Particularitatile metabolismului organismelor procariote

[MeG@DaN]

Particularităţile metabolismului organismelor procariote


Denumirea de metabolism vine din limba greaca, insemnand schimbare, modificare. Asadar se poate defini metabolismul microbian ca reprezentand totalitatea reac ţiilor biochimice care au loc in celula microorganismului. Prin metabolism substantele din mediu sunt transformate (metabolizate) in constituienti celulari, energie si produsi de metabolism.
Microorganismele autotrofe metabolizeaza substante anorganice.: dioxidul de carbon, apa, nitratii, elemente metaloide, compusi radioactivi.
Cele heterotrofe folosesc in metabolism atat compusi anorganici cat si substante organice. Unii produsi, rezultati in urma activitatilor metabolice, prezinta o importanta deosebita in multe domenii precum agricultura, alimentatia, productia de medicamente, medicina umana si veterinara, etc.

Caracteristicile principale ale metabolismului pot fi considerate urmatoarele:
1. Prin reactiile metabolice se produce energie care se foloseste imediat in procese de biosinteza, crestere, transport sau se stocheaza sub forma esterilor fosforici ai unor substanţe chimice (de ex. adenozin fosfatii - ADP, ATP).
2. Reactiile metabolice dau nastere constituientilor celulari si enzimelor implicate in metabolism;
3. Metabolismul este un proces ciclic cu autoreglare ce mentine stabilitatea celulei, specificitatea si intensitatea reactiilor intracelulare, randamentul optim al activitatii celulare;
4. Reactiile metabolice evolueaza dupa principiul eficientei maxime, adica productivitate maxima in reproducere, cu consum minim de energie;
5. Toate reactiile biochimice metabolice sunt produse si catalizate de enzimele celulei, ce pot actiona (in functie de specificul fiecareia) in interiorul sau exteriorul microorganismului.
6. Оn procesele metabolice sunt implicati toti componentii celulei.

Metabolismul include două procese care decurg simultan şi care sunt interdependente. Anabolismul şi catabolismul
Anabolismul reprezintă totalitatea reacţiilor biochimice in rezultatul cărora are loc sinteza substanţelor complexe din substanţe simple. Reacţiile anabolice sunt energodependente
Catablismul reprezintă totalitatea reacţiilor biochimice de oxido-reducere din care rezultă substanţe chimice simple şi energie care se utilizează in reacţiile anabolice.
Energia eliberată in procesul reacţiilor catabolismului este depozitată in molecule de ATP.

Catabolismul la bacterii
Esenţa proceselor metabolice energetice pentru toate procariotele este acelaşi: sursa energetică generează electroni cu un nivel energetic inalt care revenind la poziţia sa energetică iniţială eliberează energia (avută in surplus) care este captată in formă de legături macroergice ale moleculelor de ATP.
Sursa energetică poate fi primară – energia cuantelor de lumină sau secundară – energia legăturilor chimice a subtanţelor chimice produse de alte organisme.
Metabolismul energetic (catabolic) se desfasoara in doua faze:

faza descompunerii enzimatice a macromoleculelor in partile lor constitutive: aminoacizi, monoglucide, acizi grasi, etc., fara producere de energie utilizabila;

faza degradarii exergonice a constituientilor formati in prima faza, cu producerea unor cantitati importante de energie, utilizabila in alte reactii biochimice; energia este inmagazinata in compusi macroergici de tipul nucleotid fosfatilor.

Degradarea are loc prin reactii de oxido-reducere in care o substanta donor doneaza un electron sau un ion de hidrogen unui acceptor, care astfel sufera o reducere. Reactiile redox sunt reversibile si catalizate enzimatic.

Metabolismul catabolic (energetic) este cunoscut si sub denumirea de respiratie celulara si are urmatoarele caracteristici:
• se desfasoara etapizat (in trepte);
• energia se elibereaza in fractiuni, prin reactii de tip redox;
• energia eliberata este inmagazinata in compusi chimici macroergici de tipul nucleotid fosfatilor si utilizata in reactii de biosinteza (anabolice),
• reactiile din metabolismul catabolic sunt juxtapuse celor anabolice;
• celula microorganismului se "incarca" cu o cantitate de energie specifica, cunoscuta ca incarcare energetica sau energie potentiala, ce este data de suma concentratiilor compusilor chimici macroergici inmagazinati (de ex.: ATP + ADP + AMP care reprezinta cca 15 micromoli / g.s.n. celulara).

