Skip to main content
Global

8.4: תסיסה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    209101

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מטרות למידה

    • הגדירו תסיסה והסבירו מדוע היא אינה דורשת חמצן
    • תאר את מסלולי התסיסה ואת תוצרי הקצה שלהם ותן דוגמאות למיקרואורגניזמים המשתמשים במסלולים אלה
    • השווה והשוואה בין תסיסה ונשימה אנאירובית

    תאים רבים אינם מסוגלים לבצע נשימה בגלל אחת או יותר מהנסיבות הבאות:

    1. לתא חסרה כמות מספקת של כל מקבל אלקטרונים מתאים, אנאורגני, סופי לביצוע נשימה תאית.
    2. לתא חסרים גנים ליצירת קומפלקסים מתאימים ונושאי אלקטרונים במערכת הובלת האלקטרונים.
    3. לתא חסרים גנים לייצור אנזים אחד או יותר במחזור קרבס.

    בעוד שהיעדר מקבל אלקטרונים סופי אנאורגני מתאים תלוי בסביבה, שני התנאים האחרים נקבעים גנטית. לפיכך, פרוקריוטים רבים, כולל בני הסוג החשוב מבחינה קלינית סטרפטוקוקוס, אינם מסוגלים לנשום לצמיתות, אפילו בנוכחות חמצן. לעומת זאת, פרוקריוטים רבים הם פקולטטיביים, כלומר אם התנאים הסביבתיים ישתנו כדי לספק מקבל אלקטרונים סופי אנאורגני מתאים לנשימה, אורגניזמים המכילים את כל הגנים הנדרשים לשם כך יעברו לנשימה תאית למטבוליזם של גלוקוז מכיוון שהנשימה מאפשרת ייצור ATP גדול בהרבה לכל מולקולת גלוקוז.

    אם הנשימה אינה מתרחשת, יש לחמצן מחדש את NADH ל- NAD + לשימוש חוזר כנשא אלקטרונים לגליקוליזה, המנגנון היחיד של התא לייצור ATP כלשהו, כדי להמשיך. חלק מהמערכות החיות משתמשות במולקולה אורגנית (בדרך כלל פירובט) כמקבל אלקטרונים סופי באמצעות תהליך הנקרא תסיסה. התסיסה אינה כרוכה במערכת הובלת אלקטרונים ואינה מייצרת ישירות ATP נוסף מעבר לזה שנוצר במהלך הגליקוליזה על ידי זרחון ברמת המצע. אורגניזמים המבצעים תסיסה, הנקראים תוססים, מייצרים מקסימום שתי מולקולות ATP לגלוקוז במהלך הגליקוליזה. הטבלה \(\PageIndex{1}\) משווה את מקבלי האלקטרונים הסופיים ושיטות סינתזת ATP בנשימה אירובית, נשימה אנאירובית ותסיסה. שים לב שמספר מולקולות ה- ATP המוצגות לגליקוליזה מניח את מסלול Embden-Meyerhof-Parnas. מספר מולקולות ה- ATP המיוצרות על ידי זרחון ברמת המצע (SLP) לעומת זרחון חמצוני (OP) מצוין.

    טבלה\(\PageIndex{1}\): השוואה בין נשימה לעומת תסיסה
    סוג חילוף החומרים דוגמא מקבל אלקטרונים סופי מסלולים המעורבים בסינתזת ATP (סוג זרחון) תשואה מקסימלית של מולקולות ATP
    נשימה אירובית פסאודומונס אירוגינוזה \(\ce{O2}\)

    גליקוליזה EMP (SLP)

    מחזור קרבס (SLP)

    הובלת אלקטרונים וכימיוזמוזה (OP):

    2

    2

    34
    סך הכל 38
    נשימה אנאירובית פאראקוקוס דניטריפיקנס

    \(\ce{NO3-}\),\(\ce{SO4^{-2}}\),\(\ce{Fe^{+3}}\),\(\ce{CO2}\),

    חומרים אורגניים אחרים

    גליקוליזה EMP (SLP)

    מחזור קרבס (SLP)

    הובלת אלקטרונים וכימיוזמוזה (OP):

    2

    2

    1—32
    סך הכל 5 — 36
    תסיסה קנדידה אלביקנס

    אורגני

    (בדרך כלל פירובט)

    גליקוליזה EMP (SLP)

    תסיסה

    2

    0
    סך הכל 2

    תהליכי תסיסה מיקרוביאליים עברו מניפולציה על ידי בני אדם ונמצאים בשימוש נרחב בייצור מזונות שונים ומוצרים מסחריים אחרים, כולל תרופות. תסיסה מיקרוביאלית יכולה להיות שימושית גם לזיהוי חיידקים למטרות אבחון.

