рус | укр

Главная

Контакты

Навигация:
Арсенал
Болезни
Витамины
Вода
Вредители
Декор
Другое
Животные
Защита
Комнатные растения
Кулинария
Мода
Народная медицина
Огород
Полесадник
Почва
Растения
Садоводство
Строительство
Теплицы
Термины
Участок
Фото и дизайн
Хранение урожая









Галактоза.

Основним джерелом галактози є лактоза їжі, яка в травному тракті розщеплюється до галактози і глюкози (рис. 10.5).

1 Етап. Обмін галактози починається з перетворення її в галактозо-1-фосфат. Цю реакцію каталізує галактокіназа за участю АТФ:

2 Етап. У наступній реакції у присутності УДФ-глюкози фермент гексозо-1-фосфатуридилтрансфераза каталізує перетворення галактозо-1-фосфату в глюкозо-1-фосфат, одночасно утворюється уридиндифосфат-галактоза (УДФ-галактоза).

Глюкозо-1-фосфат, що утворився, надалі або переходить в глюкозо-6-фосфат і далі піддається перетворенням за гліколітичним шляхом, або під впливом фосфатази утворюється вільна глюкоза.

3 Етап. УДФ-галактоза піддається вельми своєрідній епімеризації під дією УДФ-глюкоза-4-епімерази.

4 Етап. УДФ-глюкозапірофосфорилаза каталізує розщеплення УДФ-глюкози з утворенням глюкозо-1-фосфату.

5 Етап. Глюкозо-1-фосфат під дією фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-фосфат і далі піддається перетворенням за гліколітичним шляхом.

 

 
 
Рис. 10.5. Метаболізм галактози.



ЗБРОДЖУВАНІ І НЕЗБРОДЖУВАНІ ПРИРОДНІ сполуки

 

Більшість природних сполук, що складаються з вуглецю, водню, кисню і (або) азоту, піддаються зброджуванню в анаеробних умовах. Передумовою для цього є можливість часткового окислення субстрату в результаті внутрішньомолекулярного розщеплювання, що супроводжується виділенням енергії (екзергонічна реакція).

Зброджуються, наприклад:

§ полісахариди,

§ гексози, пентози, тетрози,

§ багатоатомні спирти,

§ органічні кислоти (у тому числі арові кислоти, глюконат, малат, тартрат і т.п.),

§ амінокислоти (за винятком ароматичних, таких, що лише умовно піддаються зброджуванню),

§ пурини і піримідини.

Разом із сполуками, які зброджуються в анаеробних умовах, є речовини, нездатні зброджуватися:

§ насичені аліфатичні і ароматичні вуглеводні,

§ стероїди,

§ каротиноїди,

§ терпени,

§ порфірини.

У аеробних умовах всі ці речовини піддаються розщеплюванню і повністю окислюються, але в анаеробних умовах вони дуже стабільні. Стабільність їх може бути обумовлена двома причинами:

§ по-перше, більшість названих сполук містять лише атоми вуглецю і водню; при внутрішньомолекулярному розщепленні таких речовин енергія не виділяється,

§ по-друге, насичені вуглеводні і поліізопреноїди можуть окислюватися лише в присутності молекулярного кисню (під дією оксигенази).

Завдяки високій стабільності вуглеводнів в анаеробних умовах вони так довго зберігаються в нафтових родовищах. Вочевидь, в епоху утворення нафти мікроорганізми не були здатні зброджувати парафіни. Не мають вони її і до сьогодні.

 

 


ТИПИ БРОДІННЯ

Одержання енергії - необхідна передумова для життєдіяльності клітин. З трьох принципово можливих способів регенерації АТФ (дихання, бродіння і фотосинтез) бродіння - найбільш простий.

Процеси анаеробного розкладу речовин називаються бродінням. Бродіння - це такий метаболічний процес, при якому регенерується АТФ, а продукти розщеплювання органічного субстрату можуть служити одночасно і донорами, і акцепторами водню.

Оскільки перші живі організми з’явились на Землі тоді, коли її атмосфера ще не містила кисню, анаеробний розпад глюкози слід вважати найбільш давнім з біологічних механізмів, призначених для вилучення енергії з органічних харчових речовин.

