Тема 6: Брожение
Вопросы 1. 2. 3. 4. 5. Общая характеристика процесса брожения. Молочнокислое брожение Спиртовое брожение Маслянокислое брожение Пропионовокислое брожение
Брожение это способ получения энергии, при котором АТФ образуется в результате анаэробного окисления органических веществ
Сбраживаемые вещества: n Углеводы n Спирты n Органические n Аминокислоты n Пурины n Пиримидины кислоты
Основное требование к сбраживаемым веществам: должны содержать неполностью окисленные (или восстановленные) углеродные атомы (в результате брожения одна часть образовавшихся продуктов будет более окисленной, другая – более восстановленная по сравнению с субстратом)
Часть метаболитов, образующихся в результате брожения, выполняет функцию донора электронов, часть – акцептора электронов (происходит субстратное фосфорилирование)
В результате окислительно-восстановительных реакций образуются богатые энергией метаболиты: -1, 3 -дифосфоглицериновая кислота; -ацетил-Ко. А; -сукцинил-Ко. А; -ацетилфосфат; -фосфоенолпировиноградная кислота и др.
Наиболее распространённые реакции, приводящие к образованию АТФ: Ацетилфосфат + АДФ ацетат + АТФ 1, 3 -дифосфоглицериновая кислота + АДФ 3 -фосфоглицериновая кислота + АТФ Фосфоенолпировиноградная кислота + АДФ пировиноградная кислота + АТФ
Примитивность процесса брожения: В результате процесса брожения из субстрата извлекается лишь незначительная доля той химической энергии, которая в нём содержится
Продукты брожений: Органические кислоты: молочная, масляная, уксусная, муравьиная. n Спирты: этиловый, бутиловый, пропиловый. n Ацетон. n СО 2 n Н 2 n
Превращение углерода в природе Вид брожения Молочнокислое Спиртовое Возбудители Конечный продукт Lactococcus lactis Lactobacillus casei, L. cremoris, L. delbrueckii C 3 H 6 O 3 – молочная кислота C 2 H 5 OH – этиловый спирт Saccharomyces cerevisiae Уксуснокислое Acetobacter aceti Маслянокислое Clostridium butyricum Пропионовокислое Propionibacterium acidipropionici CH 3 COOH – уксусная кислота CH 3 CH 2 COOH – масляная кислота C 3 H 6 O 2 – пропионовая кислота, CH 3 COOH – уксусная кислота
Молочнокислое брожение: - гомоферментативное; - гетероферментативное
Сбраживаемые вещества: Моносахара (глюкоза!) n Дисахара (мальтоза, лактоза) n
Основные этапы брожения I. Перестройка углеродного скелета исходного субстрата 1. Расщепление дисахаров до моносахаров. 2. Образование из моносахаров исходного субстрата – глюкозо-6 -фосфата (используется 1 АТФ). 3. Образование фруктозо-1, 6 -дифосфата (используется 1 АТФ). 4. Расщепление фруктозо-1, 6 -дифосфата на 2 триозы: фосфодиоксиацетон (3 -ФГА) и 3 -ФГА (фермент альдолаза).
II. Первое субстратное фосфорилирование: 1. Окисление 3 -ФГА до 1, 3 - дифосфоглицериновой кислоты (3 -ФГА служит донором электрона). 3 -ФГА + НАД++ Ф 1, 3 -ФГК + НАД. Н 2 2. 1, 3 -дифосфоглицериновая кислота + АДФ 3 -фосфоглицериновая кислота + АТФ (из 1 молекулы глюкозы образуется 2 АТФ)
III. Второе субстратное фосфорилирование 1. Дегидратация 2 -ФГК с образованием ФЕП (степень окисления второго атома С увеличивается, а третьего – уменьшается, т. е. происходит внутримолекулярный окислительно-восстановительный процесс, в результате которого фосфатная связь у второго атома С из низкоэнергетической в молекуле 2 -ФГК превращается в высокоэнергетическую в молекуле ФЕП. ) 2. ФЕП + АДФ ПВК + АТФ (из 1 молекулы глюкозы образуется 2 АТФ)
IV. Окисление переносчика электронов НАД. Н 2 + ПВК Молочная кислота + НАД+ (ПВК служит акцептором электронов) Общий энергетический выход: образование 2 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы.
