Физиологические характеристики и питательные потребности молочнокислых бактерий
Многие виды молочнокислых бактерий растут как в анаэробных условиях, так и в присутствии молекулярного кислорода, но необходимо отметить, что переключения с брожения на аэробное дыхание не происходит, способ синтеза АТФ не изменяется – только путем субстратного фосфорилирования. Поэтому их относят к аэротолерантным микроорганизмам.
Они обладают высокой спиртоустойчивостью, в отдельных случаях могут расти на средах, содержащих 15-18% и даже до 24% этанола. Многие растут при рН 5,5-8,8 ед., а некоторые при рН 2,9-3,2, что позволяет преобладать в кислых субстратах. Температурные границы жизнедеятельности этой группы бактерий достаточно широкий - от 3 до 500С, хотя оптимальная температура для большинства 30-400С.
Молочнокислые бактерии наиболее высокотребовательные к питательным веществам. Источниками углерода и энергии служит незначительное количество веществ – моно-, дисахариды, органические кислоты. Они, как правила, нуждаются в сложных органических соединениях азота, растут на средах, приготовленных на основе ферментативных или кислотных гидролизатах белков – мяса, лактальбумина, казеина, муки. У различных видов потребность в аминокислотах, их количестве варьирует. Большинству необходимы аргинин, цистеин, глутаминовая кислота, лейцин, фенилаланин, триптофон, тирозин, валин. Только некоторые лактококки растут на средах, содержащих в качестве единственных источников азота аммонийные соли. Молочнокислым бактериям необходимы витамины – рибофлавин, тиамин, пантотеновая, никотиновая, фолиевая кислоты, пиридоксаль и др. Поэтому в качестве добавок питательные среды включают растительные отвары или экстраты, автолизаты дрожжей, другие субстраты, содержащие витамины, а так же некоторые пептиды, пурины (аденин, гипоксантин, гуанин), пиримидины, жирные кислоты – уксусная, ее чаще всего вводят в виде ацетата, и олеиновая – в виде Твина-80.
Брожение молочнокислых бактерий
Гомоферментативные молочнокислые бактерии сбраживают глюкозу по фруктозобисфосфатному пути или пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, сходному со спиртовым, рисунок 3. Но в этом случае пируват не декарбоксилизируется до ацетальдегида, а используется непосредственно как акцептор электронов (Н+). Образование Д(-)–молочной кислоты определяется наличием D-лактатдегидрогеназы, L(+)-молочной кислоты – L-лактатдегидрогеназы, присутствие двух лактатдегидрогеназ различной стереоспецифичности позволяет формировать DL-молочную кислоту.
Энергетическая эффективность гомоферментативного брожения составляет две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Изменение свободной энергии при расщеплении глюкозы до двух молекул молочной кислоты составляет около 210 кДж/моль:
C6H12O6 2C3H6O3 + 210 кДж/моль
У гетероферментативных бактерий отсутствуют некоторые ферменты пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса: фруктозо-1,6-биофосфатальдолаза и триозофосфатизомераза.
Цифрами обозначены
ферменты:
I
- гексокиназа;
II
- гексозофосфатизомераза;
III
- фосфофруктокиназа;
IV
- фруктозобисфосфотальдолаза;
V
- триозофосфатизомераза;
VI
- дегидрогеназа 3-фосфоглицеринового
альдегида;
VII
- 3-фосфоглицераткиназа;
VIII
- фосфоглицеромутаза;
IX
- енолаза; X
- пируваткианаза; XI
- лактатдегидрогеназа.
Рисунок 3 - Последовательность реакций гомоферментативного молочнокислого брожения
Из этого количества энергии около 126 кДж рассеивается в виде тепла, а 84 кДж накапливаются в виде богатых энергией фосфатных связей АТФ.
До образования рибулозо-5-фосфата расщепление глюкозы идет по пентозофосфатному пути, который под действием эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат и, катализируемый пентозофосфоткетолозой, расщепляется на 3-фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Из ацетилфосфата у одних бактерий образуется ацетат, сопровождающийся синтезом АТФ, у других – через промежуточное образование ацетил-Ко-А и ацетальдегида восстанавливается до этанола. Если при гомоферментативном брожении на один моль образуется два моля АТФ, то при гетероферментативном – один моль АТФ, рисунок 4.
