Основные типы брожения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные типы брожения

Брожение - эволюционно наиболее древний и примитивный способ получения энергии, характерный для некоторых групп прокариот. Основные типы брожений - спиртовое, молочнокислое и масляно-кислое - открыты Л.Пастером в 1861 году, хотя продукты брожений были известны человеку с незапамятных времен.

Процессы брожения протекают в анаэробных условиях без участия молекулярного кислорода за счет окислительно-восстановительных превращений органических соединений субстрата и сопровождаются выделением незначительного количества энергии. Так, в процессе гомоферментативного молочнокислого брожения образуются всегда 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы, в то время как при аэробном окислении 1 молекулы глюкозы синтезируются 38 молекул АТФ.

В качестве исходного субстрата в процессах брожения микроорганизмы используют самые разнообразные органические вещества, аминокислоты, пурины, пиримидины. Конечными продуктами брожений обычно являются органические кислоты (молочная, уксусная, янтарная и др.), спирты (этиловый, пропиловый, бутиловый), ацетон, СО2 и Н2 . По выходу основного конечного продукта выделяют различные типы брожений: молочнокислое, спиртовое, масляно-кислое, пропионовокислое и др.

В любом процессе брожения можно выделить две стадии: окислительную и восстановительную. Первая, окислительная стадия большинства процессов брожения заключается в серии последовательных реакций, ведущих к образованию пировиноградной кислоты из углевода. У различных групп микроорганизмов установлены три пути превращения глюкозы в пировиноградную кислоту. Первый, наиболее распространенный путь, характерный для дрожжей и многих бактерий получил название гликолиза или схемы Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП). Второй путь характерен только для некоторых бактерий и известен как схема Энтнера-Дудорова. Третий, пентозофосфатный путь также показан для многих бактерий. Общим для всех путей является - многоступенчатость процесса окисления исходного субстрата.

Гликолиз включает ряд реакций, каждая из которых катализируется специфическим ферментом. Исходными продуктами гликолиза служат моносахариды или дисахариды, которые ферментативным путем расщепляются до моносахаридов. В реакциях гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 молекулы НАД*Н2 и 4 молекулы АТФ, из которых 2 синтезируются при окислении двух молекул 3-ФГА (фосфоглицеринового альдегида) и 2 при дегидратации двух молекул 2-ФГК(фосфоглицериновой кислоты). Из четырех синтезированных молекул АТФ 2 молекулы АТФ затрачиваются на фосфорилирование глюкозы во фруктозо-1,6-дифосфат. Поэтому общий энергетический эффект реакций гликолиза составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы.

Второй путь расщепления углеводов, путь Энтнера-Дудорова, у прокариот встречается реже, чем другие. Он характерен для некоторых псевдомонад и уксуснокислых бактерий. Этот путь обеспечивает прокариотам использование глюконовой, маннановой, гексуроновой кислот. В качестве конечных продуктов образуются 1 молекула пировиноградной кислоты и 3-фосфоглицериновый альдегид, который гликолитическим путем также превращается в пируват. На 1 молекулу сброженной глюкозы в этом пути синтезируется 1 молекула АТФ. Путь Энтнера-Дудорова является самым кратчайшим механизмом расщепления углеводов до пировиноградной кислоты, состоящим из четырех реакций. Третий, пентозофосфатный путь расщепления углеводов характерен для всех видов бактерий семейства Enterobacteriaceae, а также для гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых маслянокислых бактерий. Конечными продуктами сбраживания гексоз в пентозофосфатном цикле являются рибозо-5-фосфат и 3ФГА (фосфоглицериновый альдегид). Последний гликолитическим путем превращается в пировиноградную кислоту и гексозофосфаты, которые снова включаются в цикл.

