3.Типи бродіння.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕСУ БРОДІННЯ

Із трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння та фотосинтез) бродіння найпростіший.

Бродіння — це такий метаболічний процес, у якому регене­рується АТФ, а продукти розщеплення органічного субстрату можуть служити одночасно і донорами, і акцепторами водню. Загальна схема бродіння показана на рис. 6.12. Органічний субстрат є джере­лом енергії та вуглецю. Реакції синтезу АТФ є реакціями окиснення. Від окисненого вуглецю клітина позбавляється, виділяю­чи СО₂. Окремі етапи окиснення являють собою дегідрування, за якого водень переноситься на НАД. Акцепторами водню, який міститься у вигляді НАДН, є проміжні продукти розщеплення субстрату. За рахунок НАДН ці проміжні продукти відновлюються, а продукти відновлення виводяться з клітини.

Рис. 6.12. Загальна схема бродіння

У процесі зброджування вуглеводів та інших субстратів утворюються (окремо чи в суміші) такі продукти, як етанол, лактат (молочна кислота), пропіонат, форміат, бутират, сукцінат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандіол, ацетон, 2-пропанол, СО₂ та Н₂. Залежно від того, які продукти переважно утворюються, розрізняють спиртове, молочнокисле, маслянокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле та оцтовокисле бродіння. Молекулярний кисень у процесах бродіння участі не бере. Більшість мікроорга­нізмів, які здійснюють бродіння, є облігатними анеробами або факультативними аеробами, здатними рости як у присутності кисню, так і без нього. При цьому кисень пригнічує бродіння, і воно змінюється диханням.

Регенерація АТФ у процесі 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, бутанол, 2-пропанол, 2,3-бутандіол, капронат, ацетат, СО₂ та Н₂,.

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

Ацетил-КоА + Ф-> Ацетилфосфат + КоА.

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

Здатність бактерій здійснювати третю реакцію залежить від того, чи можуть вони виділяти молекулярний водень. При перенесенні відновлювальних еквівалентів (електронів) на про­тони вони можуть виділятися у вигляді молекулярного водню. У цьому разі клітині немає потреби синтезувати акцептори вод­ню. Для того щоб зрозуміти цей механізм, необхідно розгляну­ти механізми вивільнення водню.

Механізми вивільнення водню. Анаеробні бактерії окиснюють піруват до ацетил-КоА двома способами:

Піруват - КоА + 2 Fd -> Ацетил-КоА + FdH + СО₂ (Fd — фередоксин)

(фермент піруват:фередоксин-оксидоредуктаза)

Піруват + КоА -> Ацетил-КоА + Форміат

(фермент піруват:форміатліаза).

У першій реакції (є характерною для клостридій) віднов­люється фередоксин, окисно-відновний потенціал якого є дуже низьким (-420 мВ), тому за допомогою спеціальної гідрогенази може вивільнюватися водень:

2 FdH -> 2 Fd + Н₂ {гідрогеназа).

У другій реакції (є характерною для ентеробактерій) утво­рюється форміат, окисно-відновний потенціал якого теж є низь­ким, тому він може розщеплюватися з утворенням Н₂:

Форміат —> Н₂ + СО₂ (гідрогенліазна система).

Враховуючи те, що окисно-відновні потенціали як у FdH, так і у форміату є досить низькими, клітині неважко позбавля­тися від відновлювальних еквівалентів, що утворюються при окисненні пірувату до ацетил-КоА.

На відміну від цього, водень, що утворюється у процесі дегідру­вання гліцеральдегід-3-фосфату у вигляді НАДН, у більшості анаеробних бактерій далі передається на органічні акцептори.

Проте деякі бактерії можуть вивільняти молекулярний водень навіть із НАДН завдяки наявності фермента НАДН: фередоксиноксидоредуктази:

НАДН + 2 Fd -> НАД + 2 FdH.

Як відомо, за допомогою гідрогенази з FdH утворюється водень. Проте ці реакції можуть проходити тільки тоді, коли утворюваний водень безперервно виводиться (споживається). Це зумов­лено тим, що такі реакції утворення водню пов'язані з підви­щенням потенціалу Н (від -320 мВ для НАДН до -420 мВ для фередоксину), і їх рівновага є несприятливою для виділення вод­ню. Тому організми, які можуть утворювати водень із НАДН, можуть використовувати цей елегантний спосіб позбавлення від водню у формі Н₂ тільки тоді, коли існують разом з мікроорганіз­мами, що безперервно споживають водень. Саме так відбуваєть­ся у природі. Таке явище називають міжвидовою передачею вод­ню, що є особливою формою симбіозу у мікробних спільнотах.

