Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Χημείας Καθηγητής Ιωάννης Ρούσσης ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ

Ταξινόμηση Μικροοργανισμών Έχουν αναγνωριστεί και περιγραφεί πάνω από 1,5 εκατομμύρια είδη οργανισμών από αυτούς που ζουν σήμερα, ενώ είναι βέβαιο ότι υπάρχουν και άλλα είδη που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί, ενώ πολλά είδη έζησαν σε προηγούμενες γεωλογικές εποχές και δεν ζουν πια. Πριν την ανακάλυψη των μικροοργανισμών πίστευαν ότι όλοι οι οργανισμοί ήταν φυτά η ζώα. Στο 19o αιώνα έγινε φανερό ότι οι μικροοργανισμοί συνδυάζουν ιδιότητες φυτών και ζώων σε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς. Έτσι, η τοποθέτησή τους στο ένα ή το άλλο βασίλειο γινόταν με βάση τις πιο χαρακτηριστικές διαφορές που παρουσιάζουν τα ζώα και που είναι η δυνατότητα ενεργού μετακίνησης των ζώων και η ικανότητα φωτοσύνθεσης των φυτών. Για να αποφευχθούν αυθαίρετες ταξινομήσεις των διαφόρων ομάδων μικροοργανισμών ο Haeckel το 1866 πρότεινε την ταξινόμηση όλων των μικροοργανισμών σε ένα ξεχωριστό βασίλειο, αυτό των πρωτίστων, στο οποίο τοποθέτησε φύκη, πρωτόζωα, μύκητες, και βακτήρια. Έτσι το σύνολο των οργανισμών ταξινομήθηκε σε τρία βασίλεια: το βασίλειο των φυτών, το βασίλειο των ζώων και το βασίλειο των πρωτίστων.

Στα μέσα όμως του 20ου αιώνα η ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψε ότι τα φύκη, τα πρωτόζωα και οι μύκητες έχουν τον ίδιο με τα κύτταρα των φυτών και ζώων εξελιγμένο τύπο κυτταρικής δομής (ευκαρυωτικός), ενώ τα βακτήρια διαφέρουν θεμελιωδώς από τα άλλα τρία και έχουν πιο πρωτόγονο τύπο κυτταρικής δομής (προκαρυωτικός). Επίσης, η ανάπτυξη της Μοριακής Βιολογίας έδωσε σημαντικές γνώσεις γύρω από τις λειτουργίες του κυττάρου και έγινε φανερό ότι οι δομικές διαφορές μεταξύ προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων είναι αποτέλεσμα σημαντικών διαφορών στον τρόπο με τον οποίο διεκπεραιώνονται οι κυτταρικές λειτουργίες. Σήμερα ο όρος πρώτιστο περιλαμβάνει μόνο τους ευκαρυωτικούς μικροοργανισμούς, ενώ τα βακτήρια αναφέρονται ως προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί.

Εκτός από τις παραπάνω κυτταρικές μορφές ζωής, στους μικροοργανισμούς ταξινομούνται και οι ιοί, που δεν έχουν κυτταρική οργάνωση. Ένας ιός αποτελείται από ένα αντίγραφο, συνήθως ενός μορίου (σπανίως λίγων), νουκλεΐκού οξέος (DNA ή RNA, ποτέ και τα δύο) που εγκλείεται σε πρωτεϊνικό περίβλημα, το καψίδιο. Σε πολλούς ιούς το καψίδιο με το νουκλεικό οξύ περιβάλλεται από άλλο περίβλημα που αποτελείται από πρωτεΐνες, λιποειδή και σάκχαρα, τον φάκελο του ιού. Ακόμη, στους μικροοργανισμούς ταξινομούνται και τα ιοειδή, που είναι παράγοντες στους οποίους οφείλεται ένας αριθμός μεταδοτικών φυτικών ασθενειών. Ιοειδή είναι μικρά μονόκλωνα κυκλικά μόρια RNA που σχηματίζουν ραβδόμορφες κατασκευές (τμήματα των μορίων με συμπληρωματικές βάσεις ενώνονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου). Στερούνται καψιδίου. Έτσι, ο κόσμος των μικροοργανισμών περιλαμβάνει: I) Πρώτιστα ή Ευκαρυωτικά ΙΙ) Προκαρυωτικά ΙΙΙ) Ιούς και ιοειδή

ΠΡΩΤΙΣΤΑ Σήμερα στα πρώτιστα περιλαμβάνονται τα φύκη, τα πρωτόζωα, οι μύκητες και οι μυξομύκητες. Α. Φύκη Ο όρος φύκη αναφέρεται γενικά στα πρώτιστα που περιέχουν χλωροφύλλη και που παράγουν οξυγόνο ως παραπροϊόν της φωτοσύνθεσης. Β. Πρωτόζωα Τα κυρίως "πρωτόζωα" είναι μονοκύτταρα πρώτιστα, μη ικανά για φωτοσύνθεση.