    תסיסה על ידי חיידקים מסוימים, כמו אלה ביוגורט ובמוצרי מזון חמוצים אחרים, ועל ידי בעלי חיים בשרירים במהלך דלדול החמצן, היא תסיסה של חומצת חלב. התגובה הכימית של תסיסת חומצת חלב היא כדלקמן:

    \[\ce{Pyruvate + NADH \leftrightarrow lactic\: acid + NAD+}\]

    חיידקים מכמה סוגים חיוביים לגרם, כולל לקטובצילוס, לוקונוסטוק וסטרפטוקוקוס, ידועים ביחד בשם חיידקי חומצת החלב (LAB), וזנים שונים חשובים בייצור מזון. במהלך ייצור היוגורט והגבינה, הסביבה החומצית ביותר הנוצרת על ידי תסיסה של חומצת חלב מפחיתה חלבונים הכלולים בחלב וגורמת לו להתמצקות. כאשר חומצה לקטית היא תוצר התסיסה היחיד, אומרים שהתהליך הוא תסיסה הומולקטית; כזה הוא המקרה של לקטובצילוס דלברוקי ו S. תרמופילים המשמשים לייצור יוגורט. עם זאת, חיידקים רבים מבצעים תסיסה הטרולקטית, ומייצרים תערובת של חומצה לקטית, אתנול ו/או חומצה אצטית, ו-CO 2 כתוצאה מכך, בגלל השימוש שלהם במסלול הפוספט הפנטוז המסועף במקום במסלול ה-EMP לגליקוליזה. תסיסה הטרולקטית חשובה אחת היא Leuconostoc mesenteroides, המשמש להחמצת ירקות כמו מלפפונים וכרוב, לייצור חמוצים וכרוב כבוש, בהתאמה.

    חיידקי חומצה לקטית חשובים גם מבחינה רפואית. ייצור סביבות pH נמוכות בגוף מעכב הקמה וצמיחה של פתוגנים באזורים אלה. לדוגמה, המיקרוביוטה הנרתיקית מורכבת ברובה מחיידקי חומצה לקטית, אך כאשר חיידקים אלה מופחתים, שמרים יכולים להתרבות ולגרום לזיהום בשמרים. בנוסף, חיידקי חומצה לקטית חשובים בשמירה על בריאות מערכת העיכול וככאלה הם המרכיב העיקרי בפרוביוטיקה.

    תהליך תסיסה מוכר נוסף הוא תסיסת אלכוהול, המייצרת אתנול. תגובת תסיסת האתנול מוצגת באיור\(\PageIndex{1}\). בתגובה הראשונה, האנזים פירובט דקרבוקסילאז מסיר קבוצת קרבוקסיל מפירובט, ומשחרר גז CO 2 תוך ייצור מולקולת שני הפחמן אצטאלדהיד. התגובה השנייה, המזרזת על ידי האנזים אלכוהול דהידרוגנאז, מעבירה אלקטרון מ-NADH לאצטאלדהיד, ומייצרת אתנול ו-NAD +. תסיסת האתנול של פירובט על ידי השמרים Saccharomyces cerevisiae משמשת לייצור משקאות אלכוהוליים וגם גורמת למוצרי לחם לעלות עקב ייצור CO 2. מחוץ לתעשיית המזון, תסיסת אתנול של מוצרים צמחיים חשובה בייצור דלק ביולוגי.

    חומצה פירובית מומרת ל- CO2 ואצטאלדהיד. אצטאלדהיד מומר לאתנול; בתהליך זה NADH מומר ל- NAD+
    איור\(\PageIndex{1}\): התגובות הכימיות של תסיסת אלכוהול מוצגות כאן. תסיסת אתנול חשובה בייצור משקאות אלכוהוליים ולחם.