Молочнокислое брожение. Молочнокислое брожение считается эволюционно одним из самых древних и примитивных типов брожения. По характеру самого процесса и образующимся конечным продуктам различают гомо и гетероферментативное молочнокислое брожение. В основе гомоферментативного молочнокислого брожения лежит гликолитический цикл сбраживания гексозы с образованием двух молекул пировиноградной кислоты. Последняя, выступая конечным акцептором водорода, восстанавливается до единственного продукта - молочной кислоты. Энергетический выход гомоферментативного молочнокислого брожения невелик и составляет всего 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной кислоты. Эффективность запасания выделяющейся свободной энергии в АТФ высокая и составляет примерно 40%. Процесс ведут гомоферментативные молочнокислые бактерии, способные сбраживать 85-98% сахара, находящего в среде, до молочной кислоты. Морфологически они представлены кокками, относящимся к родам Streptococcus и Pediococcus, палочковмдными бактериями рода Lactobacillus. Все бактерии этой группы по методу Грама окрашиваются положительно, спор не образуют, неподвижны. По отношению к кислороду аэротолерантны, т.е. способны расти при доступе кислорода, хотя энергетический метаболизм осуществляют путем брожения. Молочнокислые бактерии характеризуются весьма низкими биосинтетическими способностями. Для роста нуждаются в обогащенных питательных средах, содержащих различные аминокислоты, компоненты нуклеиновых кислот, витамины группы В и другие соединения. Источником углерода для них служат молочные или растительные сахара (глюкоза, лактоза, мальтоза) и редко некоторые пентозы, сахароспирты и органические кислоты. Низкие биосинтетические способности этой группы бактерий свидетельствуют о примитивности их конструктивного метаболизма.

В основе гетероферментативного молочнокислого брожения лежит пентозофосфатный путь сбраживания гексоз или пентоз с образованием молочной кислоты и ряда других продуктов - уксусной кислоты, этилового спирта, глицерина и углекислого газа.

Облигатные гетероферментативные молочнокислые бактерии лишены ключевых ферментов гликолитического пути - альдолазы и триозофосфатизомеразы. К этой группе относятся бактерии родов: Lactobacillus, Leuconostoc, Bifidobacterium. Некоторые молочнокислые бактерии (Lactobacillus casei, L.plantarum, L. Xylosus) способны вести как гомо-, так и гетероферментативное молочно-кислое брожение, сбраживая гексозы по гликолитическому, а пентозы по пентозофосфатному пути. По морфологическим, культуральным и многим физиологическим признакам гетероферментативные молочнокислые бактерии близки к гомоферментативным. Различные виды молочнокислых бактерий способны развиваться в широких температурных пределах от 7-10 до 40-420 С, имея оптимум 25-300 С. Многие виды молочнокислых бактерий хорошо выдерживают закисление рН среды, особенно палочковидные формы рода Lactobacillus.

Молочнокислые бактерии весьма широко распространены в природе. Они легко выделяются из молока и всех молочных продуктов, с поверхности растений, из почвы, желудка и кишечника животных и человека. С давних времен для производства кисломолочных продуктов в разных местностях используют различные виды молочнокислых бактерий. На севере в закваску для простокваши входят в основном кокковые формы Streptococcus lactis и S. Cremoris; на юге в закваске простокваши преобладает болгарская палочка Lactobacillus bulgaricus. Закваски некоторых национальных кисломолочных продуктов (кефира, кумыса, йогурта) представлены исторически сложившимися симбиотическими комплексами молочнокислых бактерий и дрожжей. Например, закваской для приготовления кефира служат кефирные зерна, содержащие молочнокислые бактерии Streptococcus lactis и Lactobacillus caucasicus, а также дрожжи Saccharomyces kefiri. Молочнокислые бактерии сбраживают лактозу молока с образованием 0,8-1% молочной кислоты, дрожжи ведут спиртовое брожение и сбраживают лактозу с образованием 1%-го этилового спирта. Молочнокислые бактерии Streptococcus diacetilactis и Pediococcus cerevisiae вызывают скисание сливок и применяются для производства сливочного масла. Молочнокислые бактерии используют также в приготовлении сыров. В процессах квашения овощей и силосования кормов принимают участие многочисленные спонтанные расы гомо- и гетероферментативных молочнокислых бактерий, находящихся на самом растительном материале (бактерии (Lactobacillus plantarum, L. вrevis, L.fermentum, Streptococcus lactis и S. сremoris).

