Metabolismus chemotrofních bakterií - základní informace

Úvod

Metabolismus má dvě protichůdné, ale spolupůsobící stránky – katabolismus a anabolismus.

Anabolismus představuje syntézu látek, tedy tvorbu složitějších biomolekul, makromolekul a supramolekulárních útvarů z jednoduchých živin.

Katabolismus je energetický metabolismus poskytující dostatek volné energie pro průběh biologických dějů (syntéza živé hmoty, transport látek, pohyb, atd.). Syntéza látek nemůže probíhat samostatně, musí být spřažena s katabolickou reakcí v jediný celek, což se děje prostřednictvím katalyzujícího enzymu. Díky tomu může být energie „uvolněná“ katabolickou reakcí „zachycena“ v produktu reakce anabolické.

Adenosintrifosfát - ATP

Univerzálním přenašečem energie formou přenášení fosfátu je adenosintrifosfát (ATP), který vzniká fosforylací adenosindifosfátu (ADP) anorganickým fosfátem (P):

ADP + P <=> ATP

ATP je v buňce využíváno zejména při biosyntéze (polysacharidy, lipidy, proteiny, RNA, DNA), transportu látek a mechanické práci (pohybu), doplňkově při vzniku elektrického potenciálu, bioluminiscence (světla) a tepla.

ATP vzniká jednak na cytoplasmatické membráně procesem membránové fosforylace a také přímo v cytoplasmě transfosforylací z energeticky bohatých fosforylovaných produktů.

(zdroj: http://chemwiki.ucdavis.edu/Under_Construction/Case_Study%3A_Thermodynamics_of_ATP)

NAD a NADP

Univerzálním přenašečem vodíku (či jiných redukujících ekvivalentů) nezbytným pro průběh oxidoredukčních reakcí je systém nikotinamidadenindinukleotid (NAD) a jeho fosforylovaný derivát nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP):

NAD(P) <=> NAD(P)H₂

Role redukovaných nukleotidů v buňce spočívá v předávání vodíků a elektronů respiračnímu řetězci, v němž je vodík oxidován kyslíkem na vodu za vzniku ATP (uplatňuje se NADH₂). Současně slouží jako zdroj vodíku a elektronů při redukčních biosyntetických reakcích (zde se uplatňuje NADPH₂). Potřebná koncentrace obou redukovaných nukleotidů je udržována enzymem NAD(P)-transhydrogenasou podle rovnice:

NADPH₂ + NAD <=> NADP + NADH₂

(zdroj: http://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=1325060_1471-2105-6-283-1&req=4)

Katabolismus

Katabolismus v chemotrofní buňce probíhá ve čtyřech navazujících etapách, jejichž výsledkem je vznik intermediárních metabolitů, ATP a NAD(P)H₂. První etapu představuje rozklad vysokomolekulárních látek na jednoduché molekuly (tuků na mastné kyseliny a glycerol, bílkovin na aminokyseliny a polysacharidů na jednoduché cukry).

Ve druhé etapě jsou tyto látky postupně metabolizovány za vzniku kyseliny pyrohroznové (pyruvátu) a acetylkoenzymuA (acetyl-CoA), dvou ústředních metabolitů bakteriální buňky. Hlavní osou katabolismu je rozklad cukrů procesem označovaným jako glykolýza, kdy je molekula glukosy postupně přeměňována až na pyruvát za vzniku 2 molekul ATP. Pyruvát je dále oxidován na acetyl-CoA (mimo procesu anaerobní fermentace). Acetyl-CoA je dílčím metabolitem také katabolismu aminokyselin a mastných kyselin.

Acetyl-CoA vstupuje do Krebsova cyklu, kde je postupně oxidován za vzniku CO₂ (třetí etapa). Odejmuté vodíky ve formě NADH₂ vstupují do dýchacího řetězce lokalizovaného na cytoplasmatické membráně a redukují kyslík na vodu, příp. jiný terminální akceptor elektronů na jeho redukovanou formu, za současného vzniku ATP (čtvrtá etapa). Paralelně s glykolýzou probíhá tzv. fosfoglukonátová dráha, která generuje NADPH₂ pro potřeby biosyntézy.

