Гетероферментативное молочнокислое брожение. Окислительный пентозо-фосфатный путь сбраживания углеводов. Энергетика процесса.

Гетероферментативное молочнокислое брожение, когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются эта­нол и диоксид углерода:

С₆Н₁₂О₆=СН₃СНОНСООН + СН₃СН₂ОН +СО₂

У гетероферментативных молочнокислых бактерий отсутствуют главные ферменты гликолиза -~ фруктозобисфосфатальдолаза и триозофосфатизомераза. Поэтому начальное превращение глюкозы идет у данных бактерий исключительно по пентозофосфатному пути до образования рибулозо-5-фосфата. Пентозофосфатный путь отличается тем. что не приводит непосредственно к образованию пирувата. В ходе пентозофосфатного пути происходит окисление только одного из уг­леродных атомов субстрата, который освобождается в форме СО_2. Первая реакция представляет собой фосфорилиронание глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата с последующим дегидрированием, сопряженным с вос­становлением НАДФ и образованием 6-фосфоглюконолактона Затем 6-фосфоглюконолаюон при участии фермента глюконолактоназы гидролизуется до 6-фосфоглюконата. Данное соединение дегидрируется дегидрогеназой до З-кето-6-фосфоглюконата. из которого путем декар-, боксилирования образуется пентозофосфат и рибулозо-5-фосфат. Из последнего при изомеризации образуется ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. В дальнейшем образовавшиеся рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5- фосфат включаются в ряд транскетолазных реакций и трансальдолазных реакций (и снова превращаются в глюкозо-6-фосфат. Следовательно, пентозофосфатный путь цикличен. Считают, однако, что пентозофосфатный путь на одном из этапов обычно переходит в пугь Эмбдена—Мейергофа—Парнаса.

При прохождении через пентозофосфатный цикл каждых шести мо­лекул глюкозы происходит полное окисление одной молекулы глюкозо-6-фосфата до СО₂ и восстановление шести молекул НАДФ⁺ до НАДФ*Н₂;.

Основное назначение пентозофосфатного пути — поставлять пентозы (главным образом рибозо-5-фосфат), необходимые для синтеза нукле­иновых кислот, и обеспечивать образование большей части НАДФ*Н₂. не­обходимого для синтеза жирных кислот, стероидов и т. д.

 

82.Спиртовое брожение. Основные этапы. Энергетика процесса

Когда из 1 молекулы гексозы образуются 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислоты, процесс получил название спиртового брожения. Спиртовое брожение рас­пространено среди прокариотных (различные облигатно и факуль­тативно анаэробные эубактерии) и эукариотных (дрожжи) форм. В анаэробных условиях у высших растений также отмечено накоп­ление этилового спирта.

Процесс спиртового брожения, осуществляемый дрожжами, до последней реакции идет по тому же пути, что процесс молочнокислого брожения, но последняя реакция заменена двумя другими ферментативными реакциями. Сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермен­та спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и СОз:

СНз—СО—СООН=СНз—СОН + СО₂.

Особенность реакции заключается в ее полной необратимости.

Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД⁺зависимой алкогольдегидрогеназы:

СН₃-СОН + НАД • Н₂—СНз-СН₂ОН + НАД⁺

Донором водорода служат 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения).

Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить сле­дующим уравнением:

С₆Н₁₂О₆+ 2Фн+ 2АДФ = 2СНз- СН₂ОН + 2СО₂+ 2АТФ + 2Н₂О

с точки зрения энергетического выхода оба процесса (гомоферментативное молочнокислое и спиртовое брожение) одинаковы. В обоих случаях сбраживание 1 молекулы глюкозы приводит к образованию 2 молекул АТФ. в случае спиртового брожения происходит межмо­лекулярное размежевание на восстановленные (этиловый спирт) и окисленные (СО₂) молекулы. Спиртовое брожение протекает обычно при рН 3—6. Если его проводить в щелочной среде, например в присутствии NаНСОз, также происходит накопление в сбраживаемом растворе глицери­на. Оказалось, что в щелочных условиях ацетальдегид не может акцептировать электроны. Процесс брожения в щелочной среде можно представить в виде следующего уравнения:

Глюкоза = глицерин = укс к-та = этиловый спирт

 

 

83. Микроорганизмы, вызывающие спиртовое брожение. Произ-во, связанные с их жизнедеятельностью

Накопление этилового спирта в среде в анаэробных условиях наблюдается у разных групп эубактерий и группы эукариотных микроорганизмов — дрожжей. Способность осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение по пути, присуща некоторым эубактериям, принадлежащим к разным таксономи­ческим группам, например Sarcina Ventriculi, Erwinia amylovora..

Sarcina Ventriculi относится к группе грамположительных анаэроб­ных кокков. Клетки неподвижные, делятся в трех плоскостях, по­этому в культуре часто образуют пакеты, состоящие из 8 и более клеток.

Erwinia amylovora относится к группе энтеробактерий. Это грамотрицательные подвижные палочки. Особенностью вида является его патогенность для растений. Факультативный анаэроб. В аэробных условиях получает энергию в процессе дыхания.У многих клостридиев и энтеробактерий среди продуктов бро­жения обнаруживают этиловый спирт.