Реакції, що приводять до фосфорилювання AДФ, є реакціями окислення. Від окисленого вуглецю клітини позбавляються, виділяючи С02.

Окремим етапом окислення є дегідрування, при якому водень переноситься на НАД. Акцепторами водню, що знаходиться у складі НАДН2, служать проміжні продукти розщеплення субстрату. При регенерації НАД останні відновлюються, а продукти відновлення виводяться з клітин.

При зброджуванні вуглеводів і ряду інших речовин утворюються (окремо або в суміші) такі продукти, як етанол, лактат, пропіонат, форміат, бутират, сукцинат, капронат, ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандіол, ацетон, 2-пропанол, С02 і Н2.

Залежно від того, які продукти переважають або є особливо характерними, розрізняють спиртне, молочнокисле, пропіоновокисле, мурашинокисле, маслянокисле і оцтовокисле бродіння.

Молекулярний кисень в процесах бродіння не бере участь: «Бродіння - це життя без повітря» (Л. Пастер). Багато мікроорганізмів, що здійснюють бродіння, - облігатні анаероби, а деякі - факультативні анаероби, які здатні рости як у присутності кисню, так і без нього; при цьому кисень пригнічує бродіння і воно змінюється диханням.

 

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОДІННЯ

Молочнокислі бактерії об'єднують у сімейство Lactobacillaceae. Всі вони використовують як джерело енергії вуглеводи і виділяють молочну кислоту.

На відміну від Enterobacteriaceae, які теж створюють лактат, молочнокислі бактерії здатні лише до бродіння; вони не містять гемопротеїнів (таких, як цитохроми і каталаза). Не дивлячись на це, Lactobacteriaceae можуть рости у присутності кисню повітря; будучи анаеробами, вони все ж аеротолерантні. Якщо яка-небудь бактерія росте в аеробних умовах, але не утворює каталазу, її з великою вірогідністю можна віднести до молочнокислих бактерій.

Молочнокислі бактерії - це свого роду «метаболічні інваліди», які, ймовірно в результаті своєї спеціалізації (зростання в молоці і інших середовищах, багатих живильними і ростовими речовинами), втратили здатність до синтезу багатьох метаболітів.

З іншого боку, багато з них мають здатність, якої немає у більшості інших мікроорганізмів; вони можуть використовувати молочний сахар (лактозу). У цьому вони схожі з багатьма кишковими бактеріями (наприклад, Escherichia coli).

Лактоза в рослинному царстві, мабуть, не зустрічається; вона утворюється у ссавців, виділяється з молоком і відповідно з ним же поглинається.

Таким чином, здатність використовувати лактозу можна вважати пристосуванням до середовища, характерного для кишковика ссавців. Лактоза - дисахарид, який, перш ніж вступити на шлях катаболізму гексоз, має бути розщеплений:

Галактозидаза

Лактоза + Н20 ¾¾¾¾¾¾¾¾¾® D-Галактоза + D-Глюкоза

Галактоза після фосфорилювання перетворюється на глюкозофосфат.

Залежно від того, які продукти утворюються при зброджуванні глюкози - тільки молочна кислота або також інші органічні продукти і С02, - молочнокислі бактерії прийнято підрозділяти на гомоферментативні і гетероферментативні (таблиця. 8.2).

 

Гомоферментативне молочнокисле бродіння.

Гомоферментативні молочнокислі бактерії утворюють практично тільки одну молочну кислоту (вона складає не менше 90% всіх продуктів бродіння). Катаболізм глюкози відбувається у них за фруктозодисфосфатним шляхом (бактерії мають всі необхідні для цього ферменти, включаючи альдолазу), а водень, що відщеплюється при дегідруванні гліцеральдегід-3-фосфату, передається на піруват:

 
 

 

 


Від стереоспецифічності лактатдегідрогенази і від наявності лактатрацемази залежить, який продукт утворюється - D(-)-, L(+)- або DL-молочна кислота. Лише невелика частина пірувату декарбоксилюється, перетворюючись на оцтову кислоту, етанол і С02, а також в ацетоїн (3-гідрокси-2-бутанон; ацетилметилкарбінол – СН3СОСН(ОН)СН3). Кількість побічних продуктів, що утворюються, залежить від доступу кисню.