Γ. Μύκητες Οι μύκητες είναι μη φωτοσυνθετικά πρώτιστα που αναπτύσσονται ως μάζα από διακλαδιζόμενα συμπλεκόμενα νημάτια (υφές), γνωστά ως μυκήλια. Αν και οι υφές εμφανίζουν ενδιάμεσα τοιχώματα είναι "διάτρητα" και επιτρέπουν την ελεύθερη διέλευση πυρήνων και κυτοπλάσματος. Έτσι, ολόκληρος ο οργανισμός είναι ένα κοινοκύτταρο (πολυπύρηνη μάζα συνεχούς κυτοπλάσματος) περιορισμένο σε μια σειρά από διακλαδιζόμενους σωλήνες. Οι σωλήνες αυτοί από πολυσακχαρίδια είναι ομόλογοι με τα κυτταρικά τοιχώματα. Οι μυκηλιακές μορφές λέγονται ευρώτες (μούχλες) και ανήκουν στους υφομύκητες (φυκομύκητες). Υπάρχουν λίγοι τύποι, οι ζύμες ή ζυμομύκητες, που δεν σχηματίζουν μυκήλιο. Όμως, αναγνωρίζονται εύκολα ως μύκητες από την φύση των σεξουαλικών αναπαραγωγικών λειτουργιών τους και την παρουσία μεταβατικών μορφών. Δ. Μυξομύκητες Οι οργανισμοί αυτοί χαρακτηρίζονται από την παρουσία, ως σταδίου του κύκλου ζωής τους, αμοιβαδοειδούς πολυπύρηνης μάζας κυτοπλάσματος, που καλείται πλασμώδιο.

Υποδιαίρεση Μυκήτων Τάξη I: Φυκομύκητες (Zygomycotina) Μυκήλιο χωρίς διάφραγμα, ασεξουαλικοί σπόροι παραγόμενοι σε ακαθόριστους αριθμούς μέσα σε δομή που λέγεται σποράγγειο. Η σεξουαλική συγχώνευση έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ζυγκοσπορίου, με παχύ τοίχωμα. Τάξη II: Ασκομύκητες (Ascomycotina) Η σεξουαλική σύντηξη έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό σάκκου ή ασκού που περιέχει τα μειωτικά προϊόντα με την μορφή 4 ή 8 σπόρων (ακοσπόρια). Οι ασεξουαλικοΐ σπόροι (κονίδια) φέρονται εξωτερικώς στα άκρα των υφών. Τάξη III: Βασιδιομύκητες (Basidiomycotina) Η σεξουαλική σύντηξη έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ροπαλοειδούς οργάνου που λέγεται βασίδιο, στην επιφάνεια του οποίου φέρονται τα 4 μειωτικά προϊόντα (βασιδιοσπόρια). Οι ασεξουαλικοί σπόροι (κονίδια) φέρονται εξωτερικώς στις άκρες των υφών. Τάξη IV: Ατελείς μύκητες (Deuteroraycotina) Είναι απλά μια τεχνητή τάξη όπου προσωρινά τοποθετούνται όλες οι μορφές στις οποίες δεν έχει ακόμη περιγράφει ο τρόπος αναπαραγωγής. Οι ασκομύκητες πιστεύεται ότι έχουν εξελιχθεί από τους φυκομύκητες και οι βασιδομύκητες, με τη σειρά τους, από τους ασκομύκητες.

ΠΡΟΚΑΡΥΩΤIΚΑ Οι προκαρυωτικοί μικροοργανισμοί σχηματίζουν μια ετερογενή ομάδα μικροοργανισμών που διακρίνονται από τα πρώτιστα με βάση τα ακόλουθα κριτήρια: μέγεθος (0, 2-2 μm, για τη μικρότερη διάμετρο), προκαρυωτική κυτταρική δομή, και ειδικά συστήματα γενετικής μεταβίβασης. Α. Βακτήρια Τέσσερις κύριες ομάδες βακτηρίων μπορούν να αναγνωρισθούν με βάση το μηχανισμό κίνησης και τον χαρακτήρα του κυτταρικού τοιχώματος: τα ολισθαίνοντα βακτήρια, οι σπειροχαίτες, τα ευβακτήρια, και τα μυκοπλάσματα.

Ολισθαίνοντα βακτήρια Είναι ετερογενής ομάδα βακτηρίων που έχουν κοινό μηχανισμό κινητικότητας που ονομάζεται ολίσθηση. Η ολίσθηση χρειάζεται επαφή με στερεό υπόστρωμα. Στις μονοκυτταρικές μορφές συνοδεύεται από ταχεία κάμψη των κυττάρων. Δεν έχουν ταυτοποιηθεί ακόμα οργανίδια κίνησης. Σπειροχαίτες Οι σπειροχαίτες είναι λεπτοτοιχωματικά εύκαμπτα και ελικοειδή βακτήρια.

Ευβακτήρια Τα ευβακτήρια περιλαμβάνουν μυκηλιακούς οργανισμούς και απλές μονοκύτταρες μορφές. α. Μυκηλιακές μορφές Η μυκηλιακή (διακλαδιζόμενη νηματοειδής) ανάπτυξη αυτών των Gram θετικών μικροοργανισμών τους δίνει μια επιφανειακή ομοιότητα προς τους μύκητες, που σε ανώτερες μορφές ενισχύεται από την παρουσία εξωτερικών ασεξουαλικών σπόρων ή κονιδίων. Η ομοιότητα όμως τελειώνει εκεί. Οι ακτινομύκητες είναι προκαρυωτικοί οργανισμοί, ενώ οι μύκητες ευκαρυωτικοί. Υπάρχουν κατώτεροι και ανώτεροι ακτινομύκητες.

β. Μονοκύτταρες μορφές Αυτά τα βακτήρια περιλαμβάνουν σφαιρικές μορφές (κόκκους), ευθεία βακτήρια (βακίλλους) και ελικοειδείς μορφές (σπειρύλια). Διακρίνονται στα Υποχρεωτικά ενδοκυττάρια παράσιτα (ρικέτσιες και χλαμύδια), και στις Ελεύθερα διαβιούσες μορφές, που είναι η πλειοψηφία των βακτηρίων. Μυκοπλάσματα Τα μυκοπλάσματα είναι εξαιρετικά πολύμορφοι οργανισμοί χωρίς τοίχωμα. Μοιάζουν με τις L- μορφές, που προκαλούνται με την αφαίρεση του κυτταρικού τοιχώματος των ευβακτηρίων. Όμως, σε αντίθεση μετις L- μορφές τα μυκοπλάσματα δεν επιστρέφουν ποτέ στη μορφή κυττάρων με τοιχώματα.

