Органічний субстрат (джерело вуглецю та енергії)

Катаболізм переважно за гліколітичним шляхом

Регенерація АТФ (окиснення продуктів катаболізму			— н —► АТФ^		Перебудова продуктів катаболізму в акцептори водню і їх відновлення
'	г			і		>
о" и					Відновлені продукти

Рисунок 26.1 - Загальна схема бродіння

У процесі зброджування глюкози утворюється від одного до чотирьох молей АТФ. У фосфорилюванні на рівні субстрату беруть участь такі три найважливіші реакції:

1,3-Дифосфогліцерат + АДФ ^ 3-Фосфогліцерат + АТФ (фосфогліцераткіназа);

Фосфоенолпіруват + АДФ ^ Піруват + АТФ (піруваткіназа); Ацетилфосфат (бутирилфосфат) + АДФ ^

^■Ацетат (бутират) + АТФ (ацетаткіназа).

У більшості мікроорганізмів використовуються перші дві реакції. При цьому необхідні акцептори водню утворюються з пірувату або ацетил-КоА. У процесі зброджування одного моля глюкози утворюється лише два або три моля АТФ, а продуктами бродіння є лактат, етанол, ацетон, бутират, н-бутанол, 2-пропанол, 2,3-бутандіол, капронат, ацетат, СО2 та Н2.

При використанні третьої реакції, яка каталізується ацетат- кіназою, утворюється додатковий АТФ. Ацетилфосфат утворюється з ацетил-КоА за допомогою фосфотрансацетилази:

Ацетил-КоА + Ф_н ^ Ацетилфосфат + КоА.

Крім того, можливе утворення ацетилфосфату з фосфорильованих сахаридів (ксилулозо-5-фосфату, фруктозо-6-фосфату) за участю фосфокетолази.

1. Спиртове бродіння

Основними продуцентами етанолу є дріжджі Saccharomyces cerevisiae та бактерії (Zymomonas mobilis, Leuconostoc mesenteroides, Sarcina ventriculi).

Катаболізм глюкози у процесі зброджування її до етанолу та С0₂ здійснюється гліколітичним шляхом. Глюкоза окиснюється до пірувату. Перетворення пірувату на етанол проходить у два етапи (рис. 26.2):

1. піруват декарбоксилюється піруватдекарбоксилазою до ацетальдегіду;

2. ацетальдегід відновлюється алкогольдегідрогеназою до етанолу за участю НАДН. При цьому переноситься водень, який утворився під час дегідрування триозофосфату. Окисно-відновний баланс, таким чином, зберігається.

Якщо до дріжджів, які зброджують глюкозу, добавити бісульфіт (він є нетоксичним для дріжджів), то з'явиться новий продукт — гліцерин і одночасно знизиться вихід етанолу та СО₂. Ацетальдегід зв'язується бісульфітом з утворенням ацетальдегідсульфіту і тому не може служити акцептором водню — етанол не утворюється. Замість ацетальдегіду таким акцептором водню є діоксиацетонфосфат. Він відновлюється до гліцерин-3-фосфату і дефосфорилюється до гліцерину.

Бродіння у присутності бісульфіту використовують у промисловості для одержання гліцерину.

Зброджування дріжджами глюкози — процес анаеробний, хоча дріжджі є аеробними мікроорганізмами.

Рисунок 26.2 - Спиртове бродіння

В анаеробних умовах бродіння відбувається дуже інтенсивно, але відзначається слабкий ріст. Під час аерації бродіння послаблюється, починається дихання і активний ріст. У деяких дріжджів бродіння можна майже пригнітити посиленою аерацією (ефект Пастера). Л. Пастер відкрив цей ефект понад сто років тому. Він властивий не тільки дріжджам, а й усім факультативно аеробним клітинам, у тому числі й клітинам тканин вищих тварин.

2. Молочнокисле бродіння

Молочнокислі бактерії об'єднують у родину LactobacШaceae. Ця група є морфологічно гетерогенною, але має спільні фізіологічні ознаки. Всі бактерії є грампозитивними, не утворюють спор (за винятком SporolactobacШus ішііпш), переважно нерухливі. Всі вони використовують вуглеводи як джерело вуглецю та енергії і виділяють молочну кислоту. На відміну від ентеробактерій, які теж виділяють лактат, молочнокислі бактерїї здатні тільки до бродіння, вони не містять гємопротеїнів (цитохромів і каталази). Проте представники родини LactobacШaceae можуть рости у присутності кисню, вони все-таки є аеротолерантними.