    מעבר לתסיסה של חומצת חלב ותסיסת אלכוהול, שיטות תסיסה רבות אחרות מתרחשות בפרוקריוטים, והכל במטרה להבטיח אספקה נאותה של NAD + לגליקוליזה (טבלה). \(\PageIndex{2}\) ללא מסלולים אלה, גליקוליזה לא הייתה מתרחשת ולא נקצר ATP מפירוק הגלוקוז. יש לציין שרוב צורות התסיסה מלבד התסיסה ההומולקטית מייצרות גז, בדרך כלל CO 2 ו/או גז מימן. רבים מסוגי התסיסה השונים הללו משמשים גם בייצור מזון וכל אחד מהם מביא לייצור חומצות אורגניות שונות, התורמות לטעם הייחודי של מוצר מזון מותסס מסוים. החומצה הפרופיונית המיוצרת במהלך תסיסת חומצה פרופיונית תורמת לטעם הייחודי של גבינה שוויצרית, למשל.

    מספר מוצרי תסיסה חשובים מבחינה מסחרית מחוץ לתעשיית המזון. לדוגמה, ממיסים כימיים כגון אצטון ובוטנול מיוצרים במהלך תסיסה של אצטון-בוטנול-אתנול. תרכובות פרמצבטיות אורגניות מורכבות המשמשות באנטיביוטיקה (למשל פניצילין), חיסונים וויטמינים מיוצרות באמצעות תסיסה של חומצה מעורבת. מוצרי תסיסה משמשים במעבדה כדי להבדיל בין חיידקים שונים למטרות אבחון. לדוגמה, חיידקים אנטריים ידועים ביכולתם לבצע תסיסה של חומצה מעורבת, הפחתת ה- pH, אשר ניתן לזהות באמצעות מחוון pH. באופן דומה, ניתן לזהות גם ייצור חיידקי של אצטואין במהלך תסיסת בוטאנדיול. ניתן לראות ייצור גז מתסיסה גם בצינור דורהאם הפוך הלוכד גז מיוצר בתרבית מרק.

    ניתן להבדיל בין חיידקים גם לפי המצעים שהם יכולים לתסוס. לדוגמה, E. coli יכול לתסוס לקטוז וליצור גז, בעוד שחלק מקרוביו הגראם-שליליים הקרובים לא יכולים. היכולת לתסוס את סורביטול האלכוהול הסוכר משמשת לזיהוי זן O157:H7 הפתוגני של E. coli מכיוון שבניגוד לזני E. coli אחרים, הוא אינו מסוגל לתסוס סורביטול. לבסוף, תסיסת מניטול מבדילה את התסיסת המניטול Staphylococcus aureus מסטפילוקוקים אחרים שאינם מתסיסים מניטול.

    טבלה\(\PageIndex{2}\): מסלולי תסיסה נפוצים
    מסלול מוצרי קצה חיידקים לדוגמה מוצרים מסחריים
    אצטון-בוטנול-אתנול אצטון, בוטנול, אתנול, CO 2 קלוסטרידיום אצטובוטילום ממיסים מסחריים, חלופת בנזין
    אלכוהול אתנול, CO 2 קנדידה, סכרומיס בירה, לחם
    בוטאנדיול חומצה פורמית וחומצה לקטית; אתנול; אצטואין; 2,3 בוטאנדיול; CO 2; גז מימן קלבסיאלה, אנטרובקטר יין שרדונה
    חומצה בוטירית חומצה בוטירית, CO 2, גז מימן קלוסטרידיום בוטיריקום חמאה
    חומצה לקטית חומצה לקטית סטרפטוקוקוס, לקטובצילוס כרוב כבוש, יוגורט, גבינה
    חומצה מעורבת חומצות אצטיות, פורמיות, לקטיות וסוצ'ניקיות; אתנול, CO 2, גז מימן אשריצ'יה, שיגלה חומץ, קוסמטיקה, תרופות
    חומצה פרופיונית חומצה אצטית, חומצה פרופיונית, CO 2 פרופיוניבקטריום, ביפידובקטריום גבינה שוויצרית

    תרגיל \(\PageIndex{1}\)

    מתי חיידק רב-תכליתי מבחינה מטבולית יבצע תסיסה ולא נשימה תאית?