Β. Κυανοβακτήρια Τα κυανοβακτήρια περιλαμβάνουν διάφορες προκαρυωτικές μορφές, που έχουν μέγεθος κυττάρων ανάμεσα στα βακτήρια και τα ευκαρυωτικά φύκη. Έχουν τις ίδιες χλωροφύλλες με τα ευκαρυωτικά φύκη και οξειδώνουν το Η2Ο προς αέριο οξυγόνο στη φωτοσύνθεσή τους. Από αυτές τις ιδιότητες διακρίνονται από τα φωτοσυνθετικά βακτήρια. Αρκετές υποομάδες βακτηρίων είναι ικανές για φωτοσύνθεση, αλλά έχουν ειδικευμένες χλωροφύλλες και δεν παράγουν αέριο οξυγόνο. Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια χρησιμοποιούν ως δότες υδρογόνου άλλους από το Η2Ο. Παράδειγμα, μια ομάδα οξειδώνει το H2S σε ελεύθερο θείο.

Τα κυανοβακτήρια και τα φωτοσυνθετικά βακτήρια περιέχουν τις φωτοσυνθετικές χρωστικές τους σε σειρά στρωμάτων, αμέσως κάτω από την κυτταρική μεμβράνη. Σε ορισμένα φωτοσυνθετικά βακτήρια αυτά τα στρώματα διαφοροποιούνται, υπό ορισμένες συνθήκες περιβάλλοντος, σε ωοειδή ή σφαιρικά σώματα που λέγονται χρωματοφόρα. Αντίθετα τα ευκαρυωτικά φύκη περιέχουν πάντοτε τις φωτοσυνθετικές χρωστικές τους σε κυτοπλασματικά οργανίδια (χλωροπλάστες). Τα κυανoβακτήρια εμφανίζουν ένα τύπο κινητικότητας που λέγεται "ολισθαίνουσα" ή "έρπουσα’’. Γ. Αρχαιοβακτήρια Υπάρχουν τρείς ομάδες προκαρυωτικών μικροοργανισμών που έχουν μια σειρά από ιδιότητες που τους διακρίνει σαφώς από τους άλλους προκαρυωτικούς μικροοργανισμούς. Διαφέρουν στη δομή των κυτταρικών τοιχωμάτων. Έχει διατυπωθεί η άποψη ότι αυτοί οι οργανισμοί αντιπροσωπεύουν τους πιο πρωτόγονους κυτταρικούς τύπους. Έτσι, ταξινομούνται ξεχωριστά ως αρχαιοβακτήρια.

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Οι μικροοργανισμοί με την χρησιμοποίηση των διάφορων συστατικών των τροφίμων απλά επιτελούν τον μεταβολισμό (καταβολισμό - αποδόμηση χημικών ουσιών και αναβολισμός - σύνθεση από απλούστερες χημικές ενώσεις πολύπλοκων μορίων), για την ανάπτυξη τους. Δηλαδή τα διάφορα προϊόντα διάσπασης των οργανικών μορίων που βρίσκονται στα τρόφιμα είναι αποτέλεσμα των διαφόρων μεταβολικών δραστηριοτήτων των μικροοργανισμών που υπάρχουν σ' αυτά. Οι κύριες λειτουργίες του μεταβολισμού είναι: 1) η παραγωγή των υπομονάδων των μακρομορίων, 2) η "συμπύκνωση" των υπομονάδων στα μακρομόρια, 3) η παραγωγή ΑΤΡ από ADP και Pi, και 4) η παραγωγή αναγωγικής ισχύος (NADP. H2). Οι υπομονάδες μπορεί να παρέχονται από το περιβάλλον. Επίσης, μπορεί να προκύπτουν από βιοσυνθετικές οδούς από ένα αριθμό βασικών ενδιαμέσων του μεταβολισμού, εάν οι μικροοργανισμοί διαθέτουν τα κατάλληλα βιοσυνθετικά ένζυμα. Τα ενδιάμεσα αυτά παράγονται από λίγες μεταβολικές οδούς, που είναι κοινές στους περισσότερους μικροοργανισμούς.

Με βάση την πηγή ενέργειας και άνθρακα οι μικροοργανισμοί διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Τους αυτότροφους και τους ετερότροφους. Οι αυτότροφοι μικροοργανισμοί δεν απαιτούν οργανική ύλη για παραγωγή κυτταρικής ενέργειας ως ΑΤΡ ή πηγή άνθρακα για βιοσύνθεση των μακρομορίων του κυττάρου. Μερικοί αυτότροφοι παράγουν ΑΤΡ από την οξείδωση ανόργανων ενώσεων (χημειοαυτότροφοι ή χημειολιθότροφοι). Οι υπόλοιποι αυτότροφοι μετατρέπουν ηλιακή ενέργεια σε χημική ενέργεια (φωτοαυτότροφοι ή φωτολιθότροφοι). Ο άνθρακας για τα μακρομόρια των αυτότροφων προέρχεται από το CO2 ή άλλη ανόργανη πηγή άνθρακα. Οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί απαιτούν οργανική ύλη. Εάν οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν την οργανική ύλη και για παραγωγή ΑΤΡ και για την σύνθεση των κυτταρικών μακρομορίων καλούνται χημειοοργανότροφοι ή χηιιειοετερότροφοι ή απλά ετερότροφοι. Εκείνοι (λίγοι) οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούν ηλιακή ενέργεια για παραγωγή ΑΤΡ και οργανική πηγή άνθρακα για βιοσύνθεση των κυτταρικών συστατικών καλούνται φωτοετερότροφοι.

