Iaurtul, murăturile, varza murată și felurile de mâncare condimentate cu var, toate își datorează gustul acidulat unui conținut ridicat de acid (Figura 1). Amintiți-vă că aciditatea este o funcție a concentrației ionilor de hidrogen [H +] și este măsurată ca pH. Mediile cu valori ale pH-ului sub 7,0 sunt considerate acide, în timp ce cele cu valori ale pH-ului peste 7,0 sunt considerate bazice. PH-ul extrem afectează structura tuturor macromoleculelor. Legăturile de hidrogen care țin împreună fire de ADN se separă la pH ridicat. Lipidele sunt hidrolizate de un pH extrem de bazic. Forța motrice a protonului responsabilă de producerea de ATP în respirația celulară depinde de gradientul de concentrație de H + pe membrana plasmatică (vezi Respirația celulară). Dacă ionii H + sunt neutralizați de ioni hidroxid, gradientul de concentrație se prăbușește și afectează producția de energie. Dar componenta cea mai sensibilă la pH din celulă este calul său de lucru, proteina. Modificările moderate ale pH-ului modifică ionizarea grupărilor funcționale ale aminoacizilor și perturbă legătura de hidrogen, ceea ce, la rândul său, promovează schimbări în plierea moleculei, promovând denaturarea și distrugerea activității.

efectele

Figura 1. Bacteriile lactice care fermentează laptele în iaurt sau transformă legumele în murături prosperă la un pH apropiat de 4,0. Varza verde și felurile de mâncare, cum ar fi pico de gallo, își datorează aroma acidulată acidității lor. Alimentele acide au fost un pilon al dietei umane de secole, în parte, deoarece majoritatea microbilor care cauzează deteriorarea alimentelor cresc cel mai bine la un pH aproape neutru și nu tolerează bine aciditatea. (credit „iaurt”: modificare a lucrării prin „nina.jsc”/Flickr; credit „murături”: modificare a lucrării de Noah Sussman; credit „varză murată”: modificare a lucrării de Jesse LaBuff; credit „pico de gallo”: modificare de lucru de „regan76 ″/Flickr)

creșterea optimă a pH-ului este cel mai favorabil pH pentru creșterea unui organism. Cea mai mică valoare a pH-ului pe care un organism o poate tolera se numește pH minim de creștere iar cel mai mare pH este pH maxim de creștere. Aceste valori pot acoperi o gamă largă, care este importantă pentru conservarea alimentelor și pentru supraviețuirea microorganismelor în stomac. De exemplu, pH-ul optim de creștere al Salmonella spp. este de 7,0-7,5, dar pH-ul minim de creștere este mai apropiat de 4,2.

Figura 2. Curbele arată intervalele aproximative de pH pentru creșterea diferitelor clase de procariote specifice pH-ului. Fiecare curbă are un pH optim și valori extreme ale pH-ului la care creșterea este mult redusă. Majoritatea bacteriilor sunt neutrofile și cresc cel mai bine la pH aproape neutru (curba centrală). Acidofilii au o creștere optimă la valori de pH apropiate de 3, iar alcalifilii au o creștere optimă la valori de pH peste 9.

Majoritatea bacteriilor sunt neutrofile, adică cresc în mod optim la un pH în una sau două unități de pH de pH neutru de 7 (vezi Figura 2). Cele mai cunoscute bacterii, cum ar fi Escherichia coli, stafilococi și Salmonella spp. sunt neutrofile și nu se descurcă bine în pH-ul acid al stomacului. Cu toate acestea, există tulpini patogene de E. coli, S. typhi și alte specii de agenți patogeni intestinali care sunt mult mai rezistenți la acidul stomacal. În comparație, ciupercile prosperă la valori ușor acide ale pH-ului de 5,0-6,0.

Se numesc microorganisme care cresc optim la pH mai mic de 5,55 acidofili. De exemplu, oxidantul de sulf Sulfolobus spp. izolate de câmpurile de nămol de sulf și izvoarele termale din Parcul Național Yellowstone sunt acidofile extreme. Aceste arhee supraviețuiesc la valori de pH de 2,5–3,5. Specie din genul arhaean Ferroplasma trăiesc în drenajul acid al minelor la valori de pH de 0-2,9. Lactobacillus bacteriile, care sunt o parte importantă a microbiotei normale a vaginului, pot tolera mediile acide la valori de pH 3,5–6,8 și, de asemenea, contribuie la aciditatea vaginului (pH de 4, cu excepția menstruației) prin producția metabolică de acid lactic. Aciditatea vaginului joacă un rol important în inhibarea altor microbi care sunt mai puțin toleranți la aciditate. Microorganismele acidofile prezintă o serie de adaptări pentru a supraviețui în medii acide puternice. De exemplu, proteinele prezintă o încărcare de suprafață negativă crescută care le stabilizează la pH scăzut. Pompele evacuează activ ioni H + din celule. Modificările în compoziția fosfolipidelor de membrană reflectă probabil necesitatea de a menține fluiditatea membranei la pH scăzut.

