydrolaz (hydrolizują białko). Enzymy proteolityczne są wydzielane przez mikroorganizmy na zewnątrz komórki, przeprowadzają hydrolizę wielu wiązań peptydowych w cząsteczkach białek. Powstają przy tym cząsteczki poli- i oligopeptydów, są one pobierane przez mikroorganizmy i trawione wewnątrz komórki przez peptydazy do wolnych aminokwasów. Powstające wolne aminokwasy są wykorzystywane do budowy struktur komórkowych bakterii lub ulegają dalszej degradacji.

Źródła węgla dla bakterii

Źródłami węgla i energii są dla bakterii głównie cukrowce (węglowodany), lipidy, białka- dla bakterii wytwarzających proteazy, czynnik zjadliwości. i inne związki chemiczne. Drobnoustroje mogą przyswajać węgiel i energię w sposób niekonwencjonalny, np. dzięki węglowodorom i ich pochodnym. O wykorzystywaniu źródeł węgla przez drobnoustroje decydują: dostępność warunkowana możliwością wprowadzenia danego związku do cytoplazmy, zdolność jego przetworzenia w procesach metabolicznych oraz wydajność energetyczna- ilość energii chemicznej jaką mikroorganizm może uzyskać po jego utlenieniu. Najwydajniejsze są tu tłuszcze i węglowodany. W komórkach drobnoustrojów zachodzić może oddychanie endogenne- utlenianie składników wewnątrzkomórkowych, strukturalnych oraz zapasowych. Umożliwia to przeżycie komórek w złych warunkach, nawet w warunkach głodowych.

Źródła azotu dla bakterii

Drobnoustroje mogą wykorzystywać następujące formy azotu: cząsteczkowy (atmosferyczny), mineralny (jony NH⁺₄, NO^-₃, NO^-₂) azot z prostych i złożonych związków organicznych.

Azot atmosferyczny

Stanowi on 78% składu powietrza. Ta forma azotu nie jest dostępna dla większości drobnoustrojów, wiązać mogą go bakterie występujące w środowisku naturalnym np. bakterie fotosyntezujące, tlenowce z rodzaju Azotobacter, mikroaerofile z rodzaju Achromobacter, beztlenowce z rodzaju Clostridium, bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium żyjące w symbiozie z korzeniami roślin oraz sinice. Azot w związkach organicznych występuje w postaci grup NH₂ lub NH, więc bakterie by móc z niego skorzystać muszą go zredukować. Wymaga to wiele energii z powodu silnych wiązań pomiędzy atomami azotu. Asymilację azotu zapewnia układ enzymatyczny (dehydrogenaza pirogronianowa, nitrogeneza oraz ferrodoksyna). Donatorem protonów i elektronów do procesu redukcji jest pirogronian. Na związanie 1 mola N₂ potrzeba około 20 moli ATP.

Azot mineralny

Zdolność tę wykazuje wiele drobnoustrojów. Łatwiej przyswajalne są sole amonowe niż azotany które przed wbudowaniem w związki organiczne muszą być zredukowane do NH⁺₄. Azotyny są niezwykle toksyczne są one więc źródłem azotu jedynie dla nielicznej grupy drobnoustrojów.

Procesem powszechnie zachodzącym w komórkach mikroorganizmów jest asymilacyjna redukcja azotanów. Polega ona na przekształcaniu azotanów poprzez azotyny i hydroksyloaminę do amoniaku (kationu amonowego), który następnie może być wykorzystany np. do syntezy aminokwasów. Bakterie zdolne do oddychania azotanowego redukują azotany jeszcze w inny sposób. Produktami są wtedy N₂O lub wolny azot. Jest to tzw. Redukcja dysymilacyjna, której zadaniem jest dostarczenie akceptora wodoru w procesie oddychania beztlenowego. Końcowe produkty dysymilacyjnej redukcji azotanów, takie jak wolny azot cząsteczkowy, są związkami lotnymi i nieprzyswajalnymi dla większości organizmów, co powoduje straty tego pierwiastka (np. z gleby). Bakterie przeprowadzające ten proces, określany jako denitryfikacja, nie mogą wykorzystywać azotanów jako źródła azotu i muszą pobierać go z otoczenia w formie bardziej zredukowanej. Zaliczamy do tej grupy: chemolitotrofy: np. Micrococcus denitrificans, Thiobacillus denitrificans, Chemoorganotrofy: np. Escherichia coli, Paracoccus denitrificans oraz inne gatunki z rodzajów: Micrococcus, Pseudomonas, czy Achromobacter.

