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Les bactéries acétiques utilisent-elles la chaîne de transport d'électrons lors de la conversion de l'éthanol en acide acétique ?

Les bactéries acétiques utilisent-elles la chaîne de transport d'électrons lors de la conversion de l'éthanol en acide acétique ?


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Les bactéries acétiques utilisent-elles la chaîne de transport d'électrons lors de la conversion de l'éthanol en acide acétique ?

Et Wikipédia est-il incohérent ici dans sa définition de la fermentation. Il dit fermentation

La fermentation a lieu lorsque la chaîne de transport d'électrons est inutilisable

(et cela est cohérent avec les livres de microbiologie (académiques) consultables sur Google Books). Wikipedia définit les bactéries de l'acide acétique comme

produire de l'acide acétique pendant la fermentation.

aussi

Certains genres, comme Acetobacter, peut oxyder l'éthanol en dioxyde de carbone et en eau à l'aide d'enzymes du cycle de Krebs. D'autres genres, comme Gluconobacter, n'oxydent pas l'éthanol, car ils n'ont pas un ensemble complet d'enzymes du cycle de Krebs.

J'ai lu dans des livres de microbiologie sur Google Books, que les bactéries de l'acide acétique utilisent l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons et ont un mécanisme respiratoire.

Microbiologie de la brasserie éditée par Fergus Priest p165

Acétobactéries spp. possèdent un mécanisme respiratoire… Acétobactéries spp. sont obligatoirement aérobies avec un métabolisme respiratoire (O2 comme accepteur terminal d'électrons)

Alors, est-ce que Wikipédia a tort de décrire les bactéries de l'acide acétique comme utilisant la fermentation ?

Je vois cependant une mention du cycle de krebs, que je comprends être associé à la respiration plutôt qu'à la fermentation. Également dans cette réaction/processus :

$C_2H_6Ohspace{1mm}(éthanol) + O_2 ightarrow C_2H_4O_2hspace{1mm}(acétiquehspace{1mm}acide) + H_2O$

Je vois de l'eau mentionnée mais pas du dioxyde de carbone (s'il y avait les deux, je dirais que cela ressemble vraiment à de la respiration, bien que cela s'appelle fermentation oxydative). Donc, je ne peux toujours pas vraiment voir s'il s'agit de respiration ou de fermentation, bien que cela s'appelle fermentation (fermentation oxydative), mais il y a la mention des enzymes du cycle de krebs (le cycle de krebs étant associé à la respiration), donc cela me rend incertain si l'électron chaîne de transport est utilisée ou non.


Oui

Je trouve quelque peu ironique que dans une réponse à un récent article de l'affiche concernant la définition précise de «fermentation», j'ai soutenu qu'il s'agissait d'une question sémantique en raison de l'utilisation du terme en anglais avant que toute biochimie ne soit connue. Je découvre maintenant que le terme est utilisé dans un sens encore plus vague que je ne le pensais - dans un contexte aérobie. La conversion de l'éthanol en acide acétique par les bactéries de l'acide acétique est apparemment appelée fermentation oxydative comme expliqué dans cet extrait d'un article paru dans The Journal of Bacteriology :

Les bactéries acétiques sont des aérobies obligatoires qui appartiennent aux -protéobactéries et ont une forte capacité à oxyder l'éthanol, les alcools de sucre et les sucres en leurs acides organiques correspondants. De telles réactions d'oxydation sont traditionnellement appelées fermentation oxydative, car elles impliquent une oxydation incomplète de ces composés. Ces bactéries accumulent les produits d'oxydation incomplète correspondants en grande quantité dans leur milieu environnant.

La biochimie est résumée par Gómez-Manzo et al.:

La fermentation de l'éthanol par les bactéries acétiques est réalisée par deux réactions séquentielles catalysées par les enzymes alcool déshydrogénase dépendantes de la pyrroloquinoléine (PQQ) (ADH) et l'aldéhyde déshydrogénase (ALDH), qui sont situées dans la membrane cytoplasmique [6] et transfèrent des électrons à l'ubiquinone Q10 [7]. PQQ-ADH est un complexe périplasmique quinohémoprotéine-cytochrome c et catalyse la première étape de l'oxydation de l'éthanol en transférant des électrons à Q10 et en produisant de l'acétaldéhyde qui est généralement le substrat d'une autre enzyme (ALDH), et converti en acide acétique au cours de la deuxième étape de l'éthanol fermentation.

Le fait que la pyrroloquinoléinequinone réduite soit réoxydée par l'ubiquinone, indique que la conversion de l'éthanol en acide acétique nécessite la poursuite de la chaîne de transport d'électrons dans la membrane bactérienne, et que l'accepteur d'électrons ultime est l'oxygène.


Je ne connais pas le mécanisme procaryote du métabolisme de l'éthanol. Cependant, chez les eucaryotes, le métabolisme de l'éthanol finit bien par montrer un effet dans l'ETC.

Lorsque l'éthanol est métabolisé chez les eucaryotes, l'alcool déshydrogénase éliminera un proton à l'aide du NAD+ pour créer de l'acétate et du NADH. Bien entendu, le NADH est utilisé au sein de l'ETC. Donc, fondamentalement, le métabolisme de l'éthanol est l'un des nombreux moyens par lesquels une cellule peut équilibrer son potentiel redox.

Les voies de fermentation de certains organismes sont inhibées par la présence d'oxygène, d'autres non. Je ne peux pas vous dire avec certitude si c'est le cas ou non pour vous en particulier. Mais, je définirais un processus de fermentation comme un processus qui n'aboutit pas à l'oxydation complète d'un substrat carboné.


Les bactéries acétiques utilisent-elles la chaîne de transport d'électrons lors de la conversion de l'éthanol en acide acétique ? - La biologie

Métabolisme -- La somme de toutes les réactions chimiques dans une cellule. Il peut également être décrit comme catabolisme + anabolisme.

Réactions chimiques
Certaines réactions nécessitent de l'énergie. De l'énergie doit être ajoutée pour que ces réactions se produisent et le ou les produits seront à un niveau d'énergie plus élevé que les réactifs. Dans le métabolisme, de nombreux réactions anaboliques rentrent dans cette catégorie. Les réactions anabolisantes nécessitent de l'énergie. Les réactions cataboliques libèrent de l'énergie.

Toutes les réactions énergétiquement favorisées ne sont pas spontanées. Plusieurs fois certains énergie d'activation doit être ajouté. Par exemple, le papier (cellulose = C 6 H 12 O 6 ) existe de manière stable en présence d'oxygène. Même si l'oxydation rapide de la cellulose en CO 2 , H2O et C est énergétiquement favorisée, le papier ne brûlera pas (combustion = oxydation rapide de la cellulose) à moins énergie d'activation (chaleur) est appliqué.

I. ENZYMES
Dans la cellule, l'énergie nécessaire pour conduire réactions anaboliques ainsi que l'énergie d'activation nécessaire pour obtenir de nombreux réactions cataboliques aller ne peut pas être appliqué directement sous forme de chaleur. Au lieu de cela, les cellules utilisent enzymes pour réduire la quantité d'énergie nécessaire pour provoquer les réactions. Ainsi enzymes sont appelés catalyseurs car ils facilitent les réactions et les accélèrent mais ils n'entrent pas dans les réactions.

Enzymes abaisser l'énergie d'activation des réactions car enzymes sont capables de (1) se lier aux réactifs (substrat), (2) forcer les réactifs (molécules de substrat) très proches les unes des autres et (3) plient les molécules du substrat et déstabilisent leurs configurations électroniques. Cela rend les molécules instables et réactives.

