9789144160368

Grundläggande mikrobiologi med livsmedelsapplikationer

Originalets titel: Mikrobiologi. Systematik, Vaekst Födevarer © 2021 Akademisk Forlag, København

Kopieringsförbud

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access.

Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad.

Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare.

Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 7449

ISBN 978-91-44-16036-8

Upplaga 3:1

© Studentlitteratur för den svenska utgåvan 2023 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund

Översättning: Anna Blücher

Formgivning och ombrytning

inlaga: Helena Jansson Formgivning

Formgivning omslag: Francisco Ortega

Omslagsbild: Shutterstock

Kapitelinledningsbilder till kapitlen 3, 4, 5, 6, 8 och 17 samt figur 4.2, 4.3: författarna.

Kapitelinledningsbilder till kapitlen 1, 2, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18 och 19: Shutterstock

Teckningar: Lars Thorsen

Diverse figuranpassningar i denna utgåva: Anne von Holck

Printed by Latgales Druka, Latvia 2023

4 MIKRO ORGANISMERNAS

SAMMANSÄTTNING, NÄRINGSUPPTAG OCH METABOLISM

På samma sätt som vi behöver näring för att fungera, behöver även mikroorganismerna det för att kunna fungera och tillväxa. Djur har en avancerad metabolism, medan mikroorganismernas metabolism är enklare och det är därför möjligt att odla dem i kolvar eller petriskålar.

Odling av bakterier i flytande närings substrat.

För att kunna växa är alla mikroorganismer beroende av att de från omgivningen kan ta upp alla de kemiska ämnen som behövs för att bilda ny cellmassa och för att täcka energibehovet. Dessa ämnen kallas näringsämnen (eng. nutrients). På laboratoriet odlas mikroorganismer i substrat (odlingsmedier) som är så sammansatta att de innehåller alla de essentiella (livsnödvändiga) näringsämnena. Detta kapitel behandlar

Ǵ hur mikroorganismerna är sammansatta

Ǵ vad de använder från omgivningen

Ǵ hur upptag och omsättning sker.

4.1 MIKROORGANISMERNAS SAMMANSÄTTNING

När mikroorganismers sammansättning analyseras finner man att cirka 70 % av massan består av vatten. Resten – den så kallade torrsubstansen – består av grundämnena C (kol), O (syre), N (kväve), H (väte), P (fosfor), K (kalium) och S (svavel). Det finns även mindre mängder av Ca (kalcium), Cl (klor), Mg (magnesium) och Fe (järn). Dessutom finns det ganska små mängder av andra grundämnen – kallade spårämnen – där följande vanligen räknas som livsnödvändiga: Mn (mangan), Zn (zink), Co (kobolt), Mo (molybden), Ni (nickel) och Cu (koppar) (figur 4.1)

Grundämnen i torrsubstansen:

50 % C 20 % O

14 % N 8 % H

3 % P 2 % K

1 % S 0,5 % Ca

0,2 % Fe 0,5 % Mg

0,8 % andre

En sådan analys säger emellertid mycket lite om cellernas uppbyggnad, då den bara anger att huvuddelen av torrsubstansen utgörs 50

FIGUR 4.1 Mikroorga nism ernas sammansättning.

av organiska ämnen. Undersöker man de organiska ämnena finner man att de består av protein (ca 50 %), RNA (ca 25 %), DNA (ca 3 %) och övrigt (ca 22 %).

4.2 MIKROORGANISMERNAS BEHOV AV NÄRINGSÄMNEN

För att mikroorganismer ska kunna växa och föröka sig måste de först ha tillgång till alla de grundämnen som torrsubstansen är uppbyggd av. Dessutom måste de ha tillgång till en energikälla som kan bidra med den energi som behövs för att syntetisera makromolekyler och för att upprätthålla en konstant sammansättning i cellens inre. Näringsämnenas funktion är alltså

Ǵ att utgöra råmaterial till uppbyggnaden av nya celler

Ǵ att bidra med den energi som behövs för uppbyggnadsprocesserna.

Förutom detta måste cellerna ha en mall som beskriver hur makromolekylerna ska byggas upp. Denna mall finns i generna. Hur detta fungerar beskrivs i kapitel 12.

Nedan beskrivs kort mikroorganismernas energiförsörjning och varifrån några av de olika näringsämnena kommer.

4.3 MIKROORGANISMERNAS ENERGIFÖRSÖRJNING

Energi används för att utföra arbete. Som enhet för energi används vanligen joule (J). Förr (och ibland fortfarande) användes enheten kalori, där en kalori motsvarar 4,184 joule.