Звичайно ж, що бактерії, які здатні позбавлятися від зв'яза­ного з НАД водню, виділяючи його у вигляді Н₂, можуть обхо­дитись без реакцій перетворення ацетил-КоА на акцептори для НАДН. Тому вони здатні перетворювати ацетил-КоА на ацетил-фосфат і регенерувати додатковий АТФ шляхом ацетаткіназної реакції. Виділяють вони, головним чином, ацетат і здатні регене­рувати до чотирьох молей АТФ.

Роль процесів бродіння у балансі природи

Мікроорганізми, які здійснюють бродіння, відіграють важ­ливу роль у природному кругообігу речовин. Більша частина целю­лози, яку споживають рослиножуйні тварини, виводиться з їх орга­нізму у неперетравленому вигляді. У разі потрапляння такого целю­лозного детриту в анаеробні шари ґрунту або донні осади водойм целюлоза піддається зброджуванню клостридіями і деякими інши­ми строго анаеробними бактеріями. При цьому утворюються всі названі продукти бродіння, у тому числі майже завжди молекуляр­ний водень. Водень міститься на початку анаеробного харчового ланцюга, головними продуктами якого є метан та/або сірководень. В осадах прісноводних озер та в рубці жуйних тварин водень пере­творюється метаноутворювальними бактеріями на метан, а в морсь­ких анаеробних екосистемах сульфатовідновлювальні бактерії пере­творюють водень і сульфат на сірководень.

СПИРТОВЕ БРОДІННЯ

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

Утворення етанолу дріжджами

Катаболізм глюкози у процесі зброджування її до етанолу та СО₂ здійснюється гліколітичним шляхом. Глюкоза окиснюється до пірувату. Перетворення пірувату на етанол проходить у два етапи (рис. 6.13):

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.

Форми бродінь, відкриті К. Нейбергом. Якщо до дріжджів, які зброджують глюкозу, добавити бісульфіт (він є нетоксич-ним 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. Це друга фор­ма бродіння за Нейбергом.

Якщо у процесі бродіння у розчин добавити бікарбонат натрію або двозаміщений фосфорнокислий натрій, також утворю­ється гліцерин, оскільки ацетальдегід перетворюється в резуль­таті реакції дисмутації на етанол та оцтову кислоту і тому не може служити акцептором водню. Це третя форма бродіння за Ней­бергом. Пертою формою бродіння є нормальне дріжджове бродіння.

Ефект Пастера. Зброджування дріжджами глюкози — про­цес анаеробний, хоча дріжджі є аеробними мікроорганізмами. 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. Утворення етанолу бактеріями

Відомий для дріжджів шлях утворення етанолу (гліколіз, піруватдекарбоксилазна реакція, відновлення ацетальдегіду) з усіх досліджених бактерій виявлений тільки у Sarcina uentriculi.

Бактерія Zymomonas mobills розщеплює глюкозу КДФГ-шляхом, піруват розкладається у піруватдекарбоксилазній реак­ції на ацетальдегід і СО₂, ацетальдегід відновлюється до етанолу (див. рис.6.13). Єдиними продуктами бродіння у цьому разі є ета­нол, вуглекислий газ і невеликі кількості молочної кислоти. У процесі бродінь, що здійснюються деякими видами ентеро-бактерій і клостридіями, етанол є побічним продуктом. Поперед­ник етанолу — ацетальдегід — утворюється у цьому разі не з піру-вату, а шляхом відновлення ацетил-КоА.

Зовсім іншим шляхом утворюють етанол гетероферментативні молочнокислі бактерії Leuconostoc mesenteroides (див. рис. 6.13). Глюкоза розкладається пентозофосфатним шляхом до пентозо-фосфату. Ксилулозо-5-фосфат за участю фосфокетполази пере­творюється на ацетилфосфат і гліцеральдегід-3-фосфат:

Ксилулозо-5-фосфат + Ф —> Ацетилфосфат + Гліцеральдегід-3-фосфат.