Για την οξείδωση των οργανικών ενώσεων οι ετερότροφοι μικροοργανισμοί εμφανίζουν δύο " στρατηγικές ", τη ζύμωση και την αναπνοή. Στην ζύμωση το οργανικό υπόστρωμα δρα ως δότης ηλεκτρονίων (αναγωγικό μέσο), και ένα προϊόν του υποστρώματος δρα ως δέκτης ηλεκτρονίων (οξειδωτικό μέσο). Δηλαδή και ο δέκτης και ο δότης ηλεκτρονίων είναι "εντός" του οργανικού υποστρώματος. Τα συνένζυμα που ανάγονται κατά την πορεία αυτή ξαναοξειδώνονται και έτσι δεν καταναλώνονται. Τα μονοπάτια ζύμωσης μπορούν και συμβαίνουν απουσία αέρα. Στην αναπνοή απαιτείται εξωτερικός δέκτης ηλεκτρονίων. Δηλαδή ένα μόριο που δρα ως οξειδωτικό μέσο, και δεν προκύπτει από τον δότη ηλεκτρονίων. Με αναγωγή του τελικού δέκτη ηλεκτρονίων το κύτταρο ισορροπεί την μεταβολή στην οξειδωτική κατάσταση μεταβολικών προϊόντων - αρχικού υποστρώματος, χωρίς κατανάλωση συνενζύμων. Ο πιο κοινός εξωτερικός δέκτης ηλεκτρονίων στην αναπνοή είναι το μοριακό οξυγόνο. Όταν τελικός δέκτης ηλεκτρονίων είναι το Ο2, η πορεία λέγεται αερόβια αναπνοή. Όταν είναι άλλο μόριο, όπως NO3-, SO42- η πορεία καλείται αναερόβια αναπνοή (αναπνοή που δεν απαιτεί παρουσία αέρα).

Αναπνοή Η συνολική αερόβια αναπνοή έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό CO2 από το οργανικό υπόστρωμα και νερού από την αναγωγή του οξυγόνου, όπως και την παραγωγή σημαντικής ποσότητας ΑΤΡ. Παράδειγμα η αντίδραση της γλυκόζης είναι : C6H12Ο6 + 6 O2  6 CΟ2 + 6 H2Ο Η συνολική πορεία μπορεί να διακριθεί σε τρεις ευδιάκριτες φάσεις. 1. Ένα καταβολικό μονοπάτι, κατά το οποίο με διάσπαση του οργανικού μορίου τελικά σχηματίζεται ακέτυλο - συνένζυμο Α, συνήθως με παραγωγή ΑΤΡ και αναγμένων συνενζύμων. 2. Ο κύκλος του Krebs, κατά τον οποίο ο οργανικός άνθρακας οξειδώνεται προς ανόργανο CO2 και παράγεται αναγμένο συνένζυμο. 3. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση, κατά την οποία τα αναγμένα συνένζυμα ξαναοξειδώνονται (αναπνευστική αλυσίδα). Ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων ανάγεται και συντίθεται ΑΤΡ.

Ζύμωση Στην ζύμωση, ανόμοια με την αναπνοή, δεν συμβαίνει παραγωγή ΑΤΡ με οξειδωτική φωσφορυλίωση. Η σύνθεση ΑΤΡ στη ζύμωση οφείλεται μάλλον σε φωσφορυλίωση υποστρώματος. Επειδή δεν απαιτούν οξυγόνο όλα τα μονοπάτια ζύμωσης είναι αναερόβια. Έτσι, οι μικροοργανισμοί που παράγουν την ενέργεια τους με ζύμωση επιτελούν αναερόβιο μεταβολισμό, ανεξάρτητα του εάν ή όχι ο μικροοργανισμός αναπτύσσεται παρουσία μοριακού οξυγόνου. Πάντως, σχετικά με την πορεία σχηματισμού ΑΤΡ, στα ζυμωτικά βακτήρια τα αρχικά μεταβολικά στάδια της πορείας ζύμωσης είναι ίδια με εκείνα της αερόβιας αναπνοής.

Για την διάσπαση μεγαλομοριακών ενώσεων οι μικροοργανισμοί εκκρίνουν ένζυμα που τις διασπούν σε απλές ενώσεις. Αυτές, μεταφέρονται μέσα στο κύτταρο, όπου μεταβολίζονται. Όμως, δεν εκκρίνουν όλοι οι μικροοργανισμοί τέτοια ένζυμα. Σάκχαρα, λίπη, πρωτεΐνες στο μεταβολισμό. Α, καταβολικά μονοπάτια, Β, Κύκλος Krebs, C, οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Μεταβολές συστατικών τροφίμων Στη συνέχεια αναφέρονται οι μεταβολές που επιφέρουν οι μικροοργανισμοί στα οργανικά μόρια που βρίσκονται στα τρόφιμα, τα προϊόντα των οποίων πολλές φορές επιφέρουν αλλοίωση τους. Μη αζωτούχες ενώσεις Οι κύριες μη αζωτούχες ενώσεις που χρησιμοποιούνται από τους μικροοργανισμούς για ενέργεια (κυρίως) και ως πηγή άνθρακα είναι οι υδατάνθρακες, τα λίπη, τα οργανικά οξέα, οι αλκοόλες.

