DISANJE MIKROORGANIZAMA

Pod disanjem mikroorganizama podrazumijevaju se procesi u ćeliji pri kojima dolazi do oslobađanja energije neophodne za životnu djelatnost ćelije. Mikroorganizmima kao i svim drugim živim bićima potreban je neki izvor energije iz kojeg će u procesu disanja oslobađati tu energiju za svoje potrebe, jer se ni jedan proces u ćeliji ne može odigravati bez energije. Sinteza organskih jedinjena, porast, razvitak i razmnožavanje vezani su za utrošak energije. Da bi ćelija mikroorganizama došla do potrebne energije, u njoj se odigravaju određene reakcije u kojima dolazi do oslobađanja energije, koja se zatim zahvata i nagomilava u jedinjenjima bogatim energijom, kao što su adenozintrifosfat (ATP) i nikotinamiddinukleotid (NAD) i dr. U ovim jedinjenjima nagomilana energija je u posebnim vezama bogatim energijom, čijim se raskidanjem oslobađa oko 50 000 džula (J) za razliku od obične hemijske veze koja sadrži oko 12 500 džula (J). Akumuliranu energiju mikroorganizmi koriste za različite životne potrebe. Kao izvor energije mikroorganizmi koriste različita organska jedinjenja koja iz spoljne sredine unose u svoj organizam. Ova jedinjenja se oksidiraju, tj. podliježu procesu razgradnje koja može biti djelimična ili potpuna. Pri tome, raskidanjem veze iz jedinjenja se oslobodi dio energije ili ako je razgradnja potpuna, cjelokupna energija koja se zahvata, akumulira, prenosi i koristi za životne funkcije ćelije. U ovim procesima nastaju i jedinjenja koja su neophodna za potrebe biosinteze novih jedinjenja, kao gradivni materijal ćelije. Neke vrste mikroorganizama do energije dolaze oksidacijom mineralnih jedinjenja, a mikroorganizmi koji imaju hlorofil (alge) kao izvor energije koriste Sunčevu svjetlost. U procesu fotosinteze energiju svjetlosti pretvaraju u hemijsku energiju. Pri tome u određenim procesima dolazi do sinteze jedinjenja sa vezama bogatim energijom (ATP).Procesi u kojima mikroorganizmi dolaze do energije poznati su još i kao biološke oksidacije, čija je osnovna odlika da protječu u vrlo složenim i brojnim oksidoredukcionim reakcijama u ćeliji. Pored drugih jedinjenja kao osnovni izvor energije mikroorganizmi najčešće koriste ugljene hidrate. Razgradnja ugljenih hidrata u ćeliji mikroorganizama radi dobivanja energije protječe različitim metabolitskim putevima. U oksidoredukcionim procesima javlja se niz jedinjenja kao međuproizvodi. Centralno mjesto od svih zauzima pirogrožđana kiselina iz koje pod utjecajem fermenata u daljim oksidoredukcionim procesima mogu nastati raznovrsna jedinjenja. Iz pirogrožđane kiseline u ćeliji se mogu izvojiti C (ugljenik) u vidu CO2 i H (vodonik). Jedinjenje koje odaje vodonik (pirogrožđana kiselina) poznato je kao donator. Izdvojeni vodonik primaju i prenose odgovarajući fermenti kao transporteri, a metaboliti koji na kraju primaju vodonik poznati su kao akceptori. Materije koje odaju vodonik oksidišu se, a materije koje ga primaju redukuju se. Prema tome, oksidoredukcioni procesi u ćeliji vezani su za izdvajanje i primanje vodonika.

Zavisno od toga ko je krajnji akceptor vodonika, razlikujemo anaerobno i aerobno disanje.a) Kod anaerobnog disanja krajnji akceptor vodonika su različita jedinjenja.b) Kod aerobnog disanja krajnji akceptor vodonika je kiseonik.