Ще однією особливістю молочнокислих бактерій є потреба в ростових факторах. Для росту більшості цих бактерій потрібен ряд вітамінів (тіамін, пантотенова, нікотинова, фолієва кислоти, біотин), амінокислот, а також пуринів і піримідинів. Вирощують молочнокислі бактерії переважно на складних середовищах, що містять достатньо високі концентрації дріжджового автолізату, томатного соку, молочної сироватки і навіть крові. Отже, молочнокислі бактерії є своєрідними "метаболічними інвалідами", які, очевидно, в силу своєї спеціалізації (ріст на молоці та інших багатих середовищах) втратили здатність до синтезу багатьох метаболітів. З іншого боку, їм притаманна здатність, якої немає в інших мікроорганізмів: вони можуть використовувати молочний цукор (лактозу). Лактоза зустрічається тільки у ссавців, у рослинному царстві її немає. Лактоза являє собою дисахарид, який перш ніж катаболізуватися, повинен бути розщеплений на глюкозу та галактозу (фермент ß-галактозидаза). У зв'язку з тим, що молочнокислі бактерії виділяють велику кількість молочної кислоти, середовище для їх культивування повинно бути забуференим.

Молочнокислі бактерії ніколи не зустрічаються в ґрунті або водоймах. Місця їх існування такі:

молоко й місця його переробки, молочні продукти (Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. casei, L. fermentum, L. brevis, Streptococcus lactis);

рослини й рослинні залишки (Lactobacillus plantarum, L. del- bruckii, L. fermentum, L. brevis, Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides);

кишечник і слизові оболонки людини й тварин (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidum, Streptococcus faecalis, S. bovis, S. pneumoniae).

Серед стрептококів зустрічаються паразити крові — досить вірулентні збудники захворювань.

Залежно від того, які продукти утворюються у процесі зброд­жування глюкози (тільки молочна кислота або також і інші органічні продукти та СО₂), молочнокислі бактерії поділяються на гомо- та гетероферментативні.

1. Гомоферментативне молочнокисле бродіння

Г омоферментативні молочнокислі бактерії утворюють тільки одну молочну кислоту (вона становить не менше 90 % усіх продуктів бродіння). Глюкоза катаболізується гліколітичним шляхом. Водень, який відщеплюється підчас дегідрування гліцеральдегід-3-фосфату у вигляді НАДН, передається на піруват (рис. 26.3). У присутності лактатдегідрогенази піруват відновлюється до лактату. Лише невелика частина пірувату декарбоксилюється та перетворюється на оцтову кислоту, етанол і С0₂, а також ацетоїн. Гомоферментативні молочнокисле бродіння здійснюють стрептококи, серед лактобацил - Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. delbruckii, L. acidophilus.

26.2.2 Гетероферментативне молочнокисле бродіння

У гетероферментативних молочнокислих бактерій (на відміну від гомоферментативних) відсутні такі ферменти гліколізу, як альдолаза та триозофосфатізомераза.

Рисунок 26.3 - Молочнокисле бродіння

Початкове розщеплення глюкози у них відбувається лише пентозофосфатним шляхом. Рибулозо-5-фосфат під дією епімерази перетворюється на ксилулозо-5-фосфат, який в результаті реакції, що каталізується пентозофосфокєтолазою, розщеплюється з утворенням гліцеральдегідфосфатутаацетилфосфату. З гліцеральдегідфосфату через піруват утворюється молочна кислота, а ацетилфосфат відновлюється через ацетил-КоА та ацетальдегід до етанолу. Такий тип бродіння є характерним для Leuconostoc mesenteroides.

Тиші гетероферментативні бактерії переводять частково чи повністю ацетилфосфат в оцтову кислоту, що супроводжується утворенням АТФ. У цьому разі надлишок водню передається на глюкозу, яка відновлюється до маніту. З гліцеральдегідфосфату через піруват утворюється лактат.

Г етероферментативне молочнокисле бродіння здійснюють Leuconostoc mesenteroides, L. fermentum, L. brevis, Bifidobacterium bifidum.