Se intalnesc trei tipuri de respiratie celulara si anume:
1. FERMENTATIA - reprezinta procesul biologic de oxido-reducere producator de energie, in care substantele organice sunt si donori si acceptori de electroni, ca de exemplu zaharurile care prin degradare produc energie inmagazinata in forma de ATP (cca 30%) format prin reactii de fosforilare.

Fermentaţia a fost numită de Lui Pasteur in 1861 ca “viaţă in lipsa oxigenului”.In esenţa sa prezintă un şir de procese de oxidoreducere caracteristice microorganismelor care işi au start cu utilizarea substanţelor organisme in calitate de donori de electroni şi necesită in etapele finale de asemenea substanţe organice ca acceptori de electroni. . Microorganisme care realizează fermentaţia sunt obligatoriu sau facultativ anaerobe.
In rezultatul fermentaţiei se formează un amestec de produşi finali unii din care sunt mai oxidaţi, decit alţii. De exemplu prin fermentaţia glucozzei de către levuri se formează etanol şi bioxid de carbon care au nivele diferite de oxidare. In procesul fermentaţiie este menţinut un echilibru strict de oxidoreducere intre produsele fermentabile şi produsele finale rezultate. Dacă revenim la exemplul citat mai sus putem demonstra că echivalenţii molari ai glucozei sunt egali cu echivalenţii molari ai produselor fermentării.
Caracteristic pentru procesele fermentative este faptul că rezultă o cantitate minimă de energie ( de regulă 2 molecule de ATP per moleculă de glucoză degradată). Restul energiei rămine conservată in produşii finali ai fermentaţiei.
Mecanismele biochimice specifice ale fermentaţiilor limitează natura compuşilor organici care sunt degradaţi pe această cale. Pe cale fermentativă sunt degradate : polizaharidele, dizaharidele, monozaharidele (hexozele, pentozele) şi pentru unele bacterii este caracteristic procesul de fermentaţie a aminoacizilor, acizilor organici, purinele, pirimidinele etc.
Este de asemenea foarte mare şi gama produşilor finali ai fermentaţiei )etanol, butanol, glicerol, acidul propionic, lactic, acetic, butiric etc.
Fermentaţiile sunt numite in funcţie de numele produşilor finali majori ai procesului.

Fermentatia constituie modalitatea principala de procurare a energiei la drojdii si bacterii anaerobe, glucidele (in principal glucoza) fiind cel mai des folosita in metabolism, folosindu-se doua cai principale, si anume:
- ciclul glicolitic Embden - Mayerhoff - Parnas, cale folosita de majoritatea microorganismelor, in care donorul de electroni este aldehida fosfoglicerica, iar acceptorul final acidul piruvic, care ulterior este utilizat in mai multe tipuri de reactie.
- calea glucofosfatilor Warburg - Dickens - Horecker, de natura strict aeroba, prin care se inmagazineaza jumatate din energia ciclului glicolitic; ea este o cale de scurtcircuitare (shuntare) a caii glicolitice, fiind folosita pentru sinteza pentazofosfatilor necesari in sinteza nucletidelor si a altor acceptori de electroni.

Acestor cai li se mai pot adauga inca doua:

- calea Enter - Douderoff (E.D.), care furnizeaza precursori pentru biosinteza ARN si ADN, vitamine si acizi aromatici, fara producere de energie (intalnita la unele specii de bacterii din genul Pseudomonas);
- calea fosfocetolazei, intalnita la un grup mic de bacterii lactice heterofermentative si care implica participarea enzimei fosfocetolaza; pe aceasta cale acetil fosfatul este scindat direct dintr-un monoglucid cu 5 sau 6 atomi de carbon.
Toate cele patru cai de folosire a monoglucidelor (glucozei) sunt interconectate, avand un important complex enzimatic comun. Totusi, microorganismele, avand o mare variabilitate genetica, isi aleg calea sau caile majore cele mai convenabile. Chiar aceeasi specie poate folosi, in raport cu conditiile in care traieste, una sau mai multe cai.