  • L'endroit sur l'enzyme où le substrat se lie est appelé le site de liaison au substrat ou la site actif de l'enzyme. Le site allostérique est un site autre que le site actif.
  • Apoenzyme = la portion protéique
  • Cofacteurs = sont des atomes ou des molécules non protéiques qui se lient à l'apoenzyme. Ils sont divisés en molécules organiques = coenzymes, et éléments inorganiques = ions métalliques.
  • Coenzymes= NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide), FAD (flavine adénine dinucléotide), CoA (coenzyme A)
  • Ions métalliques = Fer, cuivre, calcium, zinc, magnésium.
  • Holoenzyme = Apoenzyme + Cofacteur

III. Facteur affectant la fonction enzymatique : (n'oubliez pas la saturation !)
1) pH
2) Température
3) Concentration du substrat
4) Concentration enzymatique

IV. Inhibition enzymatique :
a) Inhibition compétitive : Une molécule de structure similaire au substrat normal peut occuper (et bloquer) le site actif de l'enzyme. Peut être inversé en ajoutant plus de substrat. Par exemple. l'acide folique synthétase se lie au PABA ---> acide folique. Le médicament sulfanilamide a une structure chimique très similaire à celle du PABA et le médicament se lie au site actif de l'enzyme. L'acide folique synthétase est cependant incapable de convertir le sulfanilamide en quoi que ce soit.

b) Inhibition non compétitive : Les inhibiteurs (par exemple le plomb ou d'autres métaux) peuvent se lier au site allostérique en changeant la forme de l'enzyme. Maintenant, le site actif est différent et ne peut pas se lier au substrat.

FLUX D'ÉNERGIE DANS LE MÉTABOLISME
L'énergie dans le métabolisme s'écoule souvent en termes d'électrons. Si les électrons SONT PERDUS, cela s'appelle oxydation. Si des électrons SONT GAGNÉS, cela s'appelle réduction. L'oxydation est couplée à la réduction c'est-à-dire que si quelque chose s'oxyde, alors quelque chose d'autre se réduit (rappelez-vous les première et deuxième lois de la thermodynamique !).

Dans la plupart des oxydations et réductions que nous étudierons, les électrons (e-) seront déplacés avec les protons (H+). Regarder les hydrogènes fournit donc un moyen pratique de savoir si une molécule a été oxydée ou réduite.

De plus, dans de nombreuses réactions d'oxydoréduction que nous examinerons, la molécule nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) qui sert de navette électronique. NAD peut devenir RÉDUIT à NADH 2 , puis transportent les électrons vers une autre réaction et deviennent OXYDÉS à nouveau à NAD. En d'autres termes, NAD peut capter les électrons d'une réaction et les transporter vers une autre.

Notez que lorsqu'une molécule obtient OXYDÉ IL PERD DE L'ÉNERGIE. De plus, plus une molécule est réduite, plus elle contient d'énergie. (Voir pages 121-122, fig. 5.8 et 5.9 pour les descriptions du NAD et des réactions d'oxydo-réduction.)

Le but ultime dans de nombreux cas de catabolisme sera de prendre l'énergie d'une molécule (source de nourriture), de piéger l'énergie et de la stocker sous forme de ATP.

Il y a trois façons de faire de l'ATP :

1.) La phosphorylation au niveau du substrat- où un phosphate à haute énergie d'un intermédiaire métabolique phosphorylé molécule est transféré directement sur ADP dans une voie catabolique le convertissant en ATP.

2.) La phosphorylation oxydative - où une molécule (source de nourriture) est oxydée et l'énergie est extraite des électrons par un chaîne de transport d'électrons.
L'énergie extraite est ensuite utilisée pour fabriquer ATP par un processus connu sous le nom chimiosmose.

3.) Photophosphorylation - Ceci ne se voit que dans les cellules effectuant la photosynthèse. Ici, l'énergie lumineuse est utilisée pour générer des électrons puis l'énergie est extraite des électrons par un chaîne de transport d'électrons. Comme dans la phosphorylation oxydative, l'énergie extraite est utilisée pour fabriquer ATP par chimiosmose.

  • Respiration aérobie, dans laquelle l'oxygène est l'accepteur d'électrons final
  • Respiration anaérobie, dans laquelle une molécule inorganique autre que l'oxygène est l'accepteur d'électrons final
  • Fermentation, dans laquelle une molécule organique est l'accepteur d'électrons final, et
  • Photosynthèse, au cours de laquelle l'énergie radiante est convertie en énergie chimique

La respiration du glucose en tant que source de carburant se déroule en 3 étapes : la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons.

Glucose + 6O 2 ----> 6CO 2 + 6H 2 O + énergie

  • La décomposition partielle (oxydation) d'un glucose molécule (une molécule 6-C) en 2 acide pyruvique molécules (molécules 3-C).
  • Utilise 2 ATP et fait 4 ATP. Donc, il y a un gain net de 2 ATP
  • M2 NADH 2
  • Oxydation supplémentaire des molécules de carbone
  • Acide pyruvique ---> acétyl-CoA + CO 2
  • Régénération par acide oxaloacétique (4C) + acétyl-CoA (2C)
  • Beaucoup de NADH (3-4 molécules), 2 FADH 2 produits et 6 molécules de CO 2 libérées.

C'est une série d'enzymes enchâssées dans une membrane. Ces enzymes utilisent la membrane pour établir un gradient chimiosmotique d'ions hydrogène. Ce gradient d'ions hydrogène est appelé un force motrice de protons et cette force fournit l'énergie pour une ATP synthétase.

Les enzymes de la chaîne de transport d'électrons sont une série de molécules porteuses d'électrons d'oxydoréduction et de pompes à protons. Ces enzymes utilisent l'énergie des électrons de la glycolyse et du cycle de Krebs pour déplacer les protons contre un gradient de concentration pour former le force motrice de protons.

Dans les mitochondries de eucaryotes, 3 paires de protons sont « pompées » entre les membranes mitochondriales interne et externe au cours d'un seul passage dans le système de transport d'électrons et leur rentrée génère la formation de 3 molécules d'ATP. Cependant, dans procaryotes, souvent moins de protons sont transportés à travers la membrane en un seul passage (2 paires dans E. coli) donc moins d'ATP sont générés (2 dans E. coli). Le principe est pourtant le même.

  • Métabolisme de l'acide pyruvique et utilise une molécule organique comme accepteur final d'électrons
  • Ne nécessite pas d'oxygène
  • Régénération de NAD+ et NADP+
  • Très peu d'énergie est produite (1 ou 2 ATP principalement à partir de la glycolyse)
  • Les produits finaux sont : l'acide lactique, le CO 2 , l'éthanol, le butanediol, l'acide propionique, l'acide succinique, l'acide acétique, etc.
  • Pas de cycle de Krebs ni de chaîne de transport d'électrons
  • Trouvé seulement dans les bactéries anaérobies et facultatives

Comparaison entre la fermentation et la respiration aérobie.

Voies impliquées Accepteur d'électrons final Produits nets
Fermentation glycolyse molécules organiques 2 ATP, CO2, éthanol, acide lactique, etc.
Respiration glycolyse, cycle de Krebs, chaîne de transport d'électrons oxygène 38 ATP, CO2, H2O

  • N'oubliez pas que c'est pour une molécule de glucose !
  • Le NADH va produire 3 molécules d'ATP
  • FADH va produire 2 molécules d'ATP
  • N'oubliez pas que nous ne regardons que le métabolisme des glucides, mais que le métabolisme des acides gras et des protéines suit à peu près les mêmes voies cataboliques.
  • Nous n'avons pas non plus cherché de voies anaboliques, des voies qui sont utilisées pour fabriquer des molécules complexes à partir de composants simples.

CLASSIFICATION DES ORGANISMES PAR MODELE NUTRITIONNEL :

Énergie est la capacité de travailler. Les bactéries ont besoin d'énergie pour la motilité, le transport actif des nutriments dans la cellule et la biosynthèse des composants cellulaires tels que les nucléotides, l'ARN, l'ADN, les protéines, le peptidoglycane, etc. En d'autres termes, l'énergie est nécessaire pour entraîner diverses réactions chimiques.

Pour obtenir de l'énergie, les bactéries (chimiohétérotrophes) prennent des composés riches en énergie tels que le glucose dans la cellule et les décomposent enzymatiquement pour libérer leur énergie. Par conséquent, la bactérie a besoin d'un moyen de piéger qui libère de l'énergie afin qu'elle ne soit pas gaspillée sous forme de chaleur et stocke l'énergie sous une forme pouvant être utilisée par les cellules. L'énergie est principalement piégée et stockée sous forme de l'adénosine triphosphate ou ATP. Une grande quantité d'ATP est nécessaire pour une croissance normale. Par exemple, une cellule E. coli en croissance typique doit synthétiser environ 2,5 millions de molécules d'ATP par seconde pour subvenir à ses besoins énergétiques.