Υδατάνθρακες Οι υδατάνθρακες προσβάλλονται πολύ πιο εύκολα από τους μικροοργανισμούς σε σχέση με τις πρωτεΐνες και τα λίπη. Οι δι - και πολυσακχαρίτες υδρολύονται σε απλά σάκχαρα. Στη συνέχεια, αυτά αποδομούνται προς διάφορα προϊόντα ανάλογα με τον μικροοργανισμό, την φύση του σακχάρου και τις συνθήκες περιβάλλοντος (κυρίως, θερμοκρασία και pH). Τα κύρια προϊόντα της αποδόμησης τους είναι αέρια (CΟ2 και H2), οργανικά οξέα (κυρίως γαλακτικό οξύ), αλκοόλη και ίχνη άλλων ενώσεων. Για την αποδόμηση των μονοσακχαριτών, άλλοι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν οξειδωτική οδό, άλλοι ζυμωτική και άλλοι μπορούν και τις δύο. Όμως, όλα τα απλά σάκχαρα δεν προσβάλλονται από όλους τους μικροοργανισμούς, ενώ υπάρχουν μικροοργανισμοί που δεν προσβάλλουν κανένα σάκχαρο. Κατά την οξειδωτική πορεία, ένα μόριο υποστρώματος, όπως η γλυκόζη, διασπάται προς πυροσταφυλλικό οξύ με καταβολική πορεία που καλείται γλυκόλυση. Η οδός της γλυκόλυσης Embden - Meyerhof (Embden - Meyerhol – Parnas) είναι η πιο διαδομένη οδός μικροβιακής αποικοδόμησης της γλυκόζης και γενικά των εξοζών. γλυκόζη + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi  2CH3-CO-COOH + 2NADH + 2ΑΤΡ

Η πορεία της γλυκόλυσης.

Για είσοδο στον κύκλο του Krebs, που είναι η επόμενη φάση στην οξειδωτική αποικοδόμηση, το πυροσταφυλλικό οξύ αντιδρά με CoA και σχηματίζει ακετυλο-συνένζυμο Α και CO2. Η αντίδραση αυτή, που καταλύεται από την πυροσταφυλλική δευδρογονάση, σχετίζεται με την μετατροπή του ΝΑD+ σε NADH. Την οδό Embden - Meyerhof χρησιμοποιούν οι ζύμες, οι μύκητες και πολλά βακτήρια. Μερικοί μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν την οδό γλυκόλυσης Entner - Doudoroff, όπως είδη του γένους Pseudomonas και το Zymomonas mobilis. γλυκόζη + 2NΑDP+ + 2ADP + Pi  2 πυροσταφυλλικό οξύ + 2NADPH + ΑΤΡ Οι δύο μορφές του συνενζύμου μπορούν να αλληλομετατρέπονται κατά την αντίδραση: NADPH + NAD+  NADP+ + NADH Ακολούθως, οι ψευδομονάδες οξειδώνουν το πυροσταφυλλικό οξύ στον κύκλο του Krebs, και το Zymomonas mobilis το ζυμώνει σε αιθανόλη και CΟ2·

Κύκλος του Krebs (κύκλος του κιτρικού οξέος).

Μία άλλη πορεία, σημαντική για την παραγωγή αναγωγικής ισχύος που χρειάζεται για την βιοσύνθεση, είναι η οδός της φωσφορικής πεντόζης. Είναι δυνατές αρκετές διαφορετικές παραλλαγές αυτής της πορείας, ανάλογα κυρίως από την ανάγκη για αναγωγική ισχύ και ΑΤΡ. Σε μια παραλλαγή, η γλυκόζη μετατρέπεται σε ριβουλόζη –5P και CΟ2, πορεία που απαιτεί την υδρόλυση 1 μορίου ΑΤΡ και έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή 2 μορίων ΝADPH. Όταν απαιτείται μεγάλη ποσότητα αναγωγικής ισχύος, με άλλη παραλλαγή το μόριο της γλυκόζης μπορεί να μεταβολιστεί πλήρως σε CO2 με παραγωγή 12 μoρίωv αναγμένου συνενζύμου. Γλυκόζη  6 CO2 + 12 NADPH Όταν το κύτταρο χρειάζεται και NADPH και ΑΤΡ, με άλλη παραλλαγή η γλυκόζη -6Ρ μπορεί να μετατραπεί σε πυροσταφυλλικό οξύ. To NADPH παράγεται κατά τα αρχικά στάδια της οδού, και το ΑΤΡ ως προϊόν της οξείδωσης του πυροσταφυλλικού οξέος. Τα ένζυμα της οδού της φωσφορικής πεντόζης συνυπάρχουν με τα ένζυμα της οδού Embden - Heyerhof σε πολλούς μικροοργανισμούς ή με τα ένζυμα της οδού Entner - Doudoroff σε κάποια βακτήρια.

Το ακετυλο-συνένζυμο Α που σχηματίζεται από το πυροσταφυλλικό οξύ, που παράγεται με μια από τις οδούς γλυκόλυσης, μπορεί να εισέλθει στον κύκλο του Krebs. 2 πυροσταφυλλικό + 2ADP + 2 FAD + 8 NAD+  6 CO2+2 ATP+ 2 FADH2+ 8 NADH Στο τέλος του κύκλου του Krebs, όλος ο άνθρακας της γλυκόζης έχει μετατραπεί σε CO2. Ακολουθεί η τελική οξείδωση (οξειδωτική φωσφορυλίωση). Ξεκινώντας από το NADH γίνεται μια διαδοχική μεταφορά του υδρογόνου (Η+ + e) σε μια σειρά συνενζύμων (αναπνευστική αλυσίδα). Τελικός αποδέκτης του υδρογόνου είναι το οξυγόνο (2Η++2e+ ½ Ο2  Η2Ο). Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο οξειδάση του κυττοχρώματος, γίνεται στις πτυχές της εσωτερικής μεμβράνης των μιτοχονδρίων, και παράγονται 3 μόρια ΑΤΡ. Η συνολική αντίδραση του αναπνευστικού μεταβολισμού της γλυκόζης (χρησιμοποιώντας την οδό Embden - Meyerhof της γλυκόλυσης) μπορεί να γραφεί ως εξής. Γλυκόζη + 6 Ο2 + 38 ADP + 38 Pi  6 CO2 + 6 Η 2Ο + 38 ΑΤΡ Σημειώνεται ότι πλήρης οξείδωση της γλυκόζης, στους αερόβιους ή προαιρετικά αναερόβιους μικροοργανισμούς, συμβαίνει με τον κύκλο του Krebs και μια παραλλαγή της οδού της φωσφορικής πεντόζης.