Energi som är bunden i molekyler kallas kemisk energi. Stora organiska molekyler, till exempel kolhydrater och proteiner, innehåller stora mängder kemisk energi Små molekyler som vatten och koldioxid innehåller bara mycket små mängder energi.

Energirika ämnen oxidation energifattigare ämnen + energi

reduktion

till exempel kolhydrater  till exempel vatten och CO 2

Ämnen som innehåller mycket energi kan genom oxidation brytas ner till andra ämnen som innehåller mindre energi. Genom detta kommer energi att frigöras. Omvänt kan energifattiga ämnen genom reduktion byggas upp till ämnen med mer energi. En sådan uppbyggnadsprocess kräver att energi tillförs.

För att livsprocesser ska kunna fortgå måste alla levande organismer tillföras energi. Utifrån energi- och kolkälla kan organismerna delas in i en rad olika näringstyper som visas i tabell 4.1.

Organismer vars energikälla är utnyttjande av solljus genom fotosyntes kallas fototrofa (de översta två raderna i tabell 4.1). På samma sätt används uttrycket kemotrofa om de organismer som får energi genom oxidation av kemiska ämnen (de två nederst raderna i tabell 4.1). Indelning sker även efter kolkälla, där man använder beteckningen autotrof om de organismer som kan använda oorganiskt bundet kol i form av CO2 och beteckningen heterotrof om de organismer som kräver organiskt kol.

Av mikroorganismerna är det alger och några få bakteriearter som är autotrofa, medan resten av bakterierna, svampar och protozoer är heterotrofa. Av makroorganismerna är djur heterotrofa och gröna växter autotrofa.

Kemooautotrofa organismer kallas ofta litotrofa . Energikällan är en oxidation av oorganiska ämnen. Det finns till exempel bakterier och arkéer vars energikälla är en oxidation av svavel- eller järnföreningar.

Näringstyp Energikälla Kolkälla Här ingår bl.a.

prokaryoter eukaryoter

Fotoautotrofa Ljus CO2 Cyanobakterier, vissa purpur- och gröna bakterier

Växter, alger

Fotoheterotrofa Ljus Organiska ämnen Vissa purpur - och gröna bakterier Ingen

Kemoautotrofa = litotrofa Oorganiska ämnen, t.ex. H2, NH3, NO2, H2S

CO2 Få bakterier, många arkéer Ingen

Kemoheterotrofa= heterotrofa Organiska ämnen Organiska ämnen Många bakterier, få arkéer Djur, svampar, protozoer

TABELL 4.1 Huvudindelning av organismer i näringstyper.

4.4 DE OLIKA NÄRINGSÄMNENA

Bara vissa få rena grundämnen tas upp och utnyttjas direkt av mikroorganismer. Oftast täcks behovet av näringsämnen genom upptag av kemiska föreningar som kolhydrater, proteiner och oorganiska salter.

4.4.1 C (KOL)

C utgör ungefär hälften av cellens torrsubstans. Det är därför nödvändigt att mikroorganismen har tillgång till användbara kolföreningar i förhållandevis höga koncentrationer. Olika mikroorganismer skiljer sig emellertid väsentligt från varandra med avseende på vilken kolkälla de kan utnyttja.

De autotrofa organismerna nöjer sig med oorganiskt bundet kol i form av CO 2 . De heterotrofa organismerna får sitt behov av kol täckt genom nedbrytning av organiska föreningar som kolhydrater och proteiner. Denna nedbrytning fungerar också (i de flesta fall) som energikälla.

av

(a) och CO

luften (b) samt salter och vatten från marken kan de gröna växterna bygga upp organiska ämnen (fotosyntes). En del av det organiska materialet i växterna äts av djuren (c), och resten bryts ner och omsätts av mikroorganismer (d). Djuren förbränner det mesta av de upptagna organiska ämnena, varvid CO 2 frigörs (e) medan resten omsätts av mikroorganismer (f) till CO 2 (g).

Som figuren visar har mikroorganismerna en mycket viktig roll i naturen eftersom det utan dem skulle ske en anhopning av dött organiskt material och därmed en bindning av det tillgängliga kolet.

FIGUR 4.2 Kolets kretslopp i naturen. Med hjälp

solljus

2 från

Vissa av de heterotrofa organismerna är så starkt specialiserade att de bara kan utnyttja en eller några få organiska föreningar. Andra är mer allsidiga och kan bryta ner och utnyttja ett större antal olika föreningar. Exempel på sådana ”allsidiga” organismer är bakteriesläktet Pseudomonas.