2. RESPIRATIA AEROBA - reprezinta acel tip de respiratie in care donatorul de oxigen este o substanta anorganica sau organica, iar acceptorul final de electroni este oxigenul, substratul fiind complet oxidat pana la CO2 si H2O.
Asadar, respiratia aeroba se caracterizeaza prin aceea ca electronii eliberati prin oxidarea substratului sunt transferati la oxigen prin enzime transportoare, energia rezultata stocandu-se in ATP prin cuplarea acestuia cu reactiile de oxido-reducere.

Modalitatea de obtinere a ATP cu reactiile redox este denumita fosforilare oxidativa si are ca rezultat (in cazul substratului de glucoza) o energie de 688 kcal/mol din care cca 40% este inmagazinata in ATP, mult mai mare decat prin fermentatii.

Enzimele ce catalizeaza reactiile de transfer de electroni sunt dehidrogenazele si actioneaza in functie de potentialul lor de redox (rH), de la rH-ul mai negativ la rH-ul mai pozitiv cel mai ridicat. Toate enzimele actioneaza numai in prezenta unor coenzime specifice, astfel:
dehidrogenazele pirimidinice au coenzime NAD+ si NADP+ (Eo = -0.32V),
flavinice folosesc drept coenzime FMN+ si FAD+ (Eo = 0.05V),
aldolazele, citocromoxidazele, piruvatdehidrogenaza folosesc drept coenzime citocromii, feredoxina, rubredoxina cu rH negativ,
kinazele utilizeaza chinonele (coenzimele Q sau ubichinonele) cu rH pozitiv.

Sistemul transportor de electroni este localizat in mitocondrii la microorganismele eucariote si in membrana plasmatica si mezosomi la cele procariote.


RESPIRATIA ANAEROBA - este acel tip de respiratie celulara in care acceptorul final de electroni poate fi orice substanta anorganica exceptand oxigenul, iar donorul un compus organic sau anorganic. Ea se intalneste numai la bacterii.

FERMENTATIA ALCOOLICA
Fermentatia alcoolica si in primul rand produsele acesteia, bauturile alcoolice, sunt cunoscute din cele mai vechi timpuri, iar studierea stiintifica a acesteia a reprezentat, de fapt, inceputurile microbiologiei.
Initial, fermentatia alcoolica a fost considerata un fenomen chimic pur, Lavoisier folosind-o pentru demonstrarea principiului conservarii materiei.
Definitie: fermentatia alcoolica consta in transformarea zaharurilor in alcool etilic si acid carbonic sub influenta unor microorganisme, dintre care pe primul loc se afla drojdiile care pot fi considerate ca adevarati agenti ai fermentatiei alcoolice.
Exista insa un mare numar de ciuperci care produc descompunerea zaharului cu formare de alcool etilic, atunci cand sunt obligate sa traiasca in conditii anaerobe, asa cum exista si drojdii (Pichia hialospora) incapabile sa produca fermentatia alcoolica.

Agenti ai fermentatiei alcoolice
La inceput, fermentatia se face sub actiunea microflorei spontane. Practica a aratat insa ca microorganismele neselectionate sunt slab si inegal active, motiv pentru care industrial se folosesc drojdii selectionate (cultivate), ce se disting de cele salbatice prin productivitatea lor ridicata si sunt adaptate perfect vietii anaerobe.
La fabricarea alcoolului etilic se folosesc drojdiile care apartin genului Saccharomyces Rees (Endomytacceae), din care amintim speciile: S.. cerevisiae, S.elegans, S.. ellipsoideus, S.. fructuus, S. chevalieri, S.acidifaciens, S. ludwigii,etc.
Anumite drojdii osmofile din genul Zygosaccharomyces suporta concentratii mari de zahar, putand produce fermentarea siropurilor concentrate de zahar si a mierii.
Se vor aminti in continuare cateva din alte categorii de microorganisme ce pot produce prin fermentatie alcool etilic.
- mucegaiuri din fam. Mucoraceae, clasele Phycomycetes (Mucor Eumycetes rouxianus sinonim Amylomyces rouxii, Mucor racemosus, Rhizopus orizae),(Aspergillus orizae, Penicillium glaucum, Dematium pullulans);
- bacterii: Bacillus macerans, Bacillus etilicus, Bacillus gracile, etc.