Źródła siarki dla bakterii

Podobnie jak azotany, również siarczany mogą być redukowane na drodze asymilacyjnej i dysymilacyjnej. Redukcja asymilacyjna przebiega na przeprowadzeniu siarki do S^-2, tak aby umożliwić następnie jej wbudowanie do związków organicznych (np. aminokwasów). Dysymilacyjna redukcja siarczanów jest natomiast związana z procesem oddychania beztlenowego, przy którym są one akceptorem elektronów przenoszonych z substratu oddechowego. Bakterie zdolne do oddychania siarczanowego to Desulfovibrio sp. oraz Desulfotomaculum sp.. Do związków siarki wykorzystywanych przez bakterie należą: S, SO^2-₃, S₂O^2-₃, S₄O^2-₆ które utleniane są do SO^2-_4. Utleniane mogą również być SCN^-, CS_2,, (CH₃)₂S.

Źródła fosforu i innych makro mikroelementów dla bakterii

Obok pierwiastków biogennych (C, N, O, H) drobnoustroje do prawidłowego wzrostu potrzebują makro i mikroelementów. Są one pobierane ze środowiska jako sole mineralne. Do makroelementów zaliczamy fosfor, siarkę, magnez, wapń, żelazo i sód, do mikroelementów zaś mangan (Mn), miedź (Cu), kobalt (Co), molibden (Mo) i cynk (Zn). Jako źródło fosforu drobnoustroje wykorzystują jony fosforanowe, które są wykorzystywane są do syntezy fosfolipidów i kwasów nukleinowych jak również podczas przetwarzania i magazynowania energii. Jony PO^-3₄ są łatwo przyswajalne, ich stężenie w środowisku może mieć zasadniczy wpływ na metabolizm komórki. Potas i sód utrzymują właściwy potencjał elektrochemiczny i ciśnienie osmotyczne w komórce. Jony magnezu są stabilizatorem ściany komórkowej, występują też w bakterichlorofilu oraz w niektórych enzymach. Wapń pobierany najczęściej jako wolny kation stabilizuje enzymy. Jego obecność w jest niekiedy wymagana ponieważ warunkuje on np. aktywność zewnątrzkomórkowych hemolizyn. Żelazo, składnik cytochromów, ferrodoksyn i niektórych toksyn bakteryjnych jest pobierane ze środowiska z dużym trudem. Drobnoustroje chorobotwórcze muszą pobierać żelazo w trakcie zakażenia, w makroorganizmie żelazo nie występuje jednak w dużych ilościach. Jego pobieranie warunkują przenośniki- siderofory.

Prototrofy

Są to bakterie zdolne do wzrostu na podłożach zawierających jeden prosty związek organiczny oraz zestaw soli mineralnych. Jest to grupa bakterii niezwykle pospolitych w środowisku naturalnym, ubogim w składniki odżywcze. Rzadko występują one wśród drobnoustrojów chorobotwórczych. Przykładem jest tu Escherichia coli.

Auksotrofy

Są to bakterie wymagające do wzrostu podłoży o bardziej złożonym, bogatszym składzie substancji odżywczych. Niektóre z nich dobrze rozwijają się na podłożach zawierających oprócz prostego związku organicznego (źródło węgla i energii) co najmniej jeszcze jeden związek a mianowicie czynnik wzrostowy (aminokwas, witaminę, zasadę azotową) którego drobnoustroje nie są w stanie same wytworzyć. Bakterie mlekowe i gonokoki posiadają niezwykle złożone wymagania pokarmowe. Biorąc pod uwagę rodzaje akceptorów elektronów i protonów w procesach dysymilacji (rozkład złożonych związków na proste z wytworzeniem energii), drobnoustroje dzielimy na zdolne do:

-fermentacji- utleniania biologicznego, ostatecznym akceptorem protonów i elektronów są tu związki organiczne,

-oddychania tlenowego- końcowym akceptorem protonów i elektronów jest tlen,

-oddychania beztlenowego- związki nieorganiczne (azotany, siarczany) stanowią tu ostateczny akceptor H⁺ i elektronów.

