Анаэробные процессы.

Примером анаэробных процессов используемых в промышленной биотехнологии являются процессы брожения. Брожение – это одна из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов в целях получения энергии, когда акцептором электронов или атомов водорода являются органические вещества.

В основе многих бродильных процессов лежит универсальный, включающий в себя 9 реакций, процесс превращения глюкозы (источник углерода) в ключевой промежуточный продукт (интермедиат)-пировиноградную кислоту (ПВК) или пируват из которого далее могут образовываться различные конечные продукты. По конечному продукту, образующемуся в наибольшем количестве различают молочнокислое (молочная кислота - лактат), спиртовое (этанол), маслянокислое, ацетон-бутанольное и т.д.

Ход процесса спиртового может заметно меняться в зависимости от условий его проведения. Так если в емкость, где протекает процесс спиртового брожения добавлять NaHSO₃ - бисульфит (гидросульфит) натрия, то он будет связывать образующийся ацетальдегид и получающееся соединение, в отличие от ацетальдегида, не сможет восстанавливаться молекулами НАD*Н.

В таких условиях акцептором электронов (атомов водорода) от НАД*Н становится не ацетальдегид, как это происходит при нормальном протекании спиртового брожения, а фосфодиоксиацетон, превращающийся в глицерин-фосфат, гидролиз которого приводит к образованию глицерина. Образование этанола в этом случае не происходит.

Такой метод модификации нормального метаболизма дрожжей лег в основу одного из самых первых “современных” биотехнологических производств. Промышленное производство глицерина микробиологическим способом из крахмалсодержащего сырья (картофель, сахарная свекла), было налажено в Германии во время первой мировой войны.

СХЕМА ГЛИЦЕРИНОВОГО БРОЖЕНИЯ

Другим примером нарушения нормального метаболизма дрожжей, хотя и не нашедшем практического применения, является спиртовое брожение в щелочной среде. Нормальный процесс требует для своего протекания слабокислой среды (рН=4,0-5,0). При увеличении значения рН выше нормы происходит изменение нормального метаболизма дрожжевых клеток. Образующиеся из ПВК две молекулы ацетальдегида перестают восстанавливаться НАД∙Н и начинают диспропорционировать с образованием одной молекулы этанола и одной молекулы уксусной кислоты, которая, взаимодействуя со щелочью, возвращает величину рН к нормальному значению. Роль акцептора водородов в это время выполняют молекулы фосфодиоксиацетона (по аналогии с процессом глицеринового брожения).

С энергетической точки зрения глицериновое брожение и брожение в щелочной среде менее выгодны, по сравнению с процессом нормального спиртового брожения (1 молекула АТФ на 1 молекулу глюкозы). Однако эти метаболитические пути являются альтернативными, запасными вариантами гликолиза, позволяющими клеткам не только выжить в неблагоприятных условиях, но и нейтрализовать их.