  • léger -- phototrophe
  • oxydation -réduction des composés organiques et inorganiques -- chimiotrophe
  • gaz carbonique -- autotrophe (Auto-alimentateurs)
  • composés organiques -- hétérotrophe

Chimiohétérotrophes= énergie et carbone des molécules organiques
Chimioautotrophes= énergie provenant de composés inorganiques réduits et CO 2 comme source de carbone.


6.2 : Fermentation

  • Contribution d'OpenStax
  • Biologie Générale à OpenStax CNX
  • Définir la fermentation et expliquer pourquoi elle ne nécessite pas d'oxygène
  • Décrire les voies de fermentation et leurs produits finaux et donner des exemples de micro-organismes qui utilisent ces voies
  • Comparer et contraster la fermentation et la respiration

Il existe deux mécanismes par lesquels les chimiohétérotrophes peuvent générer de l'ATP : la respiration et la fermentation. Bien que la respiration repose sur la génération d'un gradient de protons et la synthèse d'ATP par phosphorylation oxydative, la synthèse d'ATP dans la fermentation se fait entièrement par la phosphorylation au niveau du substrat dans les voies métaboliques. En général, la quantité d'ATP produite par fermentation est inférieure à celle de la respiration, mais il existe des situations où la fermentation est nécessaire ou préférable. De nombreux procaryotes, tels que E. coli, sont facultatifs, ce qui signifie que si les conditions environnementales changent pour fournir un accepteur d'électrons final inorganique approprié pour la respiration, les organismes contenant tous les gènes requis pour le faire passeront à la respiration car la respiration permet une production d'ATP beaucoup plus importante. Alors que l'absence d'un accepteur d'électrons final inorganique approprié dépend de l'environnement, certains organismes n'ont pas la capacité de respirer complètement. De nombreux procaryotes, y compris des membres des genres cliniquement importants Streptocoque et Clostridium, reposent entièrement sur la fermentation pour la génération d'ATP.

Si la respiration ne se produit pas, le NADH doit être réoxydé en NAD + pour être réutilisé comme porteur d'électrons pour la glycolyse et d'autres voies cataboliques pour continuer. Certains systèmes vivants utilisent un métabolite produit par le métabolite de la cellule (comme le pyruvate) comme accepteur final d'électrons par un processus appelé fermentation. Parce que tout le NADH produit doit être réoxydé en NAD+, le NADH net de toute voie de fermentation doit être égal à zéro (0). Considérant que le but de la fermentation est de générer de l'ATP, il doit également y avoir un gain net d'ATP dans ces voies métaboliques.

La fermentation n'implique pas de chaîne de transport d'électrons et ne produit pas directement d'ATP supplémentaire au-delà de celui produit lors de la glycolyse par phosphorylation au niveau du substrat. Les organismes effectuant la fermentation produisent généralement un maximum de deux molécules d'ATP par glucose au cours de la glycolyse. Le tableau (PageIndex<1>) compare les accepteurs d'électrons finaux et les méthodes de synthèse d'ATP dans la respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation. Notez que le nombre de molécules d'ATP indiqué pour la glycolyse suppose la voie Embden-Meyerhof-Parnas. Le nombre de molécules d'ATP fabriquées par phosphorylation au niveau du substrat (SLP) par rapport à la phosphorylation oxydative (OP) est indiqué.

Transport d'électrons et chimiosmose (OP) :

Transport d'électrons et chimiosmose (OP) :

Dans toutes les fermentations bactériennes, au moins un des déchets produits est un acide organique. Cette caractéristique des fermentations bactériennes est fréquemment exploitée dans les tests métaboliques utilisés pour identifier les bactéries. Par exemple, E. coli peut fermenter le lactose, formant du gaz, alors que certains de ses proches parents Gram-négatifs ne le peuvent pas. La capacité à fermenter l'alcool de sucre sorbitol est utilisée pour identifier la souche pathogène entérohémorragique O157:H7 de E. coli car contrairement à d'autres E. coli souches, il est incapable de fermenter le sorbitol. Enfin, la fermentation du mannitol différencie la fermentation du mannitol Staphylococcus aureus d'autres staphylocoques non fermentant le mannitol.

La fermentation la plus simple, qui est utilisée par certaines bactéries, comme celles du yaourt et d'autres produits alimentaires aigres, et par les animaux dans les muscles lors de l'épuisement de l'oxygène, est la fermentation homolactique ou lactique (Figure (PageIndex<1>). fermentation les électrons sur le NADH produits pendant la glycolyse sont réoxydés en NAD+ en donnant leurs électrons au produit final de la glycolyse, le pyruvate.Le déchet résultant est le lactate (acide lactique).

Figure (PageIndex<1>) : Fermentation homolactique (acide lactique). A noter que les 2 NADH produits lors de la glycolyse sont réoxydés en NAD+ lorsque leurs électrons sont ajoutés au pyruvate pour faire du déchet du lactate (acide lactique) (2021 Jeanne Kagle)

Bactéries de plusieurs genres Gram-positifs, y compris Lactobacilles, Leuconostoc, et Streptocoque, sont collectivement connues sous le nom de bactéries lactiques (LAB), et diverses souches sont importantes dans la production alimentaire. Lors de la production de yaourts et de fromages, l'environnement très acide généré par la fermentation lactique dénature les protéines contenues dans le lait, provoquant sa solidification. Lorsque l'acide lactique est le seul produit de fermentation, le processus est dit de fermentation homolactique comme c'est le cas pour Lactobacillus delbrueckii et S. thermophiles utilisé dans la production de yaourt. Cependant, de nombreuses bactéries effectuent une fermentation hétérolactique, produisant un mélange d'acide lactique, d'éthanol et/ou d'acide acétique et de CO2 en conséquence, en raison de leur utilisation de la voie ramifiée des pentoses phosphates au lieu de la voie EMP pour la glycolyse. Un important fermenteur hétérolactique est Leuconostoc mesenteroides, qui est utilisé pour acidifier des légumes comme les concombres et le chou, produisant respectivement des cornichons et de la choucroute.

Les bactéries lactiques sont également importantes sur le plan médical. La production d'environnements à faible pH dans le corps inhibe l'établissement et la croissance d'agents pathogènes dans ces zones. Par exemple, le microbiote vaginal est composé en grande partie de bactéries lactiques, mais lorsque ces bactéries sont réduites, les levures peuvent proliférer, provoquant une infection à levures. De plus, les bactéries lactiques sont importantes pour maintenir la santé du tractus gastro-intestinal et, en tant que telles, sont le principal composant des probiotiques.

Un autre processus de fermentation familier est la fermentation alcoolique par la levure, qui produit de l'éthanol. La réaction de fermentation de l'éthanol est illustrée à la figure (PageIndex<2>). Vous remarquerez peut-être que contrairement aux fermentations bactériennes, cette fermentation fongique (eucaryote) ne produit pas d'acide en tant que déchet. La fermentation éthanolique du pyruvate par la levure Saccharomyces cerevisiae est utilisé dans la production de boissons alcoolisées et fait également augmenter les produits de panification en raison du CO2 production. En dehors de l'industrie alimentaire, la fermentation à l'éthanol de produits végétaux est importante dans la production de biocarburants.

Figure (PageIndex<2>) : Les réactions chimiques de la fermentation alcoolique sont présentées ici. La fermentation à l'éthanol est importante dans la production de boissons alcoolisées et de pain.

Au-delà de la fermentation lactique et de la fermentation alcoolique, de nombreuses autres méthodes de fermentation se produisent dans les microbes, toutes dans le but d'assurer un apport adéquat en NAD+ pour la glycolyse (Tableau (PageIndex<2>)). Sans ces voies, la glycolyse ne se produirait pas et aucun ATP ne serait récolté à partir de la dégradation du glucose. Il convient de noter que la plupart des formes de fermentation en plus de la fermentation homolactique produisent du gaz, généralement du CO2 et/ou de l'hydrogène gazeux. Bon nombre de ces différents types de voies de fermentation sont également utilisés dans la production alimentaire et chacun entraîne la production de différents acides organiques, contribuant à la saveur unique d'un produit alimentaire fermenté particulier. L'acide propionique produit lors de la fermentation de l'acide propionique contribue par exemple à la saveur distinctive du fromage suisse.