Natura enzimatica a fermentatiei alcoolice
Dupa ce Pasteur a descris fermentatia alcoolica ca fiind un proces biologic complex, Buchner, in 1897, a demonstrat natura enzimatica a acesteia.
Degradarea hidratilor de carbon si transformarea lor in alcool etilic presupune un mecanism cuprinzand reactii enzimatice succesive, reactii ce au loc in prezenta si cu aportul adenozin si tiamin fosfatilor si coenzimei A, precum si a unor vitamine hidrosolubile ca B1, B2, B5, B6, PP, s.a.
Principalele enzime implicate in principalele secvente succesive ale acestui mecanism sunt:
• in etapa de fosforilare si formare a trizofosfatilor: hexokinaza,
fosfoglucoizomeraza, fosfofructokinaza, aldolaza, s.a.;
• in etapa de dehidrogenare a aldehidei fosfoglicerice:
glicerofosfatdehidrogenaza, fosfogliceratkinaza, s.a.;
• in etapa de producere a acidului piruvic: glicerofosfatmutaza, enolaza;
• in etapa formarii alcoolului etilic: alcooldehidrogenaza.

Principalii factori de influenta a fermentatiei alcoolice
Fermentatia alcoolica fiind o succesiune de reactii catabolice produse de drojdii cu ajutorul enzimelor este influentata de factori implicati in metabolism in mod esential.

• temperatura, ca valoare medie si ca amplitudine intre valorile maxime si minime, fiecare specie de microorganism avand o temperatura optima specifica;
• concentratia ionilor de hidrogen (pH), drojdiile dezvoltandu-se in general pe substraturi acide (pH = 3.5 - 4.7);
• potentialul redox, datorita faptului ca procesele de fermentare sunt, in general, reactii de oxido-reducere;
• presiunea osmotica - concentratiile ridicate de hidrati de carbon incetinesc mecanismul fermentatiei, drojdiile obisnuite isi intrerup activitatea la presiuni osmotice mari.
• concentratia de alcool rezultat - are actiune inhibitoare daca depaseste 4-5% pentru drojdiile de fermentatie inferioare si 18% pentru cele de fermentatie superioare;
• activatorii si inhibitorii microorganismelor: antiseptice, microelemente minerale, alcoolul, dioxidul de carbon, oxigenul, etc.

FERMENTATIA LACTICA
Definitie: prin fermentatie lactica se intelege procesul biologic din care rezulta ca produs principal acidul lactic.
Fermentatia lactica este foarte frecvent intalnita in numeroase produse si domenii agro-alimentare cu destinatie umana si zootehnica, fiind produsa in cele mai multe cazuri de bacterii, dar si de drojdii si mucegaiuri.

Agenti ai fermentatiei lactice
Bacteriile care produc acid lactic fac parte din categoria cocilor (grec. kokkos = bob) sau a bacililor (latin. bacillus = bastonas) si ca majoritatea bacteriilor se dezvolta la temperaturi de 28 - 35oC (sunt mezofile). Exista insa si specii termofile (cu temperaturi optime de dezvoltare intre 35 - 62oC) sau psihrofile (care prefera temperaturi scazute, pana la 10oC). Procesul de fermentare poate produce in final doar acid lactic, situatie in care bacteriile lactice se numesc homofermentative, sau pe langa acid lactic, ca produs principal, si alti produsi secundari: alcool etilic, bioxid de carbon, acid propionic, s.a., caz in care agentii de fermentatie se numesc heterofermentativi.