    זיהוי חיידקים באמצעות לוחות בדיקת API

    זיהוי של מבודד מיקרוביאלי חיוני לאבחון נכון וטיפול מתאים בחולים. מדענים פיתחו טכניקות המזהות חיידקים על פי המאפיינים הביוכימיים שלהם. בדרך כלל, הם בוחנים את השימוש במקורות פחמן ספציפיים כמצעים לתסיסה או לתגובות מטבוליות אחרות, או שהם מזהים מוצרי תסיסה או אנזימים ספציפיים הקיימים בתגובות. בעבר, מיקרוביולוגים השתמשו במבחנות וצלחות בודדות לביצוע בדיקות ביוכימיות. עם זאת, מדענים, במיוחד אלה במעבדות קליניות, משתמשים כיום בתדירות גבוהה יותר בלוחות פלסטיק, חד פעמיים, מרובי בדיקות המכילים מספר צינורות תגובה מיניאטוריים, שכל אחד מהם כולל בדרך כלל מצע ספציפי ומחוון pH. לאחר חיסון לוח הבדיקה עם דגימה קטנה של החיידק המדובר ודגירה, מדענים יכולים להשוות את התוצאות למסד נתונים הכולל את התוצאות הצפויות לתגובות ביוכימיות ספציפיות לחיידקים ידועים, ובכך לאפשר זיהוי מהיר של חיידק מדגם. לוחות בדיקה אלה אפשרו למדענים להפחית עלויות תוך שיפור היעילות והשחזור על ידי ביצוע מספר גדול יותר של בדיקות בו זמנית.

    לוחות בדיקה ביוכימיים מסחריים וממוזערים רבים מכסים מספר קבוצות חשובות מבחינה קלינית של חיידקים ושמרים. אחד מלוחות הבדיקה המוקדמים והפופולריים ביותר הוא לוח אינדקס הפרופיל האנליטי (API) שהומצא בשנות השבעים. לאחר שבוצע אפיון מעבדה בסיסי של זן נתון, כגון קביעת מורפולוגיית הגראם של הזן, ניתן להשתמש ברצועת בדיקה מתאימה המכילה 10 עד 20 בדיקות ביוכימיות שונות להבדיל זנים בתוך אותה קבוצה מיקרוביאלית. נכון לעכשיו, ניתן להשתמש ברצועות ה- API השונות לזיהוי מהיר וקל של יותר מ- 600 מינים של חיידקים, אירוביים ואנאירוביים כאחד, וכ- 100 סוגים שונים של שמרים. בהתבסס על צבעי התגובות כאשר קיימים תוצרי קצה מטבוליים, בשל נוכחותם של מדדי pH, נוצר פרופיל מטבולי מהתוצאות (איור\(\PageIndex{2}\)). לאחר מכן מיקרוביולוגים יכולים להשוות את פרופיל המדגם למסד הנתונים כדי לזהות את החיידק הספציפי.

    רצועה עם בועות המכילות נוזלים. DNPG ברור. ADH הוא ורוד. LDC הוא צהוב, ODC הוא צהוב. Cit הוא ירוק. H2S ברור. URE הוא צהוב. TDA הוא צהוב IND הוא לבן. סמנכ "ל הוא פינג. ל- GEL יש פס שחור. GLU הוא צהוב. MA הוא ירוק. IND הוא ירוק. SOR הוא ירוק. RHA הוא ירוק. SAC הוא ירוק. MEL הוא ירוק. איימי ירוקה ARA היא ירוקה.
    איור\(\PageIndex{2}\): רצועת הבדיקה API 20NE משמשת לזיהוי זנים ספציפיים של חיידקים גרם שליליים מחוץ ל- Enterobacteriaceae. הנה תוצאת רצועת בדיקת API 20NE עבור פוטובקטריום נשים ssp. פיסיסידה.