Plusieurs produits de fermentation sont importants commercialement en dehors de l'industrie alimentaire. Par exemple, des solvants chimiques tels que l'acétone et le butanol sont produits lors de la fermentation acétone-butanol-éthanol. Les composés pharmaceutiques organiques complexes utilisés dans les antibiotiques (par exemple, la pénicilline), les vaccins et les vitamines sont produits par fermentation acide mixte.

En plus de la capacité de fermentation, les produits de fermentation sont utilisés en laboratoire pour différencier diverses bactéries à des fins de diagnostic. Par exemple, les bactéries entériques sont connues pour leur capacité à effectuer une fermentation acide mixte, réduisant le pH, ce qui peut être détecté à l'aide d'un indicateur de pH. De même, la production bactérienne d'acétoïne lors de la fermentation du butanediol peut également être détectée. La production de gaz à partir de la fermentation peut également être observée dans un tube de Durham inversé qui piège le gaz produit dans un bouillon de culture.

Tableau (PageIndex<2>) : voies de fermentation courantes
Sentier Produits finaux Exemple de microbes Produits commerciaux
Acétone-butanol-éthanol Acétone, butanol, éthanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Solvants commerciaux, alternative à l'essence
De l'alcool Éthanol, CO2 Candida, Saccharomyces Pain à la bière
Butanediol Acide formique et lactique éthanol acétoïne 2,3 butanediol CO2 gaz hydrogène Klebsiella, Enterobacter Vin de chardonnay
Acide butyrique Acide butyrique, CO2, gaz hydrogène Clostridium butyricum Le beurre
Acide lactique Acide lactique Streptocoque, Lactobacille Choucroute, yaourt, fromage
Acide mélangé Acides acétique, formique, lactique et succinique éthanol, CO2, gaz hydrogène Escherichia, Shigella Vinaigre, cosmétiques, produits pharmaceutiques
L'acide propionique Acide acétique, acide propionique, CO2 Propionibacterium, Bifidobacterium fromage suisse

Quand un microbe métaboliquement polyvalent effectuerait-il la fermentation plutôt que la respiration ?

IDENTIFIER LES BACTÉRIES À L'AIDE DE PANNEAUX DE TEST API

L'identification d'un isolat microbien est essentielle pour le bon diagnostic et le traitement approprié des patients. Les scientifiques ont développé des techniques qui identifient les bactéries en fonction de leurs caractéristiques biochimiques. En règle générale, ils examinent soit l'utilisation de sources de carbone spécifiques comme substrats pour la fermentation ou d'autres réactions métaboliques, soit ils identifient les produits de fermentation ou les enzymes spécifiques présentes dans les réactions. Dans le passé, les microbiologistes utilisaient des tubes à essai et des plaques individuels pour effectuer des tests biochimiques. Cependant, les scientifiques, en particulier ceux des laboratoires cliniques, utilisent désormais plus fréquemment des panneaux multitests jetables en plastique contenant un certain nombre de tubes de réaction miniatures, chacun comprenant généralement un substrat et un indicateur de pH spécifiques. Après inoculation du panel de test avec un petit échantillon du microbe en question et incubation, les scientifiques peuvent comparer les résultats à une base de données qui comprend les résultats attendus pour des réactions biochimiques spécifiques pour des microbes connus, permettant ainsi une identification rapide d'un échantillon de microbe. Ces panels de test ont permis aux scientifiques de réduire les coûts tout en améliorant l'efficacité et la reproductibilité en effectuant un plus grand nombre de tests simultanément.

De nombreux panels de tests biochimiques miniaturisés commerciaux couvrent un certain nombre de groupes de bactéries et de levures cliniquement importants. L'un des panels de test les plus anciens et les plus populaires est le panel d'indice de profil analytique (API) inventé dans les années 1970. Une fois qu'une caractérisation de base en laboratoire d'une souche donnée a été effectuée, telle que la détermination de la morphologie de la souche Gram, une bandelette de test appropriée contenant 10 à 20 tests biochimiques différents pour différencier les souches au sein de ce groupe microbien peut être utilisée. Actuellement, les différentes bandelettes API permettent d'identifier rapidement et facilement plus de 600 espèces de bactéries, aérobies et anaérobies, et environ 100 types de levures différentes. Sur la base des couleurs des réactions lorsque des produits finaux métaboliques sont présents, en raison de la présence d'indicateurs de pH, un profil métabolique est créé à partir des résultats (Figure (PageIndex<2>)). Les microbiologistes peuvent ensuite comparer le profil de l'échantillon à la base de données pour identifier le microbe spécifique.

Figure (PageIndex<2>) : La bandelette de test API 20NE est utilisée pour identifier des souches spécifiques de bactéries gram-négatives en dehors des entérobactéries. Voici un résultat de bandelette de test API 20NE pour Photobacterium damselae ssp. piscicide.


Banque de questions sur la biologie – 38 QCM sur la « respiration cellulaire » – Répondu !

38 questions avec réponses et explications sur la « respiration cellulaire » pour les étudiants en biologie.

1. L'oxydation incomplète du glucose en acide pyruvique avec plusieurs étapes intermédiaires est connue sous le nom

Source de l'image : classconnection.s3.amazonaws.com

Réponse et explication :

1. (b) : La glycolyse est le changement biochimique dans lequel une molécule de glucose est convertie en 2 molécules d'acide pyruvique avec la participation de dix enzymes. Il est indépendant de l'oxygène et est commun aux conditions aérobies et anaérobies. Elle se déroule dans le cytoplasme et toutes les réactions sont réversibles.

Tous les intermédiaires de la glycolyse ne sont pas convertis en acide pyruvique. Certains d'entre eux reconstituent les glucides et le phénomène est appelé anabolisme oxydatif. Le cycle TCA et le cycle de Krebs sont synonymes où l'acide pyruvique de la glycolyse est utilisé pour former du CO2. HMS est un shunt d'hexose monophosphate ou une voie de pentose phosphate qui est une voie alternative de la glycolyse.

2. NADP + est réduit en NADPH est

Réponse et explication :

2. (a) : La voie HMP génère des molécules de NADPH qui sont utilisées comme réducteurs dans le processus de biosynthèse dans des conditions où les molécules de NADPH ne sont pas générées par photosynthèse. Il est donc important dans les tissus non photosynthétiques tels que les tissus en différenciation, générant des graines et pendant les périodes d'obscurité. La production de NADPH n'est pas liée à la génération d'ATP dans la voie des pentoses phosphates.

4. Le produit final de la glycolyse est

Réponse et explication :

4. (b) : Dans le cycle glycolytique, chaque molécule de glucose (un sucre hexose) est décomposée dans des réactions biochimiques par étapes sous contrôle enzymatique en deux molécules d'acides pyruviques. Il a lieu est cytosol.

(a) CO2 produit au substrat consommé

(b) CO2 produit à O2 consommé

(c) l'oxygène consommé dans l'eau produite

(d) oxygène consommé en CO2 produit.

(b) CO2 produit à O2 consommé

6. EMP peut produire un total de

Réponse et explication :

6. (b) : La glycolyse est également connue sous le nom de voie EMP du nom de ses découvreurs. Embden, Meyerhof et Paranas. Dans la glycolyse, le 8ATP est produit. Le 4ATP est formé à partir de la phosphorylation au niveau du substrat, dont le 2ATP est utilisé et le gain net de 2AT P. Le 6ATP est produit à partir de la phosphorylation oxydative. Par conséquent, l'ATP total produit dans la glycolyse est le 8ATP.

7. Le lien de connexion entre la glycolyse et le cycle de Krebs avant que le pyruvate n'entre dans le cycle de Krebs ne soit remplacé par

Réponse et explication :

7. (d) : Le produit final de la glycolyse est l'acide pyruvique qui est converti en acétyl coA avant d'entrer dans le cycle de Krebs, qui est de nature aérobie.

8. Le cytochrome terminal de la chaîne respiratoire qui donne des électrons à l'oxygène est

Réponse et explication :

8. (d) : Cytochrome un3 aide au transfert de l'électron à l'oxygène. L'oxygène a une grande affinité pour accepter les électrons et en présence de protons se forme une molécule d'eau (figure).

9. Sur 36 molécules d'ATP produites par molécule de glucose pendant la respiration

(a) 2 sont produits en dehors de la glycolyse et 34 au cours de la chaîne respiratoire

(b) 2 sont produits à l'extérieur des mitochondries et 34 à l'intérieur des mitochondries

(c) 2 pendant la glycolyse et 34 pendant le cycle de Krebs

(d) Tous sont formés à l'intérieur des mitochondries.