Czynniki wzrostowe

Oprócz podstawowych źródeł węgla, energii, azotu, a także makro i mikroelementów bakteriom potrzebne są również czynniki wzrostowe. Są to związki organiczne których komórka nie jest w stanie syntezować za pomocą posiadanych enzymów. Do związków tych zaliczamy witaminy, aminokwasy, zasady purynowe i pirymidynowe, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe, sterole (organiczne związki chemiczne, alkohole steroidowe). Drobnoustroje nie zdolne do wzrostu bez tych związków nazywane są auksotrofami. Wyróżniamy dwie grupy takich drobnoustrojów: naturalne- np. bakterie mlekowe nie rosnące na podłożach minimalnych, oraz sztucznie indukowane, selekcjonowane, a następnie hodowane na odpowiednich podłożach mutanty auksotroficzne. Mutanty te są bardzo pomocne w badaniach zapotrzebowania bakterii na substancje odżywcze drobnoustrojów. Czynniki wzrostowe są miedzy innymi składnikami koenzymów, kwasów nukleinowych, są również niezbędne w procesach biosyntezy.

Rozkład białek ; Rozkład aminokwasów

Bakterie posiadają właściwości proteolityczne, czyli wykazują zdolność do hydrolizy białek, a następnie rozkładu aminokwasów. Enzymy odpowiedzialne za ten proces to proteazy (enzymy proteolityczne α (enzymy endogenne) i β (enzymy egzogenne) protezy. Rozszczepiają one wiązanie peptydowe pomiędzy resztami aminokwasów i są syntetyzowane np. przez bakterie z rodzaju Proteus, Bacillus, Clostridium, a także niektóre grzyby. Proteazy nie wykazują swoistości substratowej, są więc zdolne hydrolizować różne białka. Wśród tych enzymów wyróżniamy endopeptydazy (hydrolizują wiązania znajdujące się wewnątrz łańcucha) hydrolizujące białko z wytworzeniem poli- i oligopeptydów oraz egzopeptydazy (hydrolizują one wiązania boczne) odszczepiające pojedyncze aminokwasy, włączane bezpośrednio do biosyntezy białek lub rozkładane w reakcjach deaminacji, dekarboksylacji, lub transaminacji. Deaminacja to odłączenie od aminokwasu grupy NH₂. Wyróżniamy deaminację oksydacyjną, redukcyjną, desaturacyjną, hydrolityczną oraz typu Sticklanda. Deaminacja oksydacyjna to np. rozkład kwasu glutaminowego oraz fenyloalaniny. Deaminacja redukcyjna to przemiana polegająca na przekształceniu aminokwasu do kwasu nasyconego. Deaminacja desaturacyjna to rozkład aminokwasu z wytworzeniem kwasu organicznego nienasyconego. Kwas asparginowy przekształcany jest na tej drodze do kwasu fumarowego. Deaminacja hydrolityczna to np. rozkład mocznika - przez bakterie wytwarzające enzym ureazę. Reakcja Sticklanda to reakcja red-oks, jej przykładami są rozkład alaniny i glicyny do kwasu octowego, amoniaku i CO₂ oraz alaniny i proliny do kwasu δ-aminowalerianowego, kwasu octowego, CO₂ i NH₃. Procesy te zachodzą w warunkach beztlenowych, są charakterystyczne dla Clostridium. Przekształcanie aminokwasów zachodzące również w warunkach beztlenowych to dekarboksylacja prowadząca do wytworzenia amin biogennych oraz CO₂. Dekarboksylacja może mieć charakter pierwotny lub wtórny, kiedy zachodzi po uprzednim przekształceniu aminokwasu. W wyniku dekarboksylacji z aminokwasów obojętnych powstają monoaminy pierwszorzędowe, przykładami takich reakcji są rozkład histydyny do histaminy, fenyloalaniny do fenyloetyloaminy, tryptofanu do serotoniny, seryny do etanoloaminy. Dekarboksylację aminokwasów kwaśnych katalizują dwie karboksylazy- jedna działa na grupę karboksylową położoną w sąsiedztwie grupy aminowej, druga zaś na końcową grupę COOH. Aminokwasy mogą podlegać transaminacji. Niektóre drobnoustroje mogą przekształcać aminokwasy zarówno na drodze deaminacji jak i dekarboksylacji. Należą do nich E.coli przetwarzające tryptofan do skatolu i indolu oraz inne przetwarzające tyrozyną do p-krezolu i fenolu. Drobnoustroje mogą również wykorzystywać aminokwasy siarkowe. Te które mają enzym sulfhydrazę mogą również z tych aminokwasów odłączać H₂S.