Det är viktigt att komma ihåg att alla naturligt förekommande kolföreningar (med undantag för kol och diamant) kan brytas ner av en eller flera sorters mikroorganismer. Det har till och med visats att de flesta kolinnehållande material som människan producerat (t.ex, plaster) också kan brytas ner av mikroorganismer, även om det tar längre tid än nedbrytning av naturliga ämnen.

4.4.2 N (KVÄVE)

N utgör 12–15 % av mikroorganismernas torrvikt och krävs därför, liksom C, i förhållandevis höga koncentrationer.

), som är den enklaste kvävekällan, kan bara utnyttjas av några få bakteriearter. Det är dels frilevande några bakterier som utnyttjar

. De flesta bakterier kan däremot utnyttja oorganiska ämnen

f

Ammoniak (NH3)

Ammonium (NH4+) Nitrat (NO3)

FIGUR 4.3 Kvävets kretslopp i naturen. Kvävefixerande bakterier tar upp

luftens fria kväve (a) som de omvandlar till växtnäring (b) i form av NH3, NH 4 + och NO 3 –. Dessa ämnen används som kvävekälla av växterna (c), som använder de kvävehaltiga ämnena för att bygga upp protein som sedan i sin tur utnyttjas av djuren (d). Genom mikrobiell nedbrytning (förruttnelse) av växt­ och djurprotein omsätts de organiska kväveföreningarna åter till oorganiska salter (e och f). Från jorden avgår även kväve genom att vissa bakterier kan omvandla nitrat till N 2 (g). Denna process kallas denitrifikation.

som kvävekälla. Det gäller framför allt ammoniumsalter (NH4 +) och nitrater (NO 3 –). Ammoniumsalter kan utnyttjas av nästan alla mikroorganismer medan nitrater utnyttjas av de flesta alger och en del bakterier.

Kväveinnehållande organiska föreningar kan utnyttjas som kvävekälla om de kan brytas ner av mikroorganismen. Delvis nedbrutet protein i form av pepton och trypton är därför mycket goda kvävekällor som används i många odlingssubstrat för mikroorganismer.

4.4.3 O (SYRE)

Mikroorganismers behov av fritt syre skiljer sig mycket och därför kan man dela in dem i grupper efter deras förhållande till syre. Denna indelning visas i figur 4.4.

I avsnitt 4.8.2 om nedbrytning av näringsämnen, förklaras mekanismerna bakom mikroorganismernas olika förhållanden till fritt syre.

Förutom grupperna i figur 4.4 används uttryck som aerotoleranta anaerober om mikroorganismer som har en anaerob metabolism men tål närvaro av fritt syre och därmed kan växa ungefär som de fakultativt anaeroba mikroorganismerna. Exempel från denna grupp är Lactobacillus. Organismer som föredrar ett lägre syretryck än atmosfärens kallas mikroaerofila . En typisk mikroaerofil organism är släktet Campylobacter

med agar.

a) Obligat aeroba mikroorganismer – kräver mycket syre och växer därför bara i toppen på det fasta substratet.

Exempel: Mögelsvampar.

b) Obligat anaeroba mikroorganismer – tål inte närvaro av fritt syre och växer därför bara i botten av ett rör med fast substrat. Exempel: Clostridium.

c) Fakultativt anaeroba mikroorganismer – kan växa både med och utan fritt syre och växer därför i hela röret. Exempel: enterobakterierna.

FIGUR 4.4 Tillväxt av bakterier i höga provrör

4.4.4 ÖVRIGA GRUNDÄMNEN OCH TILLVÄXTFAKTORER

P (i form av fosfat) ingår bland annat i nukleinsyror. P tas alltid upp i form av oorganiskt fosfat. S (svavel) ingår framför allt som en del av de svavelhaltiga aminosyrorna. De flesta mikroorganismer kan utnyttja sulfater som svavelkälla, men vissa behöver tillföras svavel i form av svavelhaltiga aminosyror.

En rad metalljoner är dessutom nödvändiga för mikroorganismernas livsprocesser. De flesta behövs bara i låga koncentrationer. I laboratoriemiljö tillgodogörs vanligtvis mikroorganismernas behov genom att mikrobiella substrat har en liten tillsats av metallsalter.

Långt ifrån alla mikroorganismer kan själv syntetisera (bygga upp) alla de organiska ämnen som krävs för att bilda nytt cellmaterial. Detta beror på att mikroorganismerna saknar den gen som kodar för att kunna syntetisera ämnet (beskrivningen i sitt DNA). Ämnen som organismen inte själv kan syntetisera kallas ofta tillväxtfaktorer. Dessa måste därför tillföras i tillräcklig mängd genom tillväxtsubstratet. Många mikroorganismer behöver till exempel en eller flera av de 20 aminosyror som proteinerna är uppbyggda av. Även B-vitaminer behövs ofta som tillväxtfaktorer.