Молочнокислі бактерії здійснюють процес утворення молочної кислоти з метою вивільнення енергії. Проте цим бактеріям також необхідні конструктивний матеріал та відновлені дегідрогенази. По відношенню до відновлених дегідрогеназ в процесі молочнокислого бродіння утворені відновлені дегідрогенази використовуються в цьому ж процесі на відновлення ПВК.

Для того щоб відновлені дегідрогенази використовувалися на конструктивні потреби, процес молочнокислого бродіння повинен йти не до кінця, і тоді частина вуглеводів може витрачатися на синтез біомаси. Для задоволення конструктивних потреб процес розкладу глюкози в анаеробних умовах за схемою молочнокислого бродінняповинен йти лише до стадії утворення ПВК, яка далі перетворюється на необхідні метаболіти. При цьому відновлені дегідрогенази витрачаються не на відновлення ПВК, а на конструктивні потреби організму.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння.

У гетероферментативних молочнокислих бактерій немає головних ферментів фруктозодифосфатного шляху - альдолази і тріозофосфатізомерази.

На початку перетворення глюкози йде у них виключно за пентозофосфатним шляхом, тобто через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат і рибулозо-5-фосфат (див. рис. ).

Рибулозо-5-фосфат під дією епімерази перетворюється на ксилулозо-5-фосфат, який в результаті тіамінпірофосфатзалежної реакції, яку каталізує пентозофосфокетолаза, розщеплюється з утворенням гліцеральдегідфосфату і ацетил фосфату.

Гліцеральдегід-3-фосфат звичайним фруктозодифосфатним шляхом (гліколітичним) через піровиноградну кислоту перетворюється в молочну кислоту, а ацетил фосфат залежно від умов культивування та типу молочнокислої бактерії може перетворюватися у різні побічні продукти: етанол, оцтову кислоту і СО2.

Клітини Leuconostoc mesenteroides, що не ростуть, зброджують глюкозу майже стехіометрично згідно з рівнянням:

с6н12о6 -> сн3-снон-соон + сн3-сн2он + со2

у лактат, етанол і двоокис вуглецю.

Таким чином, у цих бактерій ацетилфосфат відновлюється через ацетил-КоА і оцтовий альдегід в етанол.

Інші гетероферментативні молочнокислі бактерії переводять ацетилфосфат частково або повністю в оцтову кислоту, що супроводжується перенесенням високоенергетичного фосфатного зв'язку на AДФ з утворенням АТФ.

Надлишок водню передається в цьому випадку глюкозі, з якої утворюється манітол (D-маніт C6H14O6).

Рибозу Leuconostoc mesenteroides зброджує в лактат і ацетат.

При зброджуванні фруктози гетероферментативними бактеріями утворюються лактат, ацетат, С02 і манітол:

3 Фруктоза -> Лактат + Ацетат + С02 + Манітол

Фруктоза при цьому служить акцептором надлишкових відновлювальних еквівалентів:

Фруктоза + NADH2 -> Манітол + NAD

Lactobacillus plantarum (pentosus або arabinosus) зброджує глюкозу за гомоферментативним шляхом, а пентози розщеплює за допомогою фосфокетолази, перетворюючи на лактат і ацетат.

Слід зазначити, що навіть така типова гомоферментативна бактерія, як Lactobacillus casei, хоча і зброджує глюкозу за гомоферментативним шляхом, але рибозу перетворює на ацетат і лактат гетероферментативним шляхом. Рибоза індукує у неї синтез фосфокетолази. Якщо клітини, що виросли на середовищі з рибозою, відмити, то після цього вони і глюкозу зброджуватимуть як гетероферментативні бактерії.

Бродіння, здійснюване Bifidobacterium bifidum.

Гетероферментативна молочнокисла бактерія B. bifidum отримала цю назву за свою V- або Y-подібну форму (лат. bifidus - роздвоєний). Вона відома тим, що переважає в кишечнику немовлят, особливо дітей, що вигодовуються грудьми.

Цю залежність її поширення від способу годування немовляти можна пов'язати з потребою бактерії у вуглеводах, що містять N-ацетилглюкозамін, які є лише в молоці людини, але не корови.

Всі представники роду Bifidobacterium - строгі анаероби; вони не переносять присутності кисню, і для їх зростання потрібна атмосфера, що містить 10% С02.