Anabolismus

Jednotlivé etapy anabolismu můžeme definovat následujícím způsobem. Výchozím bodem jsou základní živiny (CO₂, H₂O, NH₃, HPO₄^2-), ze kterých vznikají jednotlivé metabolické intermediáty (acetyl-CoA, pyruvát, oxalacetát). Ty jsou podkladem pro vznik základních stavebních kamenů živé hmoty – aminokyselin, nukleotidů, monosacharidů a mastných kyselin. Z nich jsou následně syntetizovány makromolekuly (DNA, RNA, bílkoviny, polysacharidy, peptidoglykan, lipidy), které mohou být dále uspořádány do supramolekulárních útvarů – ribosomů a cytoplasmatické membrány. Výsledkem anabolismu je vznik všech potřebných struktur bakteriální buňky.

Anabolické a katabolické dráhy na sebe v řadě případů těsně navazují, velmi zjednodušeně můžeme říci, že anabolismus je obráceným průběhem katabolismu. To ovšem platí pouze v hrubých rysech, protože ne všechny enzymové reakce jsou reverzibilní a probíhají v obou směrech.

Příkladem může být glykolýza (katabolická dráha) a glukoneogeneze (anabolická dráha). Glykolýza zahrnuje 10 enzymových reakcí, z nichž 7 je reverzibilních (jsou katalyzovány stejným enzymem v obou směrech). Zbývající tři jsou irreverzibilní, a proto při glukoneogenezi musí být místo nich použita jiná enzymová reakce.

Hlavní katabolické a anabolické dráhy se sbíhají v metabolickém uzlu – Krebsově cyklu, který je součástí obou z nich. Je tzv. amfibolický (z řeckého amphi = obojí).

Základní schéma katabolismu a anabolismu v bakteriální buňce

Souvislá čára – katabolismus, přerušovaná čára – anabolismus.

(upraveno podle: KAPRÁLEK, F. Základy bakteriologie. 1. vyd. Praha, ČR: Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum. 2000. 241 p.)

Bakteriální enzymy

Řada mikroorganismů je schopna přizpůsobit metabolismus podmínkám vnějšího prostředí upravením svého enzymového vybavení či změnou aktivity přítomných enzymů. Mikrobiální enzymy můžeme rozdělit do několika skupin:

• konstitutivní enzymy přítomné v buňce za všech podmínek (např. enzymy glykolýzy),

• indukovatelné enzymy, které jsou syntetizovány pouze při přítomnosti tzv. induktoru, tedy sloučeniny, jejíž přeměnu katalyzují (např. enzymy dýchacího řetězce u kvasinek, kde induktorem je kyslík),

• reprimovatelné enzymy, které jsou produkovány pouze v případě, že v prostředí není přítomna živina produkovaná metabolickým řetězcem, jehož jsou součástí (např. enzymy nezbytné pro syntézu některé aminokyseliny jsou přítomny pouze tehdy, není-li aminokyselina přítomna v živném prostředí),

• indukovatelné enzymy podléhající represi, ke kterým patří např. indukovatelné katabolické enzymy, jejichž tvorba je reprimována přítomností snáze využitelného zdroje energie. Pro vysvětlení, indukce enzymu štěpícího oligosacharid či polysacharid je potlačena (reprimována) v případě, že je v živném prostředí mimo induktoru (tj. daného oligo- či polysacharidu) přítomno i dostatečné množství glukosy či jiné hexosy. Využití glukosy je zajištěno konstitutivními enzymy. Hovoříme o glukosové či hexosové represi (tzv. katabolická represe), která je příčinou postupného využívání substrátů vedoucího např. k diauxii. Dalším příkladem jsou deaminasy uplatňující se při anabolických procesech syntézy bílkovin.

Oxidoredukční enzymy

Významnou skupinu katabolických enzymů chemoorganotrofních mikroorganismů představují oxidoredukční enzymy, jejichž kofaktor slouží jako přenašeč vodíku nebo elektronů. Při oxidaci substrátu tedy dochází k jeho redukci.