Спиртовое брожение. Процесс спиртового брожения проходит по гликолитическому пути до образования пировиноградной кислоты. Далее при участии ключевого фермента спиртового брожения - пируватдекарбоксилазы - происходит декарбоксилирование пировиноградной кислоты. В результате образуются ацетальдегид и углекислый газ. Образовавшийся ацетальдегид выступает конечным акцептором водорода и под действием НАД+ - зависимой алкогольдегидрогеназы восстанавливается до этилового спирта. (НАД- никотинамидадениндинуклеотид). Донором водорода, как и при молочнокислом брожении служит 3-фосфороглицериновый альдегид. Суммарно этот процесс можно выразить следующим уравнением:

С6 Н12 О6 + 2Фн + 2АДФ -----------2 СН3 СН2 ОН + 2 СО2 + 2 АТФ + 2Н2 О

Энергетический выход процесса составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы. Отличие спиртового брожения от молочнокислого заключается в различной природе конечного акцептора водорода.

Спиртовое брожение лежит в основе ряда промышленных производств - виноделия, получения спирта, пивоварения, хлебопечения. В Европе в промышленности используют различные расы сахаромицетных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Sacch. vini), в Америке - различные расы схизосахаромицетов - Schizosaccharomyces pombe. Среди прокариот к активному брожению способны эрвиния амиловора, зимомонас мобилис, сарцина вентрикули. Последний используется в промышленном производстве для получения этилового спирта в странах Востока.

Маслянокислое брожение. Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и ведут его облигатно-анаэробные бактерии рода Clostridium. Этот тип брожения следует рассматривать как один из вариантов усложненного брожения, в основе которого лежит гликолитический путь сбраживания углеводов до пировиноградной кислоты. Характерной особенностью маслянокислого брожения является реакция конденсации с образованием С4 - соединения (масляной кислоты). В результате ряда последовательных реакций из пировиноградной кислоты образуются уксусный альдегид, муравьиная и уксусная кислоты, нередко этиловый спирт. Муравьиная кислота почти тотчас же распадается до СО2 и Н2 , а реакция конденсации ацетальдегида приводит к образованию масляной кислоты. Суммарно процесс маслянокислого брожения можно выразить следующим уравнением:

4С6 Н12 О6 ------------3СН3 СН2 СН 2 СООН + 2СН3 СООН + 8СО2 + 8 Н2

Энергетический выход данного процесса составляет 3,3 молекулы АТФ на 1 молекулу сброженной глюкозы. Это наибольший выход энергии, получаемый во всех вышерассмотренных типах брожений, сопровождающихся реакциями субстратного фосфорилирования. Процесс маслянокислого брожения очень лабилен и зависит от состава питательной среды и стадии развития культуры микроорганизма.

По типу использования углеродсодержащих веществ маслянокислые бактерии подразделяются на сахаролитические и протеолитические. Сахаролитические виды клостридий сбраживают различные соединения углеводной природы: пектин, целлюлозу, крахмал, хитин и т.д. Протеолитические клостридии в качестве сбраживаемого субстрата используют белки, аминокислоты, пурины, пиримидины.

Различные виды маслянокислых бактерий в природе ведут самые разнообразные процессы: анаэробную аммонификацию органических азотсодержащих веществ, анаэробное разложение растительных остатков - пектина и клетчатки. Бактерии этой группы выделяются из всех типов почв и различных анаэробно разлагающихся материалов.

Одной из разновидностей маслянокислого брожения является ацетоно-бутиловое брожение. Основные продукты этого процесса - бутиловый, этиловый, изопропиловый спирты, ацетон и газы СО2 и Н2 . Выход продуктов брожения обусловливается составом питательного субстрата, условиями рН среды, температурой, а также видом маслянокислых бактерий, ведущих брожение. Особенно активно этот тип брожения ведет Clostridium acetobutylicum. На первом этапе брожения микроб образует масляную кислоту, подкисление среды вызывает синтез ферментов, приводящих к накоплению бутанола и ацетона. Этот вид маслянокислых бактерий широко используется в современном промышленном производстве для получения дефицитных реактивов - ацетона и бутилового спирта из любого крахмалсодержащего сырья.