Réponse et explication :

9. (b) : Pendant la respiration, 36 molécules d'ATP sont produites par molécule de glucose. 2 molécules d'ATP sont produites à l'extérieur des mitochondries, c'est-à-dire pendant la glycolyse et 34 autres molécules d'ATP sont produites à l'intérieur des mitochondries du cycle de Krebs.

10. Le lien entre la glycolyse, le cycle de Krebs et la P-oxydation des acides gras ou du métabolisme des glucides et des graisses est

Réponse et explication :

10. (d) : Le cycle de Krebs est intimement lié au métabolisme des graisses. Le dihydroxy acétone phosphate produit lors de la glycolyse peut être "converti en glycérol via le glycérol" phosphate et vice-versa. Le glycérol est un constituant important des graisses. Après la P-oxydation, les acides gras donnent naissance à des unités actives – 2 – C, l'acétyl-CoA qui peut entrer dans le cycle de Krebs. Ainsi, l'acétyl-CoA est un lien entre la glycolyse, le cycle de Krebs et la P-oxydation des acides gras ou du métabolisme des glucides et des graisses.

11. Les produits finaux de la respiration aérobie sont

(c) dioxyde de carbone, eau et énergie

(d) dioxyde de carbone et énergie.

Réponse et explication :

11. (c) : Les substances alimentaires des cellules vivantes sont oxydées en présence d'oxygène, c'est ce qu'on appelle la respiration aérobie. L'oxydation complète de la matière alimentaire (1 .mole de glucose) se produit libérant 686 Kcal d'énergie. Les extrémités des produits formés sont CO2 et H2O.

12. À une température supérieure à 35°C

(a) le taux de photosynthèse diminuera plus tôt que celui de la respiration

(b) le taux de respiration diminuera plus tôt que celui de la photosynthèse

(c) il n'y a pas de modèle fixe

(d) les deux diminuent simultanément.

Réponse et explication :

12. (a) : Les plantes peuvent effectuer la photosynthèse sur une plage de températures, tandis que certains cryophytes peuvent effectuer la photosynthèse à 35°C. Habituellement, les plantes peuvent effectuer la photosynthèse entre 10°C et 40°C. La température optimale se situe entre 25 °C et 30 °C. À haute température, les enzymes sont dénaturées et donc le taux de photosynthèse diminue.

13. La phosphorylation oxydative est la production de

(b) NADPH dans la photosynthèse

Réponse et explication :

13. (c) : Dans le système de transport d'électrons, l'hydrogène donné par le succinate est accepté par FAD qui est réduit en FADH2. Cet hydrogène se dissocie en électrons et protons puis traverse une série de porteurs impliquant le phénomène d'oxydation et de réduction. Au cours de ce flux, la synthèse d'ATP se produit à différentes étapes et le phénomène est appelé phosphorylation oxydative.

15. Appareil pour mesurer la fréquence respiratoire et le R.Q. est

Réponse et explication :

15. (c) : Le respiromètre est un instrument utilisé pour mesurer le Q.R. et la fréquence respiratoire. L'appareil se compose d'un tube gradué attaché à angle droit à une chambre respiratoire bulbeuse à son extrémité supérieure. Le matériel végétal souhaité dont le Q.R. doit être déterminé est placé dans la chambre respiratoire.

16. Le produit final du cycle de l'acide citrique/cycle de Krebs est

Réponse et explication :

16. (d) : Le produit final de la glycolyse est l'acide pyruvique, tandis que l'acétyl CoA est le lien entre la glycolyse et le cycle de Krebs. Le cycle du TCA a été décrit pour la première fois par Krebs, 1937 comme un processus cyclique dans lequel l'acétyl coA est oxydé en C02 et de l'eau. L'acétyl CoA se combine avec l'acide oxalo acétique pour former de l'acide citrique. Après une série de réactions cycliques, l'OAA est recyclé.

17. Sur 38 molécules d'ATP produites par glucose, 32 molécules d'ATP sont formées à partir de NADH/FADH2 dans

(c) décarboxylation oxydative

Réponse et explication :

17. (a) : Au cours de la chaîne respiratoire, la dégradation complète d'une molécule de glucose a produit 38 molécules d'ATP. NAD et FAD sont réduits à NADH/FADH2.

18. La vie sans air serait

(b) exempt de dommages oxydatifs

Réponse et explication :

18. (d) : La respiration anaérobie (absence d'oxygène) a lieu dans les bactéries anaérobies et dans les graines de plantes. La respiration anaérobie se produit dans l'organisme qui peut vivre sans oxygène. Dans cette respiration, seule la glycolyse a lieu en raison de l'absence d'oxygène.

19. The First phase in the breakdown of glucose, in animal cell, is

20. When yeast ferments glucose, the products obtained are

21. The ultimate respiratory substrate, yielding maximum number of ATP molecules, is

Réponse et explication :

21. (c): Glucose is the chief respiratory substrate which fields maximum number of ATP molecules. Glucose is the most common substate in glycolysis. Any other carbohydrate is first converted into glucose. During glycolysis it changes to pyruvic acid and net gain is of 2 ATP and 2 NADH2 molecules. And later on during Krebs cycle 30 molecules of ATP are produced. So a total of 38 ATP molecules are produced from 1 mol of glucose during aerobic respiration.

22. Poisons like cyanide inhibit Na + efflux and K + influx during cellular transport. This inhibitory effect is reversed by an injection of ATP. This demonstrates that

(a) ATP is the carrier protein in the transport system

(b) energy for Na + -K + exchange pump comes from ATP

(c) ATP is hydrolysed by ATPase to release energy

(d) Na + -K + exchange pump operates in the cell.

Réponse et explication :

22. (b): Active transport is uphill movement of materials across the membrane where the solute particles move against their chemical concentration or electrochemical gradient. Hence the transport requires energy in the form of ATP. Metabolic inhibitors like cyanide inhibit absorption of solutes by lowering the rate of respiration. Consequently less ATP are formed. However, by adding ATP, active transport is facilitated.

It occurs in plants as in climacteric fruits and under cold stress. ATP synthesis does not occur. Reducing power present in reduced coenzymes is oxidised to producc heat energy. Therefore, the heat liberation pathway of terminal oxidation is cyanide resistant.

In normal aerobic respiration, the effect of cyanide poisoning can be minimised by immediate supply of ATP.

23. When one molecule of ATP is disintegrated, what amount of energy is liberated?

Réponse et explication :

23. (c): ATP is adenosine triphosphate. It was discovered by Lohmann in 1929. It consists of a purine, adenine, a pentose sugar (ribose) and a row of three phosphates out of which the last two are attached by high energy bonds. The last phosphate bond yields an energy equivalent of 7 kcal.

However the latest concept holds that an energy equivalent of 8.15 kcal per mole is released.

24. At the end of glycolysis, six carbon compounds ultimately changes into

Réponse et explication :

24. (c): Glycolysis or EMP pathway is the breakdown of glucose to two molecules of pyruvic acid through a series of enzyme mediated reaction releasing energy. Pyruvic acid is a 3-carbon compound. In glycolysis net gain of 2ATP and 2 NADH2 molecules occurs. It can be represented in equation form as –

2CH3COCOOH + 2 ATP + 2 NADH2

25. Which of the following products are obtained by anaerobic respiration from yeast?

Réponse et explication :

25. (d): In the absence of O2, fermentation or anaerobic respiration occurs. The cells of yeast contain zymase complex enzyme that are capable of fermentation. It is completed in cytoplasm. In this process pyruvic acid forms ethyl alcohol and CO2.

Brewing is the name given to the combined process of preparing beverages from infusions of grains that have undergone sprouting (malting) and the fermenting of the sugary solution by yeast, whereby a portion of the carbohydrate is changed to alcohol and carbondioxide various types of beer, whisky and wine are produced. Wine is the product made by normal fermentation of the juice of ripe grapes (Vitis vinifero) using a pure culture of yeast.