З тих пір, як сталі відомі ці незвичайні для молочнокислих бактерій особливості, біфідобактерії були виявлені і в кишковій флорі дорослих людей, і в багатьох інших місцях, навіть в гниючому мулі, і тепер розрізняють багато видів цього роду.

Біфідобактерії розщеплюють глюкозу згідно рівнянню

6Н1206 -> 2СН3–СНОН-СООН + 3СН3-СООН

тобто зброджують її по фосфокетолазному побічному шляху. Вони не мають ні альдолази, ні глюкозо-6-фосфатдегідрогенази, але містять активні фосфокетолази, розщеплюючі фруктозо-6-фосфат і ксилулозо-5-фосфат на ацетилфосфат і еритрозо-4-фосфат або глицеральдегид-3-фосфат.

 

Використання молочнокислих бактерій в домашньому господарстві, сільському господарстві і для приготування харчових продуктів.

Якщо нестерильний розчин, що містить разом з цукрами також складні джерела азоту і фактори росту, залишити без доступу повітря або просто налити в посудину чималу кількість такого розчину, то незабаром в нім з'являться молочнокислі бактерії. Вони знижують рН до значень менше 5 і тим самим пригнічують ріст інших анаеробних бактерій, які не можуть розвиватися в настільки кислому середовищі.

Завдяки своїй стерилізуючій і консервуючій дії, основаній на підкисленні середовища, молочнокислі бактерії використовуються в сільському і домашньому господарстві і в молочній промисловості.

Приготування силосу. Молочнокислі бактерії, що мешкають на рослинах, грають велику роль при запасанні кормів для худоби. Для приготування силосу використовують листя цукрового буряка, кукурудзу, картоплю, трави і люцерну. Рослинну масу пресують і додають до неї мелясу, аби підвищити відношення C/N, і мурашину або яку-небудь неорганічну кислоту, аби заздалегідь забезпечити переважне зростання лактобацил і стрептококів. У таких умовах відбувається контрольоване молочнокисле бродіння.

Приготування кислої капусти. Кисла капуста теж є продуктом, в приготуванні якого беруть участь молочнокислі бактерії. У дрібно нарізаною, посипаною сіллю (2-3%) і спресованій білокачанній капусті при виключенні доступу повітря починається спонтанне молочнокисле бродіння, в якому бере участь спочатку Leuconostoc (з утворенням С02), а пізніше Lactobacillus plantarum.

Молочні продукти. Молочнокислі бактерії, що створюють кислоту і надають продуктам певний смак, знаходять широке використання в молочній промисловості.

Стерилізоване або пастеризоване молоко або ж вершки зброджують, додаючи як закваску чисті («стартові») культури молочнокислих бактерій.

Кисломолочне масло готують з вершків, сквашених за допомогою Streptococcus lactis, S. cremoris і Leuconostoc cremoris. Диацетил, що утворюється в процесі бродіння, додає маслу специфічний аромат.

Закваски, що містять Streptococcus lactis або Lactobacillus bulgaricus і Streptococcus thermophilus, викликають згортання казеїну при приготуванні сиру (творог) і німецьких сирів (гарцського і майнцського). При виготовленні твердих сирів (на відміну від сирів з кислого молока) для згортання казеїну користуються сичужним ферментом. Молочнокислі бактерії (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) разом з пропіоновокислими беруть участь лише на стадії дозрівання сирів.

Для приготування молочнокислих продуктів (таблиця. 8.3) як закваски теж використовуються стартові культури молочнокислих бактерій, що створюють кислоту і деякі речовини, що надають продукту характерний запах.

Ароматне пахтаньє отримують за допомогою згаданих вище заквасок, що використовують для приготування кисломолочного масла. Пахтаньє разом з молочною кислотою містить також оцтову кислоту, ацетоїн і диацетил.

Йогурт отримують з пастеризованого гомогенізованого цілісного молока, інокульованого Streptococcus thermophilus і Lactobacillus bulgaricus (після внесення закваски молоко витримують 2-3 год. при 43-45°С).

Під назвою біогурт у продаж надходить кисле молоко, сквашене Lactobacillus acidophilus і Streptococcus thermophilus.