Молочнокислые бактерии Lactococcus (L. lactis) n Pediococcus (P. cerevisiae) n Lactobacillus (L. delbruckii) (грамположительные, неспоровые, неподвижные, аэротолерантные, «метаболические инвалиды» ) Местообитания: - молоко и молочные продукты - растительные остатки - пищеварительный тракт животных и человека n
Использование молочнокислых бактерий 1. Получение кисломолочных продуктов: кефира, йогурта, кумыса и др. 2. Получение сыров. 3. Квашение овощей. 4. Силосование кормов. 5. Использование в барьерной технологии производстве сырокопчёных колбас.
Спиртовое брожение Сбраживаемые вещества: углеводы
Пути спиртового брожения 1 путь (дрожжи, Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora) Идёт как при молочнокислом брожении. Отличие на этапе окисления переносчика е: ПВК ацетальдегид + СО 2 СН 3 - СООН СН 3 - СОН + СО 2 (декарбоксилирование ПВК с участием фермента пируватдекарбоксилазы) СН 3 - СОН + НАД. Н 2 СН 3 -СН 2 ОН + НАД+ (ацетальдегид служит акцептором электронов)
2 путь (клостридии, энтеробактерии) 1. Сбраживание сахаров до ПВК через гликолиз. 2. ПВК пируватдегидрогеназа ацетил-Ко. А 3. Ацетил-Ко. А + НАД. Н 2 ацетальдегид + НАД+ 4. Ацетальдегид + НАД. Н 2 этанол + НАД+
3 путь (гетероферментативные молочнокислые бактерии) Глюкоза пентозофосфатный путь ксилулозо-5 -фосфат + Р ацетилфосфат + глицеральдегид – 3 - фосфат ацетилфосфат этанол глицеральдегид -3 - фосфат молочная кислота
Микроорганизмы, осуществляющие спиртовое брожение Дрожжи n Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora n Клостридии n Энтеробактерии n Гетероферментативные молочнокислые бактерии (Leuconostoc) n
Использование спиртового брожения 1. 2. 3. 4. Производство спирта. Виноделие. Пивоварение. Хлебопечение.
Маслянокислое брожение Сбраживаемый субстрат: 1. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины) – сахаролитические клостридии. 2. Белки, пептоны, аминокислоты – протеолитические клостридии.
Сбраживание сахаров Глюкоза гликолиз ПВК Фд ок Ацетил-Ко. А + CO 2 Фд. Н 2 Фермент пируват: ферредоксин-оксидоредуктаза
Пути превращения ПВК в маслянокислом брожении
Энергетический выход зависит от соотношения окислительной и восстановительной части пути, которое, в свою очередь, зависит от состава среды, стадии роста и т. д. В среднем на 1 моль сбраживаемой глюкозы образуется 3, 3 моля АТФ.
Сбраживание аминокислот Диссимиляция аминокислоты с дальнейшим образованием ПВК. Далее – как у сахаролитических клостридий. 2. Сопряжённое окисление восстановление пары аминокислот, одна из которых окисляется, другая – восстанавливается. Энергетический выход: 1 АТФ на молекулу использованной аминокислоты 1.
Дополнительные образующиеся вещества Спирты: бутиловый, изопропиловый, этиловый и др. n Ацетон n CO 2 n
Микроорганизмы, осуществляющие маслянокислое брожение Бактерии рода Clostridium Грамположительные палочки Споровые Подвижные Строгие анаэробы Обитатели почвы
Значение клостридий Анаэробное разложение органических остатков. 2. Использование при производстве масляной кислоты. 3. Возбудители инфекционных заболеваний человека и животных (C. septicum – газовая гангрена, C. tetani – столбняк, C. botulinum – ботулизм) 1.
Пропионовокислое брожение Сбраживаемые вещества: углеводы
Бактерии, осуществляющие пропионовокислое брожение Propionibacterium Грамположительные палочки Неспоровые Неподвижные микроаэротолерантные Обитают в рубце и кишечнике жвачных