Рис.6.13. Спиртове бродіння

Ацетилфосфат відновлюється ацетальдегіддегідрогеназою та алкогольдегідрогеназою до етанолу. Інший продукт розщеп­лення глюкози — гліцеральдегід-3-фосфат — відновлюється до лактату через піруват.

МОЛОЧНОКИСЛЕ БРОДІННЯ І РОДИНА LACTOBACILLACEAE

Характеристика молочнокислих бактерій

Молочнокислі бактерії об'єднують у родину LactobacilІасеае. Ця група є морфологічно гетерогенною, але має спільні фізіологічні ознаки. Всі бактерії є грампозитивними, не утво­рюють спор (за винятком Sporolactobacillus inulinus), переваж­но нерухливі. Всі вони використовують вуглеводи як джерело вуглецю та енергії і виділяють молочну кислоту. На відміну від ентеробактерій, які теж виділяють лактат, молочнокислі бактерії здатні тільки до бродіння, вони не містять гемопротеїнів (цитохромів і каталази). Проте представники родини Lactobacillaceae 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 в-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. delbruekii, L. fermentum, L. brevis, Streptococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides);кишечник і слизові оболонки людини й тварин (Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium bifidum, Streptococcus faecalis, S. bouts, 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.

Гомоферментативне молочнокисле бродіння

Гомоферментативні молочнокислі бактерії утворюють тіль­ки одну молочну кислоту (вона становить не менше 90 % усіх продуктів бродіння). Глюкоза катаболізується гліколітичним шляхом. Водень, який відщеплюється під час дегідрування гліцеральдегід-3-фосфату у вигляді НАДН, передається на піруват рис. 6.14). У присутності лактатдегідрогенази піруват віднов­люється до лактату. Лише невелика частина пірувату декарбоксилюється та перетворюється на оцтову кислоту, етанол і СО₂, а також адетоїн. Гомоферментативне молочнокисле бродіння здійснюють стрептококи, серед лактобацил — Lactobacillus lactis, L. bulgaricus, L. delbruckii, L. acidophilus.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння

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

Рис. 6.14. Молочнокисле бродіння

триозофосфатізомераза. Початкове розщеплен­ня глюкози у них відбувається лише пентозофосфатним шляхом (див. рис6.14). Рибулозо-5-фосфат під дією епімерази перетворю­ється на ксилулозо-5-фосфат, який в результаті реакції, що ката­лізується пентозофосфокетолазою, розщеплюється з утворенням глідеральдегідфосфатутаацетилфосфату. 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.

Інші 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.

Зброджування фруктози здійснюється за рівнянням

3 Фруктоза -» Лактат + Ацетат + СО₂ + Маніт.

Фруктоза при цьому служить акцептором надлишкових відновлювальних еквівалентів і відновлюється до маніту.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння здійснюють Leuconostoc mesenteroides, L. fermentum, L. brevls, Bifidobacte­rium bifidum.

Бродіння, яке здійснюється Bifidobacterium bifidum. Ця бак­терія отримала назву за свою V- та Y-подібну форму (лат. bif idus — роздвоєний). Вона відома тим, що переважає в кишечнику немов­лят. Всі представники роду Bifidobacterium є строгими анаероба­ми, вони ростуть в атмосфері, яка містить 10 % СО₂. Біфідобактерії розщеплюють глюкозу на молочну кислоту та ацетат. Причо­му вони не мають ні альдолази, ні глкжозо-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 ксилу-лозо-5-фосфат. Ксилулозо-5-фосфат у свою чергу дає ацетилфос­фат і гліцеральдегідфосфат. Ацетилфосфат відновлюється до аце­тату, а гліцеральдегідфосфат через піруват — до лактату.

Використання молочнокислих бактерій

Розмножуючись, молочнокислі бактерії сильно знижують рН (до значень, менших за 5,0) і тим самим пригнічують ріст інших анаеробних бактерій. Завдяки такій стерилізувальній і кон­сервувальній дії вони використовуються в домашньому та сіль­ському господарстві, молочній промисловості. У домашньому госпо­дарстві, насамперед для квашення капусти, у молочній промис­ловості — для виготовлення заквасок з метою одержання молочно­кислих продуктів (сметана, кефір, йогурти, ряжанка та ін).

Виготовлення силосу. Для виготовлення силосу викорис­товуються молочнокислі бактерії, які живуть на рослинах та їх залишках. Для цього використовують листя цукрових буряків, кукурудзи, картоплі, трави та люцерни. Рослинну масу пресу­ють, добавляють мелясу (з метою підвищення співвідношення вуглець: азот), підкислюють з метою створення сприятливих для росту молочнокислих бактерій умов. У таких умовах відбува­ється контрольоване молочнокисле бродіння.

