Пентозний цикл окиснювання вуглеводів
Подання про існування в тканинах тварин, рослин і мікробів іншого механізму окиснювання вуглеводів, що відрізняється від розглянутого вище, були розвинені на основі робіт головним чином Варбурга, Дікенса й В.А. Енгельгардта, що показали можливість окиснювання гексозомонофосфата в клітинах тварин (наприклад, в еритроцитах) без попереднього розщеплення на дві фосфотріози. Розбіжність шляхів окиснювання вуглеводів - класичного - лимоннокислого циклу Кребса й "пентозного" - починається на стадії утворення гексозомонофосфату. Якщо гексозомонофосфат (фруктозо-6-монофосфорний ефір) піддається ще раз фосфорилюванню й перетворюється у фруктозодифосфат, то в цьому випадку подальший розпад вуглеводів відбувається за звичайним гліколітичним шляхом з утворенням фосфотріоз і піровиноградної кислоти, яка "згоряє" потім у лимоннокислому "казані".
Якщо ж приєднання другої частки фосфату до гексозо-6-монофосфорному ефіру не відбувається, то глюкозомонофосфат може піддаватися прямому окислюванню з відщіпленням СО2 й утворенням пентозофосфату. Звідси відбулася й назва - пряме окиснювання вуглеводів у пентозному циклі.
Глюкозо-6-фосфат під впливом дегідрогенази піддається дегідруванню з утворенням спочатку 6-фосфоглюконолактону, а потім 6-фосфоглюконової кислоти.
6-фосфоглюконова кислота під впливом дегідрогенази, коферментом якої також є НАДФ, піддається дегідруванню й потім декарбоксилюванню з утворенням пентозофосфату: рибулозо-5-фосфату й однієї молекули СО2.
Реакція протікає в такий спосіб:
У ході зазначених перетворень 2 молекули НАДФ відновлюються в НАДФН2, які можуть бути використані для різних відбудовних синтезів.
Рибулозо-5-фосфат під впливом ізомерази легко перетворюється в біологічно важливий цукор - рибозо-5-фосфат. Між обома формами пентозофосфатів установлюється стан рухливої рівноваги:
З рибулозо-5-фосфату під впливом ферменту епімерази може утворитися ще одна пентоза - ксилулозо-5-фосфат.
Гептоза - седогептулозо-7-фосфат - утворюється в пентозному циклі із ксилулозо-5-фосфата і рибозо-5-фосфату в результаті реакції, яка каталізується ферментом транскетолазою.
Тетроза- еритрозо-4-фосфат виникає в присутності трансальдолази в результаті розриву СѕС зв'язку в седогептулозі з перекиданням групи СН2ОН¾ СО¾ СНОН - на фосфогліцероловий альдегід:
Основний шлях окиснювання вуглеводів в організмі тварин здійснюється за звичайним гліколітичним шляхом (за схемою Ембдена-Мейергофа-Парнаса-Кребса). Тільки в окремих органах і тканинах, наприклад у жировій тканині, печінці, еритроцитах, надниркових залозах, лімфатичних вузлах і деяких інших тканинах має істотне значення окиснювання гексозофосфатів у пентозному циклі.
Види бродіння
У результаті життєдіяльності мікроорганізмів, що беруть участь у процесах обміну речовин, відбуваються різноманітні хімічні реакції, у результаті яких утворюються цінні речовини: спирти, кислоти, ефіри, вітаміни та інші. Вони широко використовуються в різних галузях промисловості, медицині, побуту. Багато біохімічних процесів, викликаних мікроорганізмами, знаходять застосування в харчовій і легкій промисловості.
Вивчення біохімічної діяльності мікроорганізмів дозволяє більш ефективно їх використати, правильно організувати технологічний процес. Разом з тим, виявлення сутності тих змін, які відбуваються в харчовій сировині й продуктах її переробки при спонтанному (мимовільному) розвитку в них мікроорганізмів, сприяє успішній боротьбі зі збудниками псування продуктів.
До анаеробних процесів, що протікають за участю мікроорганізмів, відносять: спиртове, молочнокисле, пропіоновокисле, маслянокисле, ацетонобутилове бродіння.
Спиртове бродіння може бути виражено сумарною реакцією:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН ↔ 2СН3 - СН2ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О
На основі спиртового бродіння печуть хліб, виготовляють пиво, вино, спирт. Поряд з молочнокислим бродінням воно застосовується в технології одержання деяких молочнокислих напоїв (кумису, кефіру), а також при квашенні овочів. Мимовільно виникаюче спиртове бродіння у фруктових соках, сиропах, компотах, варенні викликає їхнє псування - заброджування. До збудників спиртового бродіння відносяться дріжджі (винні, пивні, пекарські, верхівкового і низового бродіння). Ферментами дріжджів зброджуються D-глюкоза, D-фруктоза, D-маноза, D-галактоза. Основними продуктами спиртового бродіння є етанол і СО2, побічними - гліцерол, оцтова й бурштинова кислоти, сивушні масла - суміші вищих спиртів (ізоамілового, ізобутилового, амілового, пропілового й ін.).