Anaerobno disanje

Anaerobno disanje prvi je otkrio L. Paster prije više od 100 godine (1861). On je dokazao da je život mikroorganizama moguć bez prisustva slobodnog kiseonika iz vazduha. Za neke mikroorganizme kiseonik ne samo što nije potreban nego i ometa njihov razvoj. Takvi mikroorganizmi se ne mogu razvijati i razmnožavati u prisustvu slobodnog kiseonika iz vazduha. Oni do neophodne energije dolaze oksidacijom jedinjenja pod anaerovnim uvjetima, bez učešća kiseonika. Jedinjenja pri ovom tipu disanja ne oksidišu se do kraja. Energija iz unijetih jedinjenja oslobađa se samo djelimično. Ostatak energije nalazi se u novonastalim jedinjenjima. Sam proces razgradnje ugljenih hidrata pod anaerobnih uvjetima prema Embden-Meyerhof-Parnasovom putu (EMP), odvija se preko niza intermedijalnih jedinjenja do nastanka pirogrožđane kiseline. Iz jednog molekula glukoze nastaju 2 molekula pirogrožđane kiseline i dobija se 4 molekula ATP. Međutim, 2 molekula ATP utroši se u početku procesa razgradnje glukoze, tako da se dobije kao krajnji rezultat razgradnje glukoze do pirogrožđane kiselina samo 2 molekula ATP. To znači oslobodi se relativno mala količina energije. Ovaj proces razgradnje ugljenih hidrata do pirogrožđane kiseline je zastupljen pod mikroorganizama nezavisno od načina disanja. Dalja transformacija pirogrožđane kiseline je različita kod pojedinih grupa mikroorganizama, što se može vidjeti iz sljedeće sheme:

Bakterije mliječne kiseline će redukcijom prevesti pirogrožđanu kiselinu u mliječnu. Pirogrožđana kiselina je u ovom slučaju akceptor vodonika.

CH3CO COOH + NAD * 2H → CH3CHOH COOH + NAD Pirogrožđana kiselina Mliječna kiselina

Kvasci pomoću fermenata izdvajaju iz pirogrožđane kisline CO2 (ugljen-dioksid) i nastaje acetaldehid koji postaje akceptor vodonika i prelazi u etil-alkohol:

Znači, proces transformacije (razgradnje) počinje sa glukozom, a završava se sa etil-alkoholom kao krajnjim proizvodom. Pri tome krajnnji akceptor vodonika je acetaldehid, a donator vodonika je nikotinamiddinukleotid (NAD). Određenim putevima transformacije pirogrožđane kiseline bakterije buterne kiseline stvoriće kao krajnji proizvod buternu kiselinu, bakterije aceton butilnog vrenja, aceton i butil-alkohol, bakterije propionske kiseline, propionsku kiselinu i td. S obzirom na to da se u procesu razgradnje organskih materija pod anaerobnim uvjetima oslobodi relativno mala količlina energije, mikroorganizmi da bi zadovoljili svoje potrebe u energiji prinuđeni su da transformišu veliku količinu odgovarajućeg supstrata uz izdvajanje krajnjih proizvoda metabolizma u okolnu sredinu. Čovjek je tu osobinu mikroorganizama iskoristio za dobijanje korisnih proizvoda (organskih kiselina, alkohola i dr.)

Aerobno disanje

Pod aerobnim disanjem mikroroganizama podrazumijeva se proces oslobađanja energije u prisustvu slobodnog kiseonika. Pri ovom tipu disanja oslobodi se cijelokupna energija iz glukoze. To je savšeniji tip disanja. Kod ovog tipa disanja nastala pirogrožđana kiselina se ukljućuje u Krebsov ciklus ili ciklus trikarbionskih kiselina (STK) i dikarbonskih kiselina. U ovom ciklusu nastaju brojni međuproizvodi, krajnji proizvodi i odlobodi se različita količina energije. Neki mikroorganizmi su u stanju da razlože glukozu do krajnjih proizvoda CO2 i H2O, pri čemu se oslobodi cijelokupna energija akumulirana u molekuli glukoze i nastaje 38 molekula ATP-a. Sam proces razradnje pirogrožđane kiselina u Krebsovom ciklusu odvija se izdvajanjem CO2 i H2. Izdvojen vodonik prenosi se preko čitavog niza posrednika naizmjeničnom oksidoredukcijom i na kraju posredstvom fermenata citohrom-oksidaze jedini se sa kiseonikom u vodi, a ugljen-dioksid se izdvaja iz ćelije.

Proces se odvija u mitohondrijama uz nastajanje energije koju mikroorganizmi odmah zahvataju i koriste za svoje potrebe. Osim Krebsovog ciklusa, postoje i drugi različiti putevi dobijanja energije kod pojedinih grupa i vrsta mikroorganizama sa posebnim mehanizmima bioloških oksidacija. Pri tome je važno da se procesi mogu zaustaviti na određenim proizvodima, koji se izdvajaju u okolnu sredinu i koja se zbog toga mijenja. Ako je u pitanju hrana, ona se mijenja organoleptički, fizički i hemijski. Čovjek sa svoje strane mora dobro poznavati sve ove procese, koji se odigravaju u ćeliji i van ćelije mikoroganizama, kako bi sa uspjehom suzbijao štetno djelovanje mikroorganizama i primjenjivao njihova kofisna svojstva.