34.Брожение. Получение энергии анаэробными микроорганизмами. Химизм процесса.
Брожение (субстратное фосфорилирование) - разновидность анаэробного дыхания, при котором и донором и акцептором водорода является органическое вещество. При анаэробном дыхании микроорганизмы получают энергию не путем окисления, а путем распада сложных органических веществ до более простых. Микроорганизмы, у которых имеет место анаэробное дыхание, называют анаэробами.
При брожении происходит расщепление сложных органических веществ до более просто устроенных с выделением небольшого количества энергии. При поступлении глюкозы в клетку, происходит гликолиз и образуется ПВК. Дальнейшие ее превращения зависят от набора ферментов анаэробных бактерий. В зависимости от того какие конечные продукты образуются, выделяют разные типы брожения:
· Молочнокислое брожение вызывается лактобактериями, бифидобактериями, стрептококками, образуя из ПВК молочную кислоту (гомоферментативное брожение) или молочную, янтарную, уксусную кислоты, ацетон (гетероферментативное брожение). Эти бактерии применяются в производстве молочно-кислых продуктов: ряженки, простокваши, кефира, йогуртов и творога.
· Маслянокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются анаэробные бактерии рода клостридии, а также бактероиды, фузобактерии и другие микроорганизмы, вызывающие у человека опасные анаэробные инфекции. Основным продуктом брожения является масляная,изомасляная, уксусная, валериановая кислоты.
· Пропионовокислое брожение также вызывается анаэробами - пропионибактериями (обитатели кожи и слизистой оболочкичеловека и животных могут вызывать анаэробные инфекции), которые используются в производстве сыров. Конечный продукт брожения - пропионовая кислота.
· Спиртовое брожение. Вызывают дрожжи. В результате спиртового брожения образуется этиловый спирт, что издавна используется в пивоварении и виноделии.
· Бутиленгликолевое брожение. В результате брожения образуются бутиловый спирт, этиленгликоль, срероводород и другие токсические продукты. Этот вид брожения вызывают кишечная палочка и другие энтеробактерии, в том числе - возбудители кишечных инфекций - сальмонеллёза, дизентерии.
При субстратном фосфорилировании из глюкозы или других источников углерода выделяется незначительное количество энергии, так как образующиеся при этом продукты брожения (молочная кислота, спирты и др.) сохраняют в себе значительные количества энергии. Поэтому в анаэробных условиях бактериальная культура для получения необходимой энергии во много раз больше разлагает пищевого материала, чем в присутствии кислорода. Теплообразование при развитии бактериальной флоры в органическом материале (навоз, торф, мусор) может привести к его самовозгоранию.
Изучение ферментов бактерий имеет большое практическое значение для разработки методов диагностики (идентификации) возбудителей инфекционных заболеваний по набору ферментов, а также для создания современных биотехнологий получения продуктов питания в том числе молочнокислых продуктов, сыра, хлеба, вина, пива и т.д.
Химизм процесса брожения был расшифрован в 1933 г. в результате независимых исследований немецкого ученого Г. Г. Эмбдена, немецко-американского — О.Ф. Мейергофа и польско-советского — Я.О. Парнаса.
Было установлено, что брожение представляет собой последовательную цепочку реакций, протекающих в цитоплазме клетки бродящего организма под воздействием вырабатываемых здесь ферментов. В процессе анаэробной диссимиляции глюкозы различают три стадии: подготовительную, энергетическую и завершающую.
«Пусковой» реакцией катаболического распада глюкозы является ее фосфорилирование за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фос- фата и АДФ, в результате чего молекула глюкозы активируется для участия в последующих превращениях. Катализирует реакцию фермент гексокиназа (КФ 2.7.1.1).
Затем образовавшийся глюкозо-6-фосфат (альдоза) превращается во фруктозо-6-фосфат (кетозу). Эта реакция происходит под воздействием фермента глюкозо-6-фосфат—изомеразы (КФ 5.3.1.9).
Третья реакция — фосфорилирование фруктозо-6-фосфата за счет АТФ с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата и АДФ. Она катализируется ферментом фосфофрукгокиназой (КФ 2.7.1.11) и представляет собой еще одну «пусковую» реакцию брожения.
