• Ilustrați și descrieți pe scurt cerințele minime, optime și maxime de pH pentru creștere
  • Identificați și descrieți diferitele categorii de microbi cu cerințe de pH pentru creștere: acidofili, neutrofili și alcalifili
  • Dați exemple de microorganisme pentru fiecare categorie de pH necesară

Iaurtul, murăturile, varza murată și mâncărurile condimentate cu var, toate își datorează gustul acidulat unui conținut ridicat de acid. (Figura 9.34). 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 acide, cu o concentrație mare de ioni H +; cei cu valori ale pH-ului peste 7,0 sunt considerați de bază. 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.

ph-ului
Figura 9.34. 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 de către „nina.jsc”/Flickr; „murături” de credit: modificare a lucrării de către Noah Sussman; credit „varză murată”: modificare a operei de către Jesse LaBuff; credit „pico de gallo”: modificare a lucrării de „regan76”/Flickr]

PH-ul optim de creștere 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-ul maxim de creștere (Figura 9.35). 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 9.35. 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, ceea ce înseamnă că cresc optim la un pH în una sau două unități de pH ale pH-ului neutru de 7, între 5 și 8 (vezi Figura 9.35). 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.

Figura 9.36. Fotografie a Rio Tinto din Spania. Regiunea care înconjoară râul a fost minată extensiv, ducând la drenarea acidă a minelor. Râul este extrem de acid, cu un pH cuprins între 1,7-2,5. [Credit: Carol Stoker, NASA Ames Research Center]

Figura 9.37. Vedere din spațiul lacului Natron din Tanzania. Culoarea roz se datorează pigmentării microbilor alcalifili și halofili extremi care colonizează lacul. [Credit: NASA]

În afara laboratorului, condițiile fizico-chimice cu care se confruntă microbii pot fluctua rapid. Acest lucru este valabil și pentru microbii asociați gazdei. Bacteriile și archaea microbiotei intestinale în curs de dezvoltare, precum și agenții patogeni gastro-intestinali, cum ar fi diferitele tulpini patogene de E. coli, trebuie să poată supraviețui expunerii la pH-ul acid al stomacului pentru a coloniza tractul intestinal. Prin urmare, aceste organisme necesită capacitatea de a se adapta la o scădere bruscă și temporară a pH-ului. O strategie majoră pe care o utilizează aceste organisme este un sistem global de răspuns la stres cunoscut sub numele de răspuns la „șoc acid”. Acest răspuns are ca rezultat toleranța la acid și implică inducerea (pornirea) unei suite de gene și reprimarea altora pentru a reprograma celula în esență. Printre moleculele care sunt exprimate ca rezultat al stresului acid sunt chaperonele. Acestea funcționează pentru a ajuta la plierea sau replierea proteinelor desfăcute. Acest răspuns ajută neutrofilele să supraviețuiască expunerii la pH acid, dar sub minim, proteinele sunt denaturate ireversibil, iar celula moare. Acest lucru a fost exploatat ca un mijloc de conservare a alimentelor (Figura 9.34), de exemplu la decapare (oțetul este acid acetic diluat).

Ulcerele peptice (sau ulcerul gastric) sunt răni dureroase la nivelul mucoasei 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 când s-a descoperit că adevărata cauză a majorității ulcerelor peptice este 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.