La celălalt capăt al spectrului sunt alcalifile, microorganisme care cresc cel mai bine la pH între 8,0 și 10,5. Vibrio cholerae, agentul patogen al holeră, crește cel mai bine la pH-ul ușor bazic de 8,0; poate supraviețui valorilor pH-ului de 11,0, dar este inactivat de acidul stomacului. Când vine vorba de supraviețuire la pH ridicat, arhaeanul roz strălucitor Natronobacterium, găsite în lacurile de sodă din Valea Riftului African, pot deține recordul la un pH de 10,5 (Figura 3). Alcalifilii extremi s-au adaptat la mediul lor dur prin modificarea evolutivă a structurii lipidelor și proteinelor și mecanisme compensatorii pentru a menține forța motrice a protonului într-un mediu alcalin. De exemplu, alcalifilul Bacillus firmus derivă energia pentru reacțiile de transport și motilitate dintr-un gradient de ioni Na + mai degrabă decât dintr-o forță motrice a protonului. Multe enzime din alcalifili au un punct izoelectric mai mare, datorită creșterii numărului de aminoacizi bazici, decât enzimele omoloage din neutrofile.

Figura 3. Vedere din spațiul lacului Natron din Tanzania. Culoarea roz se datorează pigmentării microbilor alcalifili și halofili extremi care colonizează lacul. (credit: NASA)

Supraviețuirea la pH scăzut al stomacului

Ulcere peptice (sau ulcere de stomac) sunt răni dureroase pe mucoasa stomacului. Până în anii 1980, se credea că erau cauzate de alimente picante, de stres sau de o combinație a ambelor. De obicei, pacienții au fost sfătuiți să mănânce alimente blande, să ia medicamente anti-acide și să evite stresul. Aceste remedii nu au fost deosebit de eficiente și starea a reapărut adesea. Toate acestea s-au schimbat dramatic atunci când cauza reală a majorității ulcere peptice a fost descoperită a fi o bacterie subțire, în formă de tirbușon, Helicobacter pylori. Acest organism a fost identificat și izolat de Barry Marshall și Robin Warren, a căror descoperire le-a adus Premiul Nobel pentru medicină în 2005.

Capacitatea H. pylori de a supraviețui pH-ului scăzut al stomacului pare să sugereze că este un acidofil extrem. După cum se dovedește, acest lucru nu este cazul. De fapt, H. pylori este un neutrofil. Deci, cum supraviețuiește în stomac? În mod remarcabil, H. pylori creează un microambient în care pH-ul este aproape neutru. Se realizează acest lucru producând cantități mari de enzimă urează, care descompune ureea pentru a forma NH4 + și CO2. Ionul de amoniu crește pH-ul mediului imediat.

Această capacitate metabolică a H. pylori este baza unui test precis și neinvaziv pentru infecție. Pacientului i se administrează o soluție de uree care conține atomi de carbon marcați radioactiv. Dacă H. pylori este prezent în stomac, acesta va descompune rapid ureea, producând CO2 radioactiv care poate fi detectat în respirația pacientului. Deoarece ulcerele peptice pot duce la cancer gastric, pacienții care sunt determinați să aibă infecții cu H. pylori sunt tratați cu antibiotice.

Gandeste-te la asta

  • Ce efect au extremele de pH asupra proteinelor?
  • Ce tip de bacterii adaptabile la pH ar fi cei mai mulți agenți patogeni umani?

Concepte cheie și rezumat

  • Bacteriile sunt în general neutrofile. Ele cresc cel mai bine la pH neutru aproape de 7,0.
  • Acidofili cresc optim la un pH apropiat de 3,0. Alcalifili sunt organisme care cresc optim între un pH de 8 și 10,5. Acidofilii și alcalifilii extremi cresc lent sau deloc aproape de pH neutru.
  • Microorganismele cresc cel mai bine la nivelul lor creșterea optimă a pH-ului. Creșterea are loc lent sau deloc sub pH minim de creștere și deasupra pH maxim de creștere.

Alegere multiplă

Bacteriile care cresc în drenajul minelor la pH 1-2 sunt probabil care dintre următoarele?

  1. alcalifile
  2. acidofili
  3. neutrofile
  4. obligă anaerobii

Bacteriile izolate din Lacul Natron, unde pH-ul apei este apropiat de 10, sunt care dintre următoarele?

  1. alcalifile
  2. anaerobe facultative
  3. neutrofile
  4. obligă anaerobii

În ce mediu sunteți cel mai probabil să întâlniți un acidofil?

  1. sânge uman la pH 7,2
  2. o gură de aer cald la pH 1,5
  3. intestinul uman la pH 8,5
  4. lapte la pH 6,5

Completează spațiul liber

O bacterie care prosperă într-un lac de sodă unde pH-ul mediu este de 10,5 poate fi clasificată ca (n) ________.

Lactobacillus acidophilus crește cel mai bine la pH 4,5. Este considerat un (n) ________.