Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
189'
CO3-Cf + НАД • H2 CH3CH2OH + НАД+. 4H
ацетальдегид этиловый спирт
Донором водорода служит 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения).
Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением:
C6H12O6 + 2ФЫ + 2АДФ-^2СН3СН2ОН + 2CO2 + 2AT Ф + 2H2O.
Как видно из приведенного уравнения, 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. Процессы различаются природой конечных акцепторов электронов. Кроме того, если при гомоферментативном молочнокислом брожении образовавшаяся молочная кислота в целом по степени окисленности-восстановленности не отличается от молекулы гексозы (имеет место лишь внутримолекулярное перераспределение окисленности и восстановленности отдельных углеродных атомов, входящих в ее молекулу), то в случае спиртового брожения происходит достаточно четкое межмолекулярное размежевание на отдельные восстановленные (этиловый спирт) и окисленные (CO2) молекулы.
Спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами, интересно для нас тем, что на нем впервые были сделаны открытия, имеющие принципиальное значение. Именно при изучении спиртового брожения Л. Пастер доказал, что оно является процессом, связанным с жизнедеятельностью определенных микроорганизмов — дрожжей. Л. Пастер открыл, что в условиях свободного доступа кислорода воздуха процесс спиртового брожения ингибируется и активируется дыхание. Это явление получило название «эффекта Пастера». «Эффект Пастера» есть результат определенного взаимодействия между различными энергетическими путями, существующими у дрожжей. Одним из проявлений такого взаимодействия является конкуренция за АДФ и неорганический фосфат между процессами субстратного фосфорилирования гликолитического пути и процессами окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи.
В 1891 г. выдающийся немецкий биохимик и химик-органик Э. Фишер (Е. Fischer, 1852—1912) обнаружил ферментативное действие водной вытяжки из сухих дрожжей, обладавшей способностью расщеплять мальтозу до глюкозы. Таким образом, Э. Фишер предвосхитил открытие братьев Г. и Э. Бухнеров (Н. Buchner, Е. Buchner), опубликовавших в 1897 г. первое сообщение о возможности осуществления спиртового брожения вне клетки. Оказалось, что бесклеточные экстракты дрожжей превращают углеводы в этанол. Это было отправным пунктом для детального изучения химизма процесса. Исследования продолжались до 40-х гг. Впервые было показано включение неорганического фосфора в этот процесс и роль фосфорилированных соединений (Л. А. Иванов, 1905; A. Harden, W. Young, 1905). Была установлена природа отдельных реакций, катализирующих их ферментов, промежуточных продуктов метаболизма, коферментов, энергетических взаимопревращений. В 1933 г. Г. Эмбден и О. Мейергоф предложили лолную схему спиртового брожения. Наконец, работы К. Нойберга (К- Neuberg) по изучению механизма спиртового брожения привели
190
к установлению еще одной важной особенности метаболизма низших форм жизни — его чрезвычайной гибкости.
К. Нойберг обнаружил, что в зависимости от условий процесс спиртового брожения может идти с образованием продуктов, которые в норме не образуются. Если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то основным продуктом брожения будет глицерин. Оказалось, что бисульфит образует комплекс с ацетальдегидом, и последний не может больше функционировать как акцептор электронов:
ОН
//° /
CH3-(X H- NaHSO3 CH3-C-SO3Na.
Следствием этого является передача электронов от НАД •H2 на фосфо-диоксиацетон, восстановление его до 3-фосфоглицерина и дефосфори-лирование последнего, приводящее к образованию глицерина. Кроме-глицерина в среде происходит накопление ацетальдегида (в комплексе с бисульфитом), этанола и CO2, но образование последних двух продуктов заметно подавлено. Когда брожение идет в .присутствии бисульфита, энергетический выход процесса в два раза меньше по сравнению с нормальным спиртовым брожением, поскольку одна три-оза не подвергается окислению, а восстанавливается до молекулы глицерина.
Спиртовое брожение протекает обычно при pH 3—6. Если его проводить в щелочной среде, например в присутствии NaHCO3, также происходит накопление в сбраживаемом растворе глицерина. Оказалось, что в щелочных условиях ацетальдегид не может акцептировать электроны, поскольку в этих условиях он участвует в реакции дисму-тации с образованием уксусной кислоты и этилового спирта. Акцептором электронов, как и в предыдущем случае, служит фосфодиокси-ацетон. Процесс брожения в щелочной среде можно представить в виде следующего уравнения:
2C6H12O6 -?.2C3H8O3 + CH3COOH + CH3CH2OH + 2CO2. глюкоза глицерин уксусная этиловый
кислота спирт
Микроорганизмы, осуществляющие спиртовое брожение
Накопление этилового спирта в среде в анаэробных условиях наблюдается у разных групп прокариот и группы эукариотных микроорганизмов — дрожжей.
Прокариоты
Способность осуществлять в анаэробных условиях спиртовое брожение по пути, описанному в предыдущем разделе, присуща некоторым бактериям, принадлежащим к разным таксономическим группам,, например Sarcitia ventriculi, Erwinia amylovora.
