Vstup substrátů do katabolismu chemoorganotrofních bakterií

Úvod

Velmi častým, a do jisté míry i modelovým, zdrojem uhlíku a energie je glukosa. Bakterie jsou však schopny využívat řadu různých substrátů, a to nejen sacharidů. Cytoplasmatická membrána bakterií je selektivně propustná pouze pro jednoduché molekuly. Přesto jsou bakterie schopny utilizovat i vysokomolekulární látky jako jsou polysacharidy, bílkoviny či lipidy, a to díky produkci extracelulárních enzymů. Tyto enzymy štěpí vysokomolekulární látky mimo bakteriální buňku na jednoduché molekuly schopné transportu skrz cytoplasmatickou membránu. Produkce extracelulární enzymů je jedním ze stěžejních mechanismů kažení potravin.

Vstup sacharidů a polysacharidů

Hexosy jsou nejvhodnějším zdrojem energie a uhlíku pro většinu chemoorganotrofních bakterií. Enzymy umožňující transport hexos a jejich metabolizaci jsou konstitutivní povahy (trvale přítomné v buňce). Výjimkou je galaktosa, jejíž transport a přeměna je induktivní, tj. příslušné enzymy jsou produkovány až při poklesu koncentrace ostatních hexos pod určitou úroveň. Hexosy jsou metabolizovány glykolýzou, obvykle po předchozí fosforylaci, příp. konverzi. Pentosy a tetrosy vstupují do katabolismu prostřednictvím pentózového cyklu.

Disacharidy a oligosacharidy

Disacharidy (sacharosa, laktosa, maltosa, celobiosa, atd.) a oligosacharidy jsou bakteriemi snadno využívány. K indukci transportu oligosacharidů do buňky a k produkci příslušných enzymů dochází po vyčerpání dostupných hexos (pokles koncentrace pod hraniční hodnotu).

Intracelulárně jsou disacharidy a oligosacharidy obvykle hydrolyticky štěpeny na monosacharidy, které jsou následně metabolizovány odpovídajícím způsobem.

Disacharidy mohou být štěpeny také fosforolýzou – štěpení kyselinou fosforečnou za vzniku jejího esteru, např. maltosa je štěpena na glukosa-1-fosfát a glukosu.

Dalším způsobem je štěpení disacharidů na jeden monosacharid a polymer druhého monosacharidu. Setkáváme se s tím např. u bakterie Leuconostoc mesenteroides, která štěpí sacharosu na fruktosu (ta slouží jako zdroj energie a uhlíku) a glukosu, která je ihned štěpícím enzymem přenesena na jinou glukosu, resp. již vytvořený dextran (polymer glukosy). Dextrany, produkované ve formě volného slizu, mají viskózní charakter a způsobují významné problémy v cukrovarnictví nebo při výrobě potravin s vysokým obsahem sacharosy (marmelády, cukrovinky, slazené nápoje, koncentráty ovocných šťáv, atd.).

Vstup sacharidů a polysacharidů

Polysacharidy

Polysacharidy jsou extracelulárními sacharolytickými enzymy štěpeny na oligo- či monosacharidy. Produkce extracelulárních enzymů je indukována využitím hexos vzniklých z oligosacharidů. Extracelulární enzymy štěpí také pektiny přítomné v rostlinných pletivech, což se prakticky projevuje nežádoucím měknutím ovoce (tzv. měkká hniloba).

Škrob a glykogen, tvořené proměnlivým podílem amylasy (lineární řetězce) a amylopektinu (větvené řetězce), jsou hydrolyzovány amylasami (α-amylasy, b-amylasy) na směs maltosy a glukosy. Amylasy produkují např. sporotvorné bakterie Bacillus spp. (nitkovitost pečiva) a Clostridium spp. či některé plísně.

Hydrolýza celulosy enzymem celulasou probíhá jak ve volné přírodě, tak v předžaludku přežvýkavců. Jedná se o poměrně pomalý proces, který navíc vyžaduje přítomnost tzv. prehydrolytického faktoru C₁, který způsobuje nezbytné zvýšení hydratace celulosy. Výsledkem štěpení je disacharid celobiosa. Celulasy jsou produkovány např. bakteriemi rodů Clostridium, Cellulomonas či Cellvibrio, dále některými plísněmi a aktinomycetami.

Řada sacharolytických enzymů je získávána průmyslovým způsobem a má další využití. Z kvasinek Saccharomyces cerevisiae se získává invertasa (štěpí sacharosu na glukosu a fruktosu), která má extracelulární charakter. Používá se při výrobě cukrovinek a v pekárenství, kde zabraňuje tvrdnutí jemného pečiva. Intracelulární laktasa, opět kvasinkového původu, se používá při výrobě zahuštěných mléčných výrobků, kde zabraňuje krystalizaci laktosy. Z krmivářského hlediska mají pozitivní význam celulolytické bakterie.