До стадії утворення пірувату (піровиноградної кислоти) гліколіз і спиртове бродіння протікають однаково. Потім при цьому виді бродіння піровиноградна кислота взаємодіє з тіамінпірофосфатом у присутності Mg2+, що приводить до її розщеплення на ацетальдегід і СО2.
На наступному етапі ацетальдегід відновлюється до етанолу алкоголь-дегідрогеназою (алкоголь НАД-оксидоредуктазой). Коферментом цього ферменту є НАДН2, що виділяється при дегідруванні проміжного фермент-субстратного комплексу, який з'являється при анаеробному окиснюванні глюкози. Спрямованість реакції залежить від рН середовища.
Утворення вищих спиртів пов'язане з азотним і вуглеводним обміном дріжджових клітин. Вищі спирти синтезуються при дезамінуванні й декарбоксилюванні амінокислот, у реакціях переамінування амінокислот з піровиноградною кислотою, у процесах синтезу амінокислот. Ці спирти беруть участь у формуванні аромату і смаку напоїв.
Побічний продукт реакції - гліцерол може перетворюватися в акролеїн, що заважає чистому процесу спиртового бродіння.
Молочнокисле бродіння - це перетворення цукру під дією ферментів молочнокислих бактерій у молочну кислоту.
Розрізняють гомо- і гетероферментативне молочнокисле бродіння. При гомоферментативному бродінні мікроорганізми зброджують гексози, в основному до молочної кислоти й лише в слідових кількостях утворюються побічні продукти: летучі кислоти, етанол, фумарова кислота й СО2.
Сумарне рівняння цього виду бродіння:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2ФН 2СН3 - СНОН - СООН + 2АТФ.
При гетероферментативному молочнокислому бродінні поряд з молочною кислотою утворюються етанол, оцтова кислота і оксид карбогену.
Залежно від бактерій, що викликають даний процес, розрізняють два види бродіння: бродіння, що відбувається без виділення СО2, і бродіння, що супроводжується газовиділенням.
Молочнокисле бродіння використовують у виробництві різних молочних продуктів, при випічці хліба (особливо житнього), квашенні капусти і засолюванні огірків, силосуванні кормів, одержанні молочної кислоти.
Спонтанно виникаюче молочнокисле бродіння в молоці, вині, пиві, безалкогольних напоях приводить до їхнього псування (прокисанню, помутнінню, ослизненню та ін.).
Маслянокисле бродіння викликають анаеробні спороутворюючі бактерії. У харчовій промисловості воно, як правило, відіграє негативну роль. Так, масляна кислота, що утворюється при цьому бродінні, може зіпсувати молоко й молочні продукти. У спиртовому виробництві, що працює на зерновій або іншій крохмальвмісній сировині, при проростанні спор цих бактерій виділяється гідроген, що створює небезпеку вибуху. Крім того, масляна кислота гальмує ріст дріжджів, а отже порушує нормальний хід процесу. У спиртовому виробництві, де як сировина використовуються плоди і ягоди, "затори" можуть бути зіпсовані запахом масляної кислоти. Маслянокислі бактерії можуть викликати масову загибель картоплі й овочів, спучування сирів, псування консервів, прогіркання молока, вологого борошна, квашених овочів.
Рівняння маслянокислого бродіння :
Ефіри масляної кислоти відрізняються приємним ароматом. Їх використовують як ароматичні речовини в кондитерській і парфумерній промисловості і при виготовленні фруктових напоїв.
Пропіоновокисле бродіння - це перетворення цукру або молочної кислоти і її солей при участі пропіоновокислих бактерій у пропіонову й оцтову кислоти з виділенням СО2 і Н2О.
Сумарне рівняння реакції:
Цей вид бродіння є одним з найважливіших процесів при дозріванні сирів. Виділення вуглекислоти, що утворюється при цьому, викликає поява сирних "вічок" - порожнеч. Присутність пропіонової і оцтової кислот у сирі обумовлює його своєрідний гострий смак і запах.
Змішане кислотне бродіння відбувається за участю декількох видів мікроорганізмів (молочнокислі бактерії, оцтовокислі бактерії й ін.), при цьому із глюкози утворюються кислоти (молочна, оцтова, мурашина, бурштинова), етанол, гліцерол, СО2, ацетон і його похідні. Даний вид бродіння негативно позначається на виробництві багатьох продуктів. Наприклад, летуча оцтова кислота, що є одним з основних його речовин, погіршує якість настойок.