ПРОПІОНОВОКИСЛЕ БРОДІННЯ ТА ПРОПІОНОВОКИСЛІ БАКТЕРІЇ

Характеристика пропіоновокислих бактерій

Ці бактерії існують у рубці та 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 основі 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.

Утворення пропіонової кислоти

Відновлення лактату чи пірувату до пропіонової кислоти відбувається метилмалоніл-КоА-шляхом (рис.6.15) Спочатку піруват перетворюється на оксалоацетат, який відновлюється через малат і фумарат до сукцинату. Транспорт електронів на дій ділянці спряжений з фосфорилюванням (фумаратне дихання). Далі сукцинат трансформується у сукциніл-КоА та метилмалоніл-КоА, у процесі декарбоксилювання якого утво­рюється пропіоніл-КоА.

Таким шляхом пропіонат утворюється у більшості пропіоновокислих бактерій, а також у Velllonella alcalescens, Selenomonas ruminantium Пропіоніл-КоА може утворюватись також акриолоїл-КоА-шляхом(див рис.6.15). Проміжним продуктом при цьомує похід­не акрилової кислоти — акрилоїл-КоА. Так відбувається утво­рення пропіонату у Clostridlum proplonicum, Bacteroides ruminicola, Megasphaera elsdenii.

.

Рис. 6.15. Пропіововокисле бродіння

МУРАШИНОКИСЛЕ БРОДІННЯ ТА РОДИНА ENTEROBACTERlACtAE

Характеристика ентеробактерій

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 не 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 vulgarls, Enterobacter aerogenes. До родини Enterobacteriaceae належать бактерії роду Erwinla — фітопатогенні бактерії, які уражують стебла, листя та корені рослин.

Особливості бродіння Escherichia coli. Такими особливо­стями є:

1) розщеплення пірувату на ацетил-КоА та форміат (мура­шина кислота); 2) розкладання форміату на СО₂ 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. 6.16).

Особливості бродіння Enterobacter aerogenes. Ацетоїн утворюється з двох молекул пірувату (див. рис.6.16). Цей про цес складається з двох реакцій декарбоксилювання з виділен­ням CO₂. Саме таке інтенсивне газовиділення дало назву цій бак­терії. Проміжним продуктом є ацетиллактат. 2,3-бутандіол утво­рюється при відновленні ацетоїну за участю НАДН.

МАСЛЯНОКИСЛЕ ТА АЦЕТОНО-БУТИЛОВЕ БРОДІННЯ. КЛОСТРИДІЇ

Масляна кислота (бутират), н-бутанол, ацетон, пропанол є типовими продуктами бродіння анаеробних спороутворювальних бактерій (клостридій). Разом з клостридіями розглянемо також деякі спеціалізовані види бактерій, які утворюють у про­цесі зброджування аналогічні продукти.

Характеристика бактерій роду Clostridium

Цей рід належить до родини Васillасеае. Як і інші представ­ники цієї родини (Bacillus, Sporolactobacillus, Sporosarcina), клостридії є грампозитивними. Рухливі (перитрихально розміщені джгутики), вегетативні

Рис. 6.16. Мурашинокисле бродіння

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.

Зброджування глюкози клостридіями

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 клостри-дій процесом зброджування глюкози є бродіння, характерне для Clostridium butyricum ї Clostridium acetobutyricum (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Зброджування глюкози Clostridium butyricum та Clostridium acetobutyricum

Утворення бутирату починається з конденсації двох моле­кул ацетил-КоА і утворенням ацетоацетил-КоА, який потім від­новлюється до в-оксибутирил-КоА і бутирил-КоА. із ацетил-КоА за участю фосфотрансацетилази та ацетаткінази може утво­рюватись вільний ацетат, а також молекула АТФ. У міру утво­рення ацетату та бутирату і зумовленого накопиченням цих кислот підкислення середовища починають синтезуватись фер­менти, що каталізують утворення ацетону та бутанолу. Ацето-ацетил-КоА трансформується в ацетоацетат, декарбоксилюван-ня якого дає ацетон. За відновлення ацетону утворюється про-панол. Відновлення бутирил-КоА дає бутанол. У процесі зброд­жування глюкози клостридіями може також утворюватись і ета­нол (за відновлення ацетил-КоА). Молекулярний водень може виділятись із НАДН, одержаного дегідруванням гліцеральдегідфосфату та окисненням пірувату. Чим більше молекулярно­го водню буде одержано, тим менше потрібно синтезувати орга­нічних акцепторів водню (ацетоацетил-КоА).