26. The end products of fermentation are

Réponse et explication :

26. (d): Fermentation or anaerobic respiration occurs in the absence of 02. It involves breakdown of organic substance particularly carbohydrates under anaerobic conditions to form ethyl alcohol and carbon dioxide. It can be represented in equation form as

27. In Krebs’ cycle, the FAD precipitates as electron acceptor during the conversion of

(a) fumaric acid to malic acid

(b) succinic acid to fumaric acid

(c) succinyl CoA to succinic acid

(d) a-ketoglutarate to succinyl CoA.

(b) succinic acid to fumaric acid

28. Which of the following is the key intermediate compound linking glycolysis to the Krebs’ cycle?

Réponse et explication :

28. (b): During glycolysis pyruvic acid is produced from glucose and is oxidatively decarboxylated to form acetyl CoA. This formation of acetyl CoA from pyruvic acid needs a multienzyme complex and 5 essential cofactors, i.e. lipoic acid, CoA, Mg 2+ , NAD and TPP (thiamine pyrophosphate).

It results in production of 2 molecules of CO2 and 2 molecules of NADH2. This acetyl CoA enters mitochondria and is completely oxidised during Kreb’s cycle. Thus acetyl CoA acts as the linker of glycolysis and Kreb’s cycle.

29. Net gain of ATP molecules, during aerobic respiration, is

30. Organisms which obtain energy by the oxidation of reduced inorganic compounds are called

Réponse et explication :

30. (b): Chemoautotrophs are organisms that are capable of manufacturing their organic food utilizing chemical energy released in oxidation of some inorganic substances. The process of manufacture of food in such organisms is called chemosynthesis. It includes some acrobic bacteria. Photoautotrophs obtain energy for their synthesis of food from light.

Fungi living on dead or decaying plant or animal remains and also growing on dung of herbivores are saprophytes.

31. How many ATP molecules are produced by aerobic oxidation of one molecule of glucose?

Réponse et explication :

32. In which one of the following do the two names refer to one and the same thing?

(a) Krebs cycle and Calvin cycle

(b) tricarboxylic acid cycle and citric acid cycle

(c) citric acid cycle and Calvin cycle

(d) tricarboxylic acid cycle and urea cycle

Réponse et explication :

32. (b): The reactions of Krebs cycle were worked out by Sir Hans Kreb, hence the name Krebs cycle. It involves many 3-C compounds such as citric acid, cis-aconitic acid and iso-citric acid etc. so it is called TCA cycle tricarboxylic acid cycle. It involves formation of citric acid as its first product so it is called citric acid cycle. It involves production of 24 ATP molecules.

33. In alcohol fermentation

(a) triose phosphate is the electron donor while acetaldehyde is the electron accept

(b) triose phosphate is the electron donor while pyruvic acid is the electron acceptor

(c) there is no electron donor

(d) oxygen is the electron acceptor

(a) triose phosphate is the electron donor while acetaldehyde is the electron accept

34. In glycolysis, during oxidation electrons are removed by

Réponse et explication :

34. (c): During glycolysis NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide) removes electrons from 1, 3- diphosphoglyceric acid using diphosphoglycrealdehyde dehydrogenase. NAD changes to NADH2 and this is either utilized as such in anaerobic respiration or in the presence of oxygen.

35. During which stage in the complete oxidation of glucose are the greatest number of ATP molecules formed from ADP?

(c) conversion of pyruvic acid to acetyl CoA

(d) electron transport chain.

Réponse et explication :

35. (d): The last step of aerobic respiration is the oxidation of reduced coenzymes, i.e., NADH2 et FADH2 by molecular oxygen through FAD, ubiquinone, cyt. f, cyt. c, Cyt c,, Cyt. a and cyt. uneoui By oxidation of 1 molecule of NADH,, 3ATP molecules are produced and by oxidation of 1 molecule of FADH2 2 ATP molecules are produced.

In glycolysis 2 ATP molecules are produced from ADP. Further 2NADH2 produced, give 2ࡩ=6 ATP, on oxidative phosphorylation. Similarly in Kreb’s cycle 2 ATP molecules are produced. So the greatest numbers of ATP molecules are produced in the electron transport chain.

36. How many ATP molecules could maximally be generated from one molecule of glucose, if the complete oxidation of one mole of glucose to C02 et H20 yields 686 kcal and the useful chemical energy available in the high energy phosphate bond of one mole of ATP is 12 kcal?

Réponse et explication :

36. (d): One mole of ATP liberates 12 kcal of energy. So 686 kcal will be liberated by 686/12 = 57.1 ATP molecules.

37. All enzymes of TCA cycle are located in the mitochondrial matrix except one which is located in inner mitochondrial membranes in eukaryotes and in cytosol in prokaryotes. This enzyme is

(a) isocitrate dehydrogenase

(c) succinate dehydrogenase

Réponse et explication :

37. (c): Mitochondrion is the organelle which bears various enzymes participating in Krebs cycle. Each mitochondrion is covered by double membrane. The inner membrane is selectively permeable and forms foldings called cristae. The inner membrane bears oxysomes, enzymes of fatty acids, succinate dehydrogenase (of Krebs cycle) and electron transport system. All other enzymes of Krebs cycle are present in the mitochondrial matrix.

38. The overall goal of glycolysis, Krebs cycle and the electron transport system is the formation of

(a) ATP in one large oxidation reaction

(d) ATP in small stepwise units.

Réponse et explication :

38. (d): Respiration is an energy liberating enzymatically controlled multistep catabolic process of step wise breakdown of organic substances (hexose sugar) inside the living cells. Aerobic respiration includes the 3 major process, glycolysis, Krebs cycle and electrons transport chain. The substrate is completely broken down to form CO2 et de l'eau. A large amount of energy is released stepwise in the form of ATP.


Acid resistance factors in the cytoplasm

Overexpression of certain enzymes in the tricarboxylic acid cycle

A study found that AAB can oxidize acetic acid into carbon dioxide and water when the ethanol substrate in culture medium is exhausted to promote secondary growth (Matsushita et al. 2016). In this process, which is known as acetic acid assimilation, acetyl-CoA synthetase (acs) catalyzes the conversion of acetate to acetyl-CoA and citrate synthase (aarA). Acetyl-CoA then enters the TCA cycle, enabling the removal of acetic acid through the TCA cycle (Ramírez-Bahena et al. 2013) (Fig. 1b). A. aceti decreases the harmful effects of acetic acid accumulation through cytoplasm acidification, showing that the cytoplasm may possess substances that can adapt to an acidic environment.

Proteomics analysis of A. pasteurianus (4% (W/V)) and Komagataeibacter spp. (> 10%(W/V)) under acid stimulation revealed various proteins that play important roles in stress response, the tricarboxylic acid cycle, cell membrane modification, and outer membrane protein and cell morphology changes (Andrés-Barrao et al. 2012). Among these proteins, overexpression of enzymes involved in the tricarboxylic acid cycle, such as citrate synthase, isocitrate dehydrogenase, dihydrolipoamide dehydrogenase, succinate dehydrogenase, succinyl-CoA and CoA transferase (Andrés-Barrao et al. 2016), further confirmed the role of the TCA cycle in acid resistance in AAB.

To analyze the specific acetic acid resistance factors in the cytoplasm of AAB, analysis of proteomes induced by acetic acid was performed to detect genes and enzymes related to acid resistance. The results revealed that three genes (aarA, aarB, and aarC) will affect acid resistance in AAB and deletion of all three genes causes acid resistance to disappear in A. aceti 1023 (Fukaya et al. 1990). CS activity was not found in aarA gene deletion mutants of A. aceti, but introduction of aarA-containing plasmids restored CS activity. These findings demonstrated that the aarA gene is citrate synthase, which is closely associated with acid resistance in A. aceti (Mullins et al. 2008). Deletion of the aarC gene in A. aceti decreases acetic acid resistance and utilization capacities, but these two functions are restored after introduction of the aarC gene. In the TCA cycle, aarC replaces succinyl-CoA synthetase and directly converts succinyl-CoA to acetyl-CoA. The appearance of the branch can decrease the cell’s metabolic need for free CoA and regulate the effects of the TCA cycle on cytoplasmic pH (Francois et al. 2006). It is speculated that the aarB gene encodes the TCA activator SixA (Mullins et al. 2008). When there is a need to decrease intracellular acetic acid concentrations, these three aar genes synergistically act together to form a complete cycle that is different from the conventional TCA cycle (Fukaya et al. 1993). Large amounts of a 100 ku protein were found in acetic acid-containing culture medium, and sequence analysis revealed that it may be aconitase. Aconitase-overexpressing A. aceti can produce high acetic acid concentrations and decrease the growth doubling time. Increased aconitase activity and acid resistance was also found to increase the acetic acid concentration by 25%, which was a significant improvement in the fermentation productivity of acetic acid (Nakano et al. 2004).

