Produkce kyseliny

Produkce kyseliny jantarové bachorovými bakteriemi

Bachorová fermentace je přesně biologicky a nutričně regulovaný proces, způsobený enzymy mikrobiálního ekosystémemu (Vajda et al., 2003). V jejím průběhu dochází za růstu bakterií k současné utilizaci cukrů a proteinů, tvorbě organických kyselin a regulaci hodnoty pH (Kouklová a kol., 2010).

Produktem bachorové fermentace jsou těkavé mastné kyseliny – octová, propionová a máselná, které se přes bachorovou stěnu dostávají do krve zvířete a jsou použity k úhradě energetických nároků živočicha. Poměr produkce acetátu, propionátu  a dalších produktů, záleží  na zastoupení vlákniny a koncentrátů v krmné dávce (Kouklová a kol., 2010).

Kyselina jantarová a její soli přímo ovlivňují buněčný metabolizmus a jsou součástí zpracování sacharidů v Krebsově cyklu. Jsou také zdrojem redukujících látek a tím ovlivňují oxidace uvnitř buňky. Kyselina jantarová působí jako induktor syntézy bílkovin, ovlivňuje pozitivně transport iontů v buňce a transport plynů v organizmu (kyslík a oxid uhličitý) Kouklová a kol., 2010).

Proces fermentace v bachoru je exergonický děj, který převádí sacharidy a jiné substráty cestou částečné oxidace na konečné produkty a vytváří volnou energii ve formě ATP. To je následně použito pro anabolické reakce (tvorba bakteriální biomasy) a udržování důležitých buněčných funkcí (Russel 2002).

Krmivo, vstupující do trávicího traktu přežvýkavců, se obyčejné skládá převážně z hexóz. Hemicelulózy však obsahují také různé množství pentóz. Obecné schéma utilizace sacharidů je na obrázku 5 (Russel 2002).

V prvním kroku jsou cukry a škrob hydrolyzovány a následné pomocé třech enzymů, které jsou součástí Embden-Meyerhoff-Parnasové dráhy, dochází k produkci fosfoenolpyruvátu (PEP). Pyruvát je centrálním meziproduktem bachorových bakterií, který může být převeden na různé konečné produkty fermentace.V průběhu glykolýzy je převedeno NAD na NADH. To se znovu oxiduje a fermentace pokračuje.

Po tomto kroku se metabolická dráha větví v závislosti na množství oxidu uhličitého dostupného v systému. V případě, že je v systému nedostatek CO₂, jako konečný produkt se vytváří kyselina mlečná, octová a propionová. S dostatečnou dodávkou oxidu uhličitého do systému bachorové mikroorganismy upřednostňují produkci kyseliny jantarové. Prostřednictvím této dráhy se PEP převede na oxaloacetát
PEP-karboxykinázou s přídavkem CO₂. Tím se vytvoří čtyřuhlíkatý řetězec, začínající řadu reakcí "C4 dráhy" (Lee et al., 2008). Právě činnost PEP-karboxykinázy je pozitivně ovlivněna vysokou hladinou oxidu uhličitého v systému (Zeikus et al., 1999). V nasledující reakci se do oxalacetátu přidává vodík za produkce malátu, který je přeměněn fumarázou na fumarát za odstranění molekuly vody. Dalším přídavkem vodíku je vytvořen sukcinát v disociované podobě, jelikož produkční pH je nad hodnotou pKa kyseliny jantarové (McKinlay a kol., 2008, Zeikus et al., 1999). 

Obrázek 5. Schéma metabolizmu hexóz bachorovými bakterií různými metabolickými dráhy (upraveno podle Russel 2002).

Některé bachorové bakterie produkují sukcinát, jako konečný produkt, ale další přítomné druhy ji následně dekarboxylují na propionát. Jedná se např. některé kmeny Selenomonas ruminantium (Russel 2002). 

Na obrázku 6 zobrazena metabolická shéma utilizace glkózy bakterií Manheimia succiniciproducens, která pochází ze stejné čeledi, jako Basfia succiniciproducens.

Obrázek 6. Metabolické schema syntézy kyseliny jantarové bakterií Manheimia succiniciproducens (Beauprez a kol. 2010).

Hlávním krokem v metabolické schémě Manheimia succiniciproducens je zase pyruvát a acetyl-CoA, které determinují konečný produkt fermentace, bud’ to sukcinát, citrát nebo etanol, což záleží na konktetném kmenu bachoru a jeho enzymovém vybaveni (Beauprez a kol. 2010).

Acetyl-CoA může být převeden buďto na acetát nebo butyrát. Pokud bakterie tvoří fosfotransacetylázu, energie Co-A vazby se ukládá ve formě esteru kyseliny fosforečné (acetyl-fosfát). Acetyl-fosfát může být převeden na acetát pomocí
acetát-kinázy spolu s produkcí ATP. Alternativně, dvě molekuly acetyl-CoA mohou kondenzovat za vzniku acetyl-acetyl-CoA, který může být dále převeden na butyryl-CoA (Russel 2002).

Oxalacetát je vytvořen buď z pyruvátu nebo PEP karboxylací. Následně je redukován na malát pomocí dehydrogenázy. U některých laktobacilů dochází k redukci a karboxylaci pyruvátu přímo na malát pomocí tzv. jablečného enzymu. Pyruvát lze také převést na acetyl-CoA. Zatímco aerobní producenti produkují acetyl-CoA prostřednictvím pyruvát-dehydrogenázy, anaeroby tento enzym zcela postrádají. E. coli, Streptococcus bovis a Butyrivibrio fibrisolvens mají enzym pyruvát-formát-lyázu, který napomáhá produkci acetyl-CoA a kyseliny mravenčí (Russel 2002). 

Konverze malátu na fumarát je jednoduchá dehydratace, ale další krok, kde vstupuje fumarát reduktáza, je relativně složitá reakce zahrnující tvorbu ATP a elektronový transport. Syntéza oxalacetátu je podpořena biotin-dependentní, transkarboxylační reakcí, která přeměňuje energii dekarboxylace
sukcinyl-CoA. Hydrolýza propionyl-CoA nevede k vytváření fosfátového intermediátu ani ATP. Tato energie je přeměněna při syntéze sukcinyl-CoA enzymem CoA-transferázou (Russel 2002). 

Některé jiné bakterie (např. klostridie a selenomonády) mají enzym
pyruvát-ferredoxin-oxidoreduktázu, což vede namísto produkce formiátu k produkci redukovaného ferredoxinu a CO₂ (Russel 2002).

Pentózy se bachorovými mikroorganismy utilizují pomocí transketolázových a transaldolázových reakcí pentózového cyklu nebo fosforolytickým štěpením pomocí fosfoketolázy. Výtěžek ATP z pentózového cyklu je větší než z dráhy fosforolytického štěpení (obrázek 7) (Russel 2002).

Obrázek 7. Pentózový katabolizmus fosfoketolázovou dráhou (Upraveno podle Russel 2002).