Кефір належить до молочнокислих продуктів, що містять кислоти і етанол; його отримують з молока (коров'ячого, овечого або козиного). Закваску готують на так званих кефірних зернах, які складаються з поки що не повністю вивченого співтовариства організмів, що включає лактобацили, стрептококи, мікрококи і дріжджі. Квашення молока ведуть при 15-22°С протягом 24-36 год.

Для приготування кумису використовують осляче молоко, яке инокулируют культурою, Lactobacillus, що містить, bulgaricus і дріжджі роду Torula.

Чисту молочну кислоту, яка використовується для різних промислових цілей і як добавка до харчових продуктів, отримують в результаті бродіння. Молоко або сироватку зброджують за допомогою lactobacillus casei або L. bulgaricus.

Для зброджування глюкози і мальтози застосовують L. delbruckii, L. leichmannii або Sporolactobacillus inulinus. Джерелом необхідних факторів росту служать меляса і солод.

Утворення кислоти в кислому тісті, що використовується для його підйому, теж забезпечується молочнокислими бактеріями, зокрема Lactobacillus plantarum і L. coryneformis.

Стартові культури лактобацил і мікрококів застосовуються також для приготування сирокопчених ковбас (салямі, сервелат). Утворюючи молочну кислоту і знижуючи рН, молочнокислі бактерії оберігають від псування ті види ковбас, які не піддаються варінню.


 

 

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 дихання[1]).

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.

 

МАСЛЯНОКИСЛЕ І АЦЕТОНО-БУТИЛОВЕ БРОДІННЯ.

Масляна кислота (бутират), н-бутанол, ацетон, 2-пропанол і ряд інших органічних кислот і спиртів є типовими продуктами зброджування вуглеводів анаеробними спороутворюючими бактеріями (клостридіями – Род Clostridium відноситься до сімейства Васillасеає). Тому клостридії, а також деякі спеціалізовані види, що зброджують лише етанол, амінокислоти або інші речовини, розглядаються тут у зв'язку з маслянокислим бродінням, яке вони викликають.

Біохімія бродіння і його продукти.

При бродінні утворюються в різних співвідношеннях кислоти (масляна, оцтова, молочна), спирти (бутанол, етанол, 2-пропанол), а також ацетон і газоподібні продукти (Н2 і С02).

Клостридії розщеплюють глюкозу за фруктозодисфосфатним шляхом. Водень, що звільняється при дегідруванні гліцеральдегід-3-фосфату, переноситься, як правило, на органічні кислоти або кетони, що утворюються з пірувату або ацетил-КоА.

Прототипом бродіння, що здійснюється клостридіями, можна вважати зброджування глюкози Clostridium butyricum і С. acetobutylicum; при цьому утворюються бутират, ацетат, бутанол, етанол, ацетон, 2-пропанол, С02 і Н2. Вихід продуктів варіює залежно від умов.

 
 

 

 


Масляна кислота (бутират) - продукт конденсації двох молекул ацетил-КоА за участю тіолази з утворенням ацетоацетил-КоА і його подальшим відновленням (рис. 8.4).

Ацетоацетил-КоА відновлюється за рахунок НАДН2 за участю b-гідроксибутирил-КоА-дегідрогенази до 3-гідроксибутирил-КоА.

Від останнього за допомогою кротонази відщеплюється вода.

Кротоніл-КоА під дією флавінового ферменту бутирил-КоА-дегідрогенази відновлюється до бутирил-КоА.

Від бутирил-КоА за допомогою КоА-трансферази КоА може переноситися на ацетат; при цьому звільняється масляна кислота, яка виходить в середовище.

З ацетил-КоА за участю фосфотрансацетилази і ацетаткінази може бути отриманий вільний ацетат, що супроводжується синтезом АТФ з AДФ.

При чистому маслянокислому бродінні водень, що утворюється при окисленні пірувату, виділяється в газоподібному вигляді. Коли глюкоза зброджується згідно рівнянню

Глюкоза ®Бутират + 2С02 + 2Н2

баланс водню сходиться; на одну молекулу глюкози утворюються три молекули АТФ.