Rozkład wielocukrów (skrobi i celulozy)

Drobnoustroje mogą wykorzystywać zarówno cukry złożone jak i disacharydy, czy cukry proste. Pierwsze degradowane są na zewnątrz komórki za pomocą enzymów hydrolitycznych do cukrów prostych ze względu na dużą masę cząsteczkową. Najpopularniejszymi węglowodanami wykorzystywanymi przez bakterie są: skrobia, celuloza i glikogen.

Skrobia składa się z dwóch polimerów amylozy i amylopektyny. Degradowana jest ona za pomocą następujących enzymów: α-amylaza, β-amylaza, amylo-1,6-glukozydaza, oraz glukoamylaza. Skrobię wykorzystują przede wszystkim grzyby, Bacillus, Clostridium, niektóre Saccharomyces- drożdże.

Celuloza to polimer glukozy, połączonej wiązaniami β1,4, jest rozkładana przez drobnoustroje wytwarzające enzymy celulolityczne (endo- egzoglukanaza, celobiohydrolaza, oraz celobioza- β-glikozydaza). Wśród drobnoustrojów celulolitycznych wymienić należy grzyby, oraz Celvibrio, Celulomonas, oraz Clostridium.

We wszystkich trzech typach metabolizmu szlaki rozkładu cukrów prostych są:

-glikoliza (szlak Embdena-Meyerhofa-Parnasa EMP),

-cykl pentozowy (szlak heksozomonofosforanowy HMP),

-szlak Entnera-Doudoroffa (ED)

Glikoliza w której na drodze fosforylacji substratowej powstają 2 ATP oraz 2 NADH+H⁺, prowadzi do wytworzenia z jednej reszty glukozy dwóch cząsteczek kwasu pirogronowego. Jego dalsze przemiany zachodzą inaczej u bakterii tlenowych inaczej u beztlenowych.

Cykl pentozowy spełnia dwie funkcje: jest to szlak dysymilacyjny pozwalający na spalenie glukozy z wytworzeniem 12 moli NADPH+H⁺ co dopowiada 36 cząsteczkom ATP. Jest to szlak amfiboliczny, dostarczający reszty NADPH+H⁺ które podobnie jak metabolity pośrednie potrzebnie są do biosyntezy polisacharydów, nukleotydów, oraz aminokwasów aromatycznych.

Szlak Entnera-Doudoroffa funkcjonuje u: Pseudomonas, Acetobacter, Xantomonas, Gluconobacter. Może on dostarczyć pośredników do biosyntezy nukleotydów, może on spełniać funkcję procesów prowadzących do degradacji glukozy z niewielkim zyskiem energetycznym (powstaje po 1 molu NADPH+H⁺, oraz NADH+H⁺).

Oddychanie tlenowe

Równocześnie mamy do czynienia z odłączeniem protonów (H⁺), czyli odwodorowaniem. Jony te są następnie przekazywane poprzez szereg przenośników, czyli substancji o coraz wyższym potencjale oksydacyjno-redukcyjnym, na tlen, co prowadzi do wytworzenia cząsteczki H₂O. Do takich przenośników zaliczamy NAD (dwunukleotyd nikotynamidoadeninowy), NADP (fosforan dwunukleotydu nikotynamidoadeninowego), flawoproteidy, ubichinon, cytochromy i oksydazę cytochromową. Połączenie tlenu z wodorem powoduje gwałtowne wydzielenie znacznych ilości energii, ale u mikroorganizmów wodór nie łączy się bezpośrednio z tlenem, lecz wędrując do niego poprzez łańcuch przenośników stopniowo wytraca energię, oddając ja porcjami o takich wielkościach jakie mogą być zmagazynowane w cząsteczce ATP. Tlenowce (aeroby, oksybionty) to bakterie wykorzystujące tlen jako ostateczny akceptor elektronów i protonów w reakcjach utleniania biologicznego. Ze względu na rodzaj związków chemicznych stanowiących dla nich źródła energii oraz donatory elektronów i protonów drobnoustroje dzielimy na chemoorganotrofy- związki organiczne oraz chemolitotrofy- związki nieorganiczne.