The above studies confirmed that increasing the activity of one or more enzymes in the TCA cycle such as citrate synthase and aconitase will lead to rapid consumption of acetic acid or elimination of toxicity due to entry of acetic acid into the cytoplasm, causing intracellular acetic acid to be maintained at a low level and increasing acetic acid resistance.

Heat stress proteins

Universal stress mechanisms are regulated by stress proteins known as molecular chaperones or chaperone proteins. HSPs are typical stress proteins that ensure correct folding of synthesized proteins in adverse environments and prevent intracellular protein denaturation (Hartl and Hayer-Hartl 2002).

GroES/L and DnaK/J are two common universal stress protein systems in AAB that are able to respond to many types of adverse environments (Yukphan et al. 2009). The HSP GroEL is significantly upregulated in A. aceti during batch feeding and continuous fermentation (Steiner and Sauer 2001). The transcript level of the groESL gene in A. aceti IFO 3283 was upregulated by heat, ethanol, and acetic acid. Furthermore, intracellular overexpression of the groESL gene can increase resistance to the aforementioned factors, showing that the groESL gene is related to resistance to adverse environments in AAB (Okamoto-Kainuma et al. 2002). Overexpression corresponding genes of intracellular grpE and dnaKJ increased resistance towards the fermentation environment in AAB (Ishikawa et al. 2010 Okamoto-Kainuma et al. 2004). Employing two-dimensional electrophoresis to conduct a comprehensive study of intracellular protein levels in A. pasteurianus LMG 1262 T during acetic acid fermentation, it was found that fermentation increased the protein expression levels of GrpE, DnaK, DnaJ, GroES, GroEL, and ClpB to varying extents, with the expression level of GrpE being increased by 9.42 times compared with the early fermentation stage (Andrés-Barrao et al. 2012 Wu et al. 2017). Overall, the aforementioned studies showed that the universal stress mechanism mediated by HSPs is one of the ways by which AAB ensure smooth acetic acid fermentation (Fig. 1c).


Procédures expérimentales

Strains, media and culture conditions

Acetobacter pasteurianus CICIM B7003 isolated from a brewing factory (Hengshun Wantong Food Brewing Co., Ltd., Xuzhou, China) was used in this study. Escherichia coli JM109 used for general cloning was grown under routine conditions, on Luria–Bertani (LB) agar plates or in LB broth at 37°C. All the bacterial strains used in this study are shown in Table 2. The seed medium contained 10 g l -1 glucose, 10 g l -1 yeast extract and 3% (v/v) ethanol. The fermentation medium contained 10 g l -1 glucose, 10 g l -1 yeast extract, 0.6 g l -1 KH2Bon de commande4, 0.4 g l -1 MgSO4 and 4% (v/v) ethanol. When required, kanamycin (50 μg ml -1 for E. coli or 25 μg ml -1 for A. pasteurianus) was added to the culture medium. Cells from cryovials were incubated in 50 ml of seed medium in 250 ml Erlenmeyer flasks, and they were cultured at 30 °C for 24 h at 170 rpm. Fermentations were performed in fermentation medium at 30 °C at 220 rpm. Different initial concentrations of acetic acid were added to fermentation medium for detection of growth and production in A. pasteurianus and mutations.

Nom La description Reference or source
Souches
A. pasteurianus CICIM B7003 Acetic acid production strain Lab stock
E. coli JM109 endA1, recA1, gyrA96, thi, hsdR17 (rk – , mk + ), relA1, supE44, Δ(lac-proAB), [F´ traD36, proAB, laqIqZΔM15].. Sangon Biotech
Plasmides
pBBR1MCS-2 A broad-host vector, Kn R Wang, et al. ( 2016 )
pT-adhA Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-adhA de A. pasteurianus Cette étude
pT-aldh Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-aldh de A. pasteurianus Cette étude
pT-aal Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-unedhA et Ptuf-aldh de A. pasteurianus Cette étude
pT-pqqAB Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-pqqAB de A. pasteurianus Cette étude
pT-pqqABCDE Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-pqqABCDE de A. pasteurianus Cette étude
pT-adhA-pqqAB Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-adhA et Ptuf-pqqAB de A. pasteurianus Cette étude
pT-adhA-pqqABCDE Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-adhA et Ptuf-pqqABCDE de A. pasteurianus Cette étude
pT-aldh-pqqAB Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-aldh et Ptuf-pqqAB de A. pasteurianus Cette étude
pT-aldh-pqqABCDE Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-aldh et Ptuf-pqqABCDE de A. pasteurianus Cette étude
pT-aal-pqqAB Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-unedhA, Ptuf-aldh et Ptuf-pqqAB de A. pasteurianus Cette étude
pT-aal-pqqABCDE Plasmid pBBR1MCS-2 containing Ptuf-unedhA, Ptuf-aldh et Ptuf-pqqABCDE de A. pasteurianus Cette étude

Plasmid construction

All the plasmids used in this study are listed in Table 2. Plasmid construction and DNA manipulations were performed by following standard molecular biology techniques. All the primers used for PCR amplification are listed in Supplementary Table S1. Schematic diagrams of genetic constructs containing the enzyme genes from acetic acid biosynthesis pathway, PQQ biosynthetic genes and their various combinations are shown in Fig. 1.

The open reading frames (ORFs) of adhA, aldh and promoter of elongation factor TU (Gene ID: 8435080) as well as the pqqAB et pqqABCDE genes were amplified separately using genomic DNA of A. pasteurianus. The promoter of elongation factor TU was ligated with different adhA, aldh, pqqAB et pqqABCDE genes using SOE-PCR. Subsequently, the resulting fragments Ptuf-adhA et Ptuf-aldh were inserted into KpnI-BamHI sites of the pBBR1MCS-2 plasmid using In-Fusion Cloning, resulting in plasmids pT-adhA, pT-aldh and pT-aal. The fragments Ptuf-pqqAB et Ptuf-pqqABCDE were digested and inserted at SpéI-PvuI sites of the pBBR1MCS-2 plasmid to produce pT-pqqAB and pT-ABCDE, and they were separately inserted into pT-adhA, pT-aldh or pT-aal plasmids, generating six plasmids with different gene combinations (listed in Table 2). All the constructs were transformed into A. pasteurianus by electroporation (Zhang, et al., 2010 ).

Analytical methods

The cell growth was monitored based on OD value at 600 nm using an EnSpire 2300 microplate reader (PerkinElmer, Waltham, MA, USA). The standard curve between OD600 and number of living bacteria (N) was obtained in A. pasteurianus and described in Fig. S1 (N = 10 3.1666*OD+7.0226 ). The growth rates were determined from exponential growth phase using the three parameters in the fit of ln(N/N0) vs time curves proposed in Bershtein, et al. ( 2015 ). The relative fitness value (W) was calculated by finding ratio of the growth rate (mutant: ancestor) (Liu, et al., 2019 ). The total acid content was measured by titrating against 0.1 M NaOH with phenolphthalein as the pH indicator. The concentration of ethanol was determined by Hitachi HPLC system with an Hi-Plex Ligand Exchange column (Agilent, 7.7 × 300 mm, 8 µm particle size). In this study, all experiments were performed in triplicate. The results were expressed as average values with a standard error.

Measurement of PQQ

The PQQ concentration was measured using crude enzymes from E. coli/pET-28a-gcd containing apo-glucose dehydrogenase with some modifications described in Wang, et al. ( 2016 ). In short, 500 μl of enzyme solution containing 250 μL of crude enzyme (approximately 0.4 mg protein), 250 μl of sample or a specific amount of PQQ standard and 10 mM MgSO4 in 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) was incubated at 30 °C for 30 min. The reaction mixture was prepared by incubating 100 μl of enzyme solution, 0.20 M substrate glucose, 0.67 mM phenazine methosulfate (PMS) and 0.1 mM 2,6-dichlorophenolindophenol (DCIP) in 1.0 ml of phosphate buffer pH 7.0 at 30 °C for 5 min. The absorbance changes in the reaction mixture were measured at 600 nm once the D-glucose was added. The protein concentrations were measured using a Bradford Protein Assay kit (purchased from Sangon Biotech, Shanghai, China).