Podle síly vazby kofaktoru na bílkovinnou část enzymu (apoenzym), rozlišujeme koenzymy (snadno disociují) a prostetické skupiny (jsou pevně vázány). Příkladem koenzymu je NAD(P), k prostetickým skupinám patří flavinové kofaktory – flavinadenindinukleotid (FAD) a flavinmononukleotid (FMN).

Regenerace kofaktoru (dehydrogenace jeho redukované formy ve formu schopnou dehydrogenovat další molekulu substrátu) probíhá buď aerobně, nebo anaerobně. Při anaerobním způsobu předá kofaktor dva vodíky jiné části substrátu za vzniku redukované sloučeniny bohaté na energii – dále nevyužitelný produkt anaerobního procesu.

Za aerobních podmínek jsou redukované kofaktory postupně oxidovány respiračním řetězcem. Výsledkem je vznik vody z vodíků a vzdušného kyslíku a produkce velkého množství energie ve formě ATP (hovoříme o aerobní neboli oxidativní fosforylaci).

Extracelulární enzymy

Z praktického hlediska mají pro potravinářskou mikrobiologii velký význam extracelulární enzymy, které umožňují mikroorganismům štěpit velké makromolekuly přítomné ve vnějším prostředí na jednoduché molekuly schopné transportu skrz cytoplasmatickou membránu. Tyto enzymy jsou ve velké míře zodpovědné za kažení potravin.

Extracelulární proteasy a lipasy jsou termostabilní enzymy, které si zachovávají svoji aktivitu i v pasterovaných a částečně i v UHT (vysokotepelně ošetřených) výrobcích. Enzymy jsou aktivní v poměrně širokém rozmezí pH i teplot, optimální bývá většinou přibližně neutrální pH a teplota kolem 20 °C. Psychrotrofními mikroorganismy jsou extracelulární enzymy produkovány i při chladničkových teplotách (pod 4 °C).

Mezi nejvýznamnější producenty proteas patří gramnegativní psychrotrofní bakterie rodů Pseudomonas (Ps. fluorescens, Ps. fragi), Aeromonas, Flavobacterium, Shewanella, Serratia a Acinetobacter, k producentům lipas potom Pseudomonas spp., Alcaligenes, Shewanella, Acinetobacter a Serratia. Mimo gramnegativních bakterií mohou extracelulární proteasy a lipasy produkovat také bakterie Bacillus spp., některé kvasinky a plísně.

K produkci enzymů dochází ke konci logaritmické fáze růstu, první senzoricky zjevné změny se objevují při kontaminaci řádově 10⁶ KTJ (kolonie tvořících jednotek) v 1 ml či 1 g potraviny. Účinkem extracelulárních enzymů dochází k rozkladu bílkovin a lipidů, který je doprovázen výraznými senzorickými změnami. Producenti extracelulárních proteas a lipas nejčastěji kontaminují syrové produkty živočišného původu (mléko, maso).

Řada enzymů je průmyslově či medicínsky využitelná, např. některé proteasy se používají jako přísada do biologicky aktivních pracích a čisticích prostředků, uplatňují se také v pivovarnictví nebo při tenderizaci (zkřehčování) masa. Vhodnými producenty jsou bakterie Bacillus spp. a plísně rodu Aspergillus. Lipasy nachází využití v kosmetickém průmyslu.

Extracelulární enzymy

Extracelulární sacharolytické enzymy se podílejí na metabolizaci polysacharidů. Kažení způsobené sacharolytickými mikroorganismy se často vyskytuje u potravin rostlinného původu. Typickým příkladem je plesnivění chleba nebo tzv. nitkovitost pečiva, která vzniká v důsledku růstu některých druhů Bacillus spp.

Průmyslově získané amylasy se používají v pivovarnictví, dále ke štěpení škrobu při výrobě sladidel nealkoholických nápojů a v textilním průmyslu. Pektolytické enzymy jsou používány ke konzervaci ovocných šťáv či v textilním průmyslu k uvolnění celulózových vláken z textilních rostlin. V medicíně se používají např. proteasy a amylasy plísní jako enzymatické preparáty při nedostatečné funkci pankreatu.