Маслянокисле бродіння спиртове бродіння

Утворення етанолу бактеріями

Відомий для дріжджів шлях утворення етанолу (фруктозодисфосфатний шлях, піруватдекарбоксилазна реакція) з усіх досліджених бактерій виявлена тільки в Sarcina ventriculi.

З пульке - соку агави (Agave mexicana), що бродить, в Мексиці була виділена палочкоподібна рухлива бактерія, що утворює етанол. Ця бактерія Zymomonas mobilis розкладає глюкозу за 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатним шляхом і розщеплює піруват за допомогою піруватдекарбоксилази на ацетальдегід і двоокис вуглецю. Ацетальдегід відновлюється до етанолу.

Єдиними продуктами цього бродіння є етанол, С0₂ і невеликі кількості молочної кислоти. Цікаво, що в горілці, приготованій з соку агави, виявляються вуглецеві атоми 2, 3, 5 і 6 глюкози, тоді як в спирті, що утворюється дріжджами, містяться вуглецеві атоми 1, 2, 5 і 6 (мал. 8.1).

При бродінні, що викликаються деякими видами Enterobacteriaceae і клостридіями, етанол є побічним продуктом. Попередник етанолу – ацетальдегід - утворюється в цьому випадку не прямо з пірувату (під дією піруватдекарбоксилази), а шляхом відновлення ацетил-КоА.

Абсолютно іншим шляхом утворюють етиловий спирт гетероферментативні молочнокислі бактерії (наприклад, Leuconostoc mesenteroides). Глюкоза розкладається ними за пентозофосфатним шляхом до пентозофосфату. На ксилулозо-5-фосфат впливає фосфокетолаза:

Ксилулозо-5-фосфат + Pн -> Ацетилфосфат + Гліцеральдегид-3-фосфат

Ацетилфосфат, що утворився, відновлюється ацетальдегід-дегідрогеназою і алкогольдегідрогеназою в етанол. Інший продукт розщеплювання глюкози - гліцеральдегід-3-фосфат - відновлюється до лактату (через піруват).

Утворення етанолу дріжджами

У вивченні описаних вище доріг обміну важливу роль зіграли роботи, проведені на дріжджах. Ще Гей-Люссак (у 1815 р.) дав рівняння, що описує перетворення глюкози на етанол в тій формі, як це прийнято і тепер:

С₆Н₁₂0₆ -> 2С0₂ + 2С₂Н₅ОН

Нормальне зброджування глюкози дріжджами.

Зброджування глюкози до етанолу і С0₂ дріжджами (Saccharomyces cerevisiae) здійснюється за фруктозодисфосфатним шляхом. Перетворення пірувату на етанол відбувається в два етапи.

Спочатку піруват декарбоксилюється піруватдекарбоксилазою (а) за участю тіамінпірофосфату до ацетальдегіду, а потім ацетальдегід відновлюється алкогольдегидрогеназою (б) в етанол за участю НАДH₂. При цьому, переноситься водень, що утворюється при дегідруванні тріозофосфату.

Форми бродіння, відкриті Нейбергом.

Відкриття Карла Нейберга і розроблені ним оригінальні методи мають не лише історичне значення. Цей дослідник показав, що дріжджі здатні зброджувати окрім глюкози також і піруват. Як проміжний продукт при зброджуванні пірувату утворюється ацетальдегід; це можна довести, зв'язуючи альдегід бісульфітом (який для дріжджів практично нетоксичний). Якщо до дріжджів, що зброджують глюкозу, додати бісульфіт, відбуватиметься наступна реакція:

СН₃-СНО + NaHS0₃ -> Н₃-СНОН-S0₃Na

При цьому з'явиться новий продукт бродіння – гліцерил - и одночасно знизиться вихід етанолу і С0₂.

Бродіння у присутності бісульфіту стали використовувати в промисловості при виробництві гліцеролу.

Ця технологія базується на тому, що ацетальдегід зв'язується і тому не може служити акцептором водню. Замість ацетальдегіду роль такого акцептора переймає на себе дигідроксиацетонфосфат; він відновлюється до гліцерол-3-фосфату і дефосфорилюється з утворенням гліцеролу. Бродіння можна представити так:

Глюкоза + Бісульфіт -> Гліцерол + Ацетальдегідсульфіт + С0₂

Це модифіковане дріжджове бродіння відоме як друга форма бродіння за Нейбергом. Принцип перехоплювання одного з метаболітів - метод пастки - став згодом загальним біохімічним методом.