Στις ζυμώσεις η επανοξείδωση του NADH σε NAD+ εξαρτάται από την αναγωγή του πυροσταφυλλικού οξέος. Διαφορετικοί μικροοργανισμοί εμφανίζουν διαφορετικές οδούς χρησιμοποίησης του πυροσταφυλλικού για επανοξείδωση του αναγμένου συvεvζύμoυ, με διαφορετικά μονοπάτια και τελικά προϊόντα. Οι διάφορες ζυμώσεις ονοματίζονται από τα χαρακτηριστικά προϊόντα που σχηματίζονται. Πορεία αλκοολικής και γαλακτικής ζύμωσης.

Αλκοολική ζύμωση Γλυκόζη + 2 ADP + 2 Pi  2 αιθανόλη + 2 CΟ2 + 2 ATΡ Η αντίδραση σχετίζεται με την μετατροπή του NADH σε NAD+. Αλκοολική ζύμωση των εξοζών επιτελούν πολλές ζύμες, μύκητες (όπως Aspergillus) και μικρός αριθμός βακτηρίων. Από τις ζύμες η Saccharomyces cerevisae, που είναι κλασσική της αλκοολικής ζύμωσης, χρησιμοποιείται στην παραγωγή προϊόντων τροφίμων (κρασί, μπύρα, ψωμί). Κύρια προϊόντα της ζύμωσης είναι η αιθανόλη και το CΟ2, ενώ παράγονται μικρά ποσά 2,3 -βουτανοδιόλης, ακετοινης, γλυκερίνης και οξέων (οξικό, βουτυρικό, μυρμηκικό, γαλακτικό και ηλεκτρικό). Στην αλκοολική ζύμωση χρησιμοποιείται η οδός Embden -Meyerhof της γλυκόλυσης.

Γαλακτική ζύμωση Κατ' αυτήν το πυροσταφυλλικό οξύ ανάγεται σε γαλακτικό οξύ, και παράλληλα το NADH επανοξειδώνεται σε NAD+ . Γλυκόζη + 2 ADP + 2 Pi  2 γαλακτικό οξύ + 2 ΑΤΡ Όταν στην γαλακτική ζύμωση χρησιμοποιείται η οδός Embden -Meyerhof της γλυκόλυσης, η όλη πορεία καλείται ομογαλακτική ζύμωση, επειδή το μοναδικό σχεδόν τελικό προϊόν που σχηματίζεται είναι το γαλακτικό οξύ. Εκτός από το γαλακτικό οξύ, σε μικρές ποσότητες παράγονται οξικό οξύ, μυρμηκικό οξύ και αιθανόλη. Η ομογαλακτική ζύμωση επιτελείται κυρίως από τα γένη Streptococcus, Pediococcus και είδη του γένους Lactobacillus. Επίσης, από κάποιους άλλους μικροοργανισμούς. Η γαλακτική ζύμωση χρησιμοποιείται στην παραγωγή διάφορων γαλακτοκομικών προϊόντων, ενώ επίσης είναι η πορεία ξυνίσματος του γάλακτος.

Σε αντίθεση με την ομογαλακτική κάποιοι μικροοργανισμοί επιτελούν την ετερογαλακτική ζύμωση, με χρησιμοποίηση της οδού των φωσφορικών πεντοζών. Με αυτή, εκτός από το γαλακτικό οξύ που είναι το κύριο προϊόν, παράγονται και μικρές ποσότητες αιθανόλης και CO2. Γλυκόζη + 2 ADP + Pi  γαλακτικό οξύ + αιθανόλη + CO2 + ΑΤΡ Η ετερογαλακτική ζύμωση χρησιμοποιείται στην παραγωγή γαλακτοκομικών όπως και άλλων προϊόντων. Επιτελείται από το γένος Leuconostoc και είδη του γένους Lactobacillus.

Ζύμωση διαφόρων σακχάρων Υπόστρωμα των παραπάνω ζυμώσεων θεωρήθηκε η γλυκόζη. Όμως, η γλυκόζη δεν είναι το μόνο σάκχαρο που μεταβολίζεται από τους μικροοργανισμούς. Από τους μονοσακχαρίτες η φρουκτόζη ακολουθεί και αυτή την πορεία της γλυκόλυσης. Η γαλακτόζη από πολλούς μικροοργανισμούς μετατρέπεται σε γλυκόζη-6Ρ, ενδιάμεσο της γλυκόλυσης. Κοινοί δισακχαρίτες που χρησιμοποιούνται από μικροοργανισμούς είναι η μαλτόζη, η σουκρόζη και η λακτόζη. Η μαλτόζη διασπάται από το ένζυμο μαλτάση σε γλυκόζη, η σουκρόζη από το ένζυμο σουκράση σε γλυκόζη και φρουκτόζη και η λακτόζη από την β-D-γαλακτοσιδάση σε γαλακτόζη και γλυκόζη.