Chemoorganotrofy

Szlaki metaboliczne cukrów przebiegają z wytworzeniem aldehydu 3-fosfoglicerynowego, który może być utleniony do kwasu pirogronowego. W warunkach tlenowych kwas pirogronowy przekształcany jest w acetylo-koenzym A, który wchodzi w skład cyklu Krebsa (cykl kwasów trój karboksylowych). Reakcje tego cyklu obejmują utlenianie przez odwodorowanie oraz dekarboksylację. Ostatecznymi produktami tego cyklu są: woda i dwutlenek węgla, oraz NADH+H⁺ i FADH+H⁺ . Ich reoksydacja zachodzi w łańcuchu tlenowym, gdzie ostatecznym akceptorem protonów i elektronów jest tlen. Transport elektronów i protonów w tym łańcuchu jest procesem wieloetapowym, warunkują go przenośniki: flawoproteidy (dehydrogenazy- NADH i bursztynianowi z FAD), ubichinon, cytochromy (oksydaza cytochromowa) przenoszące elektrony na akceptor. Sprzęganie przenoszenia elektronów z syntezą ATP nazywane jest fosforylacją oksydacyjną. Bilans utlenienia glukozy w cyklu Krebsa jest wysoki i wynosi 38 cząsteczek ATP. W cyklu pentozowym- 36 cząsteczek, a w szlaku Entnera-Doudoroffa 25 mili ATP.

Chemolitotrofy

Zaliczamy do ich bakterie zdobywające energię poprzez utlenienie prostych związków nieorganicznych, które są również donatorami elektronów i protonów do redukcji NAD⁺ lub NADP⁺ podczas biosyntezy. Nie występuje u nich cykl Krebsa, chociaż wykorzystują one tlen jako końcowy akceptor wodoru w procesach oddychania. Wyróżniamy wśród nich auto i heterotrofy oraz drobnoustroje które w zależności od środowiska wykorzystują utlenione bądź zredukowane związki węgla. Wyróżniamy tu bakterie utleniające amoniak, azotany (bakterie nitryfikacyjne), bakterie utleniające nieorganiczne związki siarki (bakterie siarkowe), bakterie wodorowe i żelazowe oraz bakterie utleniające CO do CO₂. Pełnią one ważną funkcję podczas obiegu pierwiastków w przyrodzie.

Oddychanie beztlenowe

Końcowym akceptorem elektronów i protonów jest tu związek nieorganiczny. Najlepiej poznane są: oddychanie siarczanowe (dysymilacyjna redukcja siarczanów), oraz oddychanie azotanowe (redukcja azotanów do amoniaku- amonifikacja, lub azotu- denitryfikacja). Substratami oddechowymi są tu związki organiczne, akceptorami zaś azotany, azotyny, lub hydroksyloamina w oddychaniu azotowym, oraz siarczany w oddychaniu siarczanowym. Bakterie zdolne do oddychania azotowego to: E.coli, A.aerogenes, Pseudominas sp. oraz Micrococcus sp. Bakterie zdolne do oddychania siarczanowego to z kolei Desulfovibrio sp. oraz Desulfotomaculum sp.

Fermentacja

Jest to proces utleniania biologicznego, w którym ostatecznym akceptorem elektronów i protonów jest związek organiczny. Proces ten zachodzi w warunkach beztlenowych (chociaż może mieć miejsce w warunkach tlenowych). W większości przypadków przebiega według szlaku Embdena-Meyerhofa-Parnasa. Powstały w trakcie tej drogi NADH+H⁺ jest utleniany do NAD⁺ w procesie fermentacji. Nazwa fermentacja wzięła się od nazwy końcowego akceptora H⁺. Wyróżniamy dwa typy fermentacji:

-homofermentację,

-heterofermentację.

Powstają w nich odpowiednio jeden lub kilka produktów końcowych. Przykładem homofermentacji jest fermentacja alkoholowa (etanolowa) prowadzony przez Saccharomyces cerevisiae, oraz fermentacja mlekowa prowadzona przez Lactococcus lactis. Oba te procesy przebiegają z wykorzystaniem glikolizy. Znane są również bakterie mlekowe prowadzące heterofermentację z wytworzeniem produktu głównego- kwasu mlekowego oraz np. kwasu octowego czy etanolu. Bakterie heterofermentacji mlekowej wykorzystują EMP oraz HMP. Glukoza jest tu substratem do fermentacji. Galaktoza wchodząca w skład laktozy jest przekształcana w glukozo-1-fosforan w szlaku Leloira lub trioz w tzw. szlaku tagatozofosforanowym (nazwa pochodzi od cukru). Przykładem hetero fermentacji jest również „fermentacja Enterobacteriaceae”, wykrywanie jej jest jednym z procesów diagnostyki biochemicznej tych bakterii. Fermentacja nie jest tak wydajna pod względem energetycznym jak cykl Krebsa i towarzysząca mu fosforylacja na poziomie łańcucha oddechowego. Wydajność fermentacji to:

-homofermentacja mlekowa (szlak EMP)- 2 mole ATP w przeliczeniu na 1 mil substratu,

-fermentacja alkoholowa (EMP-drożdże)- 2 mole ATP; ED-1 (bakterie Zymomonas mobilis).