При додаванні до розчину, що зброджується, NaHC0₃ або Na₂HP0₄ теж утворюється гліцерол, оскільки ацетальдегід перетворюється в результаті реакції дисмутації в етанол і оцтову кислоту і тому не може бути використаний як акцептор водню. Це третя форма бродіння за Нейбергом:

2 Глюкоза + Н₂0 -> Етанол + Ацетат + 2 Гліцерол + 2С0₂

Нормальне дріжджове бродіння Нейберг назвав першою формою бродіння. Він вважав, що 2-оксопропаноль (метилгліоксаль, СН₃-СО-СНО), що утворюється при небіологічному розкладі фруктози, також є проміжним продуктом зброджування глюкози.

Відношення дріжджів до кисню. Зброджування дріжджами глюкози - анаеробний процес, хоча дріжджі - аеробні організми. У анаеробних умовах бродіння йде дуже інтенсивно, але зростання дріжджів майже не відбувається. При аерації бродіння слабшає, поступаючись місцем диханню.

У деяких дріжджів можна майже повністю пригнічити бродіння посиленою аерацією (ефект Пастера). Аерація зменшує вживання глюкози, а також утворення етанолу і С0₂, але робить можливим зростання дріжджів.

З енергетичної точки зору ці явища зрозумілі; вони вказують на існування у дріжджів надзвичайно корисного регуляторного механізму: у анаеробних умовах утворюються лише 2 молекули АТФ на одну молекулу використаної глюкози, а при диханні - 38 молекул АТФ. Таким чином, клітина, регулюючи перетворення субстрату, може отримувати максимум енергії як в тих, так і в інших умовах.

У реакції Пастера беруть участь декілька регуляторних механізмів, що діють в одному напрямі. Ефект один з них виявляється на рівні процесів фосфорилювання. В його основі лежить конкуренція за аденозиндифосфат (AДФ) і неорганічний фосфат (Рн). Для дегідрування при розщепленні гліцеральдегідфосфату необхідні ортофосфат і AДФ:

Гліцеральдегид-3-фосфат + НАД + AДФ + Рн -> 3-фосфогліцерат + НАДH₂ + ATФ

Таким чином, розщеплення субстрату (глюкози) за фруктозодифосфатним шляхом залежить від наявності AДФ і неорганічного фосфату.

У відсутність AДФ і фосфату дегідрування гліцеральдегідфосфату виявляється неможливим. Проте в аеробних умовах з цією реакцією конкурує за AДФ і фосфат процес фосфорилювання в дихальному ланцюзі, який теж приводить до утворення АТФ.

Цілком імовірно, що розщеплення глюкози, а в той же час і утворення етанолу гальмуються в результаті зниження внутріклітинної концентрації AДФ і фосфату.

Якщо ж процеси окислення в дихальному ланцюзі і фосфорилування роз'єднати, то AДФ і фосфат знову можуть використовуватися для дегідрування гліцеральдегідфосфату, і аеробний вжиток глюкози підвищується до рівня, відповідного анаеробним умовам.

За реакцію Пастера відповідає ще один регуляторний механізм, а саме алостеричний ефект гальмування ферменту фосфофруктокінази аденозинтрифосфатом.

Для отримання спирту (етанолу) шляхом бродіння використовують відходи виробництва цукру (мелясу) або картоплю. Великі кількості дешевого спирту отримують також з гідролізату деревини листяних порід або з сульфітних щелоків - відходів паперових фабрик. У гідролізаті деревини зброджуються до етанолу лише гексози. Пентози, що залишаються після цього, використовують для вирощування кормових дріжджів (Endomyces lactis і видів Torula), для яких вони служать джерелом вуглецю.

У всіх рідинах, отриманих шляхом дріжджового бродіння, містяться сивушні масла: пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, аміловий (пентанол) і ізоаміловий (триметилбутанол) спирти. Вони є продуктами нормального бродильного метаболізму дріжджів і виявляються не лише при їх зростанні в складних живильних розчинах, що містять амінокислоти. Основними компонентами сивушного масла є побічні продукти обміну ізолейцину, лейцину і валіну.