Пропионовокислое брожение

Пропионовокислые бактерии относятся к грамположительным не спорообразующим, неподвижным, факультативным анаэробам или аэротолерантным. В слабоаэрируемых условиях пропионовокислые бактерии могут осуществлять аэробное дыхание, в анаэробных – брожение. Основным продуктом, образующимся при пропионовокислом брожении, является пропионовая кислота. Кроме нее, синтезируются уксусная кислота и СО₂. Пропионовокислые бактерии расщепляют углеводы по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты, которая подвергается дальнейшим превращениям с образованием пропионовой кислоты, уксусной кислоты и СО₂:

1 ,5Глюкоза 2Пропионат + СО₂ + Ацетат

Поскольку пропионовокислые бактерии развиваются, как правило, в тех же субстратах, что и молочнокислые (рубец и кишечник жвачных животных), то предпочтительным субстратом для окисления является молочная кислота, синтезирующаяся в результате молочнокислого брожения:

3 Лактат 2Пропионат + Ацетат + СО₂

Существуют два метаболических пути образования пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий:

• акрилатный путь, в котором лактат в ходе ряда последовательных реакций восстанавливается до пропионата;

• сукцинат-пропионатный путь, в котором лактат превращается в пропионат через стадии образования пирувата и сукцината.

Акрилатный путь присущ, по-видимому, только нескольким видам микроорганизмов (Clostridium propionicum, Bacteroides ruminicola, Mega-sphaera elsdenii) (рис. 25).

CH3 – CHOH – СООН L -лактат C H3 – CHOH – CO ~ SKoA L-лактил-KoA Н2О CH2 = CH – CO ~ SKoA А крилоил-KoA 2 Н CH3 – CH2 – CO ~ SKoA П ропионил-KoA CH3 – CH2 – COOH П ропионат Рис. 25. Акрилатный путь пропионовокислого брожения

Субстратами для данного метаболического пути могут служить L-, D-, или LD-формы лактата. В клетках указанных бактерий присутствует фермент рацемаза, катализирующий взаимопревращения стереоизомеров. L-лактат превращается в L-лактил-КоА, который в результате пока еще не изученных детально реакций превращается в акрилоил-КоА. В свою очередь акрилоил-КоА восстанавливается до пропионил-КоА с дальнейшим образованием пропионата

Кроме пропионата, при акрилатном типе брожения образуются также ацетат и СО₂. Выход АТФ составляет одну молекулу на три молекулы потребленного лактата.

Сукцинат-пропионатный функционирует у большинства микроорганизмов, образующих пропионат. Сукцинат при этом пути синтезируется как промежуточный продукт, но может продуцироваться также в качестве конечного продукта в малых или больших количествах. С другой стороны, бактерии, использующие акрилатный путь, не образуют сколько-нибудь значительных количеств сукцината.

Этот тип брожения называют еще метилмалонил-КоА путем, потому что при нем образуется характерный промежуточный продукт – метилмалонил-КоА (рис. 26).

Исходным соединением при функционировании этого типа брожения является лактат, который окисляется до ПВК. На следующем этапе происходит карбоксилирование ПВК с участием фермента метилмалонил-КоА-карбокситрансферазы и комплекса СО₂ ~ биотин. Синтезируемый в реакции оксалоацетат восстанавливается до сукцината с образованием промежуточных продуктов малата и фумарата. На этапе превращения фумарата в сукцинат происходит окислительное фосфорилирование, в результате чего образуется молекула АТФ. Затем сукцинат при участии фермента КоА-трансферазы присоединяется к КоА и активируется, образуя сукцинил-КоА. Последний под действием метилмалонил-КоА-мута-зы и при участии кофермента В₁₂ превращается в метилмалонил-КоА, после декарбоксилирования которого образуется пропионил-КоА. Молекула СО₂ связывается с метилмалонил-КоА-карбокситрансферазой, что вновь приводит к образованию комплекса СО₂ ~ биотин. Синтез пропионата происходит в результате реакции переноса КоА от пропионил-КоА на сукцинат при участии фермента КоА-трансферазы. Таким образом, в процессе образования пропионата КоА и СО₂ переносятся с последующего продукта на предшествующий, не освобождаясь. Следует отметить, что в этом процессе участвуют три кофактора (биотин, КоА и кофер-мент В₁₂).

Метилмалонил-КоА- карбокситрансфераза С Н3 – СО – СООН НООС – СН2 – СО – СООН Пируват Оксалоацетат Н 2Н Лактатде- Малатдегидрогеназа гидрогеназа СН3 – СНОН – СООН НООС – СН2 – СНОН – СООН L-лактат Малат Фумараза Н2О НООС – СН = СН – СООН Фумарат СО2~ биотин Биотин АДФ АТФ Фумаратредуктаза НООС – СН2 – СН2 – СООН Сукцинат КоА-трансфераза НООС – СН2 – СН2 – СО ~ SКоА С Н3 – СН2 – СООН Сукцинил-КоА Пропионат В12-кофермент, К оА-транс- метилмалонил- фераза КоА-мутаза С Н3 – СН2 – СО ~ SКоА НООС – СН – СО ~ SКоА Пропионил-КоА Метилмалонил-КоА- карбокситрансфераза СН3 Метилмалонил-КоА Рис. 26. Метилмалонил-КоА путь образования пропионовой кислоты бактериями

Пропионовокислое брожение используется в сыроделии при созревании твердых сыров, которое длится два-три месяца. Источником пропионовокислых бактерий служит сычужный фермент – водный экстракт телячьих желудков. Пропионовокислые бактерии превращают молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты, придающие сыру острый вкус, а благодаря выделению углекислого газа в сырной массе образуются поры («глазки»). В связи с тем, что пропионовокислые бактерии способны накапливать в своих клетках большие количества витамина В₁₂, их также используют для его промышленного получения. Кроме того, пропионовокислые бактерии используют для получения заквасок для хлебопечения, заквасок для силосования кормов. Пропионовую кислоту микробного происхождения используют в качестве фунгицида для сохранения зерна при хранении.

Пропионовокислые бактерии обитают на коже людей, в рубце и кишечнике жвачных животных, в почве (Propionibacterium pronionicus).