Vstup lipidů

Jako zdroj energie a uhlíku slouží nejčastěji triglyceridy a fosfolipidy. Bakterie schopné produkovat extracelulární lipasy je hydrolyzují na mastné kyseliny a glycerol. Glycerol po převedení na 3-fosfoglyceraldehyd vstupuje do glykolýzy, kde je přeměněn na pyruvát, který je za aerobních podmínek oxidován v Krebsově cyklu.

Volné mastné kyseliny podléhají tzv. beta-oxidaci mastných kyselin, při které jsou postupně aerobně oxidovány za vzniku acetyl-CoA a mastné kyseliny kratší o dva uhlíky. Jedná se v podstatě o „spirálovitě“ probíhající proces, který se opakuje až do úplné oxidace celé mastné kyseliny se sudým počtem uhlíků. Vzniklý acetyl-CoA vstupuje do Krebsova cyklu. Současně mohou vznikat senzoricky významné látky jako methylketony, sekundární alkoholy a těkavé kyseliny. Beta-oxidace mastných kyselin je významným zdrojem energie pro bakteriální buňku.

Rozklad tuků je nežádoucí zejména u potravin s jejich vysokým obsahem, např. másla. Velmi často jej vyvolávají psychrotrofní mikroorganismy, které jsou schopny metabolismu i za nízkých (chladničkových) teplot, např. bakterie Pseudomonas spp. či některé plísně. Vzniklé nižší mastné kyseliny – máselná (C4), kapronová (C6), kaprylová (C8) či kaprinová (C10), významně ovlivňují senzorické vlastnosti potravin (žluklá chuť, cizí pach) a zvyšují číslo kyselosti. Vznik methylketonů je typický pro zrání plísňových sýrů.

Vstup aminokyselin a bílkovin

Z dusíkatých látek jsou nejdříve využívány aminokyseliny, teprve po jejich spotřebování vstupují do katabolismu i peptidy a bílkoviny.

Aminokyseliny

Prvním krokem katabolismu aminokyselin je jejich deaminace nebo transaminace. Při deaminaci je aminoskupina odštěpena a uvolněna do prostředí ve formě amoniaku (prostředí se tím alkalizuje). Vzniklé organické kyseliny nejčastěji vstupují do glykolýzy a Krebsova cyklu. Konečnými uhlíkatými produkty katabolismu aminokyselin jsou pyruvát, acetát a některé intermediáty Krebsova cyklu. Při deaminaci vznikají senzoricky nežádoucí látky jako amoniak, indol, skatol či sirovodík.

Při transaminaci je aminoskupina přenesena z aminokyseliny na oxokyselinu, ze které vzniká příslušná aminokyselina. Nejčastějšími akceptory jsou kyselina α-ketoglutarová, oxaloctová a pyrohroznová. Transaminace je využitelná i v opačném směru při biosyntéze aminokyselin, kdy jako zdroj dusíku slouží ion NH₄⁺ z prostředí.

Můžeme se setkat i s dekarboxylací aminokyselin za vzniku CO₂ a primárních aminů, které mohou být velmi toxické, např. kadaverin z lysinu či putrescin z ornitinu. Jejich producenty jsou zejména bakterie čeledi Enterobacteriaceae či pseudomonády. Velmi závažné jsou biogenní aminy vzniklé dekarboxylací aromatických aminokyselin histidinu (histamin), tyrosinu (tyramin) a tryptofanu (tryptamin). Při zvýšeném výskytu mohou u citlivých jedinců vyvolat intoxikaci.

Histamin způsobuje bolesti hlavy, zvracení, bolesti břicha a poruchy krevního oběhu, častým zdrojem jsou ryby bohaté na histidin (makrely, tuňák). Tyramin vzniká zejména v dlouho zrajících sýrech a trvanlivých salámech, způsobuje zvýšení krevního tlaku a bolesti hlavy. Biogenní aminy mohou vznikat i v potravinách rostlinného původu. Mezi významné producenty patří např. enterokoky.

Vstup aminokyselin a bílkovin

Peptidy a bílkoviny

Peptidy a bílkoviny jsou nejprve hydrolyzovány extracelulárními proteasami na jednotlivé aminokyseliny, které po průchodu cytoplasmatickou membránou vstupují do katabolismu. Extracelulární proteasy jsou produkovány zejména řadou tzv. hnilobných bakterií, které způsobují rozklad bílkovin masa a dalších produktů za vzniku amoniaku, sirovodíku a dalších senzoricky nežádoucích látek (indol, skatol, atd.). Mezi významné producenty patří např. bakterie rodů Bacillus, Clostridium, Pseudomonas či Proteus a plísně. Všechny bílkoviny v prostředí jsou díky činnosti mikroorganismů mineralizovány na konečné produkty (CO₂, H₂O a NH₃) a vráceny tak do koloběhu látek v přírodě.

Po spotřebování bílkovin z prostředí dochází k využívání ostatních, vzácnějších, organických látek, jako jsou třeba alifatické a aromatické uhlovodíky a jejich deriváty (bakterie Pseudomonas spp. či některé plísně) či jednouhlíkové sloučeniny obsahující methylskupinu CH₃ – např. methan či methylalkohol (methylotrofní bakterie).