Четвертая реакция процесса брожения — расщепление фруктозо- 1,6-бисфосфата и образование двух молекул фосфотриоз: фосфоди- гидроксиацетона (ФДА) и 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА). Фермент альдолаза (КФ 4.1.2.13) катализирует разрыв углеродной цепочки фруктозо-1,6-бисфосфата посередине, чему способствует
«Пусковой» реакцией катаболического распада глюкозы является ее фосфорилирование за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фос- фата и АДФ, в результате чего молекула глюкозы активируется для участия в последующих превращениях. Катализирует реакцию фермент гексокиназа (КФ 2.7.1.1).
Затем образовавшийся глюкозо-6-фосфат (альдоза) превращается во фруктозо-6-фосфат (кетозу). Эта реакция происходит под воздействием фермента глюкозо-6-фосфат—изомеразы (КФ 5.3.1.9).
Третья реакция — фосфорилирование фруктозо-6-фосфата за счет АТФ с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата и АДФ. Она катализируется ферментом фосфофрукгокиназой (КФ 2.7.1.11) и представляет собой еще одну «пусковую» реакцию брожения.
Четвертая реакция процесса брожения — расщепление фруктозо- 1,6-бисфосфата и образование двух молекул фосфотриоз: фосфоди- гидроксиацетона (ФДА) и 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА). Фермент альдолаза (КФ 4.1.2.13) катализирует разрыв углеродной цепочки фруктозо-1,6-бисфосфата посередине, чему способствует
Энергетическая стадия брожения также включает пять реакций, в ходе которых энергия, содержащаяся в глюкозе, постепенно высвобождается и запасается в форме АТФ (рис. 61).
Она начинается с того, что 3-фосфоглицериновый альдегид под воздействием фермента триозофосфатдегидрогеназы (КФ 1.1.1.12) при участии фосфорной кислоты превращается в 1,3-бисфосфогли- цериновую кислоту (1,3-бисФГК). Энергия, высвобождающаяся в результате окисления альдегидной группы 3-фосфоглицеринового альдегида, аккумулируется в образуемой высокоэнергетической связи, с помощью которой присоединяется фосфатная группа.
Затем фермент фосфоглицераткиназа (КФ 2.7.2.3) катализирует перенос остатка фосфорной кислоты, содержащего высокоэнергетическую связь, от карбоксильной группы 1,3-бисфосфоглицерино- вой кислоты на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).
В результате этой реакции энергия, ранее высвободившаяся при окислении альдегидной группы 3-фосфоглицеринового альдегида до карбоксильной, оказывается запасенной в виде АТФ.
После этого 3-фосфоглицериновая кислота под воздействием фермента фосфоглицерат-фосфомутазы (КФ 5.4.2.1) превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-ФГК).
Образовавшаяся 2-фосфоглицериновая кислота под воздействием фермента енолазы (КФ 4.2.1.11) превращается в 2-фосфоенолпиро- виноградную кислоту (2-ФЕП). При этом молекула 2-фосфоглице- риновой кислоты отдает молекулу воды. Это вызывает перераспределение энергии внутри молекулы субстрата, и связь, с помощью которой к нему присоединен остаток фосфорной кислоты, становится высокоэнергетической.
На последнем этапе энергетической стадии брожения 2-фосфо- енолпировиноградная кислота с помощью фермента пируваткиназы (КФ 2.7.1.40) передает содержащий высокоэнергетическую связь остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуются АТФ и енолпировиноградная кислота (енолПВК). Последняя весьма нестойка и быстро неферментативным путем превращается в устойчивую кетоформу — пировиноградную кислоту (ПВК).
Таким образом, в ходе брожения молекула глюкозы расщепляется ферментативным путем в десяти последовательных реакциях до двух молекул пировиноградной кислоты и двух пар атомов водорода.
Образовавшаяся в результате реакций гликолиза пировиноград- ная кислота может подвергаться дальнейшим превращениям, направление которых зависит от условий среды (аэробных или анаэробных) и от специфических особенностей данного организма. В аэробных условиях она может окисляться до диоксида углерода и воды в процессе дыхания, а при анаэробной диссимиляции последующие превращения пировиноградной кислоты составляют завершающий этап брожения.