Διάφορα βακτήρια, με το ένζυμο αμυλομαλτάση, διασπούν τη μαλτόζη και τη ζαχαρόζη με ταυτόχρονο σχηματισμό πολυσακχαριτών διάφορου μοριακού βάρους. n μαλτόζη  n γλυκόζη + (γλυκόζη)n   Πολλοί βάκιλλοι παράγουν το εξωκυτταρικό ένζυμο λεβάνη-σουκράση, που διασπά την ζαχαρόζη, η ζαχαρόζη  η γλυκόζη + (φρουκτόζη)n Το Leuconostoc mesenteroides και το L. dextranicum με το εξωκυτταρικό ένζυμο δεξτράνη-σουκράση, με διάσπαση της ζαχαρόζης παράγουν φρουκτόζη και μια πολυγλυκόζη (δεξτράνη). η ζαχαρόζη  η φρουκτόζη + (γλυκόζη)n

Διάσπαση πολυσακχαριτών Άμυλο Πολλοί μύκητες, ζύμες και βακτήρια παράγουν α- και γ-αμυλάσες. Οι α- αμυλάσες διασπούν α- 1,4 δεσμούς αμυλόζης και αμυλοπηκτίνης με προϊόντα γλυκόζη, μαλτόζη και μίγμα ολισακχαριτών. Οι γ-αμυλάσες υδρολύουν πλήρως το άμυλο προς γλυκόζη. Πηκτίνη Τα ένζυμα πηκτίνη-εστεράση και πολυγαλακτουρονάση υδρολύουν τις πηκτίνες σε μεθυλική αλκοόλη και γαλακτουρονικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια μεταβολίζεται προς CO2 και αιθανόλη. Πολλοί μύκητες, όπως των γενών Aspergillus και PeniciIlium, και βακτήρια, όπως του γένους Erwinia, υδρολύουν τις πηκτίνες. Κυτταρίνη Βακτήρια, όπως του γένους Cellulomonas, και μύκητες, όπως του γένους Aspergillus, παράγουν κυτταρινάσες που υδρολύουν την κυτταρίνη σε γλυκόζη. Άλλοι πολυσακχαρίτες Διάφορα βακτήρια παράγουν εξωκυτταρικά χιτινολυτικά ένζυμα (χιτινάσες), που υδρολύουν την χιτίνη προς Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη. Επίσης, όλοι σχεδόν οι φυσικοί πολυσακχαρίτες και βλενοπολυσακχαρίτες μπορούν να αποικοδομηθούν από μικροοργανισμούς. Ακόμη,οι γλυκοζίτες υδρολύονται από γλυκοζιτάσες στο σάκχαρο και το άγλυκο.

Λίπη Οι λιπαρές ύλες υφίστανται σε μικρότερο βαθμό μικροβιακή αποικοδόμηση, σε σχέση με τους υδατάνθρακες και τις πρωτεΐνες. Κατά την διατήρησή τους υφίστανται σοβαρές αλλοιώσεις, γνωστές ως τάγγιση. Οι αλλοιώσεις αυτές συμβαίνουν στα λίπη και έλαια, όπως και σε τρόφιμα που περιέχουν λιπαρά. Τα γλυκερίδια μπορούν να υδρολυθούν από μικρoβιακές λιπάσες με σχηματισμό γλυκερόλης και ελεύθερων λιπαρών οξέων. Η γλυκερόλη μπορεί να μετατραπεί σε γλυκονικό - 3Ρ και να εισέλθει στον μεταβολισμό.  

Τα λιπαρά οξέα αποικοδομούνται οξειδωτικά Τα λιπαρά οξέα αποικοδομούνται οξειδωτικά. Κατ' αρχή συμβαίνει υδροξυλίωση σε ένα άτομο άνθρακα σε α-, β- (κυρίως) ή ω-θέση (ακραία θέση), και στη συνέχεια συμβαίνει μετατροπή σε α- ή β-κετονοξύ ή σε ένα δικαρβονικό οξύ. Τα α-κετονοξέα αποικοδομούνται κατά δύο άτομα άνθρακα με αποβολή μιας ακετυλο ομάδας είτε αποκαρβοξυλιώνονται προς μεθυλοκετόνες. Από τα προϊόντα που σχηματίζονται, διάφορα είναι μικρού μοριακού βάρους και πτητικά, και έχουν σημαντική επίδραση επιδρούν στην οσμή των τροφίμων. Έτσι, τα λιπαρά οξέα, κυρίως μέσω της β-οξείδωσης, μετατρέπονται σε ακετυλο-συνένζυμο Α που στη συνέχεια μεταβολίζεται στον κύκλο του Krebs.

Αποικοδόμηση λιπαρών οξέων.

Τα ακόρεστα λιπαρά οξέα οξειδώνονται, και αυτά, με τον μηχανισμό της β-οξείδωσης. Ένας άλλος τρόπος οξειδωτικής ενζυμικής αποικοδόμησης (κετονική τάγγιση) συμβαίνει με δράση μυκήτων, όπως των γενών AspergilIus, Penicillium, Monilia που προσβάλλουν λιπαρά οξέα μέχρι 14 άτομα άνθρακα. Η τάγγιση αυτή ακολουθεί πορεία παρόμοια με την β-οξείδωση, και οδηγεί στον σχηματισμό μεθυλoκετovώv. Τα φωσφολιπίδια υδρολύονται από φωσφολιπάσες. Η φωσφολιπάση Α1 υδρολύει το λιπαρό οξύ στην θέση α ενώ η φωσφολιπάση Α2 στη θέση β. Η φωσφολιπάση C υδρολύει το δεσμό μεταξύ φωσφορικού οξέος και γλυκερίνης και η φωσφολιπάση D διασπά τον δεσμό μεταξύ της πολικής ομάδας και του φωσφορικού οξέος. Έτσι, τα φωσφολιπίδια μπορεί να αποδομηθούν στα συστατικά τους, που είναι φωσφορικό οξύ, γλυκερίνη, λιπαρά οξέα και αζωτούχες βάσεις (χολίνη, αιθανολαμίνη, σερίνη).