Оскільки ацетон, 2-пропанол та бутанол є важливими орга­нічними розчинниками, бродіння, яке здійснюється клостридіями, має велике технічне значення.

Зброджування клостридіями субстратів, відмінних від глюкози

Етанол та ацетат. Clostridium kluyveri здатна зброджува­ти суміш етанолу й ацетату до бутирату та молекулярного вод­ню (рис. 6.18). Ацетат є додатковим акцептором водню, він утво­рюється у процесі бродіння. АТФ синтезується тільки в ацетаткіназній реакції.

Рис. 6.18.. Зброджування етанолу та ацетату Clostridium kluyveri

Глутамінова кислота. Зброджування глутамінової кисло­ти здійснюють бактерії Clostridium tetanomorphum. Це бродін­ня привернуло до себе увагу тим, що під час його дослідження була встановлена біохімічна функція вітаміну В₁₂. У процесі зброд­жування глутамату утворюються бутират, ацетат, аміак, СО₂ та молекулярний водень {рис. 6.19). Шлях катаболізму глутамату складається з ряду незвичних реакцій — утворення метиласпарагінової кислоти (за участю кофермента — похідного вітаміну В₁₂). На наступній стадії — утворення метилфумарату — відбуваєть­ся дезамінування. Метилмалат розщеплюється на ацетат і піруват. Ацетат виділяється, а піруват перетворюється на СО₂ та бутират, як показано на рис. 6.19.

Рис.6.19.. Зброджування глутамату Clostridium tetan.omorphum

Спряжене зброджування двох амінокислот (реакція Стікленда). Пептолітичні клостридії гідролізують білки і потім вико­ристовують амінокислоти. Більшість амінокислот зброджують­ся не окремо, а разом з якими-небудь іншими. Як встановив амери­канський учений Л.Г. Стік ленд (1934 p.), Clostridium sporogenes зброджує суміш аланіну та гліцину, але не може використовува­ти жодну з цих кислот окремо. Продуктами бродіння є ацетат, аміак і СО₂. Аланін є донором водню, а гліцин — акцептором. Амінокислота-донор дезамінується і перетворюється на оксокислоту. Оксокислота в результаті окиснювального декарбоксилювання перетворюється на жирну кислоту. Цей етап спряжений з фосфорилюванням і являє собою реакцію, яка постачає енергію.

Клостридії — збудники захворювань

Деякі пептолітичні клостридії можуть бути збудниками інфек­ційних хвороб у разі поранень (газова гангрена та правець), а також причиною харчових отруєнь. Якщо спори Clostridium histolyticum і С. septicum (спори цих бактерій дуже поширені в ґрунті) потрап­ляють у відкриту рану, до якої немає доступу повітря або в якій аеробні бактерії, розмножуючись, створюють анаеробні умови, то клостридії починають рости, розщеплювати за допомогою про­теаз коллаген та інші білки і здійснювати бродіння.

Найважчу форму харчового отруєння — ботулізм — спричи­няє Clostridium botulinum. Ця ґрунтова бактерія може розвивати­ся в недостатньо простерилізованих м'ясних продуктах і бобових консервах. Утворюваний нею токсин у разі споживання уражено­го продукту може спричиняти смерть внаслідок нервового паралі­чу, зокрема паралічу дихання. Проте цей токсин є термолабіль­ним та інактивується при кип'ятінні впродовж 15 хвилин.

ГОМОАЦЕТАТНЕ БРОДІННЯ. СО₂ ЯК АКЦЕПТОР ВОДНЮ

Деякі клостридії (С. thermoaceticum, C. formicoaceticum, С. cyllndrosporum) здатні переносити водень, відщеплений від субстрату в початкових реакціях окиснення, тільки на Со₂, утво­рюючи при цьому ацетат:

8[Н] + 2СО₂ -» СН₃-СООН + 2Н₂О.

