Гетероферментативне молочнокисле бродіння пропіоновокисле бродіння і пропіоновокислі бактерії
Поширення, методи виділення і систематика.
Пропіоновокислі бактерії мешкають в рубці і кишечнику жуйних тварин (корів, овець); вони беруть участь там в утворенні жирних кислот, головним чином пропіонової і оцетової. Завдяки ним в результаті різних видів бродіння молочна кислота перетворюється головним чином на пропіонову.
Пропіоновокислі бактерії не зустрічаються в молоці, і їх не вдається виділити з грунту або природних вод. Для отримання накопичувальної культури цих бактерій живильне середовище з лактатом і дріжджовим екстрактом інокулюють швейцарським сиром і інкубують в анаеробних умовах. У швейцарський сир, в дозріванні якого пропіоновокислі бактерії відіграють важливу роль (визначаючи також його смак), вони потрапляють з сичужним ферментом, що використовують в процесі приготування сиру для згортання молока. Сичужний фермент додають у вигляді водного екстракту з телячих шлунків, що містить безліч життєздатних пропіоновокислих бактерій.
Розрізняють декілька видів таких бактерій, з яких найбільш відомі:
вид Propionibacterium freudenreichii і його підвид shermanii,
P. acidipropionici (колишня назва - Р. Pentosaceum).
Окрім роду Propionibacterium до бактерій, що здатні утворювати пропіонову кислоту, відносять також:
Veillonella alcalescens (= Micrococcus lactilyticus),
Clostridium propionicum,
Selenomonas,
Micromonospora.
Пропіонат як продукт бродіння утворюють і багато інших бактерій.
Утворення пропіонової кислоти (метилмалоніл-КоА-шлях).
Пропіонова кислота утворюється з молочної згідно наступного рівняння:
3СН3-СНОН-СООН -> 2СН3-СН2-СООН + СН3-СООН + С02 + Н20
Відновлення лактату або пірувату до пропіонату йде по шляху, який по характерному проміжному продукту був названий метилмалоніл-КоА-шляхом (рис. ).
Спочатку піруват за участю комплексу біотин-С02 (карбоксибіотин) карбоксилюється метилмалоніл-КоА-карбокситрансферазою з утворенням оксалоацетату (щавелевооцтова кислота), а потім відновлюється через малат (яблучна кислота) і фумарат (фумарова кислота) до сукцинату (янтарна кислота). Транспорт електронів на цьому етапі пов’язаний з фосфорилюванням (фумаратне дихання1).
Потім сукцинат за допомогою КоА-трансферази (сукциніл-КоА: пропіонат-КоА-трансферази) приєднується до КоА і таким чином активується.
Сукциніл-КоА під дією метилмалоніл-КоА-мутази і за участю коферменти В12 (ціанкобаламіну) перетворюється на метилмалоніл-КоА, і лише від цього проміжного продукту, нарешті, відщеплюється С02; в результаті утворюється пропионил-КоА, а С02 зв'язується із згаданою вище метилмалоніл-КоА-карбокситрансферазою.
З пропіоніл-КоА утворюється пропіонат (пропіонова кислота), в результаті того що КоА-трансфераза переносить КоА на сукцинат.
Слід особливо відзначити, що в процесі утворення пропіонату дві групи (С02 і КоА) переносяться з наступного продукту на попередній, не звільняючись. Заслуговує на увагу і участь трьох кофакторів (біотин, КоА і кофермент В12) в цьому процесі.
За метилмалоніл-КоА-шляхом пропіонат утворюється у більшості пропіоновокислих бактерій, а також в Veillonella alcalescens і Selenomonas ruminantium.
Реакції метилмалоніл-КоА-шляху можуть протікати і у зворотному напрямі, як, наприклад, при розщепленні валіну, ізолейцину і жирних кислот з довгим ланцюгом і непарним числом вуглецевих атомів. З жирних кислот і ізолейцину утворюється пропіоніл-КоА, який карбоксилюється з утворенням метилмалоніл-КоА. Для перетворення останнього в сукциніл-КоА за участю метилмалоніл-КоА-мутази необхідний вітамін В12 (кофермент В12).
Процес утворення пропіонової кислоти дає вихід енергії, звичайний для всіх типів бродіння – 2 молекули АТФ. Відновлені дегідрогенази, що утворюються при розкладі глюкози, використовуються клітинами мікроорганізмів на однократне відновлення проміжних продуктів перетворення ПВК в пропіонову кислоту. Для повного здійснення схеми утворення пропіонової кислоти необхідні ще 2 молекули відновлених дегідрогеназ, які клітина повинна отримати іншими шляхами.
В процесі змішаного пропіоновокислого бродіння процес утворення пропіонової кислоти йде паралельно з перетворенням глюкози в оцтову кислоту. Це дозволяє отримати додаткову молекулу відновленої дегідрогенази на конструктивні потреби, а також отримати конструктивний матеріал у вигляді ПВК та ацетил-КоА. Такий хімізм пропіоновокислого бродіння забезпечує потреби клітин в АТФ, і у відновлених дегідрогеназах.