У бактерий Zymomonas mobilis с неясным системати­ческим положением, разложение глюкозы до пировиноградной кислоты идет по пути Энтнера—Дудорова. Дальнейшее превращение пирувата происходит с участием пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. Zymomonas mobilis — грамотрицательные подвижные бактерии, имею­щие форму коротких палочек. Характеризуются высокими био­синтетическими способностями.

Основными продуцентами этилового спирта, имеющими широкое практическое применение, являются дрожжи — одноклеточные эукариотные микроорганизмы, принадлежащие к разным классам высших гри­бов. Дрожжи — аэробы со сформированным аппаратом дыхания, но в анаэробных условиях осуществляют спиртовое брожение т.е. получают энергию за счет суб­стратного фосфорилирования. Конструктивный метаболизм дрожжей ос­нован на их хорошо развитых биосинтстических способностях. Есть виды дрожжей, развивающиеся на простых синтетических средах; эти дрожжи способны синтезировать все необходимые им сложные органические соединения.

 

84. Основные реакции пропионовокислого брожения. Пути получения энергии пропионовокислыми бактериями.

Пропионовокислое брожение осуществляют бактерии рода Propioniobacterium.

Бактерии рода Propioniobacteriumпредставляют собой грампо-ложительные неподвижные палочки, обычно полиморфные, есть булавовидной формы с одним закругленным концом, другим — ко­нусообразным.

Продуктами брожения углеводов при участии пропионово­кислых бактерий могут быть различные комбинации пропионата и ацетата, меньшие количества изовалериата, формиата, сукцината или лактата и СО₂

3C₆Н₁₂О₆ = 4СН₃СН₂СООН + 2СН₃СООН + 2СО₂ + 2Н₂О

Пропионовокислые бактерии способны сбраживать лактат, образовавшийся в результате брожения под действием других бакте­рий, превращая его в пропионат и ацетат:

ЗСН₃СНОНСООН = 2СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + Н₂0 + СО₂

Сбраживание углеводов пропионовокислыми бактериями происходит по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса до стадии об­разования пирувата. Затем в зависимости от условий пируват может окисляться до ацетата и СО₂, восстанавливаться в лактат, карбоксилироваться в оксалоацетат, который через малат и фумарат восста­навливается до сукцината. Пропионат может образовываться вос­становлением пирувата или лактата либо декарбоксилированием

 

85. Бактерии, вызывающие, пропионовокислое брожение.

В эту группу, объединяемую в род Propionibacterium, входят грам-положительные, неподвижные, не образующие спор палочковидные бактерии, размножающиеся бинарным делением.

Большинство пропионовокислых бактерий — аэротолерант­ные анаэробы, получающие энергию в процессе брожения, ос­новным продуктом которого является пропионовая кислота. Аэротолерантность их обусловлена наличием полностью сфор­мированной ферментной системы защиты от токсических форм кислорода (супероксидный анион, перекись водорода). У про­пионовокислых бактерий обнаружены супероксиддисмутазная, каталазная и пероксидазная активности. Внутри группы отно­шение к О₂ различно. Некоторые виды могут расти в аэробных условиях.

Брожение не исчерпывает всех возможностей получения энер­гии этой группой эубактерии. Хотя гликолитическое расщепление глюкозы с образованием в качестве обязательного промежуточ­ного соединения пировиноградной кислоты является основным путем разложения глюкозы, кроме этого пути в группе пропионовых бактерий обнаружен окислительный пентозофосфатный путь, реакции ЦТК, активное «флавиновое дыхание» и окисли­тельное фосфорилирование, сопряженное с электронтранспортной системой. Пропионовые бактерии могут синтезировать гемсодержаoие белки. В их клетках обнаружены цитохромы.

В целом у про­пионовых бактерий достаточно четко просматриваются две тен­денции: с одной стороны, усовершенствование основного ана­эробного способа получения энергии, с другой — попытки приспособления и, более того, рационального использования мо­лекулярного кислорода.

86.Маслянокислое брожение и бактерии, вызывающие маслянокислое брожение.

Новое в маслянокислом брожении — возникновение реакций конденсации типа С₂ + С₂ = С₄ в ре­зультате чего образуется С₄ -акцепторная кислота. Судьба этой кис­лоты различна и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД • Н₂, освобождающегося в процессе брожения, а это, в свою очередь, тесно связано с оттоком водорода на конст­руктивные процессы. В качестве конечных С₄-продуктов в процес­се брожения возникают соединения различной степени восстановленности. Характерным С₄-продуктом брожения является мас­ляная кислота. Осуществляют такой тип брожения многие бактерии, относящиеся к роду Клостридиум.

Типичными представителями клостридиев, осуществляющих маслянокислое брожение, являются С. Butyricum и С. Pasteurianum. Они сбраживают сахара с образованием масляной и уксусной кис­лот, СО₂ и Н₂ Превращение глюкозы до пирувата осу­ществляется по гликолитическому пути. Следующая реакция — разложение пирувата до ацетил-КоА и СО₂, сопровождающееся образованием восстановленного ферредоксина. Реакция ка­тализируется ферментом пируват: ферредоксин-оксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Особенности ре­акции — участие в ней белков, содержащих негемовое железо и кислотолабильную серу