• Termobacteriii lactice heterofermentative, (in paranteza se dau originea si temperatura optima): Leuconostoc caucasicus (chefir, branza, 37 - 45oC), Lactobacillus lactis (lapte, branza, 36 - 45oC), L. helveticus (branza, 37 - 45oC);
• Termobacterii lactice homofermentative: L. bulgaricus sinonim Thermobacterium bulgaricum (iaurt, 45 - 62oC), L. thermophilus (iaurt, 45 - 62oC), L. acidophilus (fecale nou-nascuti, 37-45oC), L. delbruckii (plamezi cereale, 50oC);
• Bacterii lactice mezofile heterofermentative: L. buchnerii (vin, plamezi acide, melasa, 28-32oC), L. brevis (lapte, varza murata, 28-32oC), L. pastorianus (bere, 28-32oC);
• Bacterii lactice mezofile homofermentative: L. casei (lapte, 28-32oC), L. plantarum (lapte, 28-32oC);
• Bacterii lactice psihrofile.

FERMENTATIA PROPIONICA
Definitie: Fermentatia propionica este un proces biochimic anaerob, prin care substratul glucidic este transformat, prin reactii enzimatice datorate enzimelor specifice din componenta bacteriilor propionice, in acid propionic.
Fermentatia propionica are importanta speciala in producerea branzeturilor maturate cu pasta tare si goluri interioare (tip Schweitzer), carora le imprima, in afara incluziunilor alveolare, caracteristici organoleptice specifice si o valoare nutritiva ridicata. Totodata, bacteriile propionice produc, la maturarea painii, o fermentatie suplimentara, transformand acidul lactic in acid propionic si bioxid de carbon, imbunatatind gustul si cresterea in volum a painii.

Agenti ai fermentatiei propionice
Bacteriile propionice sunt incluse in familia Lactobacteriaceae, genul Propionibacterium.
Printre cele mai importante, din punct de vedere al utilitatii in domeniul agroalimentar, se amintesc: Propionibacterium freudenreichii van Niels sinonim cu Bacterium acidi propionici, Propionbacterium shermanii, bacterii utile in sectoarele produselor lactate si de panificatie si Propionibacterium rubrum van Niels, bacteria ce formeaza petele rosii pe branzeturi, Clostridium propionicum Neillonela, s.a., care nu au prea mare importanta industriala.
Fiziologic, bacteriile propionice pot folosi ca substrat de fermentatie diverse hexoze (glucoza, lactoza, maltoza), acizi organici (lactic, malic), glicerina, actionand in medii neutre, slab acide (pH optim 6,9) si domenii de temperature mezofile (35-37oC). Valori de temperatura de peste 60oC le inactiveaza, ca de altfel si concentratii de clorura de sodiu mai mari de 4%.

FERMENTATIA MALO-LACTICA
Definitie: fermentatia malo-lactica este un proces biochimic datorat microorganismelor, sub actiunea carora acidul malic, aflat in fructele necoapte, este transformat in acid lactic si dioxid de carbon. Prin acest proces, aciditatea crescuta a fructelor se reduce cu peste 30%, datorita faptului ca o parte din acidul malic se transforma in dioxid de carbon (0.33g CO2/g acid malic).

Agentii fermentatiei malo-lactice
Avand o deosebita importanta in vinificarea strugurilor necopti sau cu aciditate ridicata, aceasta fermentatie este determinata de unele bacterii lactice din genurile: Lactobacillus Beijerinck, Leuconostoc si Pedicoccus, din care amintim: Bacterium gracile, Micrococcus malolacticus, M. multivorax, M. variococcus, Streptococcus malolacticus, S. mucilaginosus vini, Pedicoccus vini.

FERMENTATIA ANAEROBA METANICA
Definitie: prin acest tip de fermentatie are loc o degradare anaeroba a unor reziduuri rezultate din activitatile gospodaresti si transformarea lor in metan, hidrogen si alte produse combustibile, sub actiunea mai multor grupe de microorganisme.
Agentii si mecanismul fermentatiei anaerobe metanice
Deseurile animaliere, gospodaresti, orasenesti, biomasa vegetala autumnala, etc., sunt degradate de trei grupe de microorganisme, si anume:
• in prima grupa sunt incluse bacterii anaerobe din genurile Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus si Butyrivibrio si bacterii facultativ anaerobe ca Escherichia coli si Bacillus ce degradeaza biopolimerii ca celuloza, proteinele, etc., formand H2, CO2, etanol, acizii formic, butiric, si propionic, alcoolii etilic si metilic;
• grupa a doua cuprinde microorganismele ce transforma acesti produsi in aldehida acetica activata si anume genurile: Syntrophobacter, Syntrophomonas si Desulfovibrio;
• a treia grupa este compusa din bacterii metanogene ce transforma produsii rezultati din prima si a doua etapa (H2, CO2, alcoolii, acizii, s.a.) in metan.