Маслянокислые бактерии рода Clostridium многочисленны и гетерогенны. Морфологически они представлены крупными палочками. В молодой культуре палочки подвижны, тип жгутикования перитрихиальный. По мере старения клетки формируют эндоспоры. Спорангии переходного типа - от клостридиального к плектридиальному, форма спор сферическая или овальная.

Маслянокислые бактерии нередко вызывают порчу продуктов - прогоркание масла, сметаны, квашеных овощей, корма животных - силоса. В промышленности они используются для получения масляной кислоты, необходимой в парфюмерном производстве.

Муравьинокислое брожение. Этот тип брожения характерен для представителей семейства энтеробактерий. Одним из конечных продуктов данного типа брожения является муравьиная кислота. Наряду с ней образуются молочная, уксусная кислоты и другие продукты. Некоторые виды энтеробактерий (например, кишечная палочка) расщепляют муравьиную кислоту до Н2 и СО2 . Признаки кислото- и газообразования являются довольно стабильными и используются для идентификации бактерий на средах Гиса («пестрый» ряд). Бактерии рода Enterobacter образуют из пирувата небольшое количество кислых продуктов и ацетилметилкарбинол (ацетоин). Последний определяют в реакции Фогес-Проскауэра с целью идентификации данных бактерий.

Метаболизм прокариот

Образ жизни прокариот состоит в постоянном воспроизводстве своей биомассы. Совокупность протекающих в клетке процессов, обеспечивающих воспроизводство биомассы называется обменом веществ, или метаболизмом. Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций, имеющих разную направленность: энергетического и конструктивного метаболизма. Энергетический метаболизм - это поток реакций, сопровождающихся мобилизацией энергии и преобразованием ее в электрохимическую или химическую (АТФ) форму, которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах. Конструктивный метаболизм (биосинтезы) - поток реакций , в результате которых за счет поступающих извне веществ строится вещество клеток; это процесс, связанный с потреблением свободной энергии, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений. Для обозначения энергетических и конструктивных процессов используются термины «катаболизм и анаболизм», означающие распад и синтез органических молекул, происходящий соответственно с выделением или потреблением свободной энергии. Однако, у прокариот с фотолито- и хемолитотрофным типом энергетического обмена энергетический метаболизм не связан с превращением органических соединений. У них функционирует только один поток превращений органических соединений углерода - анаболический, поэтому термин «катаболизм» для них неприменим.

Метаболические пути конструктивной и энергетической направленности состоят из множества последовательных ферментативных реакций и могут быть разделены на три этапа. На начальном - воздействию подвергаются молекулы, служащие исходными субстратами. Иногда эту часть метаболического пути называют периферическим метаболизмом, а ферменты, катализирующие первые этапы превращения субстрата - периферическими. Последующие превращения включают ряд ферментативных реакций и приводят к образованию промежуточных продуктов или метаболитов, а сама цепь превращений объединяется под названием промежуточного метаболизма. Образующиеся на последних этапах конечные продукты конструктивных путей используются для построения вещества клеток, а энергетических - выделяются в окружающую среду.

Конструктивные и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. У большинства прокариот они тесно связаны между собой. Однако у некоторых прокариотных организмов можно выделить последовательности реакций, служащих только для получения энергии или только для биосинтеза. Связь между конструктивными и энергетическими процессами прокариот осуществляется по нескольким каналам. Основной из них - энергетический. Определенные реакции поставляют энергию, необходимую для биосинтезов и других клеточных энергозависимых функций. Биосинтетические реакции кроме энергии нуждаются часто в поступлении извне восстановителя в виде водорода (электронов), источником которого служат также реакции энергетического метаболизма. И наконец, тесная связь между энергетическими и конструктивными процессами проявляется в том, что определенные промежуточные этапы или метаболиты обоих путей могут быть одинаковыми (хотя направленность потоков реакций, относящихся к каждому из путей, различна). Это создает возможности для использования общих промежуточных продуктов в каждом из метаболических путей. Промежуточные соединения такой природы называются амфиболитами, а промежуточные реакции, одинаковые для обоих потоков - амфиболическими. Метаболизм прокариот, как энергетический, так и конструктивный представляет собой результат способности этих микроорганизмов использовать в качестве источников энергии и исходных субстратов для построения веществ тела самый широкий набор органических и неорганических соединений. Такая способность обусловлена различиями в наборе клеточных периферических ферментов, воздействующих на исходные субстраты и видоизменяющих их молекулы в направлении, позволяющем им далее метаболизироваться по каналам промежуточного метаболизма. В отличие от периферического промежуточный метаболизм прокариот не отличается разнообразием.