Бродіння, яке здійснюється Bifidobacterium bifidum. Ця бактерія отримала назву за свою V- та Y-подібну форму (лат. bifidus — роздвоєний). Вона відома тим, що переважає в кишечнику немовлят. Всі представники роду Bifidobacterium є строгими анаеробами, вони ростуть в атмосфері, яка містить 10 % С0₂. Біфідобактерії розщеплюють глюкозу на молочну кислоту та ацетат. Причому вони не мають ні альдолази, ні глюкозо-6-фосфатдегідрогенази. У цих бактерій глюкоза перетворюється на фруктозо-6-фосфат гліколітичним шляхом, а потім фруктозо-6-фосфат за допомогою активних фосфокетолаз перетворюється на ацетилфосфат і ксилулозо-5-фосфат. Ксилулозо-5- фосфат у свою чергу дає ацетилфосфат і гліцеральдегідфосфат. Ацетилфосфат відновлюється до ацетату, а гліцеральдегідфосфат через піруват — до лактату.

3. Пропіоновокисле бродіння

Ці бактерії існують у рубці ти кишечнику жуйних тварин (корови, вівці), де вони беруть участь в утворенні жирних кислот, головним чином, пропіонової та оцтової. Завдяки цим бактеріям молочна кислота, яка утворюється в результаті різних видів бродінь, перетворюється на пропіонову. Пропіоновокислі бактерії не зустрічаються в молоці, у ґрунті, у водоймах. Рід Propionibacterium складається з грампозитивних нерухомих палички, які не утворюють спор. Ці бактерії не переносять присутності кисню, ростуть в анаеробних умовах, регенерують АТФ за рахунок бродіння. На осноні таких ознак їх довго вважали організмами, які облігатно здійснюють бродіння. Проте у них були виявлені такі ферменти, як каталаза та цитохроми. Пізніше було встановлено, що представники роду Propionibacterium здатні рости і в аеробних умовах (за слабкої аерації), але при цьому треба мати на увазі, що кисень все- таки є для них токсичним. Таким чином, щодо кисню пропіоновокислі бактерії є мікроаеротолерантними організмами. Крім роду Propionibacterium, до пропіоновокислих бактерій відносять Veillonella alcalescens, Clostridium propionicum, представників родів Selenomonas, Micromonospora. В анаеробних умовах ці бактерії зброджують сахарозу, глюкозу, лактозу, пентози, а також малат, лактат, гліцерин та інші субстрати з утворенням пропіонової кислоти. Розщеплення гексоз здійснюється гліколітичним шляхом.

Відновлення лактату чи пірувату до пропіонової кислоти відбувається метилмалоніл КоА шляхом (рис. 26.4).

Спочатку піруват перетворюється на оксалоацетат, який відновлюється через малат і фумарат до сукцинату. Транспорт електронів на цій ділянці спряжений з фосфорилюванням (фумаратне дихання). Далі сукцинат трансформується у сукциніл-КоА та метилмалоніл-КоА, у процесі декарбоксилювання якого утворюється пропіоніл-КоА.

Метилмалоніл-КоА-шлях

Лактат

^ лактатдегідрогеназа

Піруват

і

Оксалоацетат

і

Малат

. і

Фумарат

АТФ І „

¹ Афумаратне дихання

Сукцинат

\

Сукдиніл-КоА

і

Метилмалоніл-КоА

і

Пропіоніл-КоА

і

Пропіонат

Акрилоїл-КоА-шлях Лактат —► Лактил-КоА —► Акрилоїл-КоА —► Пропіоніл-КоА

Рисунок 26.4 - Пропіоновокисле бродіння

4. Мурашинокисле бродіння

Деякі мікроорганізми, які утворюють у процесі бродіння кислоти, об'єднують в одну фізіологічну групу на тій підставі, що характерним, хоча і не основним, продуктом бродіння у них є мурашина кислота. Оскільки деякі типові представники цієї групи існують у кишечнику, вся родина має назву Enterobacteriaceae. Це грамнегативні, активно рухливі, що но утворюють спор палички з перитрихіальним джгутикуванням. Факультативні аероби, здатні одержувати енергію як у процесі дихання (аеробні умови), так і у процесі бродіння (анаеробні умови). Дуже невибагливі щодо живлення: ростуть на простих мінеральних середовищах.