Importanta fermentatiei metanice
Deoarece procesul fermentativ decurge in natura la scara mare, cu o mare productie de energie (echivalenta cu 50 x 1.05 x 109 GJ/an), el ar putea fi folosit prin instalatii simple de fermentare si captare a biogazului la nivelul fermelor si gospodariilor rurale. In urma fermentatiei metanice, biomasa degradata constituie un ingrasamant natural, ecologic, cu continut foarte ridicat de humus, compusi
azotati si carbon.
FERMENTATIA BUTIRICA
Definitie: Fermentatia butirica reprezinta un proces biologic anaerob prin care bacteriile butirice metabolizeaza diverse surse, in speial hidrocarbonati, transformandu-le in acid butiric. Acest tip de fermentare asigura energia necesara desfasurarii functiilor vitale si multiplicarii agentilor de fermentatie.

Agenti ai fermentatiei butirice
Bacteriile butirice apartin, in marea lor majoritate, cca. 100 de specii, genului Clostridium din familia Bacillaceae, fiind caracterizate prin capacitatea de formare a endosporilor in forma de suveica sau de maciuca, avand dimensiuni mai mari ca celula vegetativa formatoare. Endosporii sunt o forma de rezistenta indelungata in conditii de mediu foarte diferite, a caror distrugere nu se poate realiza decat prin sterilizare la temperaturi peste 130oC, cel putin 20 minute.
Bacteriile butirice au un echipament enzimatic foarte diversificat, permitandu-le sa foloseasca ca mediu de dezvoltare substrate poliglucidice, proteice, pectine cu macromolecule complexe, dar si compusi chimici mai simpli ca de exemplu monoglucide, acizi organici (lactic, propionic), alcooli (glicerina,), compusi cu azot, etc.
Morfologic, bacteriile butirice se prezinta sub forma de bastonase care sporuleaza usor. Inainte de sporulare ele se maresc si iau forma de maciuca sau de fus, iar unele specii formeaza in interiorul celulei, inainte de a sporula, o substanta de rezerva, cunoscuta sub numele de granuloza (asemanatoare cu amidonul), sintagma ce a stat la originea denumirii unor specii: Granulobacter.
Bacteriile butirice sunt raspandite in sol, cereale, produse lactate, conserve, materii fecale, etc., efectul prezentei lor fiind, in majoritatea cazurilor, nedorit.
Produselor agricole si alimentare le depreciaza calitatea (produc bombajul conservelor si balonarea tarzie a branzeturilor, imprima un gust specific neplacut unor bauturi alcoolice, etc.).
In raport cu produsul finit al fermentatiei, bacteriile butirice pot fi clasificate dupa cum urmeaza:
• bacterii butirice propriu-zise (zaharolitice), din care evidentiem speciile mai importante pentru domeniul agro-alimentar: Clostridium saccharobutiricum, Cl. tyrobutiricum, Cl. pasteurianus, Cl. nigricans;
• bacterii butirice producatoare de solventi, ce metabolizeaza, de asemenea, compusii hidrocarbonati, dar produc, dupa fermentatia butirica, alcool etilic, acetona, alcooli propilic, butilic, pentilic (propanol, butanol, pentanol), grupa din care se amintesc: Clostridium buthyricum, Cl. acetoaethylicum, Bacillus macerans;
• bacetrii peptonolitice, reprezentand o grupa de bacterii de putrefactie, ce foloseste ca substrat peptone, peptide, aminoacizi si alti compusi organici continand azot (de exemplu ureea), dintre care mentionam: Clostridium sporogenes, Cl. hystoliticum, Cl. stiklandi (bacterii alterante ce produc bombarea conservelor), Cl. botulinum, Cl. perfringens (agenti ce produc toxine grave pentru om si animale).