Ферменты прокариотной клетки. Ферменты прокариот функционально являются биокатализаторами и отличаются от других катализаторов исключительной активностью и уникальной специфичностью в отношении структуры субстрата и природы катализируемой реакции. Из клеток прокариотных организмов выделены ферменты, относящиеся согласно международной классификации ко всем известным классам: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Состав ферментов определяется геномом клетки и является относительно постоянным. Помимо обычных эндоферментов, функционирующих внутри клетки, у прокариот имеются экзоферменты, выделяемые ими в окружающую среду. К экзоферментам относятся гидрлазы, разрушающие крупномолекулярные соединения субстрата и играющие важную роль в питании прокариот.

По времени образования ферменты прокариотной клетки подразделяются на 2 группы:

Конститутивные ферменты, синтез которых идет с постоянной скоростью независимо от веществ субстрата; в клетке они находятся в более или менее постоянной концентрации. Примером конститутивных ферментов могут служить гликолитические ферменты.

Индуцибельные ферменты, скорость синтеза которых в клетке резко возрастает в ответ на появление в среде субстрата-индуктора. К индуцибельным ферментам относится большинство гидролаз.

Ключевые позиции в процессах метаболизма занимают аллостерические ферменты, которые чутко реагируют на потребности клетки в конечных продуктах метаболизма. Избыточное количество конечного продукта тотчас ингибирует активность первого фермента в системе собственного биосинтетического пути.

Таким образом, маленькая по размерам прокариотная клетка проявляет максимальную экономичность, синтезируя только те ферменты, которые необходимы ей в данных условиях. Поэтому количество одного и того же фермента в клетке в разное время может минимальным - не более одной-двух молекул и максимальным - несколько процентов от массы клетки.

Ферменты цепи переноса электронов. Отщепление и перенос водорода или электронов от окисляемого субстрата на конечный акцептор осуществляется через последовательную цепь дыхательных ферментов, получившую название цепи переноса электронов (ЦПЭ) или дыхательной цепи. В клетках аэробных и анаэробных прокариот наиболее обширную группу дыхательных ферментов составляют дегидрогеназы, катализирующие дегидрирование субстратов. Коферментами дегидрогеназ выступают пиридиннуклеотиды - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавопротеиды (ФП) - флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН). Вторую группу дыхательных ферментов составляют цитохромы b,c,a, и a3, коферменты которых представлены железопорфиринами. Звено цитохромов осуществляет перенос электронов по дыхательной цепи от дегидрогеназ на конечный акцептор - молекулярный кислород либо на нитраты или сульфаты. Цитохромы имеются в клетках большинства прокариот, лишены их только некоторые облигатные анаэробы, например маслянокислые бактерии и молочнокислые стрептококки.

Помимо указанных групп дыхательных ферментов в мембранной системе прокариот обнаружены хиноны типа убихинона и менахинона. Хиноны функционируют в дыхательной цепи между флавопротеидами и цитохромами.

Расположение ферментов в дыхательной цепи определяется их окислительно-восстановительным потенциалом. Чем ниже окислительно-восстановительный потенциал фермента, тем в большей степени он является восстановителем и тем ближе он расположен к субстрату. Разные группы прокариотных организмов характеризуются разным уровнем организации дыхательной цепи. Так, в клетках первично анаэробных хемоорганотрофных микроорганизмов, ведущих процессы брожения, обнаружены только НАД-зависимые дегидрогеназы. Наиболее полно дыхательная цепь сформирована у фотосинтезирующих прокариот. Все аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы имеют более или менее полную систему ферментов электронного транспорта. Однако, у разных физиологических групп микроорганизмов дыхательные цепи отличаются по составу промежуточных ферментов-переносчиков и терминальным цитохромам (цитохромоксидаза или редуктаза).

гликолиз окисление брожение

Размещено на Allbest.ru