Mikroorganismer varierar mycket med avseende på behov av näringsämnen. Variationen beror på olikheter i förmågan att syntetisera olika ämnen. Bakterien E. coli behöver inga tillväxtfaktorer medan släktet Lactobacillus under utvecklingens gång har förlorat förmågan att syntetisera en rad olika ämnen, och därför måste tillföras ett odlingssubstrat för att bakterien ska växa. Generellt gäller att de grampositiva bakterierna ofta behöver fler tillväxtfaktorer än de gramnegativa.

Mutanta stammar som kräver något ämne som inte är nödvändigt för vildtypen kallas auxotrofa. En E. coli-stam som kräver aminosyran tryptofan för att kunna tillväxa kallas tryptofan-auxotrof.

4.5 ENZYMER

Enzymer är komplicerade organiska molekyler som bildas i levande celler. Enzymerna katalyserar kemiska reaktioner (dvs. de påskyndar reaktioner utan att själva förbrukas). Dessa kemiska reaktioner skulle kanske kunna ske även utan enzymernas medverkan, men då oändligt mycket långsammare. Både nedbrytande och uppbyggande processer katalyseras av enzymer.

Kemiskt sett är enzymer proteiner, det vill säga de är byggda av långa kedjor av aminosyror. För att denna högmolekylära proteindel – kallad apoenzym – ska fungera krävs ofta att den är förenad med en mindre molekyl som inte är ett protein, en så kallad kofaktor. De kallas tillsammans holoenzym.

Apoenzym + kofaktor = holoenzym

Apoenzymets kofaktor kan vara av olika typ. Om den är bunden till (inbyggd i) apoenzymet används uttrycket prostetisk grupp. Exempel på detta är hem-gruppen som är en del av hemoglobinet (blodets röda färgämne). Om den är lösare knuten och eventuellt används som transportör av produkter till ett annat enzym används uttrycket koenzym. Exempel på detta är NAD (nikotinamid-adenin-dinukleotid) som fungerar som elektrontransportör. Om det gäller metalljoner används uttrycket kofaktor. Ett exempel på kofaktorer är Mg-jonen, som är nödvändig för att enzymet DNA-polymeras ska kunna fungera (se kapitel 12).

Enzymer kan delas in i exoenzymer (extracellulära enzymer) som utsöndras från bakterien och verkar utanför cellen, och endoenzymer (intracellulära enzymer) som stannar kvar inne i cellen.

Enzymer är substratspecifika , vilket betyder att varje enzym bara katalyserar en enda process. Enzymet laktas (mer korrekt β -galaktosidas) spjälkar (bryter ner) sockerarten laktos men inga andra sockerarter. Huruvida en bakterie kan omsätta laktos beror alltså på om bakterien kan bilda laktas (om den har arvsanlaget för att bilda laktas) eller inte.

För att kunna utföra alla sina livsfunktioner måste därför den enskilda organismen kunna bilda ett stort antal enzymer, det vill säga ha arvsanlagen för detta.

Att enzymer är substratspecifika beror på deras sätt att fungera, vilket schematiskt illustreras i figur 4.5. Ämnet som ska spjälkas (substratet) kallas här AB och enzymet som inverkar på spjälkningen kallas E.

FIGUR 4.5 Enzymers verkningsmekanism (förklaring i texten).

Man ser hur de två molekylerna AB och E precis passar ihop (I). Ett komplex bildas när E binder till AB (II). AB spjälkas sedan i två delar, A och B, vilka frigörs från E (III) som därmed kan spjälka en ny AB-molekyl.

Enzymer delas efter sin funktion in i en rad olika typer som visas i tabell 4.2. I tabellen finns även reaktionerna som de olika typerna katalyserar och exempel på dem.

I dagligt tal namnger man ofta enzymerna genom att lägga till stavelsen -as till namnet på det ämne (substrat) som enzymet spjälkar eller den process som det katalyserar. Några exempel ges i tabell 4.3 även med två exempel på trivialnamn.

TABELL 4.2 Indelning av enzymer i olika typer.