Бутанол, бутират, ацетон і 2-пропанолутворюються при зброджуванні глюкози клітинами Clostridium acetobutylicum. При цьому спочатку виділяється також масляна кислота; проте по мірі підкислення середовища починають синтезуватися ферменти (у тому числі ацетоацетатдекарбоксилаза), дія яких призводить до накопичення ацетону і бутанолу.

Процеси утворення цих речовин тісно пов'язані між собою. В результаті декарбоксилювання частини ацетоацетату втрачається потенційний акцептор водню, який при відновленні в бутират міг би двічі приєднати 2[Н]. Цей водень так чи інакше має бути переданий іншим акцепторам, у тому числі і бутирату, що тільки що утворився.

Для відновлення до бутанолу бутират має бути спочатку активований шляхом перетворення в бутирил-КоА.

Реакції, що відбуваються при утворенні бутирату, ацетону і бутанолу, представлені на рис. .

При бродінні в лужному середовищі (наприклад, у присутності СаСО3) С. acetobutylicum поводиться як С. butyricum. Деякі штами відновлюють ацетон і виділяють 2-пропанол.

Етанол утворюється в результаті відновлення ацетил-КоА.

Молекулярний водень може походить з НАДН2, що утворюється як при розкладі пірувату, так і при дегідруванні гліцеральдегід-3-фосфату.

Чим більше водню може бути утворений при цьому, тим менше потрібно синтезувати акцепторів водню (ацетоацетил-КоА). Таким чином, енергія зв'язку ацетил-КоА може бути збережена у формі АТФ. Значить, якщо при зброджуванні глюкози С. butyricum на одну молекулу глюкози утворюється більше двох молекул Н2 і тому менше бутирату і відповідно більше ацетату, тому вихід АТФ може перевищувати 3 молекули (див. нижче про Ruminococcus).


       
 
 
   

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.

 

 

               
 
 
   
 
   
Баланс АТФ   Баланс НАД×Н2
синтез + 4 АТФ   синтез + 2 НАД×Н2
витрати – 2 АТФ   витрати – 2 НАД×Н2
Вихід + 2 АТФ   Вихід 0

 

 
   

 

 

Аеробний розклад вуглеводів

 

Анаеробне та аеробне перетворення вуглеводів тісно пов’язані між собою. Це виявляється у тому, що обидва процеси проходять однаково до стадії утворення ПВК; в них беруть участь одні і ті самі ферменти та утворюються однакові проміжні продукти. Відмінності між цими перетвореннями вуглеводів починаються з перетворення ПВК. В аеробних умовах піруват окисляється до вуглекислого газу та води в аеробній стадій катаболізму, яка називається диханням.

Спершу піруват окисляється до ацетил-КоА та вуглекислого газу. Це відбувається під впливом ферментів, об’єднаних структурно в піруватдегідрогеназний комплекс. Це мультиферментна система, що знаходиться в еукаріотичних клітинах в мітохондріях, в прокаріотичних - в цитоплазмі.

СН3–СО–СООН + НАД + КоА–SН ®СН3СО~S–КоА + НАД×Н2 + СО2

Ця реакція проходить в декілька стадій. В ході її відбувається окислювальне декарбоксилювання пірувату, в результаті якого карбоксильна група пірувату видаляється у вигляді молекули вуглекислого газу, а її ацетильна група включається до складу ацетил-КоА. Утворений НАД∙Н2 передає водень в дихальний ланцюг.

Утворений ацетил-СоА вступає в цикл лимонної кислоти (цикл трикарбонових кислот, цикл Кребса), який, на відміну від гліколізу, що включає лінійну послідовність ферментативних реакцій, працює в циклічному режимі.

Реакції цикл Кребсу відбуваються у мітохондріях. Цикл трикарбонових кислот був відкритий англійським біохіміком Гансом Кребсом. За це видатне відкриття Кребс отримав Нобелівську премію в 1953 р. разом з Ф. Ліпманом.

Цикл Кребсу є центром, в якому сходяться практично всі метаболітичні шляхи, це кінцевий шлях окислення вуглеводів, жирних кислот, амінокислот.

 

 

 
 

 

 


Реакція, що каталізується цитрат-синтазою, представляє собою конденсацію ацетил-КоА та ЩОК, утворюється лимонна кислота, відбувається розщеплення тіоефірного зв’язку та вивільнення коферменту А. Звільнений SH-КоА може тепер брати участь у окислювальному декарбоксилюванні нової молекули пірувату з утворенням нової молекули ацетил-КоА.