Semi-continuous fermentation

Semi-continuous acetic acid fermentation was performed in a 7.5 l fermentor like our previous work (Qi, et al., 2014a ). For starting-up process, 3.16 l fermentation medium containing 10 g l -1 acetic acid was poured into fermentor and mixed adequately with 0.3 l seeds. Aeration rate was set at 0.865 l min -1 (0.25 vvm). When the residual ethanol concentration was below 5 g l -1 , 0.54 l fermentation medium with 260 g l -1 ethanol was supplemented into fermentor to continue the starting-up process. Simultaneously, aeration rate was set at 1.2 l min -1 (0.3 vvm). Temperature was set at 30 °C for whole process. Starting-up process was completed when the acetic acid content increased to about 70 g l -1 with less than 5 g l -1 residual ethanol. Subsequently, a new repeated batch was operated with discharging 43% (v/v) of total working volume (4 L) and then feeding the same volume of fresh fermentation medium containing 81.4 g l -1 ethanol. Then, an acetification process was occurred as the previous one.


Introduction

Bacillus cereus is a common human pathogen that can cause two distinct types of food-borne diseases and other types of infection ( Kotiranta et al., 2000 ). Upon ingestion, diarrhoeic strains can produce enterotoxins, such as haemolysin BL, cytotoxin K and non-haemolytic enterotoxin ( Schoeni and Wong, 2005 ), causing abdominal pain and watery diarrhoea ( Stenfors Arnesen et al., 2008 ). The other type of food-borne illness involves intoxication caused by the emetic toxin cereulide produced by some B. cereus strains ( Ehling-Schulz et al., 2004 ). Cereulide is pre-formed in food and because it remains stable upon heat and acid exposures, the toxin is still active after cooking and stomach transit ( Kramer and Gilbert, 1989 ). Upon ingestion of cereulide typical symptoms may occur within 1–6 h that resemble Staphylococcus aureus intoxication ( Le Loir et al., 2003 ), including nausea, vomiting and general malaise. The symptoms are generally mild however, in rare cases liver failure has been noted resulting in fatalities ( Mahler et al., 1997 Dierick et al., 2005 ). Besides being an important food-borne pathogen, B. cereus is also a notorious food spoilage organism. Food spoilage is caused by growth of unwanted bacteria in food and causes enormous expenses for food industry ( Gram et al., 2002 ). Bacillus cereus mainly causes spoilage of milk and dairy products, because it is able to form endospores. These spores are survival vehicles formed upon nutrient shortage and are metabolically inactive ( de Vries, 2006 ). Spores are extremely resistant to stress conditions, such as radiation, high temperature, freezing, drying and acid conditions ( Setlow, 2006 ).

Spores and vegetative cells of B. cereus can be found in a wide range of environments (Fig. 1), such as soil ( von Stetten et al., 1999 Vilain et al., 2006 ), plant rhizosphere ( Berg et al., 2005 ) and various foods ( Choma et al., 2000 Rosenquist et al., 2005 ). Bacillus cereus can also be isolated from faeces of healthy adults ( Ghosh, 1978 ), suggesting that B. cereus can be part of the microbiota found in the human gastrointestinal tract. The human stomach and small intestine are acidic environments that have to be overcome by spores and/or vegetative cells to become infectious. Outside the human host, B. cereus may also be frequently exposed to acidic conditions including a vast array of foods at low pH, where in specific cases organic acids have been added as preservatives ( Keijser et al., 2007 ). Additionally, the natural reservoir of the soil saprophyte B. cereus may also be acidic upon the exudation of protons and organic acids in the plant rhizosphere ( Neumann and Martinoia, 2002 ). The antimicrobial activity of organic acids is pH-dependent with the maximum effect occurring at low pH values. At these low pH values organic acids are in undissociated states. Because undissociated acid molecules are uncharged and lipophilic, they will penetrate plasma membranes and thus enter cells. Theoretically, the higher-pH environment of the cell's cytoplasm promotes the rapid dissociation of acid molecules into charged protons and anions. These charged molecules cannot subsequently diffuse back across the plasma membrane. Thus, a permeant organic acid stresses the cell by importing protons, depressingcytoplasmic pH, and by concentrating the organic anion within the cytoplasm in proportion to the transmembrane pH difference ( Brul and Coote, 1999 ). These effects may be counteracted by the cell at the expensive ATP when it tries to extrude protons or metabolize undissociated organic acid molecules ( Mols et al., 2010b ). Apparently, coping with acid conditions is a determining factor in B. cereus' successful colonization of different niches.

Transmission routes of the food-borne human pathogen Bacillus cereus, with a variety of niches indicated from which vegetative cells and/or spores can be isolated ( Mols, 2009 ).

Acid stress responses of Gram-negative organisms, such as Escherichia coli et Salmonelle Typhimurium ( Richardson et al., 2001 ), and in a select number of Gram-positive bacteria, such as lactic acid bacteria and Listeria monocytogenes ( van de Guchte et al., 2002 Cotter and Hill, 2003 Ryan et al., 2009 ) have been reviewed. These reviews highlight the importance of proton pumps, i.e. F1F0-ATPase, transcriptional regulators, such as RpoS (Gram-negatives) and σ B (Gram-positives), proteins involved in protection of macromolecules, such as DnaK and GroESL, and enzymes that produce alkaline compounds, such as the ammonium-forming enzymes urease and arginine deiminase. Until recently, no detailed information was available on the acid stress responses of B. cereus. Fluorescence techniques, physiological studies and transcriptome analyses elucidated acid stress responses of vegetative cells and germinating spores of B. cereus, including novel observations such as the formation of reactive oxygen species (ROS) and the induction of a secondary oxidative stress response ( Thomassin et al., 2006 Mols et al., 2009 2010a , b den Besten et al., 2010 Biesta-Peters et al., 2010a , b van Melis et al., 2011a ). The aim of this minireview is to provide an overview in the physiological responses, possible acid-inflicted damage and protective mechanisms displayed by B. cereus upon exposure to acid conditions.


Fermentation Vs Respiration : Definition, Types and Differences

The term ‘ferment’ is derived from the Latin word ‘fervere’ meaning "to boil." In the late 14th century, alchemists described fermentation process and it became the subject of scientific investigation in the 16th century. In the 1860s, Louis Pasteur studied the fermentation process. In 1897, German chemist Eduard Buechner first used fermentation process scientifically and fermented a sugar solution. His experiment is considered the beginning of the science of biochemistry which earned him the Nobel Prize in chemistry in 1907. Hence, the study of fermentation is known as Zymology. To make different industrial products such as wine, cheese, beer yogurt, and other products manufacturers apply the fermentation process.

Fermentation is the metabolic process by which organic molecules such as glucose, starch or sugar are converted by micro-organisms into acids, gases, or alcohol under anaerobic condition. To get energy yeast performs fermentation by converting sugar into alcohol while bacteria convert carbohydrates into lactic acid through the fermentation process. Generally, bacteria and yeast need an oxygen-free environment to live. Many beverage and food industries use the fermentation process to make the conversion of sugars into ethanol. In this case, ethanol is used to produce alcoholic beverages by using yeast which releases CO2.

Types de fermentation

There are many types of the fermentation process. Among them, the most common fermentation processes are ethanol and lactic acid fermentation. People produce commercial foods such as beer and bread by using an ethanol fermentation process. Lactic acid fermentation is used to flavor and preserve dairy products and vegetables.

Many foods and beverages industries use the fermentation process to produce many important industrial products:


Résumé

Acetic acid bacteria (AAB) live in sugar rich environments, including food matrices, plant tissues, and the gut of sugar-feeding insects. By comparing the newly sequenced genomes of Asaia platycodi et Saccharibacter sp., symbionts of Anopheles stephensi et Apis mellifera, respectively, with those of 14 other AAB, we provide a genomic view of the evolutionary pattern of this bacterial group and clues on traits that explain the success of AAB as insect symbionts. A specific pre-adaptive trait, cytochrome bo3 ubiquinol oxidase, appears ancestral in AAB and shows a phylogeny that is congruent with that of the genomes. The functional properties of this terminal oxidase might have allowed AAB to adapt to the diverse oxygen levels of arthropod guts.