Enzymtyp Reaktion Exempel på reaktioner

Oxidoreduktas Redoxreaktioner Laktatdehydrogenas; Pyruvat + NADH + H+ J L laktat + NAD+

Transferas Reaktioner som innebär överföring av grupper mellan molekyler

Aspartat karbamoyltransferas; Aspartat + karbamoylfosfat J L karbamoylaspartat + fosfat

Hydrolas Hydrolys av molekyler Glukos-6-fosfatas; Glukos-6-fosfat + H20 J L Glukos + Pi

Lyas Borttagande av grupper genom bildning av dubbelbindningar eller addering av grupper till dubbelbindningar

Fumarat hydratas L-malat J L fumarat + H20

Isomeras Reaktioner som innebär racemiseringar Alanin racemas ; L-alanin J L D-alanin

Ligas Sammankoppling av två molekyler under användning av ATP

TABELL 4.3 Exempel på vanliga namn på enzymer.

Enzymnamn/trivialnamn Process

Glutaminsyntetas, Glutamat + NH3 +ATP J L glutamin + ADP + Pi

Laktas Spjälkar laktos (mjölksocker)

Proteas Spjälkar protein

Penicillinas

Spjälkar penicillin

Pepsin (trivialnamn) Proteas som verkar vid mycket lågt pH

Losozym (trivialnamn)

Spjälkar murein i bakteriecellväggen

4.6 METABOLISM

Med metabolism eller ämnesomsättning menas alla de biokemiska reaktioner som sker i den levande cellen. Nedan förklaras några av huvudprinciperna i dessa processer, med tonvikt på processer som sker i heterotrofa mikroorganismer. Vissa av de processer som sker utanför cellen och katalyseras av exoenzymer förklaras också. Metabolism kan grovt delas upp i två typer av reaktioner:

Ǵ energigivande nedbrytningsprocesser (även kallade dissimilation eller katabolism)

Ǵ energiförbrukande uppbyggnadsprocesser (även kallade assimilation eller anabolism).

Vid nedbrytning av näringsämnen, exempelvis kolhydrater eller proteiner, frigörs energi, huvudsakligen i form av det energirika ämnet ATP (adenosintrifosfat) som bildas av ADP (adenosindifosfat) och oorganiskt fosfat (Pi). Den energi som binds i ATP kan sedan – vid rätt tidpunkt och på rätt plats – användas i uppbyggnadsprocesser, varvid ADP återbildas (figur 4.6).

Nedbrytningen av organiska ämnen sker genom en rad redoxprocesser (reduktion–oxidation). Vid dessa överförs väte från det organiska ämnet – som då oxideras – till ett annat ämne – som därmed reduceras. Det ämne som oxideras kallas vätedonator och det som reduceras kallas väteacceptor. Som figur 4.7 visar sker överföringen av väte med hjälp av några ämnen som kallas vätetransportörer.

Energi från nedbrytning av näringsämnen

Energi till uppbyggnadsprocesser

FIGUR 4.6 Principen för omsättning av ATP.

FIGUR 4.7 Principen för oxidation av organiska ämnen i cellen.

Herluf Thourgaard, Rene Møller Madsen, Julie Just Munch, Anette Kamuk. Översättning och bearbetning till svenska förhållanden Anna Blücher.

Grundläggande mikrobiologi med livsmedelsapplikationer

Hur orsakar mikroorganismer sjukdomar som matförgiftning, ebola, borrelia och bandmask? Och hur utnyttjas mikroorganismer som Saccharomyces, E.coli och probiotiska bakterier i matlagning, vid ölbryggning och i kroppens tarmsystem?

Grundläggande mikrobiologi med livsmedelsapplikationer ger en god förståelse av olika mikroorganismer, deras tillväxt och funktioner och roll vid produktion av livsmedel. Bokens första del innehåller en ingående genomgång av den moderna systematiska bakteriologin och dessutom beskrivs virus, svampar, protozoer och parasiter. Andra delen ger en grundlig introduktion i produktion av livsmedel, mikrobiologiska risker och konserveringsmetoder och hur man kan arbeta med livsmedelssäkerhet så att mikroorganismer inte blir en hälsorisk.

Boken är en översättning från danska och innehållet har anpassats efter svensk lagstiftning och svenska förhållande då exempelvis förekomsten av patogener till viss del skiljer sig mellan Sverige och Danmark. Denna tredje upplaga är uppdaterad och ingående reviderad. Bland annat finns nu avsnitt om biofilm och tarmens mikrobiota. Kapitlen om livsmedelssäkerhet har utvidgats så att det kan användas som uppslagsbok för livsmedelsföretag. Slutligen har boken fått en helt ny layout med illustrationer i färg.

Grundläggande mikrobiologi med livsmedelsapplikationer lämpar sig för introducerande högskole- och universitetsstudier i ämnet, i första hand på utbildningar med livsmedelsanknytning. Den kan även med fördel användas som fortbildningslitteratur inom exempelvis livsmedelsindustrin.

Tredje upplagan