    מיקוד קליני: חלק 2

    רבים מהתסמינים של חנה עולים בקנה אחד עם מספר זיהומים שונים, כולל שפעת ודלקת ריאות. עם זאת, הרפלקסים האיטיים שלה יחד עם רגישות האור והצוואר הנוקשה שלה מעידים על מעורבות אפשרית של מערכת העצבים המרכזית, אולי מעידה על דלקת קרום המוח. דלקת קרום המוח היא זיהום של הנוזל השדרתי (CSF) סביב המוח וחוט השדרה הגורם לדלקת בקרום המוח, שכבות המגן המכסות את המוח. דלקת קרום המוח יכולה להיגרם על ידי וירוסים, חיידקים או פטריות. למרות שכל צורות דלקת קרום המוח חמורות, דלקת קרום המוח החיידקית חמורה במיוחד. דלקת קרום המוח החיידקית עשויה להיגרם על ידי מספר חיידקים שונים, אך החיידק Neisseria meningitidis, דיפלוקוקוס גרם שלילי בצורת שעועית, הוא גורם שכיח ומוביל למוות תוך יום עד יומיים אצל 5% עד 10% מהמטופלים.

    בהתחשב ברצינות הפוטנציאלית של מצבה של חנה, הרופא שלה יעץ להוריה לקחת אותה לבית החולים בבירת גמביה בנג'ול ושם יש לבדוק אותה ולטפל בדלקת קרום המוח האפשרית. לאחר נסיעה של 3 שעות לבית החולים, חנה אושפזה מיד. רופאים לקחו דגימת דם וביצעו ניקור מותני לבדיקת CSF שלה. הם גם התחילו אותה מיד בקורס של האנטיביוטיקה ceftriaxone, התרופה המועדפת לטיפול בדלקת קרום המוח הנגרמת על ידי N. meningitidis, מבלי לחכות לתוצאות בדיקות מעבדה.

    תרגיל \(\PageIndex{2}\)

    1. כיצד ניתן להשתמש בבדיקות ביוכימיות כדי לאשר את זהותו של N. meningitidis?
    2. מדוע החליטו הרופאים של חנה לתת אנטיביוטיקה מבלי לחכות לתוצאות הבדיקה?

    מושגי מפתח וסיכום

    • התסיסה משתמשת במולקולה אורגנית כמקבל אלקטרונים סופי כדי ליצור מחדש NAD+מ - NADH כך שהגליקוליזה תוכל להמשיך.
    • התסיסה אינה כרוכה במערכת הובלת אלקטרונים, ולא נוצר ATP על ידי תהליך התסיסה ישירות. תוססים מייצרים מעט מאוד ATP - רק שתי מולקולות ATP לכל מולקולת גלוקוז במהלך הגליקוליזה.
    • תהליכי תסיסה מיקרוביאליים שימשו לייצור מזון ותרופות, ולזיהוי חיידקים.
    • במהלך תסיסת חומצת חלב, פירובט מקבל אלקטרונים מ- NADH ומופחת לחומצה לקטית. חיידקים המבצעים תסיסה הומולקטית מייצרים רק חומצה לקטית כתוצר התסיסה; חיידקים המבצעים תסיסה הטרולקטית מייצרים תערובת של חומצה לקטית, אתנול ו/או חומצה אצטית ו- CO 2.
    • ייצור חומצה לקטית על ידי המיקרוביוטה הרגילה מונע צמיחה של פתוגנים באזורי גוף מסוימים וחשוב לבריאות מערכת העיכול.
    • במהלך תסיסת אתנול, פירובט עובר דה-קרבוקסילציה תחילה (משחרר CO 2) לאצטאלדהיד, אשר לאחר מכן מקבל אלקטרונים מ-NADH, ומפחית אצטאלדהיד לאתנול. תסיסת אתנול משמשת לייצור משקאות אלכוהוליים, לייצור מוצרי לחם ולייצור דלק ביולוגי.
    • מוצרי תסיסה של מסלולים (למשל, תסיסה של חומצה פרופיונית) מספקים טעמים ייחודיים למוצרי מזון. התסיסה משמשת לייצור ממיסים כימיים (תסיסה אצטון-בוטנול-אתנול) ותרופות (תסיסה של חומצה מעורבת).
    • ניתן להבחין בין סוגים ספציפיים של חיידקים על ידי מסלולי התסיסה והמוצרים שלהם. ניתן להבדיל בין חיידקים גם לפי המצעים שהם מסוגלים לתסוס.