Фермент аконітаза каталізує оборотне перетворення лимонної кислоти в ізолимонну. Як проміжний продукт (в нормі він не відділяється від активного центру ферменту) утворюється трикарбонова цисаконітова кислота. В клітині ця реакція протікає зліва направо, оскільки продукт реакції (ізолимонна кислота) швидко захоплюється в наступні стадії циклу. Аконітаза містить залізо та кислотолабільні атоми сірки, згруповані в залізо-сірчистий центр.

На наступній стадії циклу ізолимонна кислота дегідрується з утворенням a-кетоглутарової кислоти та вуглекислого газу під дією ізоцитратдегідрогенази. Існує два типи ізоцитратдегідрогенази: одна використовує як акцептор електронів НАД, а інша - НАДФ. Перший тип ферменту зустрічається лише в мітохондріях, другий в мітохондріях та в цитозолі. В циклі Кребса беруть участь обидва типи ферменту, але переважає НАД-залежна ізоцитратдегідрогеназа. Для її дії необхідні іони магнію або марганцю, а також специфічний активатор АДФ.

Потім відбувається окислювальне декарбоксилювання a-кетоглутарової кислоти з утворенням високоенергетичної сполуки сукциніл-КоА та СО2, що каталізується a-кетоглутаратдегідрогеназним комплексом.

Наступна реакція каталізується ферментом сукциніл-КоА-синтетазою. В ході цієї реакції сукциніл-КоА за участі ГДФ та неорганічного фосфату перетворюється в янтарну кислоту (сукцинат). Одночасно відбувається утворення високоергічного зв’язку ГТФ за рахунок високоергічного тіоефірного зв’язку сукциніл-КоА. Утворення ГТФ в даному випадку називається фосфорилювання на рівні субстрату, тому що джерелом необхідної енергії є окислення одного з органічних субстратів. ГТФ може потім передавати свою кінцеву фосфатну групу на АДФ з утворенням АТФ, ця оборотна реакція каталізується нуклеозид-дифосфат-кіназою.

Потім янтарна кислота дегідрується з утворенням фумарової кислоти, що каталізується сукцинатдегідрогеназою, в молекулі якої з білком міцно (ковалентно) зв’язаний кофермент ФАД. Сам фермент міцно зв’язаний з внутрішньою мітохондріальною мембраною.

Оборотна гідратація фумарату, внаслідок чого утворюється яблучна кислота (L-малат), каталізується фумарат-гідратазою (або ще відомий як фумараза). Фумараза високоспецифічна: вона гідратує лише транс-форму подвійного зв’язку фумарату і не діє на його цис-форму, а також ні на цис-, ні на транс-форму монокарбонових ненасичених кислот. В оборотній реакції фумараза проявляє специфічність у відношенні оптичних ізомерів; вона не здатна каталізувати дегідратацію D-малату. Кофермент для фумарази не потрібен.

На останній стадій циклу лимонної кислоти НАД-залежна L-малатдегідрогеназа, що міститься в матриксі мітохондрій, каталізує дегідрування L-малату з утворенням ЩОК (оксалоацетату). Рівновага цієї реакції при стандартних умовах (тобто при концентраціях всіх компонентів 1 М та рН 7) сильно змішена вліво. Але в клітині реакція іде зліва направо, тому що продукт реакції (оксалоацетат) швидко видаляється (витрачається в цитрат-синтазній реакції) і його реальна концентрація в клітині залишається весь час надзвичайно низькою.

За один оборот циклу, що складається з восьми ферментативних реакцій, відбувається повне окислення (“згоряння”) однієї молекули ацетил-КоА. Для безперервної роботи циклу необхідне постійне поступання в систему ацетил-КоА, а коферменти (НАД і ФАД), що перейшли у відновлений стан, повинні знову окислятись. Окислення НАД.Н2 і ФАД.Н2 здійснюється в дихальному ланцюзі.

 

Просмотров: 491

Вернуться в категорию: Болезни

© 2013-2018 cozyhomestead.ru - При использовании материала "Удобная усадьба", должна быть "живая" ссылка на cozyhomestead.ru.