Escherichia coli — мешканець кишечника, проте за кількістю не є основним (у кишковій мікрофлорі переважають Bacteroides і Bifidobacterium). Ця бактерія тривалий час зберігає життєздатність і поза кишечником. Цим користуються для виявлення забрудненості питної води фекаліями.

До нормальної кишкової мікрофлори належать також Proteus vulgaris, Enterobacter aerogenes. До родини Enterobacteriaceae належать бактерії роду Erwinia — фітопатогенні бактерії, які уражують стебла, листя та корені рослин. Klebsiella pneumoniae — збудник пневмонії. Salmonella typhimurium — найпоширеніша бактерія, яка викликає гастроентерит. Vibrio cholerae — збудник холери, він не належить до родини Enterobacteriaceae, але близький до її представників за типом метаболізму.

Катаболізм гексоз здійснюється гліколітичним шляхом, дуже рідко- у пентозофосфатному циклі. Катаболізм глюконату здійснюється КДФГ-шляхом. Залежно від того, які продукти бродіння утворюються, розрізняють два типи мурашинокислого бродіння: 1) бродіння, характерне для Escherichia coli, — утворюються головним чином кислоти (мурашина, оцтова, бурштинова, молочна) і зовсім не утворюється бутандіол; 2) бродіння, характерне для Enterobacter, — основним продуктом є бутандіол, кислоти посідають друге місце. Ці типи бродіння відрізняються за реакціями, пов'язаними з перетвореннями пірувату.

Особливості бродіння Escherichia coli. Такими особливостями є:

1. розщеплення пірувату на ацетил-КоАта форміат (мурашина кислота); 2) розкладання форміату на С0₂ та Н₂; 3) відновлення ацетил- КоА до етанолу; 4) утворення сукцинату як продукту фумаратного дихання; 5) відсутність здатності утворювати з пірувату ацетоїн і бутандіол (рис. 26.5).

Особливості бродіння Enterobacter aerogenes. Ацетоїн утворюється з двох молекул пірувату (див. рис. 26.5). Цей про цес складається з двох реакцій декарбоксилювання з виділенням С0₂.

Рисунок 26.5 - Мурашинокисле бродіння

Саме таке інтенсивне газовиділення дало назву цій бактерії. Проміжним продуктом є ацетиллактат. 2,3-Бутандіол утворюється при відновленні ацетоїну за участю НАДН.

26.5. Маслянокисле та ацетоно-бутилове бродіння.

Масляна кислота (бутират), н-бутанол, ацетон, пропанол є типовими продуктами бродіння анаеробних спороутворювальних бактерій (клостридій

Клостридії є грампозитивними. Рухливі (перитрихально розміщені джгутики), вегетативні клітини паличкоподібні, спори змінюють форму материнської клітини, оскільки їх діаметр є більшим за товщину самої клітини. Спори є терморезистентними.

Клостридії відзначаються різко вираженим бродильним типом метаболізму. Вони ростуть тільки в анаеробних умовах, хоча серед них є аеротолерантні види. Із запасних речовин характерними є крохмалеподібні полісахариди. Температурний оптимум становить 30— 40 °С, є термофільні види (Clostridium thermoaceticum). Оптимальним рН є нейтральне або лужне.

За здатністю використовувати різні субстрати клостридії можна поділити на дві групи: цукролітичні та пептолітичні.

Катаболізм глюкози здійснюється гліколітичним шляхом. Водень, що утворюється у процесі дегідрування гліцеральдегідфосфату, переноситься на органічні кислоти або кетони, які утворюються з пірувату або ацетил-КоА. Типовим для клостридій процесом зброджування глюкози є бродіння, характерне для Clostridium butyricum і Clostridium acetobutyricum (рис. 26.6).

Глюкоза гліколізі

’і

П руват АТФ ■ Ацетил-КоА ^—►

I

Ацетоацвтил КоА ► Ац то іцетат

І ^ ' » СО,

ß-Оксибутирил-КоА

I

Кротон КоА і ї .

^ І 2-ІІроішцол І

Бутиральдегід -<• Бутирил-КоА

I

[~ Бутират"