Глюкоза окиснюється гліколітичним шляхом до пірувату. Піруват за допомогою піруват: фередоксин-оксидоредуктази роз­щеплюється на ацетил-КоА, СО₂ та відновлений фередоксин. Із ацетил-КоА через ацетилфосфат утворюється ацетат і АТФ. Акцепторами водню є СО₂, при цьому також утворюється ацетат.

ЗБРОДЖУВАНІ ТА НЕЗБРОДЖУВАНІ ПРИРОДНІ СПОЛУКИ

Більшість природних сполук, що складаються з вуглецю, водню, кисню та/або азоту, піддаються зброджуванню в анаероб­них умовах. Зброджуються полісахариди, гексози, пентози, багато­атомні спирти, органічні кислоти, амінокислоти (за винятком ароматичних), пурини та піримідини.

Не можуть зброджуватися насичені аліфатичні та ароматичні вуглеводні, стероїди, каротиноїди. Однією з причин цього є те, що ці сполуки можуть окиснюватися тільки в присутності молекуляр­ного кисню за участю оксигеназ. Очевидно, завдяки такій стабіль­ності вуглеводні так довго зберігаються на нафтових родовищах.

Узагальнена схема найважливіших бродінь показана на рис.6.20

.Рис. 6.20. Узагальнена схема найважливіших типів бродінь

НЕПОВНІ ОКИСНЕННЯ

Більшість аеробних мікроорганізмів у процесі дихання окиснюють органічні поживні речовини до СО₂ та води. Оскіль­ки в молекулі СО₂ досягається найвищий ступінь окиснення вуглецю, то відбувається повне окиснення. Цей тип дихання відрізняють від неповних окиснень, за яких як продукти обмі­ну виділяються частково окиснені органічні сполуки.

Кінцевими продуктами неповних окиснень можуть бути оцтова, глюконова, фумарова, лимонна, молочна кислота та інші сполуки. Оскільки ці продукти подібні до тих, що утворюються у процесі бродіння, неповні окиснення називають "окиснювальним бродінням".

Неповними окисненнями з біотехнології є такі важливі процеси, як утворення органічних кислот бактеріями та грибами; утворення амінокислот бактеріями; трансформація речовин мікроорганізмами; утворення вторинних метаболітів (антибіо­тиків, полісахаридів, вітамінів, лектинів та ін.).

Утворення оцтової кислоти та оцтовокислі бактерії

Усім оцтовокислим бактеріям притаманна здатність утво­рювати кислоти неповним окисненням цукрів або спиртів. Оцтово­кислі бактерії — це грамнегативні палички з перитрихально (Acetobacter) чи полярно (Gluconobacter) розміщеними джгутика­ми, які здатні до деякої рухливості. Характеризуються високою стійкістю до кислот. У природних умовах вони, як правило, існу­ють на рослинах. Серед оцтовокислих бактерій розрізняють гру­пи peroxydans і suboxydans. Група peroxydans — організми, які накопичують кислоту тільки як проміжний продукт. Типовим представником є Gluconobacter oxydans. У організмів групи suboxy­dans оцтова кислота не піддається подальшому окисненню (Aceto­bacter aceti, Acetobacter pasterianum). Між цими двома групами існує багато проміжних форм, які здатні окиснювати оцтову кис­лоту дуже повільно. Більшість оцтовокислих бактерій потребує для росту складних поживних середовищ.

Оцтовокислі бактерії здатні рости на середовищі з етанолом. Етанол окиснюється НАД⁺-залежними алкоголь- та ацетальде-гіддегідрогеназами з утворенням ацетату та двох молекул НАДН. Утворений НАДН використовується для одержання АТФ у дихаль­ному ланцюгу. Крім етанолу, оцтовокислі бактерії окиснюють велику кількість інших спиртів до відповідних кислот і кетонів:

Пропанол —> Пропіонат.

Ізопропанол —> Ацетон.

Гліцерин — >Діоксиацетон.

Глюкоза -> Глюконат.

Глюконат —> 5-Оксоглюконат.

Ці організми не здатні до синтезу катаболічних фермен­тів, необхідних для високоактивного розщеплення цих субстра­тів. У результаті кислоти й спирти виділяються у середовище. Оцтовокислі бактерії характеризуються наявністю ПХХ-залежної глюкозодегідрогенази.

Особливий інтерес викликає здатність оцтовокислих бак­терій окиснювати D-сорбітол до L-сорбози. Сорбоза потрібна у вели­ких кількостях для синтезу вітаміну С.