Fermentacja p on na rozbiciu substratu oddechowego na części oraz utlenieniu jednej z nich kosztem zredukowania drugiej. Elektrony są więc przenoszone z substratu, a właściwie związku powstałego z jego rozbicia, an akceptor, którym jest związek organiczny (inny fragment rozbitego substratu). Odbywa się to bezpośrednio , z pominięciem łańcucha przenośników. W przypadku fermentacji zachodzi również synteza ATP. Jest to tzw. Fosforylacja substratowa (na poziomie substratu). Wydajność energetyczna fermentacji jest o wiele niższa niż oddychania tlenowego, a także beztlenowego.

Szereg cukrowy

Badanie zdolności drobnoustrojów do rozkładania węglowodanów wykonywane jest na tzw. szeregach cukrowych małych które zawierają kilka cukrów, oraz na dużych zawierających większą część cukrów używanych podczas badań. Mały szereg cukrowy składa się z: glukozy, laktozy, sacharozy, maltozy i mannitolu które w stężeniu 1% dodaje się do wody peptonowej zawierającej wskaźnik-indykator Andrade (fuksyna kwaśna) lub błękit bromotymolowy. Do probówek z podłożem i cukrami wkłada się dnem do góry małe rureczki w probówkach- rurki Durhama które służą do wykrywania gazu wytworzonego w trakcie wzrostu i rozkładu substratów węglowodanowych (gaz zbiera się w rurce i jest widoczny w postaci pęcherzyków). Powstałe podczas rozkładu cukrów kwasy organiczne zmieniają pH środowiska co przejawia się w postaci zmiany barwy indykatora ze słomkowej na różową w przypadku wskaźnika Andrade oraz z niebieskiej na żółtą w obecności błękitu bromotymolowego. Dla poprawienia warunków wzrostu drobnoustrojów słabo rosnących na wodzie peptonowej wzbogaca się ją dodając 5% zinaktywowanej przez ogrzanie surowicy końskiej (podłoże Robesona dla maczugowców).

Rozkład alkoholi

Fermentację alkoholową przeprowadzają głównie grzyby, jak również niektóre grzyby z rodzaju Zymomonas. Drożdże wykorzystują do tego celu glikolizę, natomiast Zymomonas sp. wykorzystuje szlak Entnera-Doudoroffa. Powstający pirogronian jest przekształcany w aldehyd octowy z wykorzystaniem dekarboksylazy pirogronianowej. Aldehyd octowy stanowi akceptor elektronów i jest redukowany do etanolu przez dehydrogenazę alkoholową zależną od NAD.

Tłuszcze jako substraty oddechowe

Lipidy są składnikami błon komórkowych, oraz materiałem zapasowym. Są to estry glicerolu, i kwasów tłuszczowych hydrolizowane przez drobnoustroje wytwarzające enzymy- esterazy / lipazy. Enzymy te wydzielane są na zewnątrz drobnoustrojów, gdzie katalizują rozkład tłuszczów do glicerolu i kwasów tłuszczowych. Glicerol metabolizowany jest na drodze glikolizy, kwasy tłuszczowe zaś rozkładane są w procesie β-oksydacji. Produkty obu szlaków włączane są do cyklu Krebsa. Bakterie rozkładające tłuszcze to np. S.aureus, niektóre Bacillus sp., Clostridium sp., Pseudomonas sp., Geotrichum sp. Bakterie metanogenne mogą wykorzystywać jako akceptor elektronów CO₂ i węglany. Bakterie te to Archeabacteriae, wykorzystują one jako donator protonów wolny wodór i redukują CO₂ do metanu. Zysk energetyczny tego procesu jest duży i wynosi 1 mol ATP w przeliczeniu na 1 powstałą cząsteczkę metanu.

1

---