Οργανικά οξέα Εκτός από τις οξειδώσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, διάφορα οργανικά οξέα μπορεί να υποστούν ζυμώσεις, όπως οι παρακάτω: Μηλογαλακτική ζύμωση Γαλακτικά Βακτήρια όπως το Lactobacillus planturum, το L. brevis, το Lenconostoc mesenteroides ζυμώνουν το μηλικό οξύ προς γαλακτικό οξύ και CO2 . Ζύμωση τρυγικoύ οξέος Βακτήρια των γενών Pediococcus, Lactobacillus ζυμώνουν το τρυγικό οξύ προς οξικό οξύ, CO2 και γαλακτικό ή ηλεκτρικό οξύ. Ζύμωση κιτρικού οξέος Διάφορα γαλακτικά βακτήρια ζυμώνουν το κιτρικό οξύ με τελικά προϊόντα CO2 2,3-βουτυλενογλυκόλη, ακετοΐνη, οξικό οξύ, αιθανόλη, γαλακτικό οξύ και διακετύλιο. Αλκοόλες Οι αλκοόλες συνήθως οξειδώνονται στα αντίστοιχα οξέα. Παράδειγμα, η αιθανόλη μετατρέπεται σε οξικό οξύ. Η διεργασία αυτή επιτελείται από τα αυστηρά αερόβια οξικά.

Πρωτεΐνες Η υδρόλυση των πρωτεϊνικών μορίων (πρωτεόλυση) από ένζυμα, ακολουθεί την ακόλουθη γενική πορεία. πρωτεΐνη → πρωτεόζη → πεπτόνη → ολιγοπεπτίδια → αμινοξέα Τα ένζυμα αυτά (πρωτεάσες) είτε βρίσκονται ενδογενώς στα τρόφιμα είτε, κυρίως, εκκρίνονται από μικροοργανισμούς. Στη συνέχεια, τα αμινοξέα που προκύπτουν αποικοδομούνται κατά διάφορους τρόπους, ανάλογα με τα ένζυμα που διαθέτουν οι μικροοργανισμοί. Η πρωτεόλυση, σε κάποιο βαθμό, είναι επιθυμητή σε διάφορα ορισμένα προϊόντα, όπως παράδειγμα τα τυριά.

Όμως, η πρωτεόλυση μπορεί να επιφέρει σοβαρές ανεπιθύμητες μεταβολές στα τρόφιμα. Προχωρημένη πρωτεόλυση με παραγωγή δύσοσμων προϊόντων, κυρίως με αποικοδόμηση αμινοξέων, καλείται σήψη. Τέτοια δύσοσμα προϊόντα είναι διάφορες πτητικές αμίνες, όπως η καδαβερίνη προερχόμενη από τη λυσίνη και η πουτρεσκίνη προερχόμενη από αργινίνη και ορνιθίνη. Επίσης, παράγονται και άλλες αμίνες, με την τρυπτοφάνη να δίνει τα πιο δύσοσμα προϊόντα. Άλλα δύσοσμα προϊόντα είναι το υδρόθειο και μεθυλο- και αιθυλο- μερκαπτάνες προερχόμενες από την κυστίνη. Ακόμη, κατά την σήψη παράγονται φαινόλη, π-κρεσόλη, ινδόλιο, σκατόλιο, αμμωνία και λιπαρά οξέα. Η αποδόμηση των αμιvoξέωv ακολουθεί διάφορες οδούς, ανάλογα με τον μικροοργανισμό, τις συνθήκες ανάπτυξης και την σύσταση του υποστρώματος. Οι κύριοι τρόποι αποδόμησής τους είναι η απαμίνωση και η αποκαρβοξυλίωση, όπως και απαμίνωση και αποκαρβοξυλίωση.

Τα θειούχα αμινοξέα προσβάλλονται από τους μικροοργανισμούς με πολλούς τρόπους. Ορισμένοι μικροοργανισμοί απομεθυλιώνουν τη μεθειονίνη και τη μετατρέπουν σε μεθυλομερκαπτάνη (μεθανοθειόλη, CH3-SH), διμεθυλοδισουλφίδιο (CH3-S-S-CH3) και μερικές φορές διμεθυλοσουλφίδιο (CH,-S-CH3). Την κυστεΐνη μπορούν να την οξειδώσουν μέχρι θειϊκά. Πολλοί μικροοργανισμοί από τα θειούχα αμινοξέα παράγουν υδρόθειο και ακόμη μερκαπτάνες (αποκαρβοξυλίωση και απαμίνωση). Το Η2S και οι μερκαπτάνες είναι το κύριο μέρος των δύσοσμων αερίων. Στα αρωματικά αμινοξέα προσβάλλεται είτε η πλευρική αλυσίδα είτε ο δακτύλιος. Η φαινυλαλανίνη υδροξυλιώνεται προς τυροσίνη, από την απαμίνωση της οποίας παράγεται π-υδροξυφαινυλο-πυροσταφυλλικό οξύ, που μεταβολίζεται σε διάφορα προϊόντα ανάλογα με τον μικροοργανισμό. Ορισμένα προαιρετικά αναερόβια ή αναερόβια βακτήρια σχηματίζουν με διαδοχικές αποκαρβοξυλιώσεις π-υδρο-φαινυλο-οξικό οξύ είτε φαινόλη. Η αποδόμηση της τρυπτοφάνης από τους μικροοργανισμούς ακολουθεί διάφορες οδούς. Προϊόντα που σχηματίζονται είναι ινδόλη, πυροσταφυλλικό οξύ, αμμωνία, σκατόλη, οξικό οξύ, ηλεκτρικό οξύ.

Αποικοδόμηση αμινοξέων.